バイオマスとは、特定の地域や生態系に生息する生物の重量や総量を表す言葉である。 バイオマスは、生物種、生物群集、生息地によって異なる。
バイオマスは持続可能で再生可能なエネルギー源であると考えられている。なぜなら、バイオマスはすぐに補充することができ、その成長サイクルの間に二酸化炭素を吸収し、酸素を放出することができるからである。 バイオマスは、木材、植物残渣、家畜排泄物、都市廃棄物など様々な有機物から構成され、エネルギーを生成するために利用することができる。
バイオマスは、化石燃料に代わる実行可能な選択肢を提供することで、二酸化炭素排出量を削減し、気候変動を緩和するために不可欠な要素である。
バイオマスの大部分はセルロース、ヘミセルロース、リグニンから構成されており、これらは植物の細胞壁に見られる主要な要素である。
セルロースはグルコースを主成分とするポリマーで細胞壁の主成分であり、ヘミセルロースにはキシランなどの糖類がある。 リグニンは脱水アルコールからなる複合ポリマーである。
バイオマスには、水に溶ける糖類、アミノ酸、脂肪族酸、その他の化合物も含まれている。 バイオマスの組成は、水分、灰分、炭素、窒素、硫黄などのパラメーターの含有量によって決まり、エネルギー価値、燃焼効率、環境への影響に影響を与える。
バイオ燃料とは、再生可能な資源に由来する植物や動物の混合物であるバイオマスから生産される燃料のことである。 エタノールとバイオディーゼルは、バイオ燃料の2大カテゴリーである。
バイオ燃料の生産には、分解、発酵、変換など複数のプロセスが含まれる。 脱構築とは、セルロース、ヘミセルロース、リグニンといった生体分子で構成される植物細胞壁の硬い構造を破壊することである。
発酵は、微生物によって植物の糖を代謝し、主にトウモロコシ、サトウキビ、トウモロコシなどの作物からエタノールを生産し、バイオディーゼルは大豆油やキャノーラ油などの植物油から作られる。
バイオ燃料は、輸送や発電において化石燃料に代わる再生可能な燃料である。 バイオマスは、熱分解、ガス化、熱水液化プロセスを通じて液体燃料や気体燃料に変換することができる。
バイオエネルギーはまた、乾燥バイオマスの燃焼や交換、あるいは制御された嫌気性消化によるバイオガスの回収によって生成することもできる。 温室効果ガスの排出を削減するため、石炭燃焼では化石燃料とともにバイオマスを燃やす。
人類は何千年もの間、植物や動物を燃やして調理用の火を焚き始めて以来、バイオエネルギーを利用してきた。
バイオマスエネルギーは、化石燃料に代わる再生可能エネルギーとして、今日ますます人気が高まっており、その技術は急速に進歩している。
研究者たちは、廃棄物を利用して高度なバイオ燃料を生成するバイオ燃料製造技術を研究している。
熱重量分析 (TGA)および 示差走査熱量測定（DSC）は、バイオマスの熱安定性を調べるために使用できる2つの熱分析技術です。これらの方法を用いて、バイオマスサンプルの重量損失または熱流量を温度の関数として測定することにより、材料の熱安定性と分解挙動を決定する。
熱分解プロセスは、水分分解、セルロース・ヘミセルロース分解、リグニン分解を含むTGA曲線によって特定できる。
ヤシの葉、オリーブの葉、麦わらなど、さまざまなバイオマス試料の熱分解挙動と化学速度論的特性は、TGAを用いて調べることができる。
バイオマスの熱安定性は、加熱速度、試料の種類とサイズ、実験環境、ガス流量などの要因に影響される。
急激な加熱速度は、反応を高温に移行させる良い方法であり、加熱速度とガス流量を上げると、試料の熱分解と重量減少を早めることができる。
要約すると、TGAや DSCのような熱分析技術は、バイオマス材料の燃焼または分解中の熱挙動、速度論、および生成物分布を研究するために使用され、さまざまな条件下でのバイオマスの挙動に関する洞察を提供する。
これらの技術は、エネルギー生産プロセスを最適化し、さまざまな用途のバイオマスの特性を理解するために不可欠である。
熱分析はバイオマスの特性評価にも非常に有用である。
TGA(熱重量測定)は質量変化を記録し、DSC(示差走査熱量測定) 熱流を測定と エンタルピー TMA（熱機械分析）は寸法変化、変形、貫入、曲げ、ダイラトメトリーは寸法／体積の変化を記録する、 EGA（発生ガス分析）は、加熱過程で放出されるガス生成物に関する貴重な情報を提供する。
すべての測定は、制御された条件下（温度、圧力、ガス流量、酸素の存在）で、温度の関数として記録される。
上記の方法は組み合わせることができる（TGA-DSC-EGA）。
標準的な試験手順はASTMに記載されている：
- ASTM D2584– 硬化強化樹脂の発火減量
- ASTM E1131– 熱重量測定による組成分析
- ASTM E1641-小沢/フリン/ウォール法を用いた熱重量測定による分解カイネティクス
- ASTM E2008– 熱重量測定による揮発率
熱重量測定では、TG信号（脱離、単一または多段階分解、単一または複数の反応）に基づいて、試料中の化学変化を分類することができます。 TG曲線に影響を与える要因はいくつかある：加熱速度（分解速度論、熱分解生成物の比率）、試料の大きさ（反応速度、拡散速度、温度分布）、雰囲気（分解生成物の比率）、圧力またはガス流量（分解生成物の比率、反応速度）。
熱重量測定は、熱安定性（分解研究）、酸化安定性（貯蔵寿命）、組成分析の調査ツールとなる。
この実験では、炭素を含む試料が高温の水蒸気中で反応（圧力上昇の有無は問わない）を起こし、結合した炭素からCOとCO2を生成する。 このセットアップは、バイオマス変換に一般的に使用される大型リアクター・プロセスの小規模実験であり、したがって容易に最適化できる。
DSCは、熱分解・燃焼過程における熱流量や熱容量を評価するバイオマス分析に有用な手法である。 DSC曲線はバイオマスの反応経路を示す。 DSCは、加熱ガス温度からの試料温度の偏差や試料表面の吸着エネルギーに対する蒸発の影響を評価することができる。 DSCは、プロセスの吸熱/発熱特性に関する情報を提供するため、TG曲線によって検出された重量変化イベントの解釈に大きく貢献します。 また、DSC曲線は（リグニン／ヘミセルロースの）識別特性として使用することもできます。
引用
- アーメッド・I・オスマン、ネハ・メータ、アーメッド・M・エルガラヒー、アメール・アル・ヒナイ、アラア・H・アル・ムフタセブ、デビッド・W・ルーニー：バイオマスのバイオ燃料への転換とライフサイクルアセスメント：レビュー 第 19 巻、4075-4118 ページ、2021 年 7 月 23 日。
- Sangita Mahapatra, Dilip Kumar, Brajesh Singh, Pravin Kumar Sachan: Biofuels and their sources of production：エネルギー・ネクサス第4巻、2021年12月30日、100036。
- スニタ・バロット博士バイオマスとバイオエネルギー：第9章 持続可能な成長のための再生可能エネルギー評価、2022年2月25日。
