Biohydrogen production from molasses and its application for biomethanol synthesis by integrating Reverse Water Gas Shift (RWGS) and Hydrogenation reaction

Abstract

Commercial methanol derived from petroleum base is known as a value chemical in fuel, chemical and solvent, but it has impacted to environment in CO2 generation. Biomethanol is an option to substitute commercial methanol. Molasses is an abundant source for Biomethanol. The fermentation of molasses was studied by optimizing of molasses concentration of 20, 30, or 40 g/L with the addition of 0, 0.01, or 0.1 g/L of trace elements (TEs) (NiCl2 and FeSO4.7H2O). the most profitable condition was 31.36 L of biohydrogen (0.97 H2/CO2 ratio) derived from a 30 g/L molasses solution with adding 0.01 g/L of TEs. The feed flow rate of 60 g/hr of varying H2/CO2 ratios of 50/50%(v/v), 60/40%(v/v), and 70/30%(v/v) were studied in CO2 conversion via methanol synthesis (MS) and reverse water gas shift (RWGS) reaction. MS was investigated by ranging temperatures of 170, 200, and 230 °C with a Cu/ZnO/Al2O3 catalyst and 40 barg. The maximum methanol product rate and the maximum H2/CO2 were 13.15, 17.81, and 14.15 g/hr at 70/30%(v/v), respectively. The optimum methanol purity was 200 °C and 62.9%(wt). RWGS was investigated by increasing temperatures from 150 to 550 °C at atm pressure with the same catalyst and constant feed. The higher temperature promoted CO generation until almost remain unchanged at 21 to 23% at 500 to 550 °C. There are 2 possible pathways to produce methanol. Pathway 1 Direct methanol synthesis (DMS) (1st MS + 2nd MS) represented to 1st methanol synthesis (MS) and following with 2nd methanol synthesis (MS) and Pathway 2 indirect methanol synthesis (IMS) (1st RWGS + 2nd MS) represented 1st reverse water gas shift (RWGS) reaction and following with 2nd methanol synthesis (MS). The same optimal H2/CO2 ratio at 60/40 % (v/v) or 1.49/1 (mole ratio), methanol production rates of 1.04 (0.033) and 1.01 (0.032) g/min (mol/min), methanol purities of 75.91%(wt) and 97.98%(wt), and CO2 consumptions of 27.32% and 57.25%, respectively. Comparing Operating expenditure for 1 kg methanol by biohydrogen experiment and theory were 4.4349 and 4.0912 USD comparing with biogas 0.3446 USD based on commercial methanol price 0.449 USD/kg.

เมทานอลทางพาณิชย์ได้รับมาจากฐานปิโตรเลียมถือว่าเป็นสารเคมีมีค่าในด้านเชื้อเพลิง สารเคมี และสารละลาย แต่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในด้านการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์งานวิจัยนี้ศึกษาการผลิตไบโอเมทานอล เพื่อเป็นทางเลือกในการแทนที่เมทานอลทางการพาณิชย์ กากน้ำตาลเป็นแหล่งวัตถุดิบที่หาง่ายจึงสามารถนำมาใช้ผลิตไบโอเมทานอลได้ การหมักกากน้ำตาลเพื่อผลิตไบโอไฮโดรเจนทำการศึกษาที่ความเข้มข้นตั้งแต่ 20, 30, หรือ 40 กรัมต่อลิตร พร้อมด้วยการเติมสารอาหาร (Trace Element , TEs) ตั้งแต่ 0, 0.01, หรือ 0.1 กรัมต่อลิตร โดยที่ TEs มี NiCl2 และ FeSO4.7H2O เป็นองค์ประกอบ และสามารถผลิตไบโอไฮโดรเจนได้สูงสุดเท่ากับ 31.36 ลิตร (อัตราส่วน H2/CO2 เท่ากับ 0.97) บนสภาวะความเข้มข้นกากน้ำตาลเท่ากับ 30 กรัมต่อลิตร พร้อมกับการเพิ่ม 0.01 กรัมต่อลิตรของ TEs

