A novel hybrid thermochemical-biological refinery integrated with power-to-X approach for obtaining biopolymers

Abstract

Bu çalışmada, biyopolimerlerin (yani polihidroksialkanoatlar, PHA) elde edilmesi için "enerjiden-materyale" yaklaşımı ile entegre edilmiş yeni bir hibrit termokimyasal-biyolojik rafineri geliştirilmiştir. Bu konsept dahilinde, üçleme şeklinde bir proses şeması ile, (i) entegre piroliz-gazlaştırma yoluyla termokimyasal dönüşümü; (ii) uçucu yağ asitleri (UYA) üretimi için termokimyasal yöntemlerce elde edilen biyodönüşebilir ürünlerin anaerobik fermantasyonu; (iii) ve UYA-dan-PHA'ya mikroaerofilik-aerobik özel bir proses ile biyopolimer sentezi gerçekleştirilmiştir. Lignoselülozik (odunsu) biyokütlenin dönüştürülmesi önerilen biyorafinerinin ilk aşamasında; sentez gazı ve pirolitik sıvının suda çözünür fraksiyonu (WS) gibi fermente edilebilir ürünler, mikrobiyal katalizör olarak kullanılacak gözenekli biyoçar malzemesi ve sıvı yakıt statüsünde yoğun-yağ elde edilmiştir. Entegre piroliz-gazlaştırma sistemi içinde, biyokütle verimli bir şekilde biyokütlenin kimyasal enerji içeriğinin %66'sına kadarını temsil eden fermente edilebilir ara ürünlere dönüştürülmüştür. İkincil aşamada, yani VFA-zengin sıvıların elde edilmesi için uygulanan anaerobik fermantasyonda, üç farklı alt proses incelenmiştir. İlk fermantasyon testi, biyokütlenin biyokömür yataklı orijinal bir biyoreaktör içinde pirolizi yoluyla elde edilen WS malzemelerinin asidojenik biyodönüşümüdür ve 0,6 gCOD/L-gün verimlilik (VP) değerlerine ulaşılmıştır. Sonra, entegre piroliz-gazlaştırma aşamasının gaz fraksiyonu olarak C1 bakımından zengin sentez gazı malzemeleri, yenilikçi biyoçar bazlı biyofilm difüzör reaktörü (CBSR) içinde fermente edilmiş ve 9.8 gCOD/L-gün VP'ye ulaşılmıştır. Üçüncü olarak, yenilenebilir enerji kaynakları yoluyla malzeme elde etmenin yenilikçi yolu, "power-to-x" konseptine dayanan homoasetojenik biyodönüşümdür. Yani, su elektrolizinden üretilen H2 ve birincil sera gazı olarak CO2, anaerobik kültürler tarafından CBSR sistemi içinde UYA'ya başarıyla dönüştürülmüştür (VP 18.2 gCOD/L-gün). Geliştirilen biyorafineri şemasının son aşamasında, VFA %60'a kadar PHA içeren çamurların elde edildiği sürekli mikroaerofilik-aerobik mikro-tesis içinde biyopolimerlere dönüştürülmüştür.In this study, a novel hybrid thermochemical-biological refinery integrated with power-to-x approach was developed for obtaining biopolymers (namely polyhydroxyalkanoates, PHA). Within this concept, a trilogy process schema comprising of, (i) thermochemical conversion via integrated pyrolysis-gasification technologies, (ii) anaerobic fermentation of the bioavailable products obtained through either thermochemistry or water-electrolysis for volatile fatty acids (VFA) production, (iii) and VFA-to-PHA bioconversion via an original microaerophilic-aerobic process was developed. During the first stage of proposed biorefinery where lignocellulosic (wooden) biomass was converted into, theoretically fermentable products (i.e. bioavailables) which were defined as syngas and water-soluble fraction of pyrolytic liquid (WS); biochar as a biocatalyst material; and a dense-oil as a liquid fuel. Within integrated pyrolysis - gasification process, biomass was efficiently converted into fermentable intermediates representing up to 66% of biomass chemical energy content in chemical oxygen demand (COD) basis. In the secondary stage, namely anaerobic fermentation for obtaining VFA rich streams, three different downstream process were investigated. First fermentation test was acidogenic bioconversion of WS materials obtained through pyrolysis of biomass within an original biochar-packed bioreactor, it was sustained up to 0.6 gCOD/L-day volumetric productivity (VP). Second, C1 rich syngas materials as the gaseous fraction of pyrolysis-gasification stage, was fermented within a novel char-based biofilm sparger reactor (CBSR), where up to 9.8 gCOD/L-day VP was detected. Third was homoacetogenic bioconversion within the innovative power-to-x pathway for obtaining commodities via renewable energy sources. More specifically, water-electrolysis derived H2 and CO2 as a primary greenhouse gas was successfully bio-utilized by anaerobic mixed cultures into VFA within CBSR system (VP: 18.2 gCOD/L-day). In the last stage of the developed biorefinery schema, VFA is converted into biopolymers within a new continuous microaerophilic-aerobic microplant, where up to 60% of PHA containing sludges was obtained.