| Popis: |
A thesis for applying for the degree of Doctor of Philosophy in Engineering Sciences. Due to the increase of the energy production mainly from non–renewable energy sources, there is a need for alternative sources of energy. Second–generation biofuel production, using lignocellulosic biomass as a feedstock, is emerging as an important liquid biofuel for the transportation sector. However, its production is still very costly, and inefficient mainly due to the large quantity of sidestreams that are generated. Sidestreams from bioethanol production process bring environmental, economic and energetic constraints. a. Environment From the environmental point of view, sidestreams from bioethanol production are highly pollutant. There are several handling options for these residues and it includes: discharge; marine outfall; agricultural fields; sewage treatment; lagoon treatment; anaerobic digestion; incineration; and drying. From all these solutions, anaerobic digestion can be used to reduce the pollution potential of the production waste, and to reduce CO2 and other greenhouse gas (GHG) emissions. b. Economics From the economic point of view, the high costs of bioethanol production require additional valorisation of its stillage to create new revenue streams. Pretreatment and enzymatic hydrolysis are the two most costly parts of the production process. Anaerobic digestion of bioethanol stillage is a prospective solution to offset the costs of bioethanol production and add value to the production chain. c. Energetics Finally, stillage has a high energetic value and can be used to produce energy in the form of methane. Its utilization can give higher net energy outputs and improve the efficiency of the production chain. In addition, ethanol from biomass has an energy return on energy invested (ERoEI) lower than for fossil fuels. Thus, stillage and bioethanol sidestreams can be used for processing energy, through anaerobic digestion to add value to the production chain and improve the energy balance. To sum up, there is a continuous search for strategies that make use of the high energy content of bioethanol sidestreams. Anaerobic digestion to produce energy in the form of methane has been reported as an effective strategy to increase the energy output from the biomass, help to balance the costs of bioethanol production and as an environmental solution to this highly pollutant residues. Vajadus alternatiivsete energia allikate järele kasvab pidevalt kuna üldine energia tarbimine kasvab ning see vajadus rahuldatakse fossiilsete allikate arvelt. Lignotselluoossel biomassil põhinevad teise põlvkonna biokütused on esile kerkinud kui võimalik lahendus transpordi sektori vajaduse katmiseks. Siiski on biokütuste tootmine lignotselluloossest biomassist võrreldes fossiilsete kütustega endiselt väga kulukas. Lisaks tekib nende tootmisel kõrvalvoogusid, mis hetkel ei ole kasutust leidnud ning vajavad eraldi tähelepanu, et vältida nende keskkonna, majanduslikke ja energeetilisi mõjusid. a. Keskkond Keskkonnamõjult on bioetanooli tootmisel tekkivad kõrvalvood kõrge reostuspotentsiaaliga. Nende neutraliseerimiseks on mitmeid strateegiaid. Näiteks: bioloogiline puhastamine, laguunpuhastamine, põletamine, merre pumpamine, kuivatamine, anaeroobne kääritamine jne. Neist käitlemisvõimalustest anaeroobne kääritamine võimaldab samaaegselt vähendada nii kõrvalvoogude reostuspotentsiaali, kui süsihappegaasi ja teiste kasvuhoonegaaside emissioone. b. Majandus Majanduslikust vaatepunktist lähtudes on vajadus väärindada bioetanooli tootmise kõrvalvoogusid, et parandada selle üldist tasuvust ja tekitada lisaväärtust. Eeltöötlus ja ensümaatiline hüdrolüüs on kaks kõige kulukamat protsessi nii bioetanooli kui ka biogaasi tootmises. Bioetanooli tootmise kõrvalvoogude anaeroobne kääritamine võimaldab vähese lisakuluga tekitada lisaväärtus, mis parandab ka bioetanooli tootmisprotsessi tasuvust. c. Energeetika Bioetanooli tootmise kõrvalvoogude kõrge energeetiline väärtus võimaldab neid kasutada anaeroobses kääritamises biometaani tootmiseks. Kõrvalvoogude kasutamine biokütuse tootmiseks võimaldab efektiivsemalt ära kasutada kogu biomassis sisalduvat energiat, tõsta kogu tootmisahela efektiivsust ning parandada energia väljundit sisendenergia suhtes (ERoEI) sedavõrd, et see oleks võimeline konkureerima fossiilsete kütustega. Seega on võimalik bioetanooli tootmisprotsessi energeetilist tasakaalu parandada tootmise kõrvalvoogude kasutamisega anaeroobses kääritamises. Kokkuvõtteks võib öelda, et teadus otsib üha uusi strateegiaid ja lahendusi kuidas parandada bioetanooli tootmisprotsessi efektiivsust kõigist kolmest vaatepunktist lähtuvalt. Tootmise kõrvalvoogude kasutamine biometaani tootmiseks anaeroobses kääritusprotsessis on välja toodud kui üks võimalikest strateegiatest, mis parandaks bioetanooli tootmise energeetilist ja majanduslikku efektiivsust ning vähendaks selle mõju keskkonnale. The publication of this thesis is supported by the Estonian University of Life Sciences. It had the financial support of the European Regional Development Fund via the Mobilitas Pluss (project MOBERA1) of the Estonian Research Council and the base financed projects of EULS P170025 TIPT and PM180260 TIPT; Smart Specialization scholarship for PhD students, funded by the European Regional Development Fund and Estonian government; Dora Plus programme provided by the European Regional Development Fund and Estonian Government; and the Doctoral School of Energy and Geotechnology III, (Estonian University of Life Sciences ASTRA project „Value-chain based bio-economy“). |
