Kierrätyspolttoaineiden käyttö leijukerrospoltossa vetykaasun kanssa

Tämä diplomityö on tehty Leppäkosken Energia Oy:n ja Kemira Chemicals Oy:n yhteisyritys FC Energia Oy:lle. FC Energia Oy suunnittelee rakentaa uutta bio-vetyvoimalaitosta Sastamalaan. Voimalaitoksella tuotettaisiin Kemira Chemicals Oy:n ylijäämävedystä ja biopolttoaineista sähköä, kaukolämpöä ja prosessihöyryä. Ympäristölupaa on haettu hakkeen, turpeen ja kierrätyspuun poltolle vetykaasun kanssa. Voimalaitoksen kattilan toiminta perustuu kuplivaan leijukerrostekniikkaan. Diplomityössä selvitettiin, mitä muutoksia kierrätyspolttoaineiden käyttö vaatii leijukerrospoltossa verrattuna hakkeen ja turpeen polttoon. Kierrätyspolttoaineena käytetään hyvälaatuista kierrätyspuuta. Kierrätyspuun käytössä sovelletaan jätteenpoltto-asetusta. Jätteenpolttoasetus määrää tiukemmat päästöjen raja-arvot rinnakkaispoltolle kuin hakkeen ja turpeen poltolle sekä jatkuvatoimiset savukaasujen mittauslaitteet. Rinnakkaispolton hiukkasmaisten päästöjen tiukempi raja-arvo vaatii tehokkaamman sähkösuodattimen. Lisäksi kierrätyspuuta käytettäessä tulistimen materiaaliin tulee olla kestävämpää, mikä aiheuttaa huomattavan lisäinvestoinnin. Työn päätavoitteena oli selvittää, onko kierrätyspuun käyttö taloudellisesti kannattavaa. Oletetulla kierrätyspuun hinnalla 10 €/MWh kierrätyspuuta polttavan voimalaitoksen takaisinmaksuaika on sama kuin haketta polttavan laitoksen ja vuoden lyhyempi kuin turvetta polttavan laitoksen. Tulokseksi saatiin, että rinnakkaispoltto käyttö on taloudellisesti kannattavaa hakkeenpolttoon nähden jos kierrätyspuun hinta on alle 11,2 €/MWh. Kierrätyspuun polttoon liittyy toiminnallinen riski, koska vastaavanlaisia rinnakkaispolttolaitoksia ei ole aiemmin rakennettu.

Química Sem Fronteiras: o desafio da energia

Coal, natural gas and petroleum-based liquid fuels are still the most widely used energy sources in modern society. The current scenario contrasts with the foreseen shortage of petroleum that was spread out in the beginning of the XXI century, when the concept of "energy security" emerged as an urgent agenda to ensure a good balance between energy supply and demand. Much beyond protecting refineries and oil ducts from terrorist attacks, these issues soon developed to a portfolio of measures related to process sustainability, involving at least three fundamental dimensions: (a) the need for technological breakthroughs to improve energy production worldwide; (b) the improvement of energy efficiency in all sectors of modern society; and (c) the increase of the social perception that education is a key-word towards a better use of our energy resources. Together with these technological, economic or social issues, "energy security" is also strongly influenced by environmental issues involving greenhouse gas emissions, loss of biodiversity in environmentally sensitive areas, pollution and poor solid waste management. For these and other reasons, the implementation of more sustainable practices in our currently available industrial facilities and the search for alternative energy sources that could partly replace the fossil fuels became a major priority throughout the world. Regarding fossil fuels, the main technological bottlenecks are related to the exploitation of less accessible petroleum resources such as those in the pre-salt layer, ranging from the proper characterization of these deep-water oil reservoirs, the development of lighter and more efficient equipment for both exploration and exploitation, the optimization of the drilling techniques, the achievement of further improvements in production yields and the establishment of specialized training programs for the technical staff. The production of natural gas from shale is also emerging in several countries but its production in large scale has several problems ranging from the unavoidable environmental impact of shale mining as well as to the bad consequences of its large scale exploitation in the past. The large scale use of coal has similar environmental problems, which are aggravated by difficulties in its proper characterization. Also, the mitigation of harmful gases and particulate matter that are released as a result of combustion is still depending on the development of new gas cleaning technologies including more efficient catalysts to improve its emission profile. On the other hand, biofuels are still struggling to fulfill their role in reducing our high dependence on fossil fuels. Fatty acid alkyl esters (biodiesel) from vegetable oils and ethanol from cane sucrose and corn starch are mature technologies whose market share is partially limited by the availability of their raw materials. For this reason, there has been a great effort to develop "second-generation" technologies to produce methanol, ethanol, butanol, biodiesel, biogas (methane), bio-oils, syngas and synthetic fuels from lower grade renewable feedstocks such as lignocellulosic materials whose consumption would not interfere with the rather sensitive issues of food security. Advanced fermentation processes are envisaged as "third generation" technologies and these are primarily linked to the use of algae feedstocks as well as other organisms that could produce biofuels or simply provide microbial biomass for the processes listed above. Due to the complexity and cost of their production chain, "third generation" technologies usually aim at high value added biofuels such as biojet fuel, biohydrogen and hydrocarbons with a fuel performance similar to diesel or gasoline, situations in which the use of genetically modified organisms is usually required. In general, the main challenges in this field could be summarized as follows: (a) the need for prospecting alternative sources of biomass that are not linked to the food chain; (b) the intensive use of green chemistry principles in our current industrial activities; (c) the development of mature technologies for the production of second and third generation biofuels; (d) the development of safe bioprocesses that are based on environmentally benign microorganisms; (e) the scale-up of potential technologies to a suitable demonstration scale; and (f) the full understanding of the technological and environmental implications of the food vs. fuel debate. On the basis of these, the main objective of this article is to stimulate the discussion and help the decision making regarding "energy security" issues and their challenges for modern society, in such a way to encourage the participation of the Brazilian Chemistry community in the design of a road map for a safer, sustainable and prosper future for our nation.

Cyanobacteria from the Baltic Sea and Finnish lakes as an energy source and modulators of bioenergetic pathways

Cyanobacteria are a diverse group of oxygenic photosynthetic bacteria that inhabit in a wide range of environments. They are versatile and multifaceted organisms with great possibilities for different biotechnological applications. For example, cyanobacteria produce molecular hydrogen (H2), which is one of the most important alternatives for clean and sustainable energy. Apart from being beneficial, cyanobacteria also possess harmful characteristics and may become a source of threat to human health and other living organisms, as they are able to form surface blooms that are producing a variety of toxic or bioactive compounds. The University of Helsinki Culture Collection (UHCC) maintains around 1,000 cyanobacterial strains representing a large number of genera and species isolated from the Baltic Sea and Finnish lakes. The culture collection covers different life forms such as unicellular and filamentous, N2-fixing and non-N2-fixing strains, and planktonic and benthic cyanobacteria. In this thesis, the UHCC has been screened to identify potential strains for sustainable biohydrogen production and also for strains that produce compounds modifying the bioenergetic pathways of other cyanobacteria or terrestrial plants. Among the 400 cyanobacterial strains screened so far, ten were identified as high H2-producing strains. The enzyme systems involved in H2 metabolism of cyanobacteria were analyzed using the Southern hybridization approach. This revealed the presence of the enzyme nitrogenase in all strains tested, while none of them are likely to have contained alternative nitrogenases. All the strains tested, except for two Calothrix strains, XSPORK 36C and XSPORK 11A, were suggested to contain both uptake and bidirectional hydrogenases. Moreover, 55 methanol extracts of various cyanobacterial strains were screened to identify potent bioactive compounds affecting the photosynthetic apparatus of the model cyanobacterium, Synechocystis PCC 6803. The extract from Nostoc XPORK 14A was the only one that modified the photosynthetic machinery and dark respiration. The compound responsible for this effect was identified, purified, and named M22. M22 demonstrated a dual-action mechanism: production of reactive oxygen species (ROS) under illumination and an unknown mechanism that also prevailed in the dark. During summer, the Baltic Sea is occupied by toxic blooms of Nodularia spumigena (hereafter referred to as N. spumigena), which produces a hepatotoxin called nodularin. Long-term exposure of the terrestrial plant spinach to nodularin was studied. Such treatment resulted in inhibition of growth and chlorosis of the leaves. Moreover, the activity and amount of mitochondrial electron transfer complexes increased in the leaves exposed to nodularin-containing extract, indicating upregulation of respiratory reactions, whereas no marked changes were detected in the structure or function of the photosynthetic machinery. Nodularin-exposed plants suffered from oxidative stress, evidenced by oxidative modifications of various proteins. Plants initiated strategies to combat the stress by increasing the levels of alpha-tocopherol, mitochondrial alternative oxidase (AOX), and mitochondrial ascorbate peroxidase (mAPX).

