Odborné články
Dezintegrace lignocelulózy pro bioplynové stanice
Aby mohly bioplynové stanice za pomoci enzymatického působení mikroorganizmů využít maximum energie, kterou rostliny fotosyntézou akumulovaly do své hmoty, může být výhodné fytomasu odpovídajícím způsobem upravit. Je obecně známo, že dezintegrací se zvyšují reakční plochy a většina procesů následně probíhá rychleji, potažmo hlouběji. Avšak lignocelulóza je kompozit biopolymerů (převážně lignin, celulóza a hemicelulóza) vyvinutý evolučním bojem s mikroorganizmy, býložravci, či klimatem natolik, že mnohé způsoby jeho úpravy ekonomicky selhaly z důvodu vysoké energetické náročnosti.
Hydrofobní lignin, zodpovědný především za pevnost buněčných stěn, je syntetizován z prekurzorů vznikajících v Golgiho aparátu. Nalezení způsobu jeho hydrolýzy se podařilo jen několika málo formám života, čímž zřejmě zamezily dalšímu obnovování fosilních paliv. Velké množství energie je ukládáno i do energetických vazeb mezi molekulami glukózy, jejichž řetězením v rosetách vznikají v rostlinách krystaly celulózy s polymeračním stupněm až v řádech statisíců. V hydrolýze celulózy je různě úspěšná řada mikroorganizmů a hub, avšak živočichové k jejímu trávení využívají převážně symbiotických vztahů.
Protože bez odpovídajícího způsobu úpravy relativně velké množství organického uhlíku prochází procesem anaerobní fermentace, aniž by existovala reálná šance na jeho využití, jsou již po několik desetiletí vyvíjeny různé způsoby dezintegrace lignocelulózy. Vzhledem k tomu, že efektivita běžných technologií anaerobní fermentace dosahuje na fytomase třetiny, maximálně poloviny teoretické produkce metanu, má před sebou dezintegrace lignocelulózy zajímavý potenciál.
Za nejstarší lze považovat rutinně užívané mechanické metody dezintegrace, když i samotné sklízecí mechanizaci lze přiznat prokazatelné dopady na biologickou rozložitelnost. K mechanické dezintegraci jsou využívány různé druhy mixů, mlýnů a drtičů, které pracují převážně na principech úderu, střihu a tření. Později byly tyto způsoby rozšířeny o drcení mezi částicemi, teplotní šok, či trhání. Krom mechanických extrudérů představují zajímavou alternativu i kladivové mlýny, ať již s pevně uchycenými kladivy (vyšší kinetická energie, náročnější na údržbu), či s volným uchycením (lze přizpůsobit širokému spektru biomasy). Účinnost mechanické dezintegrace je nejčastěji poměřována dle měrné rozpojovací energie (kWh.t-1, či MJ.kg-1) k dosažení požadované velikosti fragmentu fytomasy.
Pro anaerobní fermentaci fytomasy s vyšším podílem lignocelulózy, jako je například sláma, je však další snižování průměrné velikosti částic výše uvedenými metodami neúměrně energeticky náročné a bez odpovídajícího efektu. Bylo ověřeno, že je výhodnější základní mechanickou úpravu doprovodit prudkými tlakovými změnami natolik intenzivními, že jsou schopny narušit samotné vnitřní struktury lignocelulózy. Odkrytím ligninu a hemicelulóz tak lze vystavit krystaly celulózy intenzivnějšímu enzymatickému působení, čímž mohou být lépe hydrolyzovány na fragmenty snadněji podléhající anaerobní fermentaci. Je známo několik vynálezů, kdy bylo prudkého tlakového výkyvu dosahováno průletem fytomasy tryskami a obdobnými překážkami, avšak tyto technologie nebyly zavedeny do praxe.
Aby byly tlakové změny co nejvyšší, jsou konstruovány reaktory dosahující za pomoci páry (obohacování o silné kyseliny, či zásady se ukázalo jako nerentabilní) tlaků v jednotkách, až desítkách MPa. Různí vynálezci se již několik dekád předhánějí nejen v konstrukčním řešení, ale především ve složitém hledání optimálních parametrů (tlak, teplota, doba zdržení, hydromodul a další). Jejich optimalizace musí respektovat specifika zpracovávané fytomasy, technická omezení zařízení, předcházet vzniku inhibitorů a především respektovat ekonomické ukazatele.
Nejlepší aktuálně známá technologie pro zpracování posklizňových zbytků se skládá z maceračního mlýnu, který pod hladinou horké kapaliny (40 až 85 °C, je využito odpadního tepla) dezintegruje fytomasu na částice o průměrné velikosti 3 mm. Tímto způsobem dojde nejen k vytlačení vzduchu a dalších mezibuněčných plynů, ale i k přechodu jednoduše hydrolyzovatelných organických látek a některých minerálů do kapalné fáze. Naředění na odpovídající hydromodul umožňuje čerpání a ohřátí zlepšuje stabilitu tlaku v navazujícím tlakovém reaktoru. Tlakový reaktor je opatřen horizontální šroubovicí, jejíž otáčky řídí dobu zdržení. Za optimální tlak pro většinu druhů slámy je považováno okolí 1,5 MPa. Nejen, že je blízké biotechnologickému optimu, ale i z toho důvodu, že pro dosažení tohoto tlaku vystačí odpadní energie ze žhavých spalin z kogenerační jednotky. Potvrzuje se, že jedním z klíčových parametrů je i rychlost, s jakou je tlakový pád prováděn v expanzním turniketu, kterým je technologie zakončena.
Vzhledem k tomu, že již první provozní pokusy naznačily, že je možno tímto způsobem dosahovat z posklizňových zbytků více metanu než z kukuřičné siláže, lze očekávat, že zvyšující se požadavky na využití odpadního tepla povedou k rozšíření této technologie. Ve zpracování travin je posledním trendem horká macerace, odlisování a následná anaerobní fermentace výhradně kapalné frakce, avšak takové řešení nebylo v ČR doposud komerčně realizováno.
Článek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem
Související články:
Bioplyn láká zajímavé investice a rozvíjí venkov
Spolehlivá a ověřená technologie bioplynové stanice
Dostatek kvalitních vstupních surovin pro výrobu bioplynu
Výzkum „suché“ anaerobní fermentace různých druhů biomasy za účelem výroby bioplynu
Trochu jiná bioplynka
Zajímavá provedení bioplynových stanic v zahraničí
Zobrazit ostatní články v kategorii Bioplyn, Obnovitelné zdroje energie
Datum uveřejnění: 20.8.2012
Poslední změna: 6.8.2012
Počet shlédnutí: 9101
Citace tohoto článku:
MAROUŠEK, Josef: Dezintegrace lignocelulózy pro bioplynové stanice. Biom.cz [online]. 2012-08-20 [cit. 2024-10-30]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/czt-bioplyn-spalovani-biomasy-obnovitelne-zdroje-energie/odborne-clanky/produkci-bioplynu-lze-zvysit-dezintegraci-vstupni-fytomasy>. ISSN: 1801-2655.
Komentáře:
|
|
|
|
|