Zvyšování efektivity fermentace - nejnovější poznatky ve výzkumu a praxi

1. Úvod

Plné využití kapacitních možností bioplynové stanice (BPS) a dosažení co nejvyšší výtěžnosti energie je snahou každého provozovatele. Obecně lze toho dosáhnout

1. zvýšením výkonnosti stávající bioplynové stanice optimálním využitím stávající technologie BPS
2. zlepšením využití daného substrátu – zvýšením výtěžnosti bioplynu

Současný provoz zemědělských bioplynových stanic je založen vedle odpadů z velkochovů hospodářských zvířat především na zpracování cíleně pěstované fytomasy jako hlavního substrátu. Určité množství fytomasy (ligno-celulozových materiálů) je obsaženo také v substrátech pro BPS zpracovávající komunální odpady nebo čistírenské kaly. Vzhledem k malé biologické rozložitelnosti celulózy a jejich derivátů a také přítomnosti ligninu ve fytomase, pouze část přítomného organického uhlíku je při anaerobní fermentaci transformovaná na bioplyn a značná část zůstává nevyužita.

Produkce rostlinných surovin pro bioplynové stanice je omezena výkonností zemědělství, proto další zvyšování produkce bioplynu může být dosaženo pouze lepším využitím zpracovávaných surovin. To znamená zvýšení biologické rozložitelnosti zpracovávaného substrátu s cílem dosažení zvýšené transformace organického uhlíku do bioplynu.

Zvýšení výkonnosti bioplynové stanice

Zlepšení výkonnosti bioplynové stanice lze dosáhnout především optimalizací provozu stanice. To jest zabezpečení optimálních podmínek pro využití stávajících technologických komponent BPS a optimalizací podmínek procesu vhodným dávkováním substrátu, dostatečným mícháním reaktorů, dodržováním technologických parametrů - správného zatížení a doby zdržení, zabezpečení konstantní teploty a pod.[9].

Důležitá je identifikace příčiny problémů provozu stanice, což může být vysoká koncentrace amoniaku nebo sulfidů. Pak lze na příklad zařadit intenzivnější odstraňování sulfidů (zvýšení mikroaerace nebo srážení sloučeninami železa) nebo úpravou technologie na méně citlivou na vysokou koncentraci amoniaku – termofilní provoz, dvoustupňový provoz, srážení amoniaku apod.

Další možností zvýšení výkonnosti bioplynové stanice je volba skladby substrátu ve prospěch lépe rozložitelných substrátů s vyšší výtěžností bioplynu nebo s nižším obsahem organického dusíku.

Zvýšení výtěžnosti bioplynu

Zvýšení biologické rozložitelnosti a tím i výtěžnosti metanu lze dosáhnout vhodnou předúpravou suroviny. Všechny metody předúpravy jsou založeny na zpřístupnění složek materiálu enzymovému rozkladu. Zmenšením velikosti částic mechanickou nebo jinou dezintegrací dochází k podstatnému zvětšení povrchu a tím i k větší dostupnosti enzymovému rozkladu, u některých metod dochází i k hydrolýze makromolekulárních látek.

2. Teoretické možnosti zvyšování efektivity 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. Úsilí intenzifikace musí být tedy především zaměřeno na 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.

Kvalita a množství biomasy v reaktoru

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. Zvýšení koncentrace biomasy mikroorganizmů můžeme tedy za dané hydraulické doby zdržení dosáhnout buď zvýšením produkce biomasy mikroorganizmů stimulací jejich činnosti nebo zvýšením množství rozloženého substrátu například výběrem lépe rozložitelného substrátu nebo zvýšením jeho rozložitelnosti.

3. Biologická rozložitelnost organických látek a výtěžnost metanu

Pro popis kvality substrátu z hlediska jeho teoretického energetického obsahu je používáno několik kritérií. K tomuto účelu může sloužit ekvivalent dostupných elektronů obsažených v substrátu. V anaerobním systému, kde jsou jiné finální akceptory elektronů než kyslík, lze použít vztah ekvivalentu dostupných elektronů a jednoho molu kyslíku a používat pro míru energetického obsahu substrátu kyslíkové jednotky ve formě CHSK (chemická spotřeba kyslíku). Teoretická výtěžnost metanu závisí především na oxidačním stupni daného substrátu, vyjádřenému jako průměrné oxidační číslo uhlíkového atomu (POXČ) v molekule substrátu, které je ve vztahu k CHSK.

