9 ноября 2007 В.В. Тепляков Проблемы получения энергоносителей из биомассы Энергетика и энергосбережение, Рациональное природопользование: комплексное использование отходов и вторичных ресурсов в Российской Федерации Институт Нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН

9 ноября 2007

Состав биогаза, % об мес. мес. мес. год года года года лет лет лет Время анаэробное Образование биогаза аэробный режим О2О2 СО 2 N2N2 анаэробное образование СН 4 CH 4 анаэробное образование СО 2 H2H2 Динамика образования биогаза

9 ноября 2007 газы продуценты водород пурпурные несерные бактерии, клостридии, энтеробактерии, цианобактерии метан метаногенные кислород фототрофные (цианобактерии, зеленые водоросли) аммиак, оксиды азота пурпурные, цианобактерии, азотобактеры сероводород сульфатредукторы оксиды серы пурпурные серные этилен мицелиальные грибы, дрожжи Микробиологическое образование газовых смесей T = 0 – 100 o C р = 1 – 1,5 атм. газоразделение многокомпонентные смеси ? СО 2 Н 2, СН 4

9 ноября 2007 Получение горючих газов микробиологическим способом десорбер СМВ десорбер абсорбер биомасса СО 2 десорбер абсорбер O2O2O2O2 СН 4 Н2Н2Н2Н2 с/х культ. жидкость сухой ост. Ar Н 2, CO 2, Ar фильтр O 2, O 2, CO 2 переработка первичной биомассы CН 4 CН 4, CO 2 наращивание биомассы свет минеральная среда доочистка жидкой фазы свет Ar СО 2 вода лактат - О 2

9 ноября 2007 Аэробный фототрофный реактор наращивания первичной биомассы поглощение СО 2, выделение О 2 (на свету) освещение оптим. длина волны нм T комн, p атм. O 2, CO 2 биомасса свет минеральная среда СО 2 Spirulina platensis, Anabaena variabilis, Chlorella sp. время, сутки вес сухой биомассы, г О2О2

9 ноября 2007 Анаэробный биореактор деструкции органического материала (метантенк) О2О2 разложение органических веществ выделение биогаза (~60 % СН 4 + ~40% СО 2 ) строгая анаэробность отсутствие света Т = о С, р биогаза = 1 – 1.2 атм. Метаногенно е сообщество, источник Образование биогаза мл/ г субстрата. су тки мл/ л среды. сутки Курьяново Р. Тясмин Оз. Вонючее Ермолинска я губа Образование биогаза различными метаногенными сообществами: фильтр с/х культуральная жидкость сухой остаток метаногенное сообщество CН 4 CН 4, CO 2 биомасса

9 ноября 2007 Образование биогаза метаногенными сообществами при утилизации Anabaena variabilis и других источников биомассы субстратОбразование биогаза, м 3 /кг*сутки A. variabilis 0,3-0,5 Свиной навоз 0,3-0,4 Навоз крупного рогатого скота 0,2-0,3 Птичий помет 0,5-0,6 Образование биогаза метаногенным сообществом при утилизации различных видов фототрофных микроорганизмов субстратОбразование биогаза (мл/л. сутки) Образование биогаза (мл/г биомассы. сутки) Состав биогаза, об.% СН 4 СО 2 Н2Н2 Spirulina platensis ,2 Anabaena variabilis ,5 Chlorella sp

9 ноября 2007 анаэробность освещение оптим. длина волны 750 нм необходимость барботажа инертным к бактериям газом образование тройной смеси (Н 2 + СО 2 + инерт) Н 2, CO 2, Ar свет Ar культуральная среда вода Анаэробный фототрофный водородный биореактор Производительность продуцентов молекулярного водорода ФОТОТРОФНЫЕ мл Н 2 /ч*г сухой биомассы (субстрат – лактат) ХЕМОТРОФНЫЕ мл Н моль субстрата R. rubrum 180 Clostridium butyricum 235 (глюкоза) Rb. capsulatus B10* 300 Bacillus polymyxa 170 (маннит) Tс. roseopersicina ВВС 400 R. albus 260 (глюкоза) * Производительность по лактату л Н 2 /100 моль лактата при 98 % конверсии О2О2

9 ноября 2007 Н 2, CO 2, Ar фильтр с/х культур. жидкость сухой остаток O 2, CO 2 биомасса метаногенное сообщество CН 4, CO 2 Anabaena variabilis свет минеральная среда Rhodobacter capsulatus B10 свет Ar СО 2 вода Непрерывный способ получения газовых смесей биореакторАэробный фототрофный МетантенкАнаэробный водородный Объем жидкой фазы биореактора, л 0,60,840,6 Проток среды, сутки -1 0,10,070,24 Производительность биореактора в непрерывном режиме 1,75 л поглощ. СО 2 / (л реактора·сутки) 345 мл биогаза/ (л реактора·сутки) 133 мл Н 2 / (час·л матрицы)