Biopolttoaineiden ongelmat

Biopolttoaineilla on tärkeä rooli tulevaisuuden energiahuollossa. Biopolttoaineiden käyttöä pyritäänkin lisäämään monin keinoin. Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineet ovat jo olleet aikansa markkinoilla ja toisen sukupolven polttoaineet ovat saapumassa markkinoille. Tässä työssä tutkitaan eri biopolttoaine vaihtoehtoja ensimmäisestä toiseen sukupolveen sekä tutkitaan niiden käytön ongelmia. Biopolttoaineiden käyttö on lisääntynyt huomattavasti viime vuosien aikoina, jonka myötä on tullut esiin monia ongelmia. Ongelmia aiheuttavat niin ilmastolliset, taloudelliset, teknologiset kuin valtapoliittiset asiat.

Augmentation de la production d'hydrogène par l'expression hétérologue d'hydrogénase et la production d’hydrogène à partir de résidus organiques

La recherche de sources d’énergie fiables ayant un faible coût environnemental est en plein essor. L’hydrogène, étant un transporteur d’énergie propre et simple, pourrait servir comme moyen de transport de l’énergie de l’avenir. Une solution idéale pour les besoins énergétiques implique une production renouvelable de l’hydrogène. Parmi les possibilités pour un tel processus, la production biologique de l’hydrogène, aussi appelée biohydrogène, est une excellente alternative. L’hydrogène est le produit de plusieurs voies métaboliques bactériennes mais le rendement de la conversion de substrat en hydrogène est généralement faible, empêchant ainsi le développement d’un processus pratique de production d’hydrogène. Par exemple, lorsque l’hydrogène est produit par la nitrogénase sous des conditions de photofermentation, chaque molécule d’hydrogène constituée requiert 4 ATP, ce qui rend le processus inefficace. Les bactéries photosynthétiques non sulfureuses ont la capacité de croître sous différentes conditions. Selon des études génomiques, Rhodospirillum rubrum et Rhodopseudomonas palustris possèdent une hydrogénase FeFe qui leur permettrait de produire de l’hydrogène par fermentation anaérobie de manière très efficace. Il existe cependant très peu d’information sur la régulation de la synthèse de cette hydrogénase ainsi que sur les voies de fermentation dont elle fait partie. Une surexpression de cette enzyme permettrait potentiellement d’améliorer le rendement de production d’hydrogène. Cette étude vise à en apprendre davantage sur cette enzyme en tentant la surexpression de cette dernière dans les conditions favorisant la production d’hydrogène. L’utilisation de résidus organiques comme substrat pour la production d’hydrogène sera aussi étudiée.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

