Topinambur hlíznatý jako substrát pro bioplynové stanice

V České republice a v Evropě se stále hledají vhodné materiály jako substráty do bioplynových stanic. Pro provozovatele je hlavním hlediskem pro využití určitého materiálu množství vyprodukovaného bioplynu. Jedna z plodin, která může mít v budoucnu důležité místo jako zdroj bioplynu, je topinambur hlíznatý.

Zemědělské bioplynové zpracovávají pouze vstupy ze zemědělské prvovýroby, zejména statková hnojiva (kejda, hnůj apod.) a cíleně pěstované plodiny k energetickému využití (např. kukuřice). ^[1]

Anaerobní fermentace

Anaerobní fermentace organických materiálů je souborem procesů, při nichž směsná kultura mikroorganismů postupně rozkládá biologicky rozložitelnou organickou hmotu bez přístupu kyslíku.

Produkt jedné skupiny mikroorganismů se stává substrátem skupiny druhé, a proto narušení činnosti jedné skupiny může mít za následek poruchy celého systému. Konečnými produkty procesu jsou vzniklá biomasa, plyny (CH₄, CO₂, H₂, N₂, H₂S) a nerozložitelný zbytek organické hmoty, tzv. digestát, který je již z hlediska hygienického a senzorického nezávadný pro životní prostředí, je tedy stabilizován. ^{[2, 3]}

Anaerobní proces je ovlivněn celou řadou faktorů, mezi ty nejdůležitější patří teplota, hodnota pH, přítomnost makronutrientů a mikronutrientů popřípadě přítomnost toxických nebo inhibujících látek. ^{[4, 5, 6]}

Anaerobní rozklad organických látek má velikou přednost v tom, že převádí biologicky rozložitelné organické látky na čistou energii metanu a může zpracovávat též organické materiály s vysokým obsahem vody, kde spalování by bylo neekonomické. ^[7]

Topinambur hlíznatý

Jedna z potenciálních plodin, která může do budoucna najít důležité místo mezi energetickými rostlinami, je topinambur hlíznatý. Jde o vytrvalou rostlinu dorůstající výšky až 250 cm. Pěstování topinamburu hlíznatého je prakticky bezproblémové, roste téměř na všech půdách. Délka jeho vegetační doby je 4 – 8 měsíců. Topinambur se dnes pěstuje především pro jeho hlízy, které obsahují inulín, a jsou proto využívány především v potravinářském průmyslu a zemědělství (krmení pro dobytek). Inulín je přírodní polysacharid, který se skládá z 95 % z fruktózy. Nadzemní část rostliny lze využít jako krmení pro hospodářská zvířata, jako substrát do bioplynových stanic nebo jako palivo do spalovacích zařízení. ^[8]

Složení topinamburu

K anaerobním testům výtěžnosti bioplynu byla k dispozici suchá rostlina topinamburu hlíznatého. Byly provedeny analýzy dodaného vzorku rostliny a to jak samostatně stonku, listu a hlízy tak i nadzemní části (hmotnostní poměr stonku a listu byl zvolen 1 : 1) a celé rostliny (hmotnostní poměr stonku, listu a hlízy byl zvolen 1 : 1 : 1) – dále jako směs. Výsledky jednotlivých analýz jsou uvedeny v tab. 1 a 2.

Testy výtěžnosti bioplynu

Jako zdroj anaerobní kultury - inokulum pro testy byl použit mezofilní anaerobní kal z čistírny odpadních vod Česká Lípa. Základní parametry tohoto inokula jsou uvedeny v tab. 3.

Anaerobní testy výtěžnosti bioplynu byly provedeny při mezofilní teplotě (35 °C). Jednotlivé části rostliny byly přidány k inokulu ve třech paralelních nasazeních ve skleněných sérových lahvích o objemu 120 ml. Vyprodukovaný bioplyn byl kvantitativně měřen pomocí plynoměrné byrety temperované na teplotu kultivace a podroben kvalitativní analýze na plynovém chromatografu. Anaerobní rozklad rostliny topinamburu hlíznatého byl zkoumán při zatížení 0,3 g/g a 0,5 g/g [CHSK/NLzž inokula] podle zavedené metodiky.

