Hoe Syngas-fermentatie kan bijdragen aan de productie van biobrandstoffen en de rol van microbiale gemeenschappen

Syngas, een mengsel van koolmonoxide (CO), waterstof (H₂) en kooldioxide (CO₂), wordt beschouwd als een veelbelovende grondstof voor de productie van biobrandstoffen en andere waardevolle chemische stoffen. Dit gasmengsel ontstaat voornamelijk uit de vergassing van biomassa of fossiele brandstoffen, wat het tot een belangrijk alternatief maakt voor traditionele fossiele energiebronnen. De conversie van syngas naar bruikbare producten kan via biologische processen plaatsvinden, waarbij micro-organismen betrokken zijn die in staat zijn om de componenten van syngas om te zetten in methaan, ethanol, azijnzuur en andere organische verbindingen.

De fermentatie van syngas wordt vaak uitgevoerd door verschillende bacteriële en archaeabacteriële gemeenschappen, die elk een andere rol spelen in de afbraak van syngas. Hierbij wordt niet alleen gekeken naar de hoeveelheid geproduceerd gas, maar ook naar de efficiëntie van de biologische conversie, die sterk afhankelijk is van de toegepaste reactorconfiguratie en de microbiele activiteit. Het proces zelf kan plaatsvinden in reactoren zoals membraanbioreactoren, die het voordeel bieden van een betere gasmassatransfer en het handhaven van hoge celconcentraties van de micro-organismen die betrokken zijn bij de fermentatie.

Het gebruik van gemengde microbiale culturen in deze reactoren heeft aangetoond dat het productieprofiel van biobrandstoffen sterk kan variëren afhankelijk van de thermofiele of mesofiele omstandigheden. In thermofiele omgevingen, die vaak bij hogere temperaturen plaatsvinden, kan een verhoogde productie van acetaat worden waargenomen, terwijl mesofiele culturen zich vaak richten op de productie van ethanol of andere ethanolgerelateerde producten. De kinetische en thermodynamische competitie tussen de micro-organismen in dergelijke gemengde culturen speelt een cruciale rol in de uiteindelijke productresultaten.

De keuze van microbiele consortia is essentieel voor het succes van syngas-fermentatie. Onderzoek heeft aangetoond dat verschillende bacteriën verschillende routes volgen voor de afbraak van syngas. Bijv. Clostridium soorten, zoals Clostridium carboxidivorans, zijn in staat om koolmonoxide te gebruiken als energiebron voor de productie van ethanol. Daarnaast zijn er anaerobe bacteriën, zoals Acetobacterium woodii, die acetaat produceren via een waterstof- en kooldioxide-reductieroute. Dit benadrukt het belang van het begrijpen van de specifieke microbiële vereisten voor het gewenste product en de optimale bedrijfsomstandigheden.

Een ander belangrijk aspect is het kinetische gedrag van de micro-organismen in het proces. Bij hogere concentraties van CO kan de fermentatie mogelijk worden vertraagd, wat de productiviteit beïnvloedt. Het beheersen van deze kinetische uitdagingen vereist diepgaande kennis van de microbiële fysiologie en de interactie tussen de verschillende bacteriën die in de reactoren aanwezig zijn. Het proces is dus niet alleen afhankelijk van de samenstelling van de micro-organismen, maar ook van hun dynamiek en de manier waarop ze in de reactor reageren op verschillende omgevingsfactoren.

Er is een toenemende belangstelling voor het gebruik van syngas-fermentatie in de context van duurzame bio-energieproductie, vooral wanneer het gaat om afvalvalorisatie. De mogelijkheid om syngas te produceren uit diverse biomassastromen, waaronder landbouwafval, industriële reststoffen en zelfs stedelijk afval, biedt enorme kansen voor de productie van hernieuwbare energie. Echter, de technische en economische haalbaarheid van grootschalige implementatie van syngas-fermentatie in industriële processen vereist verdere ontwikkeling van reactorontwerpen, verbeterde microbiële consortia en optimalisatie van de procesomstandigheden.

Samenvattend is het duidelijk dat de syngas-fermentatie een potentieel veelbelovende technologie is voor de productie van biobrandstoffen. De voortgang in dit veld zal grotendeels afhankelijk zijn van een gedetailleerder begrip van de microbiële gemeenschappen die betrokken zijn bij het proces, evenals van de ontwikkeling van reactoren die de massatransferproblemen kunnen verhelpen. Het is belangrijk dat onderzoekers en ingenieurs zich blijven concentreren op de verfijning van deze processen om ze geschikt te maken voor commerciële toepassingen die bijdragen aan de wereldwijde overgang naar duurzame energiebronnen.

