Hoe de Gas- en Vloeistofprocessen in Bioreactoren de Productie van Biomassa en Metabolieten Beïnvloeden

In de studie van intracellulair metabolisme in combinatie met de convectie-dispersie-reactie-evenwichten voor de bubbelkolomtransportprocessen, werd aangenomen dat er ideale plugflow was voor de dampfase en plugflow plus axiale dispersie voor de vloeistoffase. Dit is een redelijke veronderstelling bij gasoppervlaktetempo’s van minder dan 5 cm/s, zoals in het bubbly flow-regime, en vloeistofsnelheden kleiner dan 0,02 cm/s, zoals in het onderzoek werd gebruikt. Het model ging ervan uit dat de convectie en dispersie zich alleen in de axiale richting voordoen.

De massa-balans van de Clostridium ljungdahlii-biomassa werd bepaald door de volgende formules, waarbij X de biomassa-concentratie is, μ de cellulaire groeisnelheden (h−1) die verkregen zijn uit de flux-balansberekeningen, en DA de axiale dispersiecoëfficiënt van de vloeistoffase. De waarden van de vloeistofsnelheid en het volume van de vloeistoffase werden meegenomen in de berekeningen. Aan het reactorinvoer werd een typische grenswaarde van Danckwert’s opgelegd, en aan het reactoruitgang werd een nulgradiënt gebruikt.

Massabalansen van de opgeloste gasvormige substraten werden ook gemodelleerd, waarbij de concentraties van CO en H2 in de vloeistoffase (mmol/L) en hun verbruikssnelheden (mmol/gDW/h) werden berekend. Gas-vloeistof-massatransfercoëfficiënten en de verzadigde concentraties in de vloeistoffase werden berekend met behulp van de wet van Henry bij specifieke temperatuur en druk.

De massa-balansen in de gasfase werden eveneens gemodelleerd voor CO en H2, waarbij de concentraties werden berekend op basis van de ideale gaswet. Aangezien de gasvormige concentraties aan de reactorinvoer werden afgeleid van de partiële drukken van het invoergas, werd ervan uitgegaan dat deze concentraties uniform waren aan het begin van de reactor. Bovendien werd aangenomen dat de concentraties van de belangrijkste metabolische producten, zoals ethanol en acetaat, alleen in de vloeistoffase aanwezig waren, omdat de volatiliteit in de kolomcondities als laag werd beschouwd.

De massa-balansen van vloeistof- en gasfase CO2 werden eveneens gemodelleerd, met behulp van fluxen die berekend waren vanuit de flux-balansmodellen en gas-vloeistof-massatransfercoëfficiënten. Het reactor werd als isotherm verondersteld, met een drukprofiel berekend uit de vloeistofkolomhoogte, met een atmosfeerdruk aan de bovenkant van de reactor. Dit model maakte het mogelijk om de oplosbaarheid van het gas in de onderste delen van de kolom te begrijpen en zo de prestaties van de reactor beter te voorspellen.

Het berekenen van de gas- en vloeistofvolume-fracties in bubbelkolomreactoren is echter zeer complex, omdat deze fracties afhankelijk zijn van veel operationele parameters, zoals de gasstroomsnelheid. Er werd een eenvoudig model ontwikkeld om de relatie tussen de gasstroomsnelheid en de volume-fractie te beschrijven, wat belangrijk is voor het optimaliseren van de reactorcondities en het verbeteren van de massatransfer.

De Membrane Biofilm Reactor (MBFR) heeft ook geleid tot veelbelovende experimenten voor de productie van vetzuren met korte en middellange ketens, die worden gegenereerd door een gemengde microbiële cultuur uit H2 en CO2. In de MBFR werd H2 en CO2 geleverd door gasdoorlatende membranen die tevens als ondersteuning voor de biofilm fungeerden. De productie van acetaat, boterzuur en caproaat uit een syngas dat 60% H2 en 40% CO2 bevatte, werd gekarakteriseerd door Monod-equaties die rekening houden met niet-competitieve inhibitie van vetzuren die geen substraat zijn. Het model omvatte vier oplosbare species: waterstof (H2), acetaat (SA), boterzuur (SBu), caproaat (SCa), en twee deeltjes: functionele biomassa (XB) en inertie biomassa (XI).

