Možnosti intenzifikace produkce bioplynu

Současný provoz zemědělských bioplynových stanic je založen, krmě využití odpadů z chovu hospodářských zvířat, především na zpracování zemědělské fytomasy. Vzhledem k malé biologické rozložitelnosti celulózy a jejich derivátů a přítomnosti ligninu je při anaerobní fermentaci využita pouze část organického uhlíku.

Obr. 1: Další zvyšování produkce bioplynu může být dosaženo pouze lepším využitím zpracovávaných surovin

Produkce rostlinných surovin pro bioplynové stanice je v současnosti již limitována využitím zemědělské půdy pro potraviny a ochranou půdy proti erozi. Proto další zvyšování produkce bioplynu může být dosaženo pouze lepším využitím zpracovávaných surovin. Obecně lze vyšší produkce bioplynu dosáhnout a)zvýšením výkonnosti stávající bioplynové stanice, b) zlepšením využití daného substrátu – zvýšení výtěžnosti bioplynu.

Intenzifikace anaerobní fermentace

Intenzifikace fermentačních procesů musí vycházet ze základních vlastností procesu. Mikroorganismy, které se fermentace zúčastňují, se vyznačují nízkými růstovými rychlostmi a nízkou rychlostí odstraňování substrátu a jejich biomasa narůstá velmi pomalu. Intenzifikace tedy musí být zaměřen na především rychlost rozkladu a na množství a aktivitu anaerobní mikrobiální kultury.

Rychlost rozkladu

Anaerobní fermentace je souborem následných i souběžných reakcí. V takovémto případě limitující reakcí celého systému je reakce nejpomalejší. Tou může být hydrolýza makromolekulárních látek, rozpuštěných i nerozpuštěných nebo za určitých okolností v případě snadno rozložitelných substrátů to může být i metanogeneze. Z dalších limitujících reakcí přicházejí v úvahu reakce rozkladu kyseliny propionové a kyseliny máselné, které jsou velmi důležité z hlediska udržení dynamické rovnováhy celého systému.

Obr. 2: Pro výtěžnost metanu je důležité předem stanovit optimální skladbu surovin

Kvalita a množství

Rychlost rozkladu organických látek závisí na množství a kvalitě aktivní kultury mikroorganizmů, proto je snahou udržovat jejich koncentraci v reaktoru co nejvyšší. Koncentrace biomasy mikroorganizmů v reaktoru závisí přímo úměrně na koeficientu produkce biomasy, množství odstraněného substrátu a době zdržení biomasy mikroorganizmů a nepřímo závisí na hydraulické době zdržení.

Reaktory na bioplynových stanicích pracují z hydraulického hlediska jako chemostaty, kde je doba zdržení biomasy mikroorganizmů stejná jako hydraulická doba zdržení. To znamená, že koncentrace biomasy mikroorganizmů bude záviset pouze na produkční konstantě biomasy a množství odstraněného substrátu.

Biologická rozložitelnost substrátu

Výtěžnost metanu závisí na oxidačním stupni substrátu. Ta je definována jako POXČ (průměrné oxidační číslo atomu uhlíku, udávající stupeň oxidace uhlíkového atomu v molekule) nebo jako γ (stupeň redukovatelnosti substrátu). Čím je nižší POXČ nebo čím je vyšší γ, tím je výtěžnost metanu vyšší. Mezní hodnoty mají sloučeniny CO₂ a CH₄ . Důležité je tedy chemické složení substrátu, obsah sacharidů, tuků, proteinů, podíl celulózy, hemicelulóz a ligninu eventuelně dalších inertních složek materiálu a poměr komponent: - Polysacharidy: Jsou součástí veškeré rostlinné biomasy, patří sem škrob, celulóza a hemicelulózy. Teoretická výtěžnost metanu je daná jejich POXČ, které je pro všechny polysacharidy 0,00. Z toho plyne, že z molekuly sacharidů vzniknou tři molekuly metanu a tři molekuly CO₂, tedy teoretický obsah metanu v bioplynu je 50 %. Z polysacharidů je nejlépe rozložitelný škrob, který se poměrně snadno hydrolyzuje amylolytickými enzymy.

Celulóza je polymerem glukózy, v biotechnologickém procesu je relativně málo rozložitelná. Pro její hydrolýzu je nutná přítomnost celulolytických enzymů, které jsou přítomny v zažívacím traktu přežvýkavců. Další skupinou polysacharidů jsou heteropolysacharidy - hemicelulózy, které tvoří rozvětvené řetězce s prostorovou strukturou. Hemicelulózy podléhají snáze a rychleji enzymatické hydrolýze než celulóza.