Diskuze, výsledky

Změřený vyprodukovaný bioplyn byl přepočítán na suchý plyn za normálních podmínek (0 °C, 101,3 kPa). Kinetiku produkce bioplynu při zatížení 0,3 g/g a 0,5 g/g (CHSK/NLzž) ilustrují grafy 1 a 2. Z grafu 1 je patrné, že při zatížení 0,3 g/g bylo dosaženo nejvyšší produkce bioplynu u podzemní části rostliny – hlízy, která obsahuje velký podíl snadno rozložitelných látek sacharidické povahy. To charakterizuje vysoká rychlost produkce bioplynu na počátku testu. U substrátů, ve kterých byla zastoupena pouze nadzemní část rostliny, je rychlost produkce téměř konstantní, neboť řídícím mechanismem je hydrolýza přítomných hůře rozložitelných látek, zvláště celulózy.

Obdobný průběh testu prokázalo rovněž zatížení 0,5 g/g (graf 2). U vzorku hlízy však konečná produkce bioplynu neodpovídala zvýšenému zatížení, což mohlo být způsobeno přítomností anorganického materiálu, který se dostal do substrátu. Hlínu nabalenou na hlíze nebylo možno důkladně odstranit a tak mohl být v navážce substrátu menší podíl organických látek. U systému, kde jako substrát byl použit list topinamburu, je zajímavé, že po 4 dnech nedochází k téměř žádné produkci bioplynu. To bylo pravděpodobně způsobeno přetížením systému vlivem vysokého množství nadávkovaného materiálu.

Závěr

Závěrem lze konstatovat, že topinambur hlíznatý je na základě provedených testů možné výhodně použít jako substrát pro výrobu obnovitelné energie ve formě bioplynu. Průměrná produkce bioplynu 186,5 Nm³/t sušiny daného vzorku celé suché rostliny topinamburu hlíznatého je výsledkem testu výtěžnosti.

(Testy byly provedeny v rámci spolupráce s firmou Tomášek Servis, s. r. o., Ostrava, která dodala i vzorek rostliny.)

Literatura:

• [1] Bačík O.: Bioplynové stanice: technologie celonárodního významu. Biom.cz [online]. 2008-01-14 [cit. 2009-09-27]. Dostupné z www: <https://biom.cz/czbioplyn/ odborne-clanky/bioplynove-stanice-technologie-celonarodniho-vyznamu>. ISSN: 1801-2655
• [2] Zábranská J.: Možnosti anaerobního zpracování bioodpadů, Sborník Biogas 2008, České Budějovice, 2008
• [3] Dohányos M., Zábranská J., Jeníček P., Fialka P., Kajan M.: Anaerobní čistírenské technologie, NOEL Brno, 2000
• [4] Appels L., Baeyens J., Degrève J., Dewil R.: Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge, Progress in Energy and Combustion Science 34, 755–781, 2008
• [5] Straka F. a kol.: Bioplyn II. rozšířené a doplněné vydání, GAS s.r.o., Praha, 2006
• [6] Chudoba J., Dohányos M., Wanner J.: Biologické čištění odpadních vod, SNTL Praha, 1991
• [7] Dohányos M., Zábranská J.: Závislost výtěžku metanu na složení a předúpravě suroviny, Sborník konference Bioplyn 2006, 34 – 47, Gas Praha, České Budějovice, 2006
• [8] Strašil J.: Topinambur hlíznatý (Helianthus tuberosus L.) - netradiční alternativní plodina pro průmyslové a energetické využití. Biom.cz [online]. 2002-03-04 [cit. 2009- 09-27]. Dostupné z www: <https://biom.cz/cz/odborne-clanky/topinambur-hliznatyhelianthus- tuberosus-l-netradicni-alternativni-plodina-pro-prumyslove-a-energetickevyuziti>. ISSN: 1801-2655

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