In de Hollow-Fibre Membrane Bioreactor (HFMBR), die speciaal wordt gebruikt voor syngasfermentatie, is het gasvormige substraat via een membraan in de vloeistoffase gegaan. Het membraan vergroot de specifieke oppervlaktespanning en zorgt voor een zeer efficiënte massatransfer tussen de gas- en vloeistoffase. Het gebruik van een membraandiffusor in de HFMBR biedt voordelen, zoals een verhoogde diffusiesnelheid van gasvormige substraten naar de vloeistof, en dit resulteert in een hogere productie van metabolieten, zoals ethanol en azijnzuur.

De resultaten van deze experimenten, waaronder de gemeten specifieke massatransfersnelheden en gas-vloeistofrelaties, benadrukken de sleutelrol die membraantechnologieën spelen in het optimaliseren van fermentatieprocessen. De gebruikelijke afhankelijkheid van de massatransfer van de oppervlakte van het membraan, de recirculatiesnelheid van water en de volumetrische gasstroomsnelheid biedt belangrijke inzichten voor de toekomstige ontwikkeling van reactorontwerpen.

Het is belangrijk te begrijpen dat de afstemming van reactorontwerpen en de interactie tussen verschillende fasen, zoals gas, vloeistof en biomassa, essentieel zijn voor het behalen van efficiënte productie van metabolieten. De combinatie van experimenten met nauwkeurige modellering, zoals die in dit onderzoek, biedt waardevolle informatie voor het verbeteren van industriële biotechnologische processen die afhankelijk zijn van fermentatie en gasverwerkingstechnologieën.

Hoe Ultradun Capacitors de Energieopslag Revolutioneren

Ultradunne capacitors (UC) bieden aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele chemische batterijen, vooral op het gebied van de cyclusefficiëntie. UC's kunnen aanzienlijk meer laad- en ontlaadcycli doorstaan zonder merkbare slijtage, waardoor ze veel duurzamer zijn. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor toepassingen die frequente en snelle lading-ontlaadcycli vereisen. Het grootste obstakel bij UC's blijft echter hun lagere specifieke energie in vergelijking met chemische batterijen, evenals de aanzienlijke spanningsvariaties tussen individuele cellen. De spanning van een UC is direct evenredig met de staat van lading (SOC), wat betekent dat de werkingsspanning binnen een smalle marge moet blijven of dat geavanceerde elektronica nodig is om deze variaties te compenseren.

Hoewel UC's minder energie kunnen opslaan dan traditionele batterijen, bieden ze enorme voordelen op het gebied van vermogen, vooral bij toepassingen die snelle energieafgifte vereisen. UC's kunnen in staat zijn om enorme hoeveelheden energie in zeer korte tijd te leveren, wat ze uitermate geschikt maakt voor piekbelastingperioden. Dit onderscheidt ze van andere opslagsystemen die mogelijk beter presteren op het gebied van energieopslag maar langzamer zijn in het leveren van energie.

Een UC werkt door het gebruik van twee elektroden met een dunne isolator ertussen. Wanneer een UC geladen wordt, worden de positieve en negatieve ladingen gescheiden aan de elektroden. Deze structuur zorgt voor een extreem snelle oplaad- en ontlaadcyclus, wat de basis is voor het hoge vermogen van UC's. Recent onderzoek heeft geleid tot een aanzienlijke verbetering van de energiecapaciteit en dichtheid van UC's door gebruik te maken van grotere elektrodes en dunnere dielectrica, waardoor ze een significant hogere energieopslagcapaciteit hebben dan de klassieke elektrolytische condensatoren.

De energiecapaciteit van een UC is tot 100 keer groter dan die van de klassieke elektrolytische condensator, maar blijft minder dan de opslagcapaciteit van een chemische batterij. Dit maakt UC's bijzonder nuttig voor kortetermijntoepassingen waarin snel en krachtig vermogen nodig is, zoals in voertuigen met een hoog energieverbruik of in microgrids die moeten reageren op snelle fluctuaties in vraag en aanbod.

