【Applied Energy最新原创论文】生物质水热预处理新技术——太阳能驱动微藻水热预处理

发布时间:2019-01-07 14:17

原文信息:

A solar-driven continuous hydrothermal pretreatment system for biomethane production from microalgae biomass

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261918318324



Highlights


  • A solar-driven hydrothermal pretreatment system for microalgae biomass is proposed.

  • The effects of operating parameters of the system on the organic yields are investigated.

  • The methane production of pretreated microalgae is 57% higher than that without pretreatment.

摘 要


微藻生物质因其生长速率快、不占用耕地等特点,被认为是制备生物燃料的理想原料。厌氧发酵可以把高含水量的湿藻在35°C条件下直接转化成沼气,节省了微藻悬浮液的脱水能耗,而且操作过程简单,是比较有前途的微藻能源能转化方式。然而,微藻生物质致密的细胞结构阻碍了发酵过程产甲烷的速率及产量。水热预处理可以破坏微藻细胞壁结构,促使胞内碳水化合物和蛋白质的释放,从而提高微藻在厌氧发酵过程中的利用率及甲烷产量,但其处理过程能量投入大,阻碍了其发展应用。本文针对水热预处理过程能量投入大的问题,结合太阳能光热转化技术,提出用于微藻水热预处理的太阳能驱动水热预处理系统。在该系统中,微藻浆液可作为集热工质,直接流经槽式太阳能集热器并吸收热量进行水热水解反应。实验结果表明,经过太阳能水热预处理以后,微藻析出的碳水化合物和蛋白质最大产率分别为267.3 mg/g 和265.3 mg/g,是未经过预处理的微藻析出碳水化合物和蛋白质的7.4和3.7倍。厌氧发酵产甲烷潜力测试结果显示,与未预处理的微藻生物质相比,经过太阳能水热预处理以后,微藻生物质在厌氧发酵过程中甲烷产量增加了57%。太阳能驱动水热预处理技术可以成功地用于微藻水热预处理,实现了微藻水热预处理过程的节能,极大地促进了微藻发酵制取沼气的发展进程,具有广阔的发展前景。



Abstract

Hydrothermal pretreatment is an efficient approach to enhance methane production from microalgae biomass by anaerobic digestion. However, the high energy consumption hinders the development of hydrothermal pretreatment. In this study, a solar-driven hydrothermal pretreatment system was proposed to save energy in hydrothermal pretreatment. In this system, microalgae slurry directly flows through the parabolic trough collector and is hydrolyzed while absorbing solar energy. The effects of operation parameters (i.e., direct normal irradiation, flow rate, mass fraction, and retention time) on the yield of organic matter were also investigated. The maximum yield of carbohydrates (267.3 mg/g total solid) and proteins (265.2 mg/g total solid) from pretreated microalgae biomass was 7.4 and 3.7 times that obtained from the raw microalgae slurry, respectively. In addition, the methane produced from the microalgae biomass pretreated by the solar-driven hydrothermal pretreatment system increased by 57% in anaerobic digestion, compared to that obtained using raw microalgae biomass as a substrate. The solar-driven hydrothermal pretreatment system can be used as an alternative energy saving approach for the hydrothermal pretreatment of microalgae slurry.




Keywords:Microalgae biomass; Anaerobic digestion; Parabolic trough collector; Hydrothermal pretreatment

Fig.1. Schematic (A) and photograph (B) of the solar-driven hydrothermal pretreatment system.

Fig. 2.Methane production from two different substrates (raw biomass and pretreated microalgae biomass).


团队简介

重庆大学工程热物理研究所是教育部首批全国高校黄大年式教师团队,拥有教授7名、研究员3名、副教授2名、讲师1名,博士后已1名,博士研究生36名、硕士研究生86人;其中,“长江学者奖励计划”特聘教授1名,国家杰出青年科学基金获得者2名、长江学者奖励计划青年学者1名、国家优秀青年科学基金获得者2名,新世纪百千万人才工程国家级人选1名、教育部新世纪优秀人才支持计划人选4名、重庆市巴渝学者特聘教授1名,重庆市“322人才工程”第一层次人选1名,重庆市百人计划1名。近10年来承担了包括国家自然科学基金重点项目在内的国家自然科学基金项目20项,国家重点研发计划项目2项,“973”项目课题1项,“863”项目课题1项,其他国家级和省部级项目20余项。目前主要研究方向有:微生物能源转化及反应器工程、强化传热传质及节能技术、界面现象与相变换热、微尺度传输机理与特性、光微流体多相流传热传质、燃料电池与传输现象及性能强化、高温含尘废气和高温熔渣余热回收技术与机理等。建有:微生物能源转化技术实验室、燃料电池及传递现象实验室、强化传热传质实验室、微/纳尺度流体传输实验室。

 作者简介

通讯作者:廖强教授,博士,博导,国家杰青、教育部长江学者、新世纪百千万人才工程国家级人选。现任中国工程热物理学会理事和传热传质学分会副主任、多相流专业委员会委员、高校工程热物理研究会副理事长,热科学与工程亚洲联盟科学委员会委员、第16届国际传热大会科学委员会中国区副主席。并任Science Bulletin副主编,Energy、Applied ThermalEngineering、Int. J. Hydrogen Energy和Int. J. Green Energy等8个高水平国际学术期刊编辑或客座编辑。主要从事强化传热、多相流、余热回收、可再生能源等领域的基础研究和技术开发应用工作。

通讯作者:付乾研究员,博士,博导,重庆市“百人计划”特聘专家。主要从事能源与环境技术中的关键工程热物理问题、微生物电化学系统中能质传输问题的相关研究。近五年在Nano Energy及Environ. Sci. Technol.等国内外权威刊物及学术会议上发表相关研究论文70余篇,其中SCI收录共62篇、先后6篇论文入选ESI高被引论文。

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 关于我们 


  本期小编:邓莉荣,清华大学清华-伯克利深圳学院博士研究生。

                                          

《Applied Energy》是世界能源领域著名学术期刊,在全球出版巨头爱思唯尔 (Elsevier) 旗下,1975 年创刊,影响因子7.900,高被引论文ESI全球工程期刊排名第4,谷歌学术全球学术期刊第91,本刊旨在为清洁能源转换技术、能源过程和系统优化、能源效率、智慧能源、环境污染物及温室气体减排、能源与其他学科交叉融合、以及能源可持续发展等领域提供交流分享和合作的平台。  

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