Reduzierung von Abfall, Verbrauch fossiler Brennstoffe und Treibhausgasemissionen, indem ungenutzte Lebensmittel in Biokraftstoffe umgewandelt werden

Marianna Bailey ’18 bereitet einen mit einer Aufschlämmung von Lebensmittelabfällen gefüllten Reaktor für die hydrothermale Verflüssigungsreaktion vor. Bildnachweis: Worcester Polytechnic Institute

Gefördert durch ein Stipendium des US-Energieministeriums, entwickelt ein Forscherteam des Worcester Polytechnic Institute (WPI) einen besseren Weg, um Lebensmittelabfälle in umweltfreundliche Biokraftstoffe umzuwandeln, ein Projekt, das sich auf globale Probleme wie die Erdölabhängigkeit auswirken würde , Lebensmittelverschwendung und Wasserverschmutzung.

Die Verwendung von Lebensmittelabfällen zur Herstellung von Biokraftstoffen ist nicht neu, bisher entwickelte Verfahren, die umständlich und teuer sind, haben sich jedoch nicht durchgesetzt. In einem in der Open-Access-Zeitschrift veröffentlichten Artikel Energien, Michael Timko, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen, berichtet über die Arbeit eines Teams von Kollegen, um die Ölausbeute aus dem Umwandlungsprozess von Lebensmittelabfällen bei gleichzeitiger Verbesserung der Effizienz deutlich zu verbessern.

“Die Menschen haben jahrzehntelang daran gearbeitet, Kraftstoffe herzustellen, die mit Erdöl konkurrieren”, sagte Timko. „Wir möchten unsere Abhängigkeit von Rohöl verringern, einer sich erschöpfenden Ressource, die zum Klimawandel beiträgt. Wenn wir dies mit etwas tun können, das ansonsten weiterhin unsere städtischen Deponien ablagern würde, würden wir unsere Umwelt auf zwei Arten nutzen reicht wahrscheinlich noch nicht aus, um das Verfahren wirtschaftlich machbar zu machen, aber es ist ein Schritt in die richtige Richtung.”

Timko sagte, dass sein in dem neuen Papier beschriebener Prozess, der durch einen einjährigen SBIR-Zuschuss von 168.373 US-Dollar vom US-Energieministerium finanziert wurde, eine wirtschaftliche Möglichkeit sein könnte, verdorbene oder anderweitig weggeworfene Lebensmittel in Biokraftstoff umzuwandeln, um Schulen mit Strom zu versorgen , Restaurants, Lebensmittelgeschäfte und sogar ganze Gemeinden. Er sagte, er stelle sich Reaktoren vor, die es Unternehmen und Institutionen, die Lebensmittel verkaufen oder servieren, ermöglichen, ihre Abfälle zu verarbeiten, um einen flüssigen Brennstoff zu erzeugen, mit dem sie Strom erzeugen, Geld sparen und der Umwelt helfen können. Und indem Lebensmittelabfälle von Deponien ferngehalten werden, wo sie sich zu Treibhausgasen und Wasserverschmutzung zersetzen, wird der Prozess erhebliche Vorteile für die Umwelt haben.

Reduzierung von Abfall, Verbrauch fossiler Brennstoffe und Treibhausgasemissionen, indem ungenutzte Lebensmittel in Biokraftstoffe umgewandelt werden
Doktorand Alex Maag extrahiert aus den verbleibenden festen Rückständen Biokraftstoff mit einer Vakuumfiltrationsanlage. Bildnachweis: Worcester Polytechnic Institute

Ungefähr ein Drittel aller Nahrungsmittel, die für den menschlichen Verzehr produziert werden, gehen verloren oder werden verschwendet – ungefähr 1,3 Milliarden Tonnen pro Jahr oder ein Verlust von ungefähr 161 Milliarden US-Dollar, so die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen. Allein in den USA werden jedes Jahr 30 Millionen Tonnen verschwendet.