UC's kunnen worden geclassificeerd op basis van hun elektrodeontwerp. Er zijn drie hoofdtypes van UC's: elektrochemische dubbellaagcondensatoren (EDLC), pseudo-capacitors en hybride capacitors. EDLC's gebruiken een elektrostatistisch veld tussen twee platen om elektrische lading op te slaan. Pseudo-capacitors maken gebruik van elektrochemische reacties om lading op te slaan, terwijl hybride condensatoren zowel elektrostatistische als elektrochemische processen combineren, zoals het populaire Li-ion UC. Elk van deze types heeft specifieke voordelen en toepassingen, afhankelijk van de vereisten van het systeem.

De UC is ook te vergelijken met andere energieopslagsystemen zoals de batterijopslagsystemen (BESS), waarbij UC's duidelijk superieur zijn als het gaat om levensduur en energie-efficiëntie. In de praktijk kunnen UC's in serie en parallel worden geschakeld om de vereiste terminalspanning en energiecapaciteit te bereiken. Dit maakt het mogelijk om een UC-bank te bouwen die in staat is om piekbelastingen snel en effectief aan te pakken.

De capaciteit van een UC-bank wordt gedefinieerd door de hoeveelheid UC-units die parallel worden geschakeld, terwijl het aantal in serie geschakelde eenheden de terminalspanning bepaalt. Het is essentieel om de interne weerstand en capaciteit van de UC-bank zorgvuldig te berekenen om de gewenste energie-output en oplaad-/ontlaadefficiëntie te verkrijgen. De tijdsconstante van de RC-circuitstructuur is een belangrijke factor die bepaalt hoe snel de UC bank kan opladen of ontladen, en dit moet in overweging worden genomen bij het ontwerpen van een systeem.

Naast UC's zijn er andere interessante technologieën voor energieopslag, zoals het pomp-opslag-systeem (PHS) en het vliegwiel-energiesysteem (FESS). PHS is een milieuvriendelijke en kosteneffectieve manier om energie op te slaan door water van een lager naar een hoger reservoir te pompen en het vervolgens via een turbine te gebruiken om energie te genereren wanneer de vraag hoog is. Dit systeem heeft een lange levensduur en lage onderhoudskosten, maar is sterk afhankelijk van de geografische locatie en vereist aanzienlijke investeringen.

FESS is een andere technologie die vaak wordt gebruikt voor kortdurende back-up van het elektriciteitsnet. FESS slaat kinetische energie op in een draaiende rotor, die vervolgens wordt omgezet in elektriciteit wanneer dat nodig is. FESS biedt een lange levensduur, meestal 15–20 jaar, en heeft een hoge efficiëntie en vermogen. Het belangrijkste voordeel van FESS is dat het zeer snel kan reageren op veranderingen in de vraag naar energie, wat het uitermate geschikt maakt voor het handhaven van de frequentie en het stabiliseren van de spanning in een elektriciteitsnet.

Tot slot, bij het plannen van een microgrid (MG) met hernieuwbare energiebronnen (RES), moet rekening worden gehouden met de interactie van verschillende opslagtechnologieën. Het combineren van verschillende opslagsystemen kan de veerkracht en betrouwbaarheid van het net verbeteren door verschillende vormen van energieopslag te integreren, afhankelijk van de specifieke behoeften van het systeem. In dergelijke toepassingen kunnen UC's een cruciale rol spelen bij het leveren van snel vermogen tijdens piekbelastingsmomenten, terwijl andere systemen zoals PHS en FESS de langere termijnbehoeften kunnen ondersteunen.

Wat is de huidige stand van de technologie en het beleid voor biomassa-gasificatie in de wereld?

