Anaerobní reaktor není černou skřínkou - teoretické základy anaerobní fermentace

Úvod

V současné době jsme svědky vysokého nárůstu počtu nových bioplynových stanic různého typu, zpracovávajících různé organické substráty. Avšak zdaleka ne všechny podávají požadovaný projektovaný výkon. Možných příčin nedostatečné funkce bioplynových stanic může být celá řada, mezi nejčastější patří: a) špatné provozování z neznalosti vlastního fermentačního procesu, b) chyby při výběru technologie, c) chyby v projekci a konstrukci a d) enormní snahy o úspory v investičních a provozních nákladech.

Prvořadým předpokladem dobré funkce bioplynového reaktoru je znalost vlastního fermentačního procesu. V mnoha případech je bioplynový reaktor pokládán za černou skříňku bez znalosti nebo bez zájmu o to, co se uvnitř této skřínky děje, pouze se do ní „přikládá“ a očekává se vynikající výkon. Je nutno si uvědomit, že jedná o složité biotechnologické procesy, a přesto, že biotechnologie a bioinženýrství jsou již na vysoké úrovni, nelze bez základních znalostí procesu bioplynový reaktor a celou bioplynovou stanici provozovat a ani projektovat.

O teorii a řízení procesů anaerobní fermentace bylo již napsáno mnoho článků a publikací přesto pokládáme za užitečné některé základní poznatky připomenout.

Základy procesů anaerobní fermentace

Anaerobní metanová fermentace organických materiálů - metanizace - je souborem procesů, při nichž směsná kultura mikroorganismů postupně rozkládá biologicky rozložitelnou organickou hmotu bez přístupu vzduchu. Konečnými produkty jsou vzniklá biomasa, plyny (CH₄, CO₂, H₂, N₂, H₂S) a nerozložený zbytek organické hmoty, který je již z hlediska hygienického a senzorického nezávadný pro prostředí, tj., že je již stabilizován. Metanová fermentace je tedy soubor několika dílčích, na sebe navazujících procesů, na kterých se podílí několik základních skupin anaerobních mikroorganismů. Produkt jedné skupiny mikroorganismů se stává substrátem skupiny druhé, a proto výpadek jedné skupiny může způsobovat poruchy v celém systému.

V prvním stadiu rozkladu - hydrolýze - jsou rozkládány makromolekulární rozpuštěné i nerozpuštěné organické látky (polysacharidy, lipidy, proteiny) na nízkomolekulární látky rozpustné ve vodě pomocí extracelulárních hydrolytických enzymů, produkovaných hlavně fermentačními bakteriemi.

Produkty hydrolýzy jsou během druhé fáze - acidogeneze - rozkládány dále na jednodušší organické látky (těkavé organické kyseliny, alkoholy, CO₂, H₂). Fermentací těchto látek se tvoří řada konečných redukovaných produktů. Při nízkém parciálním tlaku vodíku jsou produkovány kyselina octová, H₂ a CO₂, při vyšším jsou tvořeny vyšší organické kyseliny, mléčná kyselina, valerová, etanol apod.

V dalším stadiu rozkladu - acetogenezi - probíhá oxidace těchto látek na H₂, CO₂ a kyselinu octovou.

V posledním stadiu - metanogenezi - dochází k tvorbě metanu pomocí metanogenních mikroorganismů jejichž substrátem jednouhlíkaté látky - metanol, kyselina mravenčí, methylaminy, CO₂, CO, H₂ a kyselina octová.

Mikrobiologie anaerobních procesů

Mikroorganizmy zúčastňující se anaerobní metanové fermentace možno, podle jejich funkčního zařazení, rozdělit do tří základních funkčních skupin:

1. první skupina zahrnuje mikroorganizmy hydrolyzační a fermentační způsobující hydrolýzu a acidogenezi tj. rozkládají polymerní substráty na monomery za převážně vzniku kyseliny octové, H₂ a CO₂ . Za určitých okolností vznikají také další kyseliny (propionová, máselná) a alkoholy
2. do druhé skupiny patří tzv. obligátní acetogenní bakterie fermentující kyseliny (propionovou, máselnou) na kyselinu octovou a vodík – acetogeneze. Tyto reakce probíhají pouze za předpokladu velmi nízké koncentrace vodíku, tj. vodík musí být ze systému kontinuálně odváděn, což činí mikroorganizmy třetí skupiny
3. třetí skupinu tvoří metanogenní bakterie produkující metan z H₂ a CO₂ – hydrogenotrofní metanogény a z kyseliny octové – acetotrofní metanogeny (metanogeneze)

Jak z výše uvedeného vyplývá, anaerobní metanová fermentace je souborem řady procesů probíhajících simultánně, přičemž produkty jedněch procesů jsou substráty druhých. Vzhledem k tomu, že mikroorganizmy jednotlivých skupin mají různé rychlosti růstu a rychlosti metabolizmu, musí být celý soubor procesů v dynamické rovnováze. Každá změna jednoho průběhu jednoho procesu vyvolává změnu celého systému.