9 ноября 2007 Разделение бинарных газовых смесей биогенного происхождения Чистый абсорбент СН 4 CH 4 БИОГАЗ: % СН 4 ~ % СН 4 ~ 40-30% СО 2 СО 2 CH 4 Абсорбент + СО 2 Проточный режим МК биогаз СН 4 Рециркуляционный режим биогаз СН 4 СO2СO2 биогаз СН 4 воздух + СO 2 (в парник, фотосинтез) воздух мембрана

9 ноября 2007 Выбор мембраны для АМС полимер толщина селективног о слоя, мкм проницаемость, Q, л/м 2 *ч*бар CH 4 CO 2 H2H2 N2N2 O2O2 ПДМС 1,51, ПВТМС ПТМСП Выбор абсорбента для АМС - дистиллированная вода, - водные растворы карбоната калия (1,0 - 2,14 М водные растворы К 2 СО 3 ), - пропиленкарбонат (ПК), - моноэтаноламин (1М водный раствор МЭА)

9 ноября 2007 Разделение газовых смесей на лабораторных МК абсорбент – 1М водный раствор K 2 CO 3 ; расход абсорбента – 3.5 мл/мин; расход газовой смеси – 30 мл/мин Концентрация, % об.

9 ноября 2007 Разделение бинарных газовых смесей с помощью мембранных контакторов опытного образца Параметры 5-слойного мембранного контактора опытного образца для разделения бинарной газовой смеси 1М водным раствором К 2 СО 3 при полном поглощении СО 2 из газовой смеси 9 об. % СО об. % N 2 мембрана: ПВТМС рабочая площадь: 0,44 м 2 размеры модуля: 290·250 · 170 мм V жидкостной части = 290 мл V газовой части = 290 мл Расход газовой смеси (9% СО 2 ), мл/мин Время насыщения абсорбента СО 2, мин Минимальный (достаточный) расход абсорбента при полном извлечении СО 2, мл/мин 18,81362,1 60,0584,9 85,7397,

9 ноября 2007 Разделение трехкомпонентных газовых смесей с помощью селективного мембранного вентиля (СМВ) Ar H2H2 Исходный газ (H 2 + CO 2 + Ar) ретентат (Ar) CO 2 пермеат (H 2 ) абсорбент + CO 2 абсорбент Мембрана: ПВТМС Рабочая площадь мембраны: 0,35 м 2 Размеры модуля: 250·180·110 мм СМВ опытного образца

9 ноября 2007 Разделение трехкомпонентных газовых смесей (Н 2 /СО 2 /СН 4 =40:25:35) с помощью селективного мембранного вентиля (СМВ) опытного образца абсорбент – 1М водный раствор K 2 CO 3 ; расход абсорбента – 5 мл/мин; поток исх. смеси – 30 мл/мин

9 ноября 2007 Фотография Внешний вид лабораторной интегрированной мембранной биореакторной системы для получения горючих газов 1 – аэробный фотореактор поглощения СО 2 и наращивания биомассы; 2 – водородный фототрофный биореактор; 3 – метантенк; 4 – комплекс АМС; 5 – блок анализа ВЭЖХ и Компьютерной обработки результатов.

9 ноября 2007 Anabaena variabilis Rhodobacter capsulatus B10 (иммоб.) Метаногенное сообщество сухой остаток лактат МК СМВ турбина вода СО 2 Н 2 + СН 4 Схема энергополучения и масштабирование интегрированной мембранной биореакторной системы КПД = 50% биореактораэробный фототрофный метантенканаэробный водородный жидкая фаза, м 3 2,94,01,14 Кол-во чистого энергоносителя, л/сутки85698 Кол-во чистого энергоносителя, моль/сутки35,44,04 Тепловыделение, кВт·сутки2106,5 Тепловыделение системы, кВт·сутки ~ 216,5 (9,0 кВт·ч) С учетом КПД ~ 108,2 (4,5 кВт·ч)* Для полного энергообеспечения сельских домов:

9 ноября 2007 Проект процесса нетермального получения водорода (HYVOLUTION IP FP ) Мембранные контакторы Система фильтрации и сепарирования БИОМАССА углеводы органические кислоты СВЕТ

9 ноября 2007 Продемонстрированы возможности сочетания биореакторов различного типа с высокоэффективными мембранными устройствами, обеспечивающие получение газообразных энергоносителей в виде отдельных компонентов, которые могут быть непосредственно использованы потребителями. Представляется, что оптимизация мембранно-биореакторных процессов требует организации адресных систематических исследований на стыке нескольких научных дисциплин (микробиология, биотехнология, мембранная наука и мембранное материаловедение, инжиниринг энергоустановок и т.д.) Интегрированные мембранные биореакторные системы уже в ближайшее время могут рассматриваться как генераторы энергоносителей, получаемых из биомассы, и служить базой энергетических устройств средней мощности локального назначения. Выводы:

9 ноября 2007 Работа выполняется при поддержке Программы «Фундаментальные проблемы энергетики» Президиума РАН 7; Гранта NATO Science for Peace ; IP FP6, проект Hyvolution ; PICS 3303; Госконтрактов Минобрнауки ,

9 ноября 2007 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!