Stanovení CHSK je jednou z nejčastěji prováděných rutinních analýz ve vodohospodářských i dalších laboratořích, používá se pro návrh, řízení i kontrolu technologie procesu a u většiny hodnocených substrátů bývá tento údaj k dispozici. Na základě chemické spotřeby kyslíku (CHSK) je možno vypočítat teoretické maximálně možné množství metanu (energetický obsah), které lze z dané suroviny získat, a tato hodnota je referenční 100 % hodnotou pro výpočet rozložitelnosti, to je reálného podílu organických látek transformovatelných na metan. Skutečná výtěžnost je poměrně nižší protože část substrátu je za daných podmínek biologicky nerozložitelná (např.lignin) a část je spotřebovaná pro růst nové mikrobiální biomasy.

Dobrým odhadem skutečné výtěžnosti metanu je způsob výpočtu, který vypracoval prof. Anmon [12]. Výpočet je založen statistickém zpracování dat krmivářských analýz a laboratorních testů produkce metanu z daných surovin.

Vliv chemického složení substrátu na výtěžnost metanu

Biologická rozložitelnost a tím i výtěžnost bioplynu závisí na chemickém složení substrátu, na obsahu sacharidů, tuků, proteinů, na podílu celulózy, hemicelulóz a ligninu eventuelně dalších inertních složek materiálu a na poměru jednotlivých komponent. Vzhledem k tomu, že poměr těchto komponent v různých druzích suroviny je různý, odlišná je i jejich rozložitelnost a výtěžnost metanu.

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 produkovány hydrolytickými mikroorganizmy a v přírodě 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 materiálů z ní pocházejících, jakou jsou například různé druhy kejdy nebo hnoje a je hlavní součástí biologicky nerozložitelné frakce organických látek v stabilizovaném zbytku po anaerobní fermentaci.

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.

Proteiny. 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. Jestli je tento poměr vysoký, dochází k deficitu dusíku. Při nízkém poměru dochází k vysoké produkci amoniaku, který je při vyšších koncentracích toxický pro anaerobní bakterie, zejména metanogeny. Toxicky působí nedisociovaná forma amoniaku, jejíž koncentrace závisí především na pH, s vyšším pH silně vzrůstá. 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.

V technologické praxi se většinou setkáváme s komplexním složením suroviny pro anaerobní fermentaci, v níž jsou zastoupeny v různém poměru (podle původu a zpracování suroviny) všechny výše uvedené skupiny substrátů. Jak již bylo uvedeno, ne všechny organické látky přítomné v surovině se v průběhu procesu rozloží, část jich zůstává jako tzv. nerozložitelný zbytek ve zfermentovaném materiálu. Jaký podíl organických látek zůstane nerozložený závisí i na technologických podmínkách procesu (teplota, doba zdržení, předúprava).

4. Vliv předúpravy a manipulace se surovinou na výtěžnost metanu

Ke zvýšení biologické rozložitelnosti různých druhů surovin pro anaerobní fermentaci se začínají stále více uplatňovat různé metody předúpravy zpracovávaného 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 [1,13].

Chemické metody – mezi chemické metody patří například působení alkálií, kyselin, nebo oxidačních činidel (např. ozon), které vede k destrukci složitých organických látek – hydrolýze [2, 10, 11]. Přídavkem chemikálií (např. H₂SO₄) se ale do systému mohou vnášet nežádoucí složky (síra).

Fyzikální metody – na příklad termická hydrolýza, ionizující záření, působení ultrazvuku. Dochází k destrukci složitých organických látek [3,10,11,14]. 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 [4,7], přímé použití mikroorganizmů s vysokou celulázovou aktivitou - bachorové kultury [5,6], anaerobní houby [8]. Dotování fermentační směsi mikronutrienty jako například Co, Ni, Mo může v případě průmyslových jednodruhových substrátů podstatně vylepšit proces [9].

Významný vliv na výtěžnost metanu má i způsob zacházení a skladování suroviny. Vzhledem k tomu, že 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. Obyčejně při tom dochází k úniku vznikajících plynných nebo těkavých látek a k poklesu organických látek. Při delším skladování např. prasečí kejdy může dojít k úbytku až 40 % celkové CHSK a v tomto poměru se sníží i výtěžnost metanu.

5. Závěry

Prakticky všechny uvedené způsoby intenzifikace a zvýšení rozložitelnosti je však třeba hodnotit individuálně podle konkrétního substrátu, místních podmínek a ekonomické a technické náročnosti dané metody.