The benefits of ethanol use for hydrogen production in urban transportation

The purpose of this paper is to describe the benefits of sugar cane ethanol in Brazil, appointing the productivity of this type of fuel based on hectares of plantation, its carbon dioxide cycle and the contribution to reduce the greenhouse effect. In the following step the uses of ethanol for hydrogen production by steam reforming is analyzed and some comparison with natural gas steam reforming is performed. The sugar cane industry in Brazil, in a near future, in the hydrogen era, could be modified according to our purpose, since besides the production of sugar, and ethylic and anhydric alcohol, Brazilian sugar cane industry will also be able to produce biohydrogen.Fuel cells appear like a promising technology for energy generation. Among several technologies in the present, the PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) is the most appropriate for vehicles application, because it combines durability, high power density, high efficiency, good response and it works at relatively low temperatures. Besides that it is easy to turn it on and off and it is able to support present vibration in vehicles. A PEMFC's problem is the need of noble catalysts like platinum. Another problem is that CO needs to be in low concentration, requiring a more clean hydrogen to avoid fuel cell deterioration.One part of this paper was developed in Stockholm, where there are some buses within the CUTE (clean urban transport for Europe) project that has been in operation with FC since January 2004. Another part was developed in Guaratingueta, Brazil. Brazil intends to start up a program of FC buses. As conclusion, this paper shows the economical analysis comparing buses moved by fuel cells using hydrogen by different kinds of production. Electrolyze with wind turbine, natural gas steam reforming and ethanol steam reforming. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Economical analysis of ethanol steam reformer for hydrogen production associated with a sugarcane industry

An expressive amount of produced hydrogen is generated by customers in-situ such as petrochemical, fertilizer and sugarcane industries. However, the most utilized feedstock is natural gas, a non-renewable and fossil fuel. The introduction of biohydrogen production process associated in a sugarcane industry is an alternative to diminish emissions and contribute to create a CO2 cycle, where the plants capture this gas by photosynthesis process and produces sucrose for ethanol production. The cost of production of ethanol has dramatically decreased (from about US$ 700/m3 in 1970s to US$ 200/m3 today), becoming this a good option at near term, inclusively for its utilization by customers localized in main regions (localized especially in regions such as Southeastern Brazil) Also in near future, it will possible the utilization of fuel cells as form of distributed generation. Its utilization could occur specially in peak hours, diminishing the cost of investments in newer transmission systems. A technical and economic analysis of steam reformer of ethanol to hydrogen production associated with sugarcane industry was recently performed. This technique will also allow the use of ethanol when its price is relatively low. This study was based on a previous R&D study (sponsored by CEMIG - State of Minas Gerais Electricity Company) where thermodynamic and economic analyses were developed, based in the development of two ethanol steam reformers prototypes.x In this study an analysis was performed considering the use of bagasse as source of heat in the steam reforming process. Its use could to diminish the costs of hydrogen production, especially at large scale, obtaining cost-competitive production and permitting that sugarcane industry produces hydrogen in large scale beyond ethylic alcohol, anhydrous alcohol (or ethanol) and sugar.

Bioconversion of Cellulose to Hydrogen by dark fermentation

Hydrogen is known as a clean energy resource. The biological production of hydrogen has been attracting attention as an environmentally friendly processs that does not consume fossil fuels. Cellulosic plant and waste materials are potential resources for fermentative hydrogen production. Cellulose is a linear biopolymer of glucose molecules, connected by β-1,4-glycosidic bonds. Enzymatic hydrolysis of cellulose requires the presence of cellulase. The present study aimed to investigate the efficiency of acid pretreatment on ruminal fluid in order to enrich H2 producing bacteria consortia to enhance biohydrogen rate and substrate removal efficiency. In this study, fermentative hydrogen producers were enriched on cellulose (2g/L) in a modificated Del Nery medium (DNM) at 37ºC and initial pH 7.0 using rumen fluid (10% v/v) as inoculum. To increase the hydrogen production it was added cellulose (10mL) to the medium. The gas products (mainly H2 and CO2) was analyzed by gas chromatography (Shimadzu GC 2010) using a thermal conductivity detector. The volatile fatty acids and ethanol were also detected by GC using a flame ionization detector. Cellulose degradation was quantified by using the phenolsulfuric acid method. Analysis showed that the biogas produced from the anaerobic fermentation contained only hydrogen and carbon dioxide, without detectable methane after acid pretreatment test. On DNM the hydrogen production started with 4 h (5,3 x 105 mmol H2/L) of incubation, and the maximum H2 concentration was observed with 34 h (7,1 x 106 mmol H2/L) of incubation. During the process, it was observed a predominance of acetic acid and butyric acid as well as a low production of acetone, ethanol and nbutanol in all experimental phases. Butyrate accounted for more than 77% of total. As a result of the accumulation of volatile fatty acids (VFAs), the pH value in anaerobic digestion system was reduced to 4,0. On microscopy analyses there were observed rods with endospores. The batch anaerobic fermentation assays performed on anaerobic mixed inoculum from rumen fluid demonstrated the feasibility of H2 generation utilizing cellulose as substrate. Based on the results, it can be concluded that the acid treatment was efficient to inhibit the methanogenic archaea cells present in rumen fluid. The rumen fluid cells present a potential route in converting renewable biomass such as cellulose into hydrogen energy.

