Laboratorní zkoušky substrátu pro bioplynové transformace

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky Laboratorní zkoušky substrátu pro bioplynové transformace Bakalářská práce Vedoucí práce: prof. Ing. Bořivoj Groda, DrSc. Vypracovala: Petra Koudelková Brno 2010

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Laboratorní zkoušky substrátu pro bioplynové transformace vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis....

PODĚKOVÁNÍ Ráda bych poděkovala Ing. Martinu Haitlovi za metodické vedení, pomoc a cenné rady, které mi poskytnul při vypracování bakalářské práce. Mé poděkování patří také prof. Ing. Bořivoji Grodovi, DrSc.

Abstrakt Předmětem této bakalářské práce jsou jednotlivé zkoušky substrátu pro bioplynové transformace. Popsány jsou z nich pouze ty základní, které se analyzují nejčastěji. Díky těmto metodám můžeme zjistit hodnoty parametrů a cíleně průběh procesu ovlivňovat. Další významnou kapitolou jsou substráty, kosubstráty a jejich směsi, které se v současnosti staly předmětem zkoumání nových možností v produkci bioplynu. Jako příklad jsou uvedeny i pokusy s dosaženými výsledky, týkajících se výtěžnosti substrátů a jejich směsí, prováděných v Rakousku. V práci jsou také popsány životní potřeby metanogenních bakterií a různé technologie využívané pro anaerobní digesci. Klíčová slova: bioplyn, zkoušky substrátu, anaerobní digesce, parametry ovlivňující proces fermentace Abstract The subject of this Bachelor thesis are individual tests of substrate for the biogas transformation. The basic ones of them are described that are analyzed the most frequently. Thanks to these methods we can establish values of parameters and specifically affect the progress of process. The next chapter is about substrates, co-substrates and their mixtures which are currently become the subject of examination new possibilities in producing biogas. As an example there are given the experiments with achieved results related to yields of substrates and their mixtures making in Austria. There are also described requirements of living methanogenic bacteria and different technologies using for an anaerobic digestion. Key words: biogas, tests of substrate, anaerobic digestion, parameters affected the process of fermentation

Obsah 1 Úvod... 9 2 Cíl práce... 11 3 Bioplyn... 12 3.1 Historie bioplynu... 12 3.2 Bioplyn v současnosti... 12 3.3 Průběh vzniku bioplynu... 13 3.3.1 Fáze procesu... 14 3.4 Metanogeny... 14 3.4.1 Potřebné životní podmínky metanogenů... 15 3.5 Faktory ovlivňující proces výroby bioplynu... 17 3.6 Bioplynové technologie... 18 3.6.1 Dávkový postup (batch process)... 18 3.6.2 Metoda střídání nádrží... 19 3.6.3 Průtokový způsob... 19 3.6.4 Metoda se zásobníkem... 19 3.6.5 Kombinovaná průtoková metoda se zásobníkem... 20 3.6.6 Jednostupňový nebo vícestupňový proces... 20 3.6.6.1 Dvoufázový systém... 20 3.6.7 Rozdělení reaktorů podle obsahu sušiny... 20 3.7 Konstrukční typy fermentorů... 21 3.7.1 Horizontální konstrukční typ... 21 3.7.2 Vertikální konstrukční typ... 21 3.8 Vhodné substráty pro anaerobní zpracování... 21 3.8.1 Rostlinná biomasa... 21 3.8.2 Jednotlivé příklady substrátů... 22 3.8.2.1 Složení substrátu... 26 3.8.3 Kosubstráty... 27 3.9 Veličiny ovlivňující průběh procesu... 28 3.9.1 Sušina a organická sušina... 28 3.9.2 Hodnota ph... 28 3.9.3 Nižší mastné kyseliny... 29 3.9.4 Amoniakální dusík NH 4 -N... 29 3.9.5 BSK 5... 29 3.9.6 CHSK Cr... 29 3.9.7 Teplota... 30 3.9.8 Složení bioplynu... 30 4 Zkoušky substrátu... 31 4.1 Plynová chromatografie stanovení nižších mastných kyselin... 31 4.1.1 Podstata zkoušky... 31 4.1.2 Přístroj... 31 4.1.3 Postup zkoušky... 31 4.1.4 Stanovení NMK... 31 4.1.4.1 Úprava vzorků... 31

