Hydrothermal liquefaction/gasification of anaerobically digested biomass for biochemical and biofuel production

Küresel enerji talebinin 2040 yılına kadar mevcut seviyelere kıyasla neredeyse %28 artması beklenmektedir. Küresel çapta enerji tüketiminin hızla artması ve fosil yakıtların kontrolsüzce kullanılması enerji krizine yol açarken, küresel ısınma ve iklim değişikliği gibi çevresel sorunları beraberinde getirmiştir. Yenilenemeyen enerji kullanımının, temiz ve yenilenebilir bir enerjiye dönüştürülmesi ile karbondan arınmış bir enerji sistemine geçiş hedeflenmektedir. Düşük karbonlu enerji sistemine geçiş sürecinde biyoenerjiye olan ilgi artarken, 2050'de endüstrideki tüm biyokütle kullanımının yaklaşık %60'ını kimya ve petrokimya sektörlerinin tek başına oluşturacağı ön görülmektedir. Bu çalışmada anaerobik olarak sindirilmiş su sümbülünün laboratuvar ölçeğinde hidrotermal sıvılaştırılması/gazlaştırılması ile biyokimyasal (5-hidroksimetilfurfural (5-HMF), furfurallar, karboksilik asitler ve fenoller) ve biyoyakıt (H2 ve CH4) üretimi gerçekleştirilmiştir. Hidrotermal işlemler öncesinde biyokütlenin anaerobik olarak sindirilmiş olmasının etkileri incelenmiş ve elde edilen sonuçlar kıyaslanmıştır. Ayrıca farklı sıcaklıklarda (200, 300, 400, 500, 600 °C) denemeler yapılarak optimum çalışma koşulları belirlenmiştir. %40,4-73 (mg C ürün/mg C besleme) aralığında bulunan karbon gazlaştırma verimi (CGE) artan sıcaklıkla artış göstermiştir. Yapılan çalışmalarda en yüksek gazlaştırma verimi (%73 mg C ürün/mg C besleme), D4 örneği (anaerobik sindirim verimi yüksek) ile 600 °C’de elde edilmiştir. Karbon sıvılaştırma verimi (CLE) %18,8-37,2 aralığında bulunmuştur ve en yüksek CLE değeri (%37,2 mg C ürün/mg C besleme) 200°C’de D6 ile yapılan denemede elde edilmiştir. Yüksek sıcaklıklarda CLE değerlerinin düştüğü görülmüştür. Farklı sıcaklıklarda yapılan denemelerde sıcaklık arttıkça gaz ürün içeriğindeki H2, CH4, CO, CO2 C2-C4 mol gaz/kg C besleme temelinde miktarlarının arttığı tespit edilmiştir. Sindirilmiş su sümbülünün 600°C’de gazlaştırılması sonucu 25 mol CH4/ kg C besleme, 39,3 mol H2/ kg C besleme üretilmiştir. Sindirilmemiş su sümbülü ile aynı sıcaklıkta 10 mol CH4/ kg C besleme, 25 mol H2/ kg C besleme üretilmiştir. Sıvı ürünler çok sayıda bileşikten oluşmaktadır ancak bu çalışma sadece yüksek konsantrasyonlarda açığa çıkan bileşiklere odaklanmıştır. Bu bileşikler; karboksilik asitler (glikolik asit, formik asit, asetik asit), furfurallar (5-metil furfural, 5-hidroksi metil furfural, furfural), fenoller (kresoller, resorsinol, katekol, 2,4-dimetilfenol, 4-metil guaiakol vb.), aldehitler ve ketonlardır (3-metil-2-siklopenten-1-on, 2-siklopenten-1-on). Artan sıcaklıkla birlikte toplam karboksilik asit, toplam furfural, toplam aldehit ve keton miktarında azalma gözlenmiştir. Bunların aksine toplam fenol miktarında 500 °C’ye kadar artış, 500 °C’de sonra azalma meydana gelmiştir. Sindirilmemiş biyokütlenin sıvı ürün verimleri sindirilmiş biyokütleye kıyasla daha yüksek çıkmıştır. Sindirilmiş biyokütlenin içerdiği organik karbonun bir kısmı anaerobik sindirim (AS) sırasında biyogaza dönüşmüştür, sindirilmemiş biyokütle ise herhangi bir işlemden geçmediği için hidrotermal sıvılaştırma sırasında daha fazla sıvı ürün oluşumu gerçekleşmiştir. Gaz ürün verimleri açısından değerlendirdiğimizde ise biyokütlenin lignoselülozik yapısının anaerobik sindirim ile parçalanması sonucu, sindirilmiş biyokütle ile daha yüksek verimde hidrojen ve metan elde edilmiştir. Anaerobik sindirim ve hidrotermal işlemlerin ardışık olarak uygulandığı bu sistem ile biyokütlenin tam dönüşümü gerçekleştirilmiştir. Anaerobik sindirimin bir ön-işlem olarak uygulanması H2 ve CH4 verimini artırmıştır. Atık değerlendirme