Lignin

Vedle biologicky rozložitelných sacharidů a polysacharidů obsahuje rostlinná biomasa i látky jejichž biologická rozložitelnost je velmi nízká až nulová. Mezi tyto látky patří především lignin a též lignany a terpeny. Lignin je organickou součásti nejenom každé rostlinné biomasy, ale i materiálů z ní pocházejících((kejda, hnůj atd.) a je hlavní součástí biologicky nerozložitelné frakce organických látek v stabilizovaném zbytku po anaerobní fermentaci.

Obr. 3: Ke zvýšení biologické rozložitelnosti substrátů se uplatňují různé metody úpravy

Lipidy

Společnou charakteristikou lipidů je přítomnost mastných kyselin s dlouhým alifatickým řetězcem a malým počtem atomů kyslíku v jejich molekulách, což odpovídá nízkému POXČ v rozmezí od -1,63 do -1,70. To je důvod, že tuky mají nejvyšší výtěžnost metanu ze všech skupin substrátů. Podléhají relativně snadno enzymové hydrolýze. Problémem může být technické zvládnutí rozkladu tuků, které díky své hydrofobicitě mohou mít tendenci vyplouvat k hladině, oddělovat se z vodní fáze nebo zvyšovat tvorbu pěny.

Protein

Proteiny patří mezi dobře biologicky rozložitelné látky, jejich POXČ se pohybuje v rozmezí od –1,2 až – 2. To znamená, že vykazují vysokou výtěžnost metanu. Proteiny jako jediné s výše uvedených substrátových skupin obsahují ve svých molekulách heteroatomy. Kromě uhlíku, vodíku a kyslíku obsahují také síru a hlavně dusík. Dusík při anaerobní fermentaci přechází amoniak, který při vyšších koncentracích může způsobovat inhibici tvorby metanu. Poměr C:N je důležitý pro dobrý průběh anaerobního procesu. Optimální poměr C:N pro anaerobní fermentaci organické frakce tuhého odpadu se pohybuje okolo 25 až 30, vztaženo na biologicky rozložitelný uhlík, pro anaerobní fermentaci exkrementů hospodářských zvířat nebo jatečních a kafilerních odpadů se za optimální poměr C:N považuje 16 až 19. Za kritický se považuje poměr C:N 12.

Úprava a uskladnění suroviny

Ke zvýšení biologické rozložitelnosti různých surovin pro anaerobní fermentaci se uplatňují různé metody předúpravy materiálu. Cílem předúpravy je:

• prohloubení biologického rozkladu a tím zvýšení produkce metanu (bioplynu),
• hygienizace fermentovaného materiálu, kde to požaduje legislativa,
• minimalizace množství výstupního stabilizovaného materiálu (u čistírenských kalů). Vzhledem k tomu, že většina zpracovávaných organických látek je v partikulární formě, nejdůležitějším procesem rozkladu je jejich převedení do roztoku - hydrolýza. Ta probíhá v důsledku přítomnosti bakterií produkujících hydrolytické enzymy a její rychlost může být podstatně zvýšena různými způsoby dezintegrace a fyzikální nebo chemické předúpravy zpracovávaného materiálu.

Mechanické metody – sem patří různé způsoby dezintegrace tuhých složek substrátu – mletí, drcení a pod. Zmenšením velikosti částic dochází ke zvětšení celkového povrchu a ke zlepšení přístupnosti organických látek v substrátu enzymatickému rozkladu.

Chemické metody – sem patří například působení alkálií, kyselin, nebo oxidačních činidel (např. ozon), které vede k destrukci složitých organických látek – hydrolýze. Přídavkem chemikálií (např. H₂SO₄) se ale do systému mohou vnášet nežádoucí složky (síra).

Fyzikální metody – je to například termická hydrolýza, ionizující záření, působení ultrazvuku. Dochází k destrukci složitých organických látek. Termická předúprava požadovaná legislativou může být pasterizace při 70 °C nebo hygienizace při 130 °C podle druhu suroviny, obě metody vedle sanitačního efektu fungují jako termická hydrolýza a zvyšují výtěžnost bioplynu.

Biotechnologické metody - enzymová nebo mikrobiální předúprava – použití čistých komerčně vyráběných enzymů – např. celuláz, přímé použití mikroorganizmů s vysokou celulázovou aktivitou - bachorové kultury, anaerobní houby. Dotování fermentační směsi mikronutrienty jako například Co, Ni, Mo může v případě průmyslových jednodruhových substrátů podstatně vylepšit proces.

Významný vliv na výtěžnost metanu má i způsob zacházení a skladování suroviny. Zpracovávaná surovina je většinou nesterilní směsí různých snadno i hůře rozložitelných organických látek, jsou přítomny i různé mikroorganizmy a tudíž mohou probíhat samovolné biologické procesy rozkladu podle podmínek prostředí. Při delším skladování např. prasečí kejdy může dojít k úbytku až 40 % celkové CHSK a v tomto poměru se sníží i výtěžnost metanu.

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost