Integrated techno-economic and environmental assessments of sixty scenarios for co-firing biomass with coal and natural gas

Displacement of fossil fuel-based power through biomass co-firing could reduce the greenhouse gas (GHG) emissions from fossil fuels. In this study, data-intensive techno-economic models were developed to evaluate different co-firing technologies as well as the configurations of these technologies. The models were developed to study 60 different scenarios involving various biomass feedstocks (wood chips, wheat straw, and forest residues) co-fired either with coal in a 500 MW subcritical pulverized coal (PC) plant or with natural gas in a 500 MW natural gas combined cycle (NGCC) plant to determine their technical potential and costs, as well as to determine environmental benefits. The results obtained reveal that the fully paid-off coal-fired power plant co-fired with forest residues is the most attractive option, having levelized costs of electricity (LCOE) of $53.12–$54.50/MW h and CO2 abatement costs of $27.41–$31.15/tCO2. When whole forest chips are co-fired with coal in a fully paid-off plant, the LCOE and CO2 abatement costs range from $54.68 to $56.41/MW h and $35.60 to $41.78/tCO2, respectively. The LCOE and CO2 abatement costs for straw range from $54.62 to $57.35/MW h and $35.07 to $38.48/tCO2, respectively.

An optimized process design for oxymethylene ether production from woody-biomass-derived syngas

The conversion of biomass for the production of liquid fuels can help reduce the greenhouse gas (GHG) emissions that are predominantly generated by the combustion of fossil fuels. Oxymethylene ethers (OMEs) are a series of liquid fuel additives that can be obtained from syngas, which is produced from the gasification of biomass. The blending of OMEs in conventional diesel fuel can reduce soot formation during combustion in a diesel engine. In this research, a process for the production of OMEs from woody biomass has been simulated. The process consists of several unit operations including biomass gasifi- cation, syngas cleanup, methanol production, and conversion of methanol to OMEs. The methodology involved the development of process models, the identification of the key process parameters affecting OME production based on the process model, and the development of an optimal process design for high OME yields. It was found that up to 9.02 tonnes day1 of OME3, OME4, and OME5 (which are suitable as diesel additives) can be produced from 277.3 tonnes day1 of wet woody biomass. Furthermore, an optimal combination of the parameters, which was generated from the developed model, can greatly enhance OME production and thermodynamic efficiency. This model can further be used in a techno- economic assessment of the whole biomass conversion chain to produce OMEs. The results of this study can be helpful for petroleum-based fuel producers and policy makers in determining the most attractive pathways of converting bio-resources into liquid fuels.

Stratified analysis reveals chemokine-like factor (CKLF) as a potential prognostic marker in the MSI-immune consensus molecular subtype CMS1 of colorectal cancer

The Colorectal Cancer (CRC) Subtyping Consortium (CRCSC) recently published four consensus molecular subtypes (CMS’s) representing the underlying biology in CRC. The Microsatellite Instable (MSI) immune group, CMS1, has a favorable prognosis in early stage disease, but paradoxically has the worst prognosis following relapse, suggesting the presence of factors enabling neoplastic cells to circumvent this immune response. To identify the genes influencing subsequent poor prognosis in CMS1, we analyzed this subtype, centered on risk of relapse.
In a cohort of early stage colon cancer (n=460), we examined, in silico, changes in gene expression within the CMS1 subtype and demonstrated for the first time the favorable prognostic value of chemokine-like factor (CKLF) gene expression in the adjuvant disease setting [HR=0.18, CI=0.04-0.89]. In addition, using transcription profiles originating from cell sorted CRC tumors, we delineated the source of CKLF transcription within the colorectal tumor microenvironment to the leukocyte component of these tumors. Further to this, we confirmed that CKLF gene expression is confined to distinct immune subsets in whole blood samples and primary cell lines, highlighting CKLF as a potential immune cell-derived factor promoting tumor immune-surveillance of nascent neoplastic cells, particularly in CMS1 tumors. Building on the recently reported CRCSC data, we provide compelling evidence that leukocyte-infiltrate derived CKLF expression is a candidate biomarker of favorable prognosis, specifically in MSI-immune stage II/III disease.