4.1.4.2 Vhodné chromatografické kolony... 32 4.1.4.3 Stanovení... 32 4.1.4.4 Vyhodnocení... 33 4.2 Stanovení veškerých látek a obsahu vody dle normy ČSN EN 12880, 2001. 33 4.2.1 Podstata zkoušky... 33 4.2.2 Přístroje a pomůcky... 34 4.2.3 Postup zkoušky... 34 4.2.4 Výpočet výsledků... 34 4.3 Stanovení ztráty žíháním dle normy ČSN EN 15169, 2007... 35 4.3.1 Podstata zkoušky... 35 4.3.2 Přístroje... 35 4.3.3 Postup... 35 4.3.4 Výpočet... 36 4.3.5 Zbytek po žíhání... 36 4.4 Stanovení ph dle normy ČSN ISO 10523, 1995... 37 4.4.1 Přístroje a pomůcky... 37 4.4.2 Postup zkoušky... 37 4.4.2.1 Příprava... 37 4.4.2.2 Kalibrační a přímé měření... 37 4.4.3 Výpočet ph pro různé teploty... 38 4.5 Stanovení biochemické spotřeby kyslíku (BSK 5 ) dle SOP/M-08, 1999... 38 4.5.1 Podstata zkoušky... 38 4.5.2 Přístroje a pomůcky... 38 4.5.3 Postup zkoušky... 39 4.5.3.1 BSK 5 do 6 mg/l... 39 4.5.3.2 BSK 5 nad 6 mg/l... 39 4.5.4 Další pracovní postup... 39 4.5.5 Výpočet výsledků... 40 4.5.6 Vyjádření výsledků... 41 4.5.7 Stanovení rozpuštěného kyslíku jodometricky... 41 4.5.7.1 Postup stanovení... 41 4.5.7.2 Výpočet... 41 4.6 CHSK Cr dle normy SOP/M-09, 1999... 41 4.6.1 Podstata zkoušky... 41 4.6.2 Přístroje a pomůcky... 42 4.6.3 Postup zkoušky... 42 4.6.3.1 Postup při stanovení CHSK nad 50 mg/l... 42 4.6.3.2 Postup při stanovení CHSK v rozmezí 5 až 50 mg/l... 43 4.6.4 Výpočet výsledků... 43 4.7 Stanovení TOC dle normy ČSN EN 13137, 2002... 43 4.7.1 Podstata zkoušky... 43 4.7.2 Přístroje... 43 4.7.3 Nepřímý postup... 44 4.7.4 Postup zkoušky... 44 4.7.5 Obsah vody... 44 4.7.6 Stanovení TC... 44 4.7.7 Stanovení TIC... 45 4.7.8 Výpočet... 45 4.8 Analýza FOS/TAC dle METODIK FOS/TAC... 46 4.8.1 Podstata zkoušky... 46

4.8.2 Přístroje... 46 4.8.3 Postup zkoušky... 46 4.8.4 Výpočet... 47 4.9 Stanovení amonného dusíku... 47 4.9.1 Podstata zkoušky... 47 4.9.2 Přístroj... 47 4.9.3 Postup stanovení... 47 4.9.4 Vyhodnocení... 48 5 Závěr... 49 6 Použitá literatura... 52

SEZNAM TABULEK Tabulka č. 1: Rozdělení metan produkujících mikroorganismů do teplotních skupin... 16 Tabulka č. 2: Zkoumané substráty a směsi (v %)... 24 Tabulka č. 3: Výnosy bioplynu a metanu podle VDI 4630 (VDI 2006)... 25 Tabulka č. 4: Výtěžky metanu z různých typů zemědělských odpadů a biomasy na 1 kg sušiny... 26 Tabulka č. 5: Důležité ukazatele pro hodnocení metageneze u bioplynových stanic... 30 Tabulka č. 6: Zaokrouhlení hodnot BSK 5... 41