U bioplynového reaktoru, pracujícího v ustáleném stavu, kdy je celý mikrobiální systém v dynamické rovnováze a metanogény v plné aktivitě, probíhá hlavní tok uhlíku podle schématu na obrázku 2. Převážná část toku uhlíku probíhá přímo od fermentačních mikroorganizmů k metanogénům, pouze 20 až 30 % uhlíku je transformováno na meziprodukty (těkavé mastné kyseliny C > 2 a jiné) dříve než je fermentováno na metan a oxid uhličitý.

V rovnovážném stavu jsou produkty prvních dvou skupin mikroorganizmů, hydrolyzujících a fermentujících organické substráty na kyselinu octovou, H₂ a CO₂ , simultánně využívány třetí skupinou k produkci metanu a oxidu uhličitého. První skupina mikroorganizmů může v systému přežívat i bez aktivní činnosti nebo bez přítomnosti metanogenů. Za této situace však vzniká zvýšené množství redukovaných produktů – mastných kyselin, viz obr. 3.

Na čem závisí stabilita procesu?

Stabilita procesu, tj. udržení dynamické rovnováhy, je ovlivňováno řadou faktorů, které buď mění přímo životní prostředí mikroorganismů (což je např. teplota, pH, nutrienty, toxické látky), nebo musí být brány v úvahu při návrhu a posuzování anaerobního reaktoru.

Vliv teploty

Teplota podstatně ovlivňuje interakce mezi jednotlivými druhy mikroorganismů. Změnou teploty se mění rychlosti probíhajících pochodů, což má za následek porušení dynamické rovnováhy procesu, a může vést až k úplné havárii procesu. Dlouhodobá změna teploty vede ke změně zastoupení jednotlivých druhů mikroorganismů.

Tvorba metanu probíhá v širokém rozmezí teplot (přibližně od 5 do 95°C). Většina anaerobních reaktorů pracuje při teplotách v mezofilní oblasti tj. při 35 až 40°C, a část v termofilní oblasti tj. při 50 až 60°C, v obou případech jsou reaktory vyhřívány.

Obecně lze konstatovat, že pro udržení stability procesu je nutné zabezpečit konstantní teplotu. Změny teploty jsou tím nebezpečnější, čím je proces zatíženější, tj. čím je kratší doba zdržení a menší koncentrace biomasy v reaktoru.

Vliv reakce prostředí - pH

Další závažný limitující faktor procesu je úzký rozsah pH, optimálního pro růst metanogenních mikroorganismů. Většinou vyžadují pH v neutrální oblasti (6.5-7.5), které je nutné uvnitř reaktoru udržovat, pod pH 6 a nad 8 je jejich činnost silně inhibována. Nejčastější příčinou výkyvu pH je jeho pokles vlivem přetížení reaktoru, kdy produkce kyselin rychlejšími mikroorganismy předmetanizační fáze (první a druhá skupina) je vyšší než jejich spotřeba a dochází k jejich akumulaci v systému, avšak při vysoké koncentraci amoniaku tj při vysokých hodnotách alkality, pH není citlivým ukazatelem. Proto je třeba řídit zatížení podle množství a složení mastných kyselin v médiu, aby nedošlo ke zhroucení procesu nebo udržovat dostatečnou neutralizační kapacitu přídavkem alkalizačních činidel.

Přítomnost nutrientů

Pro zapracování a provoz reaktorů je nutný správný poměr N a P k organickým látkám. Z bilance produkce biomasy se udává potřebný poměr živin jako CHSK : N : P v rozmezí od 300 : 6,7 : 1 až 500 : 6.7 : 1. Vedle dusíku a fosforu je žádoucí přítomnost řady mikronutrientů - Na, K, Ca, Fe, S, Mg, Se, W, důležitá je také přítomnost řady růstových faktorů. Většinou u substrátů přirozeného původu, je množství nutrientů postačující. Naopak, při anaerobní fermentaci kejdy nebo jiných živočišních produktů bývá vysoký přebytek amoniaku, který za zvýšeného pH může působit inhibičně až toxicky.

Přítomnost toxických a inhibujících látek

Za toxické nebo inhibující látky pokládáme látky, které nepříznivě ovlivňují biologický proces. Nejčastěji se setkáváme s inhibičním působením nižších mastných kyselin a amoniaku. Zde je nutno upozornit, že v obou případech inhibičně působí tyto látky v nedisociované formě. To znamená, že inhibice těmito látkami bude závislá na pH a jejich celkové koncentraci v systému. Při nízkém pH mohou inhibičně působit mastné kyseliny, při vysokém amoniak. Dlouhodobou adaptací však lze vypěstovat biomasu, tolerující i vyšší koncentrace amoniaku na př. při zpracování slepičího trusu nebo prasečí kejdy může koncentrace amoniaku dosahovat v závislosti na koncentraci vstupujícího materiálu hodnot 6 g/l i více.

