Chemická analýza v řízení bioplynových stanic

Současný rozvoj zemědělských bioplynových stanic v České republice přináší jejím provozovatelům nejen tolik žádanou stabilizaci jejich zemědělského podnikání, ale také poznání, že bioplynová stanice je standardní průmyslovou výrobou vyžadující kvalitní systém řízení a regulace na vysoké úrovni.

Proces anaerobní digesce, který využívají bioplynové stanice je známým průmyslovým postupem, který má jasné a jednoznačné zákonitosti. Jako takový je možné jej nejen pasivně sledovat, ale především aktivně řídit tak, aby celá technologie dosahovala maximální celkové i specifické produkce bioplynu. Zvláště v současné ekonomické situaci musí být výroba bioplynu maximálně efektivní a ekonomicky konkurenceschopná v porovnání s alternativním uplatněním vstupních zemědělských surovin a to nejen v zemědělství a potravinářství, ale i pro jiné technologie výroby obnovitelných zdrojů energie a biopaliv. Klíčem k úspěchu investice je pak propracovaný systém řízení a regulace produkce bioplynu. Chemické analýzy obsahu fermentorů jsou jedním z klíčových bodů tohoto systému.

Chemická analýza v procesním řízení

Fermentor bioplynové stanice není tolik populární „betonová kráva“, kde je možné sledovat pouze množství a kvalitu vstupů a porovnávat tyto údaje s očekávaným výsledkem. Při tomto populárním srovnání nesmíme zapomínat, že skutečná kráva je velice dobře fungující „biochemickou výrobou“ s extrémně komplexním systémem autonomního řízení a regulace.

Při vlastním řízení anaerobní digesce ve fermentoru bioplynové stanice je nutné zajistit, aby proces uvnitř nebyl pouze „černou skříňkou“, jejíž charakteristika končí teplotou a hodnotou pH. Proces fermentace bioplynové stanice si nezadá se středně náročnou chemickou výrobou a jako takový je možné jej řídit a optimalizovat. Cílem optimalizace je pak maximální ekonomická efektivita daná stabilitou a výkonností produkce bioplynu.

Procesní řízení vyžaduje znalost probíhajících procesů a jejich optimální podmínky. Zde je pak základem chemická analýza v potřebném rozsahu a čase. Pro zemědělské bioplynové stanice zpracovávající pouze biomasu ze zemědělských výrob se jedná o charakterizaci a určení stupně odbourání organických látek (vlastní efektivita procesu), dále bilanci dusíku, a především pak kondici fermentačních a metanogenních bakteriálních kmenů. Celkem se jedná o zhruba 13 chemických parametrů. V případě využití specifických substrátů se samozřejmě musí přizpůsobit i rozsah analýz tak, aby pokrýval případné změny vyvolané těmito substráty (např. bioodpady). Chemické analýzy se standardně provádějí každých 14 dnů, v případě zjištění zhoršení stavu pak každý týden, nebo i častěji. Obecně je pak tento časový interval funkcí hydraulické doby zdržení.

Optimálním řešením sledování procesu pak představuje online kontinuální chemická analýza. Tato možnost nejlépe odpovídá požadavkům na moderní sledování provozu, s okamžitým výstupem na řídící počítač. Vlastním měřícím zařízením je zde infračervený spektrometr, kterým je možné sledovat složení nejen kapalné, ale i pevné fáze. Díky tomu je umožněno sledování a kontinuální analýza vstupních substrátů, díky které je např. možné automaticky regulovat vstupní dávku biomasy dle její aktuální sušiny, a tím vždy zajistit trvale konstantní vstup organické hmoty do fermentoru a tím i konstantní odezvu v tvorbě bioplynu. Zvláště pak větší instalace, které jsou v ČR častější než v zahraničí, si mohou takto zajistit roční úspory v řádech stovek tisíc korun. Tato zařízení umožňují i sledování obsahu jednotlivých živin v digestátu a tím určovat jeho hnojivou hodnotu. Tato možnost je především v popředí zájmu investorů, kteří digestát dále prodávají jako hnojivo.

