Kofermentace křídlatky při anaerobní digesci hovězí a prasečí kejdy

Úvod

Řízená anaerobní digesce je perspektivní způsob ekologického zpracování biomasy. Jedná se o bioenergetickou transformaci organických látek při které nedochází ke snížení jejich hnojivé hodnoty. Tato technologie využívaná v bioplynových stanicích (BPS) je souborem procesů, ve kterých směsná kultura mikroorganismů rozkládá biologicky odbouratelnou organickou hmotu bez přístupu vzduchu. Výslednými produkty jsou biologicky stabilizovaný substrát s vysokým hnojivým účinkem a bioplyn (BP) s obsahem 55-70% metanu a výhřevností cca 18-26 MJ.m^-3, který se využívá k energetickým účelům. V agrárním sektoru ČR jednoznačné převažuje výroba BP z exkrementů hospodářských zvířat. Jako perspektivní se jeví společné využívání exkrementů hospodářských zvířat s přídavkem energetických plodin. Proto je dobré znát vlastnosti technologického procesu anaerobního zpracování jednotlivých substrátů zvlášť i ve vzájemných kombinacích, protože vzájemné promíchání může mít synergický, nebo inhibiční účinek.

Křídlatka Bohemica

Křídlatka Bohemica je vytrvalá dvoudomá bylina s bohatě rozvětvenými a silnými dlouhými oddenky. Křídlatky jsou původem z mírného pásma Asie. Z Japonska jsou hlášeny výnosy 12 až 27 t.ha^-1. Podobných výnosů lze dosáhnout i u nás. Křídlatka roste od nížin až do podhorského stupně na rumištích, v křovinách, podle vod, hlavně na mokré, živné, nevápenité, kamenité půdě. Nejlepší podmínky pro růst jsou na stanovištích s dobrou zásobou vody. Za pozornost stojí schopnost křídlatky akumulovat těžké kovy, zvláště kadmia a olova. Plantáž křídlatky lze založit z oddenků, semeny se množí velmi obtížně, nejlépe na jaře, kdy začíná křídlatka rašit. Vysazují se jeden až tři odkopky na 1 m². Choroby a škůdci se u křídlatky vyskytují v zanedbatelném rozsahu. Křídlatka Bohemica je však kontroverzní plodina. Má vynikající výnos biomasy, jak zelené hmoty, tak sušiny po dozrání, ale zároveň je importovanou invazní rostlinou, což způsobuje problémy s jejím pěstováním.

Použité materiály

U laboratorních pokusů pro stanovení produkce a složení bioplynu byla použita čerstvá křídlatka s hmotnostním procentem sušiny 21,6%, která byla rozšrotována na velikost jednotlivých částic do 4 mm.

Pro inokulaci procesu metanogeneze byla použita směs vyhnilého fugátu z bioplynové stanice Rabbit Trhový Štěpánov a čerstvé kejdy ze ZD Trhový Štěpánov. Šlo o směs hovězí a vepřové kejdy v poměru 1:1, která byla smíchána s fugátem opět v poměru 1:1. Tato směs kejdy a fugátu pak dále v textu bude nazývána pro zjednodušení kejdou. Jako neutralizační činidlo sloužil vápenný hydrát. Kyselost vzorků s vyšším pH kolem 4-5,5 byla upravována na pH 7,5. Hmotnostní procento sušiny z celkového obsahu vzorku při míchání směsných substrátů bylo 6 % nebo 8 % a platilo pro celý pokus. Pokusné fermentory byly pak osazovány náplněmi s podílem složek v této sušině v poměrech podle tabulky 1. Jako srovnávací etalon produkce byla pro tyto vzorky použita samotná kejda.