Effect of Substrate Concentration on Dark Fermentation Hydrogen Production Using an Anaerobic Fluidized Bed Reactor

The effect of substrate (glucose) concentration on the stability and yield of a continuous fermentative process that produces hydrogen was studied. Four anaerobic fluidized bed reactors (AFBRs) were operated with a hydraulic retention time (HRT) from 1 to 8 h and an influent glucose concentration from 2 to 25 gL(-1). The reactors were inoculated with thermally pre-treated anaerobic sludge and operated at a temperature of 30 degrees C with an influent pH around 5.5 and an effluent pH of about 3.5. The AFBRs with a HRT of 2 h and a feed strength of 2, 4, and 10 gL(-1) showed satisfactory H-2 production performance, but the reactor fed with 25 gL(-1) of glucose did not. The highest hydrogen yield value was obtained in the reactor with a glucose concentration of 2 gL(-1) when it was operated at a HRT of 2 h. The maximum hydrogen production rate value was achieved in the reactor with a HRT of 1 h and a feed strength of 10 gL(-1). The AFBRs operated with glucose concentrations of 2 and 4 gL(-1) produced greater amounts of acetic and butyric acids, while AFBRs with higher glucose concentrations produced a greater amount of solvents.

Performance and composition of bacterial communities in anaerobic fluidized bed reactors for hydrogen production: Effects of organic loading rate and alkalinity

This study evaluated the effects of the organic loading rate (OLR) and pH buffer addition on hydrogen production in two anaerobic fluidized bed reactors (AFBRs) operated simultaneously. The AFBRs were fed with glucose, and expanded clay was used as support material. The reactors were operated at a temperature of 30 degrees C, without the addition of a buffer (AFBR1) and with the addition of a pH buffer (AFBR2, sodium bicarbonate) for OLRs ranging from 19.0 to 140.6 kg COD m(-3) d(-1) (COD: chemical oxygen demand). The maximum hydrogen yields for AFBR1 and AFBR2 were 2.45 and 1.90 mol H-2 mol(-1) glucose (OLR of 84.3 kg COD m(-3) d(-1)), respectively. The highest hydrogen production rates were 0.95 and 0.76 L h(-1) L-1 for AFBR1 and AFBR2 (OLR of 140.6 kg COD m(-3) d(-1)), respectively. The operating conditions in AFBR1 favored the presence of such bacteria as Clostridium, while the bacteria in AFBR2 included Clostridium, Enterobacter, Klebsiella, Veillonellaceae, Chryseobacterium, Sporolactobacillus, and Burkholderiaceae. Copyright (C) 2012, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

The influence of the degree of back-mixing on hydrogen production in an anaerobic fixed-bed reactor

This paper reports on results obtained from experiments carried out in an acidogenic anaerobic reactor aiming at the optimization of hydrogen production by altering the degree of back-mixing. It was hypothesized that there is an optimum operating point that maximizes the hydrogen yield. Experiments were performed in a packed-bed bioreactor by covering a broad range of recycle ratios (R) and the optimum point was obtained for an R value of 0.6. In this operating condition the reactor behaved as 8 continuous stirred-tank reactors in series and the maximum yield was 4.22 mol H-2 mol sucrose(-1). Such optimum point was estimated by deriving a polynomial function fitted to experimental data and it was obtained as the conjugation of three factors related to the various degrees of back-mixing applied to the reactor: mass transfer from the bulk liquid to the biocatalyst, liquid-to-gas mass transfer and the kinetic behavior of irreversible reactions in series. Copyright (C) 2012, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Hydrogen and Methane Production, Energy Recovery, and Organic Matter Removal from Effluents in a Two-Stage Fermentative Process