Microphytobenthos vs Hydrobia: trophic coupling in estuarine environment

Os estuários são ambientes complexos, biologicamente diversos e muito importantes no que respeita à produtividade primária. As zonas intertidais destes ecossistemas são ocupadas por organismos que possuem uma elevada capacidade de sobrevivência e adaptação face às variadas e rápidas alterações nos factores ambientais (tais como temperatura, salinidade, conteúdo hídrico, etc.). As cadeias tróficas com origem no ecossistema estuarino bentónico são essencialmente herbívoras, regulando o fluxo de energia desde o fundo sedimentar e através do ecossistema. Nas áreas estuarinas intertidais a produção primária é essencialmente suportada pelo microfitobentos (MPB). Estas comunidades de microalgas bênticas constituem uma importante fonte de matéria orgânica e são por si só a principal fonte alimentar para as populações de Hydrobia. Neste contexto, a interacção MPB - Hydrobia é um modelo-chave na investigação da cadeia trófica estuarina de origem bentónica, actuando como um importante canal de transporte de energia para os níveis tróficos superiores, especialmente se considerarmos que Hydrobia é uma importante presa para peixes, aves e caranguejos. O presente estudo tem por objectivos gerais: i) a investigação do controlo ambiental (particularmente da luz e do teor em água do sedimento) e endógeno na migração vertical do MPB e ii) a identificação e potencial utilização de marcadores tróficos (pigmentos e ácidos gordos) úteis à investigação da interacção MPB – Hydrobia em laboratório e em condições naturais, considerando a existência de uma elevada plasticidade trófica por parte da Hydrobia e a elevada densidade populacional que estes organismos podem apresentar. A primeira fase de investigação resultou na comparação do papel dos estímulos ambientais e do controlo endógeno nos padrões de comportamento migratório vertical do microfitobentos, demonstrando a existência de um controlo essencialmente endógeno na formação e desintegração do biofilme superficial. A regulação e manutenção da biomassa à superfície do sedimento são claramente controladas pela variação dos factores ambientais, em especial da luz, cuja presença é essencial à formação total do biofilme microalgal à superfície do sedimento intertidal. Foi proposta uma nova abordagem metodológica com vista à estimativa nãodestrutiva do teor de água de sedimentos intertidais vasosos , possibilitando o estudo da influência da acção do vento no conteúdo hídrico dos sedimentos e o consequente impacto da dessecação na comunidade microfitobêntica. Observou-se que a dessecação provoca efeitos limitantes não só na biomassa superficial mas também na actividade fotossintética dos biofilmes microfitobênticos, conduzindo à diminuição da produtividade primária. No que respeita à dinâmica trófica da interacção MPB - Hydrobia foi estabelecido o uso do pigmento feoforbide a, quantificado nas partículas fecais da fauna, como marcador trófico que permite estimar a quantidade de biomassa de microalgas (clorofila a) incorporada pelos organismos animais.Para tal foi investigada e comprovada a existência de uma relação significativa entre a concentração de feopigmentos excretados e a concentração de clorofila a ingerida. Estes estudos foram desenvolvidos numa primeira fase à escala diária, considerando os efeitos dos ciclos sazonais, dia-noite e maré, e depois com a validação em condições naturais, numa escala mensal. A taxa de ingestão média de indivíduos de H. ulvae varia ao longo do dia, com o máximo em torno dos períodos diurnos de maré baixa, o que pode estar relacionado com a disponibilidade de MPB. As taxas de ingestão (TI) de H. ulvae variam ainda em função da estação do ano (TI verão > TI primavera) e em função da densidade de indivíduos (> densidade, < ingestão). Verificou-se um efeito negativo na concentração de clorofila disponível após herbívoria independentemente da densidade de indivíduos. Finalmente, a comparação dos perfis de ácidos gordos de H. ulvae provenientes de diferentes habitats com os perfis de potenciais fontes alimentares permitiu demonstrar que os ácidos gordos são ferramentas úteis na identificação do habitat ocupado por estes organismos. No entanto, apesar da ocupação de diferentes habitats e da integração de múltiplas fontes de produção primária na sua dieta foram sempre observados significativos níveis de ácidos gordos específicos de microalgas (em particular diatomáceas), reforçando o papel importante das comunidades de microalgas bênticas na dieta das populações de H. ulvae.

