Technology and equipment for lignocellulosic waste conversion to biofuels and bioproducts with high added value

Abstract

Biogas production technology has emerged as a notable approach for decentralized waste processing in agriculture and the food industry. Conventional biogas plants typically utilize co-fermentation of lignocellulosic waste without pre-treatment, and the generated biogas is combusted in a cogeneration unit to produce electricity and heat. However, the anaerobic fermentation of untreated lignocellulosic biomass exhibits low biodegradability, and the economic viability of such technology relies heavily on green subsidies. In the biorefinery concept, biogas production technology focuses on the intensive processing of raw materials and the targeted transformation of these materials into a portfolio of high-value products, such as methane, concentrated mineral fertilizers, cellulose fibers, acids, pigments, food supplements, and hydrogen. This approach aims to reduce dependency on green subsidies. The dissertation sought to evaluate the hypothesis that biogas plants designed in the biorefinery concept can achieve economic viability without relying on subsidized investment and product purchase costs. Several innovative configurations of biogas biorefineries were proposed, incorporating various raw material pre-treatment techniques (mechanical disintegration, hydrothermal treatment) and product processing methods (cellulose fiber separation, biogas refining, CO2 utilization for microalgae production). Original parametric models were developed for each technological configuration, enabling a comparative assessment of mass and energy balances, technical maturity, and economic viability, including sensitivity analysis. A critical examination of the suggested variant models revealed that a biogas plant incorporating raw material crushing and biogas purification to produce pipeline-quality methane is the most technologically and economically advantageous solution. However, its attractiveness is significantly influenced by the purity and purchase prices of methane.

Technologie výroby bioplynu je v současnosti jednou z typických technologií pro decentralizované zpracování odpadů ze zemědělství a z potravinářského průmyslu. Zpracování takovýchto odpadů v běžných bioplynových stanicích je obvykle založeno na kofermentaci odpadů bez důsledného předběžného zpracování. Vzniklý bioplyn je spalován v kogenerační jednotce, která produkuje elektřinu a teplo. Je všeobecně známo, že anaerobní fermentace předupravené lignocelulózové biomasy vykazuje nízkou biologickou rozložitelnost. Ekonomika provozu a investorská atraktivita jsou proto silně závislé na zelených dotacích. Projektování technologií výroby bioplynu v konceptu biorafinerie s intenzívní předúpravou suroviny zvýší nejen její biologickou rozložitelnost, ale umožní tím i získat produkty s vyšší ekonomickou hodnotou (metan, koncentrovaná minerální hnojiva, celulózová vlákna, kyseliny, pigmenty, potravinové doplňky, vodík). Disertační práce se proto zaměřila na ověření hypotézy, zda návrh bioplynových stanic v konceptu biorafinerie může dosáhnout ekonomické atraktivity bez závislosti na dotovaných investičních nákladech a nákladech na výkup produktů. Bylo navrženo několik originálních konfigurací technologií výroby bioplynu, které kombinují různé techniky předúprav surovin (drcení a mletí, hydrotermická předúprava) a zpracování produktů (separace celulózových vláken, čištění a zušlechtění bioplynu na biometan, využití CO2 jako suroviny pro produkci mikrořas). Pro jednotlivé modelové technologické konfigurace bioplynové biorafinerie byly vytvořeny originální parametrické modely, které umožnily srovnávací hodnocení hmotnostních a energetických bilancí, technické zralosti a ekonomiky návrhů, včetně citlivostní analýzy. Kritická technicko-ekonomická analýza navrhovaných variantních modelů prokázala, že bioplynová stanice s mechanickou dezintegrací suroviny a se zušlechtěním bioplynu na biometan je nejvíce technologicky a ekonomicky výhodným řešením. Její atraktivita je však významně ovlivněna čistotou a výkupními cenami metanu.