This study evaluates the potential for using different effluents for simultaneous H-2 and CH4 production in a two-stage batch fermentation process with mixed microflora. An appreciable amount of H-2 was produced from parboiled rice wastewater (23.9 mL g(-1) chemical oxygen demand [COD]) and vinasse (20.8 mL g(-1) COD), while other effluents supported CH4 generation. The amount of CH4 produced was minimum for sewage (46.3 mL g(-1) COD), followed by parboiled rice wastewater (115.5 mL g(-1) COD) and glycerol (180.1 mL g(-1) COD). The maximum amount of CH4 was observed for vinasse (255.4 mL g(-1) COD). The total energy recovery from vinasse (10.4 kJ g(-1) COD) corresponded to the maximum COD reduction (74.7 %), followed by glycerol (70.38 %, 7.20 kJ g(-1) COD), parboiled rice wastewater (63.91 %, 4.92 kJ g(-1) COD), and sewage (51.11 %, 1.85 kJ g(-1) COD). The relatively high performance of vinasse in such comparisons could be attributed to the elevated concentrations of macronutrients contained in raw vinasse. The observations are based on kinetic parameters of H-2 and CH4 production and global energy recovery of the process. These observations collectively suggest that organic-rich effluents can be deployed for energy recovery with sequential generation of H-2 and CH4.

Biogas and bio-hydrogen: production and uses. A review

The first part of this essay aims at investigating the already available and promising technologies for the biogas and bio-hydrogen production from anaerobic digestion of different organic substrates. One strives to show all the peculiarities of this complicate process, such as continuity, number of stages, moisture, biomass preservation and rate of feeding. The main outcome of this part is the awareness of the huge amount of reactor configurations, each of which suitable for a few types of substrate and circumstance. Among the most remarkable results, one may consider first of all the wet continuous stirred tank reactors (CSTR), right to face the high waste production rate in urbanised and industrialised areas. Then, there is the up-flow anaerobic sludge blanket reactor (UASB), aimed at the biomass preservation in case of highly heterogeneous feedstock, which can also be treated in a wise co-digestion scheme. On the other hand, smaller and scattered rural realities can be served by either wet low-rate digesters for homogeneous agricultural by-products (e.g. fixed-dome) or the cheap dry batch reactors for lignocellulose waste and energy crops (e.g. hybrid batch-UASB). The biological and technical aspects raised during the first chapters are later supported with bibliographic research on the important and multifarious large-scale applications the products of the anaerobic digestion may have. After the upgrading techniques, particular care was devoted to their importance as biofuels, highlighting a further and more flexible solution consisting in the reforming to syngas. Then, one shows the electricity generation and the associated heat conversion, stressing on the high potential of fuel cells (FC) as electricity converters. Last but not least, both the use as vehicle fuel and the injection into the gas pipes are considered as promising applications. The consideration of the still important issues of the bio-hydrogen management (e.g. storage and delivery) may lead to the conclusion that it would be far more challenging to implement than bio-methane, which can potentially “inherit” the assets of the similar fossil natural gas. Thanks to the gathered knowledge, one devotes a chapter to the energetic and financial study of a hybrid power system supplied by biogas and made of different pieces of equipment (natural gas thermocatalitic unit, molten carbonate fuel cell and combined-cycle gas turbine structure). A parallel analysis on a bio-methane-fed CCGT system is carried out in order to compare the two solutions. Both studies show that the apparent inconvenience of the hybrid system actually emphasises the importance of extending the computations to a broader reality, i.e. the upstream processes for the biofuel production and the environmental/social drawbacks due to fossil-derived emissions. Thanks to this “boundary widening”, one can realise the hidden benefits of the hybrid over the CCGT system.