Hoe de temperatuurveranderingen de producten van pyrolyse beïnvloeden: van vloeibare brandstoffen tot bio-olie

De primaire functie van temperatuurveranderingen in het pyrolyseproces (wat afhankelijk is van de snelheid waarmee het systeem wordt verwarmd) is het leveren van geschikte warmte om de juiste productie van producten te garanderen. Bij temperaturen onder de 200 °C vindt dehydratie van de biomassa plaats, gevolgd door de afbraak van hemicellulose in het bereik van 200–280 °C. De afbraak van cellulose gebeurt tussen de 240–350 °C, en ten slotte wordt lignine afgebroken bij een temperatuur boven de 400 °C. Snellere verwarming bevordert de evolutie van vloeibare (vloeibare en gasvormige) producten ten opzichte van vaste producten. Om een inerte atmosfeer te creëren, wordt normaal gesproken N2, H2, CO, CO2, CH4 en stoom gebruikt als dragergas in de reactor.

Het pyrolyseproces omvat voornamelijk primaire en secundaire reacties. De primaire reacties zijn onder meer het verkolen (de condensatie van de benzeenring tijdens pyrolyse), depolymerisatie (het breken van verbindingen en de vorming van gas en vluchtige stoffen), fragmentatie en de vorming van verbindingen met korte ketens en enkele niet-condenseerbare gassen. Secundaire reacties omvatten de recombinatie of verdere kraken van de instabiele verbindingen die tijdens de primaire reacties worden geproduceerd.

Flash-pyrolyse is een snellere variant, met temperaturen tussen de 700–1000 °C, een opwarmingssnelheid van 103–104 °C/min, en een verblijftijd van minder dan 0,5 seconden. Door de afname van secundaire krakreacties wordt de opbrengst van bio-olie gemaximaliseerd tot ongeveer 60–75 gewichtspercent van de totale producten. De deeltjesgrootte voor flash-pyrolyse is meestal minder dan 0,2 mm.

Voor de productie van vloeistof en gas via pyrolyse kunnen de gewenste producten worden verkregen door de operationele omstandigheden te variëren. Voor het verkrijgen van een hoge opbrengst van vloeibare brandstof wordt een lage temperatuur met een hoge opwarmingssnelheid en een korte verblijftijd geprefereerd. Voor het verkrijgen van de maximale opbrengst van gasvormige brandstof worden hoge temperaturen, een lange verblijftijd en een lage opwarmingssnelheid gebruikt.

In deze omstandigheden worden de waterstofbruggen in water verzwakt, waardoor de oplosbaarheid van niet-polaire organische verbindingen toeneemt. Dit leidt tot verschillende reacties, waaronder depolymerisatie, het breken van bindingen, herschikking en decarboxylatie. Deze reacties breken de solide structuur van de biomassa af en leiden tot de vorming van olieachtige componenten, biocrude genaamd. Daarnaast ontstaat er een waterfase met geaccumuleerde koolstof-, stikstof- en fosforverbindingen (C/N/P), samen met een klein aantal gassen.

Liquefactie is een efficiënte thermochemische methode voor het verwerken van biomassa met een hoog watergehalte, in tegenstelling tot pyrolyse, die kostbare voorbereidende stappen vereist om vocht uit het uitgangsmateriaal te verwijderen. Dit proces wordt niet beïnvloed door het vochtgehalte en het type biomassa, wat resulteert in hoge conversieratio's en de productie van relatief pure producten. Het gebruik van water als zowel reactant als reactiemedium in de conversie van biomassa heeft het voordeel dat de dure droogstap voor natte feedstocks wordt geëlimineerd.

In vergelijking met pyrolyse produceert het liquefactieproces bio-brandstof van hogere kwaliteit met een hogere verwarmingswaarde door lagere niveaus van geoxygeneerde verbindingen. Ondanks dat water, CO2 en CO tijdens de liquefactie worden gegenereerd door decarbonisatie, dehydratie en decarboxylatie, die wat zuurstof verwijderen, blijft er een aanzienlijke hoeveelheid zuurstof achter. Daarom vertoont de bio-brandstof die uit liquefactie wordt verkregen instabiliteit, een lage verwarmingswaarde en een hoge viscositeit en zuurgraad.

De zware olie die uit het liquefactieproces wordt verkregen, is onoplosbaar in water en heeft een viskeuze aard, wat af en toe problemen kan opleveren tijdens het hanteren. Dit probleem kan echter worden gemitigeerd door organische oplosmiddelen zoals propanol, butanol, aceton, etc., in het reactiesysteem op te nemen. Bovendien is de aanwezigheid van oplosmiddel-reducerende gassen zoals koolmonoxide (CO) of waterstof (H2), samen met een katalysator, noodzakelijk in combinatie met de biomassa. Het toevoegen van een katalysator verlaagt niet alleen de vereiste liquefactietemperatuur, maar verbetert ook de reactiesnelheid, wat uiteindelijk leidt tot een hogere olieopbrengst tijdens het liquefactieproces.