Kromě mechanické dezintegrace a termické hydrolýzy, které se již v provozu používají, jsou nejvíce nadějné biotechnologické metody zvýšení rozložitelnosti. Používání čistých enzymů (celuláz) je již komerční záležitostí, avšak je zde ještě mnoho nedořešených otázek. Výrobky různých producentů reagují různým způsobem, neexistuje jednoznačná metodika jejich aplikace, která by zaručovala výrobcem deklarované výkonnosti. Zatím nejsou prozkoumány závislosti funkce enzymových přípravku různých výrobců na změny technologických podmínek anaerobní fermentace. Negativním faktorem je také vysoká cena enzymových přípravků a nutnost pravidelného dávkování do reaktoru.

Slibná je i biotechnologická metoda aplikace mikroorganizmů se zvýšenou celulázovou aktivitou přímo do anaerobního reaktoru ve směsi s ostatními mikroorganizmy fermentace, je však zatím ve stadiu výzkumu.

Současné problémy anaerobní fermentace organických materiálů nejsou spojeny jen se vstupními surovinami a technologickými parametry, ale také s technickým řešením bioplynové stanice, kvalitou a správným výběrem jednotlivých komponent a jejich funkčnosti. Potom i náhradou některých zařízení za účinnější a spolehlivější je možno intenzifikovat provoz stanice.

Literatura

• [1] Baier U., Schmidheiny P. (1997) Enhanced anaerobic degradation of mechanically digested biosolids. Wat. Sci. Tech. 36, No 11, 137-146.
• [2] Mukherjee, S.R. and Levine, A.D. (1992). Chemical solubilization of particulate organics as a pretreatment approach. Wat.Sci.Tech. 26 (9/11), 2289-2292.
• [3] McCarty, P.L., Young, L.Y., Gossett, J.M., Stuckey, D.C. and Healy, Jr. J.B. (1976). Heat treatment for increasing yields from organic materials. In Schlegel, H.G. and Barnen, J. (Ed) Microbial Energy Conversion. (179 - 199) Göttingen.
• [4] Gerhardt, M., Pelenc, V., Bäuml, M. (2007). Application of hydrolytic enzymes in the agricultural biogas production: Results from practical applications in Germany. Biotechnology Journal, 2., 1481-1484.
• [5] Barnes, S.P., Keller, J. (2003). Cellulosic waste degradation by rumen-enhanced anaerobic digestionWater Science and Technology Vol 48 No 4 pp 155–162.
• [6] Gijzen, H. J., Zwart, K. B., Teunissen, M. J., Vogels, G. D. (1988) Anaerobic Digestion of Cellulose Fraction of Domestic Refuse by Means of Rumen Microorganisms. Biotechnology and Bioengineering, Vol. 32, Pp. 749-755.
• [7] Zhang, Y.H.P., Lyn, L.R. (2004). Toward an Aggregated Understanding of Enzymatic Hydrolysis of Cellulose: Noncomplexed Cellulase Systems Biotechnology and Bioengineering ,Vol. 88, No. 7, 797-824.
• [8] Hodrová, B., Kopečný, J., Káš, J. (1998). Cellulolytic enzymes of rumen anaerobic fungi Orpinomyces joyonii and Caecomyces communis., Res. Microbiol. 149, 417-427.
• [9] Ward, A.J. et al., (2008), Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resources, Bioresour. Technol. doi:10.1016/j.biortech.2008.02.044 in press.
• [10] González-Fernández, C. et al., (2008), Different pretreatments for increasing the anaerobic biodegradability in swine manure. Bioresour. Technol. doi:10.1016/j.biortech. 2008.04.020.
• [11] Martíın,C., Helene B. Klinke, H.B., Thomsen, A.B. (2007) Wet oxidation as a pretreatment method for enhancing the enzymatic convertibility of sugarcane bagasse Enzyme and Microbial Technology 40 426–432.
• [12] Amon, T.et al., (2007). Methane production trough anaerobic digestion of various energy crops grown in sustainable crop rotations. Bioresource Technology, vol. 98, No 17, 3204-3212.
• [13] Dohányos M., Zábranská J., Jeníček P. (1997) Enhancement of sludge anaerobic digestion by use of a special thickening centrifuge. Water Sci. Technol., 36, 11, 145-153.
• [14] Dohányos M., Zábranská J.,. Jeníček P., Štěpová J., Kutil V., Horejš J. (2000) The intensification of sludge digestion by the disintegration of activated sludge and the thermal conditioning of digested sludge. Water Sci. Technol., 42, 9, 57-64.

Tento příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu VaV MŽP ČR č. SP/3g4/129/07 "Intenzifikace produkce bioplynu".

Tweet

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