Biomass fly ash incorporation in cement based materials

In recent years, pressures on global environment and energy security have led to an increasing demand on renewable energy sources, and diversification of Europe’s energy supply. Among these resources the biomass could exert an important role, since it is considered a renewable and CO2 neutral energy resource once the consumption rate is lower than the growth rate, and can potentially provide energy for heat, power and transports from the same installation. Currently, most of the biomass ash produced in industrial plants is either disposed of in landfill or recycled on agricultural fields or forest, and most times this goes on without any form of control. However, considering that the disposal cost of biomass ashes are raising, and that biomass ash volumes are increasing worldwide, a sustainable ash management has to be established. The main objective of the present study is the effect of biomass fly ashes in cement mortars and concretes in order to be used as a supplementary cementitious material. The wastes analyzed in the study were collected from the fluidized bed boilers and grate boilers available in the thermal power plants and paper pulp plants situated in Portugal. The physical as well as chemical characterisations of the biomass fly ashes were investigated. The cement was replaced by the biomass fly ashes in 10, 20 and 30% (weight %) in order to investigate the fresh properties as well as the hardened properties of biomass fly ash incorporated cement mortar and concrete formulations. Expansion reactions such as alkali silica reaction (ASR), sulphate attack (external and internal) were conducted in order to check the durability of the biomass fly ash incorporated cement mortars and concretes. Alternative applications such as incorporation in lime mortars and alkali activation of the biomass fly ashes were also attempted. The biomass fly ash particles were irregular in shape and fine in nature. The chemical characterization revealed that the biomass fly ashes were similar to a class C fly ash. The mortar results showed a good scope for biomass fly ashes as supplementary cementitious materials in lower dosages (<20%). The poor workability, concerns about the organic content, alkalis, chlorides and sulphates stand as the reasons for preventing the use of biomass fly ash in high content in the cement mortars. The results obtained from the durability tests have shown a clear reduction in expansion for the biomass fly ash mortars/concretes and the binder blend made with biomass fly ash (20%) and metakaolin (10%) inhibited the ASR reaction effectively. The biomass fly ash incorporation in lime mortars did not improve the mortar properties significantly though the carbonation was enhanced in the 15-20% incorporation. The biomass fly ash metakaolin blend worked well in the alkali activated complex binder application also. Portland cement free binders (with 30-40 MPa compressive strength) were obtained on the alkali activation of biomass fly ashes (60-80%) blended with metakaolin (20-40%).

Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.

Extraction of added-value products from biomass using ionic liquids

The main purpose of this thesis is to investigate the potential of ionic liquids (ILs) as a new class of extractive solvents for added-value products from biomass. These include phenolic compounds (vanillin, gallic, syringic and vanillic acids), alkaloids (caffeine) and aminoacids (L-tryptophan). The interest on these natural compounds relies on the wide variety of relevant properties shown by those families and further application in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. Aiming at developping more benign and effective extraction/purification techniques than those used, a comprehensive study was conducted using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ILs and inorganic/organic salts. In addition, ILs were characterized by a polarity scale, using solvatochromic probes, aiming at providing prior indications on the ILs affinity for particular added-value products. Solid-liquid (S-L) extractions from biomass and using aqueous solution of ILs were also investigated. In particular, and applying and experimental factorial design to optimize the operational conditions, caffeine was extracted from guaraná seeds and spent coffee. With both types of extractions it was found that it is possible to recover the high-value compounds and to recycle the IL and salt solutions. Finally, aiming at exploring the recovery of added-value compounds from biomass using a simpler and more suistainable technique, the solubility of gallic acid, vanillin and caffeine was studied in aqueous solutions of several ILs and common salts. With the gathered results it was possible to demonstrate that ILs act as hydrotropes and that water can be used as an adequate antisolvent. This thesis describes the use of ILs towards the development of more effective and sustainable processes.

New synthetic methodologies for the transformation of biomass derived intermediates to valuable molecules

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Bacterial Biomass along the Kuroshio Extension

Senior thesis written for Oceanography 445

Logistics management and costs of biomass fuel supply

Discusses part of a project conducted by the authors into the logistics planning and management and costs of supplying biomass fuels to biomass-fired power stations in the UK. Defines biomass fuels and the reasons for the growth in interest in their use for electricity generation. The activities and parties involved in the biomass fuel supply chain are discussed together with the management of the chain in order to achieve smooth and consistent flow of biomass fuel to power stations. Explains the approach used to modelling the delivered costs of biomass fuels for four types of biomass fuel included in the project: forest fuel, short rotation coppice, straw and miscanthus. Comments are given on the environmental impacts of the fuel supply chains. The results indicate that straw supply systems are capable of producing the lowest delivered costs of the four fuels studied. Short rotation coppice and miscanthus, two new energy crops, are likely to have the highest delivered costs at present. This is due to the cost of growing these fuels and the financial incentives required by farmers to persuade them to grow these crops. Logistics costs (i.e. transport, storage and handling) are shown to represent a significant proportion of total delivered cost in biomass supply. Careful supply chain planning and logistics management will be of central importance to the success of the biomass industry.