Vliv technologických faktorů

Z technologických faktorů jsou nejdůležitější míchání a doba zdržení. Obsah reaktoru musí být homogenní tj. dobře promícháván, tak aby byl umožněn co nerychlejší a nejdokonalejší kontakt mikroorganizmů se substrátem.

Doba zdržení musí být dostatečně dlouhá, aby nedocházelo k vyplavování potřebných mikroorganizmů a aby bylo dosaženo potřebné účinnosti rozkladu. Vzhledem k tomu, že generační doby anaerobních mikroorganizmů jsou relativně dlouhé, a to 0,5 až 12 dní pro různé skupiny mikroorganizmu, udržuje se doba zdržení v bioplynových reaktorech 20 až 40 dní. Přitom platí, že čím hůře je rozložitelný daný substrát, tím je generační doba příslušných baktérií delší.

Zapracování bioplynového reaktoru

Zapracování je prakticky nejdůležitější fází provozu anaerobního reaktoru. Na něm závisí doba, za kterou je dosaženo ustáleného stavu provozu a v neposlední řadě i stabilita a účinnost provozu.

Zapracování zahrnuje tyto důležité fáze:

• adaptaci biomasy na daný substrát a dané podmínky
• nahromadění (akumulaci) takového množství aktivní biomasy, aby reaktor byl schopný zpracovávat požadované zatížení

Zapracování se provádí postupným zvyšování zatížení substrátem za zvýšené kontroly průběhu procesu. Rychlost zapracování závisí na kvalitě a množství inokula a na rychlosti adaptace mikroorganismů inokula na daný substrát

Množství inokula bezprostředně ovlivňuje dobu zapracování. Výjimkou jsou reaktory pro stabilizaci prasečí a hovězí kejdy nebo hnoje. Tyto materiály ve většině případů nepotřebují inokulum. Zažívací trakty hospodářských zvířat zvláště přežvýkavců obsahují hojné množství anaerobních a speciálně metanogenních mikroorganismů.

Nejlepším měřítkem správné rychlosti zatěžování je koncentrace těkavých mastných kyselin v reaktoru, produkce bioplynu a účinnost rozkladu. Produkce bioplynu musí odpovídat přivedenému zatížení a účinnosti rozkladu, koncentrace mastných kyselin má zůstat na požadované hodnotě. Doporučovaná hodnota koncentrace těkavých mastných kyselin v průběhu zapracování se pohybuje v rozmezí 6 až 16 mmol/l a závisí na zpracovávaném substrátu. To znamená, že zvyšování zatížení musí být postupné, tak aby byla dodržena požadovaná účinnost rozkladu a nebyla překročena stanovená koncentrace těkavých mastných kyselin.

Po zapracování anaerobních reaktorů je strategie řízení provozu zaměřena na udržení stability provozu, tj. udržení dynamické rovnováhy všech probíhajících procesů. O stavu a průběhu procesu nám vypovídá řada veličin, které můžeme různými metodami sledovat a využít ke kontrole a řízení procesu.

Veličiny sloužící pro řízení procesu

Veličiny sloužící pro řízení procesu - jsou takové veličiny, jejichž změnou můžeme ovlivňovat průběh procesu. Mezi tyto veličiny patří kontrola a regulace teploty, zatížení reaktoru, tj. dávkování substrátu do reaktoru a jeho regulace. Třetí proměnnou je dávkování chemikálií, využívá se při doplňování nutrientů a k úpravě neutralizační kapacity reakční směsi.

Stav procesu můžeme sledovat řadou veličin nazývaných – indikátory stavu procesu – a charakterizujícími průběh dílčích procesů, a nebo celkový průběh procesu anaerobního rozkladu. Tyto veličiny mohou charakterizovat plynnou, kapalnou nebo pevnou fázi reakční směsi.

V plynné fázi sledujeme: množství produkovaného bioplynu, složení bioplynu - obsah CH₄, CO₂, H₂, CO, H₂S.

V kapalné fázi sledujeme především: pH, celkovou koncentraci mastných kyselin nejlépe však jednotlivé mastné kyseliny, kyselinovou a zásadovou neutralizační kapacitu, koncentraci amoniaku.

V tuhé fázi sledujeme: koncentraci suspendovaných látek a jejich organickou frakci, koncentraci organického dusíku (často slouží jako měřítko množství biomasy), sedimentační a filtrační vlastnosti suspendovaných látek, další specifické metody jsou používány pro sledování aktivity biomasy.

Vzhledem ke komplexnosti anaerobních rozkladných procesů musí být sledován celý komplex proměnných, neexistuje jediná proměnná, která by samostatně charakterizovala průběh procesu. Nelze jednoznačně předepsat, které z uvedených proměnných musíme sledovat a jaká má být četnost sledování. To záleží na konkrétních podmínkách provozu, zejména na druhu zpracovávaného znečištění, typu reaktoru, jeho zatížení a způsobu provozu, na stabilitě funkce reaktoru a v nemalé míře na zkušenosti řídícího personálu.

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