Biomassa-gasificatie is een technologie die steeds meer aandacht krijgt vanwege de potentie om duurzame energie te produceren uit organisch materiaal. De kern van dit proces is de conversie van biomassamateriaal, zoals hout, agrarisch afval of andere organische stoffen, naar brandbare gassen door middel van thermochemische processen. Deze gassen kunnen vervolgens worden gebruikt voor elektriciteitsopwekking of als brandstof voor voertuigen en industriële toepassingen. De technologie is bijzonder aantrekkelijk voor regio's die beschikken over een overvloed aan organisch afval, aangezien het hen in staat stelt om zowel hun energievoorziening te diversifiëren als hun ecologische voetafdruk te verminderen.

Er zijn verschillende benaderingen voor het gebruik van gasificatie, variërend van eenvoudige systemen tot meer geavanceerde geïntegreerde installaties die meerdere technologieën combineren, zoals in de Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) systemen. Het proces van gasificatie zelf kan variëren afhankelijk van de gebruikte technologie en de aard van de biomassa, maar het belangrijkste doel is altijd om een syn-gas (synthetisch gas) te produceren dat bestaat uit koolstofmonoxide (CO), waterstof (H2), methaan (CH4) en kooldioxide (CO2). Dit gas kan vervolgens worden verbrand in motoren of turbines voor energieproductie.

Een van de belangrijkste voordelen van biomassa-gasificatie is de mogelijkheid om het gas om te zetten in hernieuwbare energie zonder de noodzaak van fossiele brandstoffen. Dit maakt het een aantrekkelijke oplossing voor landen die hun energieproductie willen verduurzamen. Echter, hoewel de technologie veelbelovend is, zijn er aanzienlijke uitdagingen op het gebied van efficiëntie, kosten en schaalbaarheid. De technologische ontwikkeling van gasificatieprocessen heeft de afgelopen jaren geleid tot verbeterde rendementen, maar er blijft een grote behoefte aan verder onderzoek en optimalisatie, met name op het gebied van thermodynamische prestaties en de kosten van de benodigde infrastructuur.

Het is ook belangrijk te benadrukken dat de economische haalbaarheid van biomassa-gasificatie sterk afhankelijk is van de lokale context. De beschikbaarheid van geschikte biomassa, de transportkosten en de kosten van installatie en onderhoud spelen een cruciale rol in de uiteindelijke kosten-batenanalyse van dergelijke systemen. Dit betekent dat biomassa-gasificatie niet overal even rendabel is, en de toepassing ervan moet worden beoordeeld op basis van regionale kenmerken en beschikbaarheid van middelen.

Er zijn ook belangrijke vooruitgangen in de integratie van biomassa-gasificatie met andere technologieën, zoals brandstofcellen en gas-turbine systemen, wat de algehele energie-efficiëntie kan verbeteren. In dergelijke geïntegreerde systemen wordt het geproduceerde gas niet alleen gebruikt voor elektriciteitsopwekking, maar ook voor de levering van warmte, wat het rendement van het hele systeem verhoogt. De combinatie van biomassa-gasificatie met solid oxide brandstofcellen (SOFC) is bijvoorbeeld een veelbelovende technologie die in sommige gevallen zelfs hogere rendementen oplevert dan conventionele verbrandingstechnologieën.

Naast de technische ontwikkelingen speelt ook het beleid een belangrijke rol bij de verspreiding van biomassa-gasificatie. Overheden over de hele wereld, van Europa tot Azië, hebben regelgeving en subsidies geïntroduceerd om hernieuwbare energie te bevorderen, waaronder biomassa. Het bevorderen van dergelijke technologieën wordt vaak gezien als een manier om de energiezekerheid te verbeteren, werkgelegenheid te creëren in landelijke gebieden en de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. Toch blijft de implementatie van deze technologieën vaak afhankelijk van politieke wil en economische steun, vooral in landen waar de infrastructuur voor hernieuwbare energie nog in de kinderschoenen staat.

Naast de technologie en het beleid moeten we ook de milieu-impact van biomassa-gasificatie in overweging nemen. Hoewel het proces van gasificatie aanzienlijke voordelen biedt ten opzichte van de verbranding van fossiele brandstoffen, zoals de vermindering van broeikasgasemissies, zijn er ook zorgen over de duurzaamheid van biomassa als grondstof. Het gebruik van biomassa kan leiden tot ontbossing of andere milieuschade als het niet op een verantwoorde manier wordt beheerd. Het is dus essentieel dat de ontwikkeling van gasificatiesystemen hand in hand gaat met duurzame praktijken in de landbouw en bosbouw.