Řízení procesu anaerobní digesce

V okamžiku kdy získáváme data některou z uvedených metod chemické analýzy, můžeme přistoupit k vlastnímu aktivnímu řízení procesní biochemie. Základním požadavkem je pak optimalizace a vzájemná synchronizace hlavních procesů tvorby bioplynu. Tyto procesy můžeme efektivně řídit a regulovat jejich výkonnost řadou chemických aditiv, které specificky ovlivňují jednotlivé bakteriální kmeny, a tím i jejich produktivitu. V praxi se pak jedná především o zajištění maximální produkční schopnosti metanogenů, tj. bakterií, které zpracovávají produkty fermentace na methan jako cílový produkt našeho zájmu. Právě tyto bakteriální kmeny jsou velmi citlivé vůči okolním vlivům, výrazně více než ostatní přítomné mikroorganizmy. Zvláště citlivé jsou tyto bakterie na nedostatek stopových prvků. Zde opět musíme hledat příčinu v biochemii jejich životních pochodů. Metabolizmus metanogenů je založen na redox transformacích molekul s jedním atomem uhlíku.(1)

Tyto oxido-redukční reakce jsou katalyzovány řadou metaloenzymů, tj. enzymů, které ke své unikátní funkci potřebují iont zcela určitého kovu.(2,3)

Tuto zajímavou vlastnost známe i z jiných případů. Krevní hemoglobin ke své jedinečné funkci potřebuje také kov, konkrétně železnatý iont. A stejně tak jako např. u lidí dochází při nedostatku železa v potravě k závažným zdravotním potížím, podobnou, ale výrazně silnější reakci můžeme pozorovat v případě nedostatku stopových prvků ve výživě metanogenů.

Výsledky z praxe

Nejlépe je však ukázat význam kvalitního procesního řízení a současně závažnost jeho absence na příkladu z praxe. Sledována byla bioplynová stanice o výkonu 1,1 MW, kde je vstupním substrátem hovězí kejda a kukuřičná siláž. Všeobecně rozšířený názor, který bohužel byl i oficiálním doporučením dodavatele technologie, že využití zvláště hovězí kejdy eliminuje veškeré problémy a nároky na procesní řízení, se ukázal jako chybný. Bioplynová stanice po svém úspěšném startu dosáhla plného výkonu a byla tak provozována několik měsíců s pravidelným vstupem 20 t/den kejdy a 62 t/den kukuřičné siláže. Během této doby však docházelo k postupnému snižování specifické produkce bioplynu, a dávka kukuřičné siláže byla pro udržení výkonu navyšována až na 72 t/den. Po zhruba pěti měsících došlo k dramatickému snížení produkce bioplynu. Po převzetí řízení provozu a pečlivém rozboru chemických analýz obsahu fermentorů byl indikován závažný nedostatek minerálů ve výživě metanogenů, který měl za následek dramatické zvýšení koncentrace organických kyselin. Vzhledem k absenci pravidelných analýz nebyla tato porucha včas odhalena a skutečnost vyšla najevo až při překročení koncentrací, které výrazně inhibovali celý proces. Znázornění koncentrací vybraných organických kyselin je uvedeno v grafu. Zvláště stojí za pozornost koncentrace kyseliny propionové, které na počátku výrazně převyšují doporučené hodnoty až čtyřicetkrát. Proces v takto pokročilém stavu inhibice se i přes okamžité snížení dávkování surovin nadále zhoršoval. V průběhu třetího týdne od počátku sledování byl aplikován přípravek MethaTrace, který je komplexní směsí stopových prvků pro výživu metanogenů. Následující chemické analýzy jednoznačně ukazují velmi rychlý nástup účinku přípravku i v toto případě již rozsáhlé inhibice procesu. Z grafu je dobře patrné obnovení optimálních hodnot již za čtyři týdny aplikace přípravku MethaTrace. Díky snížení koncentrace organických kyselin byly také obnoveny optimální životní podmínky všech mikroorganismů. To obsluze bioplynové stanice umožnilo postupně snížit dávkování kukuřičné siláže až na hodnotu 54 t/den, a to při zachování plného výkonu instalovaných kogeneračních jednotek. Od té doby je dávka udržována, a pravidelné chemické analýzy slouží mimo jiné i jako podklad k postupnému snižování dávkování minerální výživy na nezbytně nutnou hodnotu, potřebnou k trvale bezproblémovému chodu bioplynové stanice.

Produktivita bude podmínkou úspěchu

Chemické analýzy a kvalitní procesní řízení je důležitým krokem k výraznému zvýšení produktivity bioplynových stanic. Trvale udržitelná produkce elektrické energie a tepla z bioplynu, stejně jako produkce biomethanu jako náhrady zemního plynu není možná bez kvalitní procesní optimalizace a intenzifikace anaerobní digesce. Bezproblémový chod při maximálním možném výkonu je nezbytnou podmínkou ekonomického úspěchu každé bioplynové stanice.

Literatura

1. Kenealy, W. R.; Zeikus, J. G. J. Bacteriol. 1982, 151, 932.
2. Blaut, M. Antonie van Leeuwenhoek 1994, 66, 187.
3. Daniels, L.; Sparling, R.; Sprott, G. D. Biochim. Biophys. Acta 1984, 768, 113.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

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