Tab. 1: Podílový obsah zkoumaných složek z hmotnostního procenta sušiny při zakládání pokusných šarží

Malé fermentory	% kejdy (50% kejda+50% fugát)	% Křídlatky
1a	100	-
2a	90	10
3a	80	20
4a	70	30
5a	60	40
6a	10	90

Metodika pokusů s produkcí bioplynu

Pro výrobu bioplynu ze speciálních substrátů bylo ve VÚZT upraveno laboratorní pracoviště, kde se průběžně provádí sledování produkce bioplynu. V laboratorních pokusech jsou využívány malé fermentory o objemu 3 l, které jsou umístěny ve vyhřívané vodní lázni, aby bylo možné simulovat různé režimy anaerobního vyhnívání (mezofilní a termofilní proces). Tato malá zařízení slouží k hrubému odhadu produkce BP z různých substrátů. Současně je k dispozici dvojice větších reaktorů o objemu 100 l, sloužících k provádění srovnávacích měření metanogeneze. Směsi odzkoušené s dobrými výsledky v malých fermentorech jsou pak dále ověřovány v těchto větších laboratorních fermentorech. Dvojice reaktorů pak umožní optimalizovat složení fermentační směsi, lépe kontrolovat průběh procesu a sledovat vliv provozní teploty. Každý fermentor má svůj plynojem pro odečet produkce bioplynu. Pro analýzu vznikajícího bioplynu používáme analyzátor AIR LF se kterým je možné měřit obsah CO₂ a CH₄, příp. i O₂. U všech pokusů byly nastaveny stejné podmínky. Malé fermentory produkovaly bioplyn při teplotě 42 °C (mezofilní oblast), velké fermentory byly pro porovnání provozovány také při 42 °C a zároveň při 55 °C (termofilní oblast).

Výsledky měření

Kumulativní produkce bioplynu z substrátů s přídavkem křídlatky výrazně stoupala v prvních cca 25 dnech procesu, poté se produkce začala snižovat a po přibližně 40 dnech ustala úplně. Uspokojivých výsledků kolem 250 litrů na 1 kg sušiny bylo dosaženo u substrátů s příměsí křídlatky do 30% hmotnostních, i když i zde byla produkce BP nižší než u samotné kejdy. Záložní pokus v malých fermentorech, který byl ukončen už po 25 dnech, v zásadě potvrdil výsledky prvního pokusu. Průběh kumulativní produkce BP přepočtené na 1 kg sušiny je znázorněna na obrázku 1.

U vybraných poměrů křídlatky a kejdy (1:4) byl pokus opakován i ve větších fermentorech s objemem 100 l, kde byla v mezofilní oblasti naměřena produkce BP o 15 - 20% nižší než ve fermentorech malých. Proces metanogeneze však po 40 dnech úplně neustal, takže lze předpokládat obdobnou produkci BP při delší době zdržení v reaktoru (cca o 10 dní). V termofilní oblasti byla produkce BP o 20 - 25% vyšší než v mezofilním procesu (viz obrázek 2).

Obsah metanu v bioplynu se pohyboval mezi 70 - 80% v malých fermentorech (viz obrázek 3), ve velkých fermentorech kolísal kolem 70% (viz obrázek 4). Díky vysokému podílu metanu kvalita bioplynu částečně nahrazuje jeho nižší produkci.

Závěr

Provedené pokusy dokazují, že produkce bioplynu ze substrátů s přídavkem křídlatky je nižší než ze samotné kejdy, ale díky vysokému obsahu metanu v bioplynu je možné určitý podíl křídlatky (do 30% hm.) kofermentovat s kejdou bez výraznějších energetických ztrát. Určitou výhodou kofermentace křídlatky s kejdou může být lepší struktura vyhnilého substrátu a vyšší podíl v něm obsažených organických látek.

Nižší produkce bioplynu ze substrátů s podílem křídlatky může být způsobena také větší zralostí použité křídlatky (vyšší sušina vzorku, zvýšený obsah celulózy a ligninu) a jejím nedostatečným rozmělněním. V následujících pokusech bude ověřena tato hypotéza, při rozšrotování křídlatky na velikost 1 mm, což by mělo přispět ke zrychlení náběhu procesu metanogeneze a zkrácení nutné doby zdržení vsázky ve fermentoru. Další možností zvýšení produkce bioplynu ze substrátů s podílem křídlatky, která bude ověřena, je mírné zvýšení sušiny substrátu na 8 - 10%.

Přes výše zmíněné nedostatky lze konstatovat, že energetické využívání křídlatky anaerobní digescí s kejdou může být přínosné a je žádoucí v tomto výzkumu pokračovat. Příspěvek vznikl jako součást řešení projektu NAZV 3160.

Vznik tohoto článku umožnil grant Nadace Sluníčko číslo 5/03.

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