Met betrekking tot de praktische toepassingen van biomassa-gasificatie is het van belang om te begrijpen dat de technologie zich nog steeds in een fase van voortdurende verbetering bevindt. Innovaties op het gebied van gasificatieprocessen, zoals de ontwikkeling van efficiëntere reactoren en de integratie met andere hernieuwbare energiebronnen, kunnen de schaalbaarheid van de technologie vergroten en het aantrekkelijker maken voor een bredere toepassing. Bovendien kunnen economische en technische uitdagingen zoals de variabiliteit van biomassa en de kosten van opslag en transport van biomassa worden overwonnen door voortdurende technologische vooruitgang.

De lange termijn succes van biomassa-gasificatie hangt dus af van zowel technologische innovaties als de bereidheid van overheden om de nodige beleidsmaatregelen te implementeren om deze technologieën te ondersteunen. Zoals met elke nieuwe technologie, zal het een kwestie zijn van afstemming tussen de wetenschappelijke vooruitgang, de marktvraag en de beleidsvorming, om de wereldwijde overgang naar duurzamere energiebronnen te bevorderen.

Wat zijn de voordelen van hybride PVT-systemen in zonne-energie?

De relatie tussen temperatuur en efficiëntie werd geïntroduceerd door Florschuetz en is weergegeven in vergelijking (7.1). Onderzoek toont aan dat PV-cellen in PVT-systemen een elektrische efficiëntie van ongeveer 4% tot 12% hoger hebben dan een vergelijkbare cel in een stand-alone PV-systeem. Dit komt doordat de thermische energie die uit de collector wordt gehaald, voor diverse toepassingen kan worden gebruikt, zowel residentieel als industrieel. Dit zorgt ervoor dat een hogere algehele energie-efficiëntie kan worden bereikt voor het gehele energiesysteem. De thermische efficiëntie van zonnethermische collectoren wordt gedefinieerd door de volgende vergelijking [19]:

waarbij $Q_{\text{useful}}$ de bruikbare thermische energie is, $G$ de zoninstraling op de collector bij STC, en $A$ het oppervlak van de collector is. De elektrische efficiëntie van de PV-cel bij STC wordt beschreven door vergelijking (7.4), waarbij de standaard testomstandigheden (STC) worden gedefinieerd als een stralingsintensiteit $G = 1000 \, \text{W/m}^2$, een celtemperatuur van $t = 25^\circ C$ en een luchtemassa van $AM = 1.5$. Bij STC kan de nominale PV-vermogen worden beschreven als de spanning $V_{\text{STC}}$ vermenigvuldigd met de stroom $I_{\text{STC}}$ bij het punt van maximaal vermogen.

Voor een hybride collector is de globale efficiëntie de som van de thermische en elektrische efficiëntie, zoals beschreven in vergelijking (7.5). Dit resulteert in een energiestroomdiagram voor het hybride systeem, waarin een extra thermische energiecomponent wordt getoond die niet voorkomt in het diagram van een enkelvoudig PV-systeem. De thermische energie, die anders verloren zou gaan door warmteverlies en niet-absorptie, kan nu worden herwonnen. Deze oplossing is met name geschikt voor stedelijke gebruikers waar het dak- en geveloppervlak beperkt is, en waar zowel elektriciteit als warmte tegelijkertijd nodig zijn. De installatietijd, evenals de kosten met betrekking tot installatie en onderhoud, worden aanzienlijk verlaagd door slechts één apparaat te installeren in plaats van twee afzonderlijke systemen.