ค่าการเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยกระบวนการผลิตเมทานอลและปฏิกิริยารีเวิร์สวอเตอร์แก๊สชิฟต์ ด้วยการแปรเปลี่ยนสัดส่วนของไฮโดรเจนต่อคาร์บอนไดออกไซด์ ร้อยละโดยปริมาตร 50/50 60/40 และ 70/30 ที่อัตราการป้อนเท่ากับ 60 กรัมต่อชั่วโมง การผลิตเมทานอลจากก๊าซคาร์บอนไดออกไวด์ทำการศึกษาโดยการแปรเปลี่ยนอุณหภูมิที่ใช้ในการดำเนินการตั้งแต่ 170 200 230 องศาเซลเซียส บนตัวเร่งปฏิกิริยา คอปเปอร์ซิงค์ออกไซด์อะลูมินที่ความดัน 40 บาร์ พบว่าอัตราการผลิต เมทานอลสูงสุดเท่ากับ 13.15, 17.81, และ 14.15 กรัมต่อชั่วโมง ที่สัดส่วนไฮโดรเจนต่อคาร์บอนไดออกไซด์ ร้อยละ70/30 ตามลำดับ พบว่าสภาวะที่เหมาะสมของการผลิตเมทานอลอยู่ที่ 200 องศาเซลเซียส ความบริสุทธิ์เมทานอลเท่ากับ 62.9%(ร้อยละโดยน้ำหนัก) ปฏิกิริยารีเวิร์สวอเตอร์แก๊สชิฟต์ศึกษาอุณหภูมิที่เหมาะสมตั้งแต่ 150 ถึง 550 องศาเซลเซียส ด้วยความดัน ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดเดียวกัน และอัตราการป้อนคงที่ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะช่วยส่งเสริมให้การเกิดคาร์บอนไดออกไซด์ดีขึ้นจนค่าคงที่อยู่ระหว่างร้อยละ 21-23 ที่อุณหภูมิ 500-550 องศาเซลเซียส มีทางเลือก 2 เส้นทางที่เป็นไปได้ในการผลิตเมทานอล ทางเลือกที่ 1 การสังเคราะห์เมทานอลโดยตรง แทนถึงการสังเคราะห์เมทานอล ทางตรง (การผลิตเมทานอลลำดับที่ 1 ตามด้วยการรผลิตเมทานอลลำดับที่ 2 และทางเลือกที่ 2 การสังเคราะห์เมทานอลอ้อมรอบ แทนการสังเคราะห์เมทานอลลำดับที่ 1 ด้วยปฏิกิริยา (RWGS) และตามด้วยการสังเคราะห์เมทานอลลำดับที่ 2 พบว่าที่อัตราส่วนไฮโดรเจนต่อคาร์บอนไดออกไซด์ที่ดีที่สุดเท่ากับร้อยละโดยปริมาตร 60/40% หรือ 1.49/ 1 (สัดส่วนโดยโมล) อัตราการเกิดเมทานอลจากการผลิตแบบทางตรงเท่ากับ 1.04 กรัมต่อนาที (0.032 โมลต่อนาที) แบบทางอ้อมเท่ากับ1.01กรัมต่อนาที (0.032 โมลต่อนาที) ความบริสุทธิ์เมทานอลเท่ากับร้อยละ 75.91 (ทางเลือกที่ 1) และร้อยละ97.98 (ทางเลือกที่ 2) ตามลำดับ

เมื่อเปรียบเทียบต้นทุนดำเนินการสำหรับการผลิตเมทานอล 1 กิโลกรัมด้วยไบโอโดรเจนต้นทุนจะอยู่ที่ 4.4349 และ4.0912 ดอลลาร์สหรัฐ เมื่อเปรียบเทียบกับผลิตจากก๊าซชีวภาพราคาเท่ากับ 0.3446 ดอลลาร์สหรัฐ บนราคาเมทานอลทางการที่ 0.449 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม