ANAEROBNÍ FERMENTACE

Transkript

1 Vysoká škola chemicko technologická v Praze Ústav technologie vody a prostředí TEORETICKÉ ZÁKLADY ANAEROBNÍ FERMENTACE Prof.Ing. Michal Dohányos, CSc 1

2 Proč Anaerobní fermentace a BPS? Anaerobní fermentace je jedním z nejefektivnějších způsobů využití energie z různých druhů biomasy, kdy organické látky jsou mikroorganizmy transformovány na energii ve formě bioplynu (CH 4 +CO 2 )

3 Jak zabezpečit dobrou funkci BPS? Požadavky procesu zajištění co nejpříznivějších podmínek pro všechny zúčastněné skupiny mikroorganizmů. Požadavky technologie spolehlivost jednotlivých technologických komponent - zabezpečení požadavků procesu

4 Časté příčiny nedostatečné funkce bioplynových stanic: a) špatné provozování z neznalosti vlastního fermentačního procesu, b) chyby při výběru technologie, c) chyby v projekci a konstrukci, d) neadekvátní snahy o úspory v investičních a provozních nákladech.

5 Je anaerobní reaktor černou skřínkou? Suroviny Elektrická energie MG Teplo? Fermentační zbytek

6 Schéma anaerobního rozkladu za tvorby bioplynu komplexní polymery (polysacharidy, proteiny, lipidy) 1. Hydrolýza + acidogeneze 2. Acetogeneze 1 H 2 +CO 2 monomery (monosacharidy, aminokyseliny, vyšší mastné kyseliny) nižší mastné kyseliny 2 2 (C>2) Kys octová 3. metanogeneze 3 CH 4 + CO 2 3

7 Tok uhlíku za rovnovážného stavu procesu, kdy metanogeny jsou v plné aktivitě. Komplexní organické látky 51 % 30 % 19 % Kys octová 19 % 11 % Meziprodukty (kyseliny C 3, C 4, ic 4, C 5, ic 5, C 6 ) H 2, CO 2 70 % 30 % CH 4 + CO 2

8 Tok uhlíku při i inhibici nebo nepřítomnosti metanogénů Komplexní organické látky % % % Kys octová Meziprodukty nízkomolekulární org.. látkyl tky, kyseliny: (C 3, C 4, ic 4, C 5, ic 5, C ), 6 organické sulfidy, aminy, H 2 S, NH 4 a další H 2, CO 2

9 Nejdůle ležitější faktory ovlivňuj ující anaerobní procesy Teplota ph Složen ení substrátu tu Toxické a inhibující látky Technologické podmínky (d míchání,, doba zdržen ení) (dávkování,

10 Limit toxicity volného amoniaku obsah nedisociovaného NH3 [mg/l] ph 8.0 ph ph ph ph (NH NH 3 ) obsah [mg/l]

11 Řízení a stabilita procesu

12 Na čem závisz visí stabilita procesu? Stabilita procesu závisz visí na skupině faktorů,, které musí být v dynamické rovnováze: 1. na chemickém složení, na chemické a fyzikální struktuře daného materiálu a jeho biologické rozložitelnosti, 2. na přítomnosti vhodného druhu mikrobiálních společenstev a enzymových systémů, 3. na technologických podmínkách procesu (teplota, ph, zatížení, doba zdržení, míchání, přítomnost toxických nebo inhibujících látek, uspořádání fermentace a dalších.)

13 Mikrobiáln lní společenstv enství Směsn sná kultura mikroorganizmů, její složení závisí na: Použitém inokulu a následném zapracování, Druhu substrátu (jeho chemické a fyzikální struktuře), Podmínkách kultivace (teplota, doba zdržení, ph).

14 Indikátory stavu procesu V plynné fázi: množství produkovaného bioplynu, složení bioplynu - CH 4, CO 2, H 2, CO, H 2 S.

15 Indikátory stavu procesu V kapalné fázi: ph, CHSK, jednotlivé mastné kyseliny, amoniakáln lní dusík, kyselinová a zásadováneutralizační kapacita,

16 Indikátory stavu procesu V tuhé fázi: koncentrace susp.. látek l a jejich organická frakce, sledování aktivity biomasy, hnojivé vlastnosti, sedimentační a filtrační vlastnosti susp. látek.

17 Faktory způsobuj sobující nestabilitu procesu: změny teploty procesu, změny v zatížení organickými látkami, změny složení nebo vlastností zpracovávaného materiálu, hydraulické přetížení (zkrácení doby zdržení), expozice toxickými látkami (NH 3, H 2 S,).

18 Odezvy systému Zvýšen ení produkce mastných kyselin a změna jejich složen ení. Snížen ení produkce a změna složen ení bioplynu. Snížen ení ph. Kolaps systému.

19 Reaktorová technika Mokrá fermentace - (fermentace v suspenzi) - sušina méně něž % - reaktory podobné konvečním směšovacím reaktorům pro stabilizaci kalů, Suchá fermentace sušina nad 20 % - speciální rektory, svislé nebo horizontální, pracující na principu pístového toku. Část stabilizovaného materiálu se musí recyklovat jako inokulum pro čerstvou dávku.

20 Jednostupňový ový nebo více v stupňový proces? Jednostupňový ový proces (směšovací reaktor) Dvou stupňový proces (oodělení fází) Jednostupňový ový proces ve více v reaktorech (přiblížení se k postupnému toku) V prvním m reaktoru probíhá pouze hydrolýza a acidogeneze Suchá fermentace, nad 20 % suš.

21 Další produkce bioplynu z 1 m 3 digestátu Kumulativní prod.bp (m 3 ) 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 mezo psychro Doba pokusu (dny) Charakteristika digestátu před pokusem ph Sušina vzorku Organická sušina Ztráta žíháním doba zdržení prod. z 1 m3 substrátu obmj.prod. BP 8,0 22,4 13,2 58, ,0 1,5 g/l g/l % dní m 3 m 3 /m 3 N-amon C2 - octová C3 - propionová ic4 - izo máselná C4 - máselná ic5 - izo valerová C5 - valerová C6 - kapronová 4295,7 330,1 4,9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

22 Zapracování bioplynového reaktoru. Zapracování je prakticky nejdůležitější fází provozu anaerobního reaktoru. Na něm závisí doba, za kterou je dosaženo ustáleného stavu provozu a v neposlednířadě i stabilita a účinnost provozu. Zapracování zahrnuje tyto fáze: adaptaci biomasy na daný substrát a dané podmínky, nahromadění (akumulaci) takového množství aktivní biomasy, aby reaktor byl schopný zpracovávat požadované zatížení.

23 Vztah mezi konc.. amoniaku a mastných kyselin N- amon C2 - octová C3 - propion ová ic4 - izo máselná C4 - máselná ic5 - izo valero vá C5 - valero vá C6 - kaprono vá

24 Kontrola procesu Porovnání skutečného výkonu a zatížení [kwh/d] Zatížení or. suš. [kg/m3 d], Amoniak [g/l], Spec.prod. [m3/kgorg.suš.] skutečný výkon Zatížení Amoniak spec.produkce