De twee componenten van een hybride systeem (thermische collector en fotovoltaïsche cel) hebben in de basis dezelfde werkingsprincipes als de afzonderlijke systemen. De PV-module heeft de taak om zonne-energie om te zetten in elektriciteit via PV-cellen die met elkaar zijn verbonden en ingekapseld in glas of polymeren ter bescherming. De rol van de thermische collectoren is het vastleggen van zonne-energie in de vorm van thermische energie en het overdragen van deze warmte aan een thermische vloeistof die door een systeem van pijpen of kanalen stroomt. Vanuit technisch oogpunt kan de combinatie meerdere configuraties hebben. Een essentieel element in elke installatie is echter de PVT-laag, die de warmteoverdracht tussen de thermische vloeistof en de PV-cel mogelijk maakt.

De zonthermische component bestaat uit een thermische absorber (een materiaal dat in staat is zonne-energie te verzamelen), een systeem van pijpen voor de circulatie van de thermische vloeistof en een isolatiemateriaal voor thermische isolatie. De thermische absorber bestaat meestal uit een slank materiaal, zoals aluminium, koper, staal of een thermisch stabiel polymeer zoals silicone. Deze materialen zijn vaak voorzien van een matte zwarte afwerking om de absorptie van zonne-straling te verbeteren. Het pijpensysteem kan worden gevoed met lucht, water, een combinatie van lucht en water, of alternatieve thermische vloeistoffen zoals koelmiddelen of pekeloplossingen.

De thermische efficiëntie van zonthermische systemen varieert tussen 45% en 80%, afhankelijk van de werkingsomstandigheden en configuratie, waarbij de hoogste gemeten efficiëntie ongeveer 97% bereikt in grote collectoren uitgerust met concentrerende spiegels. In vergelijking behaalt een typische commerciële vlakke plaatcollector een thermische efficiëntie in het bereik van 60–70%.

Zonthermische collectoren kunnen worden geclassificeerd op basis van verschillende criteria, zoals het type thermische vloeistof. Luchtgebaseerde systemen zijn voornamelijk geschikt voor ruimteverwarming en warmwaterverwarming, terwijl vloeistofgebaseerde systemen doorgaans efficiënter zijn door hun hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt en warmtecapaciteit. Het thermische rendement van vloeistofsystemen varieert doorgaans tussen 60% en 80%. Een nieuwigheid in zonthermische collectoren is het gebruik van faseovergangsmaterialen (PCM) als thermische vloeistof, zoals calciumchloride hexahydraat of paraffinewas.

De configuratie van het koelsysteem kan ook variëren. Zonthermische panelen kunnen worden uitgevoerd als vlakke platen of met evacuatiebuizen, afhankelijk van de toepassing en lokale omstandigheden. In sommige gevallen kunnen concentrerende spiegels worden gebruikt om de zonne-straling te versterken in paraboolsystemen. De kwaliteit van de thermische energie kan ook variëren: lage temperatuur (<50°C), middelhoge temperatuur (50-80°C) of hoge temperatuur (>80°C). Voor residentiële toepassingen worden vaak systemen met een gemiddelde temperatuur gebruikt, die voldoen aan de vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik of verwarming.

De fotovoltaïsche component komt in een breed scala aan typologieën en classificaties. De meest gebruikelijke soorten PV-panelen zijn vlak, maar er bestaan ook geconcentreerde PV-panelen (CPV), die gebruik maken van spiegels om zonlicht te concentreren. Deze panelen worden vaak aanbevolen voor droge of tropische klimaten, waar de zonne-intensiteit voortdurend sterk is. Traditioneel worden fotovoltaïsche cellen gemaakt van silicium, zowel in monokristallijne, polykristallijne als amorfe vorm. Monokristallijne cellen beslaan momenteel ongeveer 66% van de wereldmarkt, terwijl ze in 2018 nog 45% vertegenwoordigen.

Bij de keuze voor een bepaald systeem moeten factoren zoals het lokale klimaat, de beschikbare ruimte, en de benodigde warmte- of elektriciteitsvraag goed worden overwogen. De hybride systemen, die thermische en elektrische componenten combineren, bieden aanzienlijke voordelen voor stedelijke toepassingen, waar de ruimte beperkt is en tegelijkertijd zowel warmte als elektriciteit nodig zijn.