Wissenschaftler wissen seit Jahrzehnten, wie aus Lebensmittelabfällen mit unterschiedlichen Verfahren und mit unterschiedlichem Erfolg flüssige und gasförmige Brennstoffe hergestellt werden können. Ein neueres Verfahren, die hydrothermale Verflüssigung, ist eine vielversprechende Alternative, aber die anderen haben Nachteile. Bei diesem Prozess wird nasse Biomasse (wie Lebensmittelabfälle) in einen druckkochtopfartigen Reaktor gegeben und hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen zerfallen Kohlenwasserstoffe in der Biomasse zu einem rohölähnlichen Biokraftstoff.

Das Problem ist, dass ein erheblicher Teil der entstehenden organischen Verbindungen, darunter Säuren und Alkohole, in die durch die Reaktion entstehende Wasserphase gelangt und nicht in Biokraftstoff umgewandelt wird. Das Abwasser kann weiterverarbeitet werden, um brauchbareres Öl zu produzieren, oder aufbereitet werden, um es sauber genug zu machen, um es abzuleiten, aber jede Option verursacht erhebliche Kosten und verbraucht zusätzliche Energie.

„Unsere Herausforderung besteht darin, einen Kraftstoff herzustellen, der im Vergleich zu erdölbasierten Kraftstoffen wirtschaftlich ist“, sagte Timko. “Tatsächlich muss unser Biokraftstoff billiger sein als Öl, weil diese Industrie 80 bis 100 Jahre Dynamik und eine massive Infrastruktur hinter sich hat.”

Reduzierung von Abfall, Verbrauch fossiler Brennstoffe und Treibhausgasemissionen, indem ungenutzte Lebensmittel in Biokraftstoffe umgewandelt werden
Jeremy Hemingway ’18 analysiert die Produkte innerhalb der Biokraftstoffphase mittels Gaschromatographie. Bildnachweis: Worcester Polytechnic Institute

Timko und sein Team beschlossen, der Verflüssigungsreaktion Katalysatoren hinzuzufügen, um zu sehen, ob sie die Menge an Kohlenstoffverbindungen reduzieren können, die an die Wasserphase verloren gehen, und die Ölausbeute erhöhen, wodurch der Prozess effizienter und wirtschaftlicher wird. Sie experimentierten mit zwei Arten von Verbindungen: Natriumcarbonat (Na2Co3), einem homogenen Katalysator, und einer Gruppe von heterogenen Katalysatoren, die als Cer-Zirkon-Mischoxide (CeZrOx) bekannt sind.

Obwohl Natriumcarbonat die Ölausbeute nicht signifikant erhöhte, tat dies durch die Zugabe von CeZrOx (von unter 40 Prozent auf über 50 Prozent), während die Menge der in der Wasserphase verbleibenden Verbindungen reduziert wurde. „Durch die Zugabe dieser Katalysatoren konnten wir die Ausbeute an Biokraftstoff steigern und den Verlust von Verbindungen in die Wasserphase um 50 Prozent senken. Eine 50-prozentige Veränderung ist sehr vielversprechend“, sagte Timko.

In der laufenden Forschung untersucht das Team andere potenzielle Katalysatoren, darunter Rotschlamm攁-Abfälle, die bei der Herstellung von Aluminium entstehen, das kostengünstig, stabil und zuverlässig ist.

Alex Maag, ein WPI-Absolvent in Chemieingenieurwesen, koordinierte die Laborexperimente für das Projekt und beaufsichtigte die Beiträge eines Major Qualifying Project (MQP)-Teams: Maria Bailey, Jeremy Hemingway und Nick Carabillo. (Das MQP ist eine professionelle Design- oder Forschungserfahrung, die alle WPI-Studenten absolvieren müssen.) Maag ist zusammen mit Timko, Geoffrey Tompsett, Assistant Research Professor für Chemieingenieurwesen, und Alex Paulsen, Ted . Co-Autor des Energies-Papiers Amundsen und Paul Yelvington von der Mainstream Engineering Corporation in Rockledge, Florida.

“Indem wir etwas verwenden, das sonst auf unseren Deponien landen würde”, sagte Maag, “das zur Produktion von Methan, einem Treibhausgas, sowie zur Wasserverschmutzung und -erosion beiträgt, können wir unsere Abhängigkeit von Erdöl reduzieren Ressourcen schwinden, die zum Klimawandel beitragen. Wir lösen zwei Probleme gleichzeitig.”


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