yapılarak “Yeşil Enerji” ve “Sıfır Atık” anlayışı benimsenmiştir.Global energy demand is expected to increase by almost 28% compared to current levels by 2040. The rapid increase in global energy consumption and the uncontrolled use of fossil fuels lead to an energy crisis, they have brought environmental problems such as global warming and climate change. It is aimed to transform the use of non-renewable energy into a clean and renewable energy and transition to a carbon-free energy system. The interest in bioenergy has increased in the transition process to a low-carbon energy system. It is predicted that, the chemical and petrochemical sectors will alone constitute approximately 60% of all biomass use in the industry in 2050. In this study, biochemical (5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), furfurals, carboxylic acids and phenols) and biofuels (H2 and CH4) were produced by hydrothermal liquefaction/gasification of anaerobically digested biomass at laboratory scale. The effects of anaerobically digested biomass before hydrothermal processes were examined and the results were compared with the ones which were not digested. In addition, optimum working conditions were determined by conducting experiments at different temperatures (200, 300, 400, 500, 600 °C). The carbon gasification efficiency (CGE), which was in the range of 40.4-73% (mg C product/mg C feed), increased with increasing temperature. The highest gasification efficiency (73 mg C product/mg C feed) was obtained at 600 °C with the D4 sample (high anaerobic digestion efficiency). The carbon liquefaction efficiency (CLE) was found in the range of 18.8-37.2%, and the highest CLE value (37.2 mg C product/mg C feed) was obtained in the experiment with D6 at 200°C. It was observed that CLE values decreased at high temperatures. In the experiments carried out at different temperatures, it was determined that the amount of H2, CH4, CO, CO2, C2-C4 (mol gas/kg C in feed) in the gas product content increased as the temperature increased. As a result of gasification of digested water hyacinth at 600°C, 25 mol CH4/kg C in feed, 39.3 mol H2/kg C in feed were produced. 10 mol CH4/kg C in feed, 25 mol H2/kg C in feed were produced with undigested water hyacinth at the same temperature. Aqueous products are composed of many compounds, but this study focused only on compounds found in high concentrations. These compounds are carboxylic acids (glycolic acid, formic acid, acetic acid), furfurals (5-methyl furfural, 5-hydroxy methyl furfural, furfural), phenols (cresols, resorcinol, catechol, 2,4-dimethylphenol, 4-methyl guaiacol etc.), aldehydes and ketones (3-methyl-2-cyclopenten-1-one, 2-cyclopenten-1-one). The amount of total carboxylic acid, total furfural, total aldehyde and ketone decreased with increasing temperature. On the contrary, the total amount of phenol increased up to 500 °C and decreased after 500 °C. The liquid product yields of the undigested biomass were higher than that of digested one. Some of the organic carbon contained in the digested biomass was converted to biogas during anaerobic digestion. Since the undigested biomass did not undergo any treatment, more liquid product formation occurred during hydrothermal liquefaction. When we evaluate it in terms of gas product yields, as a result of the degradation of the lignocellulosic structure of the biomass by anaerobic digestion, higher yields of hydrogen and methane were obtained with the digested biomass. Complete conversion of biomass was achieved with the hybrid system. Application of anaerobic digestion as a pretreatment increased the yield of H2 and CH4. "Green Energy" and "Zero Waste" understanding has been adopted by making waste evaluation