1 ÚVOD V posledních letech výrazně stoupla poptávka po obnovitelných zdrojích energie, což vyvolalo dynamický rozvoj nových technologií a možnosti jejich využití, zejména v oblasti bioplynu. Odpověď na otázku, proč tento zájem o obnovitelné zdroje nastal, je nasnadě. Dlouholetým spalováním fosilních paliv došlo k narušení klimatu a ekosystémů na Zemi. Tyto nastalé změny se již úzce dotýkají našich životů a můžeme je sami pociťovat. Z tohoto důvodu se politiky vyspělých zemí, ale i zemí téměř celého světa zaměřují na obnovitelné zdroje energie, které by mohly být součástí východiska z dané situace. Nahradit fosilní paliva ve větším měřítku je v současnosti nemožné, avšak bioplyn je jedním z nejperspektivnějších zdrojů energie s neomezenými možnostmi do budoucna a s vysoce pozitivními přínosy pro životní prostředí. Proces průběhu vzniku bioplynu skládající se ze čtyř na sebe navazujících fází by se mohl zdát již důkladně známý, přesto tu jsou některé aspekty, které tento proces ovlivňují, jsou a nadále budou otázkou ke zkoumání. Jedním z těchto aspektů je substrát používaný k anaerobní digesci. Mnoho vědců z různých zemí se zabývá otázkou: Jaký substrát a v jakém poměru namíchat, aby byla produkce metanu co nejvyšší Provádí se celá škála pokusů se zaměřením na výnosnost jednotlivých energetických plodin a jejich směsí, mohou být i s přídavkem zvířecích exkrementů nebo odpadů vhodných pro anaerobní digesci. Za úvahu zde stojí myšlenka, jestli není zbytečné zabírat ornou půdu využívanou k pěstování plodin pro lidstvo nebo na výkrm zvířat osazováním energetických plodin, když každý den narůstá množství odpadů, které by se daly fermentovat Aby se tedy nezabírala zbytečně orná půda, vyvstává zde možnost využití méně úrodných nebo hůře dostupných půd, které najdeme ve všech státech Evropy. Dalším předmětem zkoumání mohou být společenstva mikroorganismů, která se podílí na rozkladu organické hmoty. V současné době je známo asi deset druhů methanococcus a methanobacterium, které vyžadují k produkci metanu různé podmínky prostředí. Nesmíme zapomenout na možnosti dnešních technologií a jejich možném zdokonalení v budoucnu. Samotný proces probíhající ve fermentoru je tedy závislý na mnoha faktorech. Některé z nich vypovídají o stavu procesu více, jiné zase méně. Význam a důležitost 9

například sledování hodnot ph, nižších mastných kyselin, neutralizační kapacity, aktivity biomasy a koncentrace jednotlivých složek bioplynu spočívá v tom, že náhlá změna těchto ukazatelů může znamenat narušení rovnováhy průběhu procesu nebo dokonce jeho zhroucení. K tomu, abychom zabránili nestabilitě vyhnívacího procesu, nám slouží různé metody, díky nimž můžeme výše uvedené parametry sledovat a udržovat v optimální hodnotě. Těchto metod a ukazatelů, které máme možnost kontrolovat, je mnoho. V této práci jsou uvedeny a popsány nejdůležitější z nich. 10

2 CÍL PRÁCE Cílem této práce je komplexní poznání průběhu vzniku bioplynu, nastínění životních potřeb metanogenních mikroorganismů, seznámení se s bioplynovými technologiemi a významnými veličinami ovlivňujícími celý proces metanizace. Hlouběji se zabývám substráty, kosubstráty a jejich směsmi, které jsou vhodné a nevhodné pro anaerobní digesci. Stěžejním tématem této práce jsou zkoušky substrátu, díky kterým jsme schopni sledovat různé proměnné, které tak můžeme udržovat v optimální hodnotě a zajistit tím stabilizaci fermentačního procesu. 11

3 BIOPLYN 3.1 Historie bioplynu Není přesně znám historický mezník, kdy poprvé člověk rozpoznal hořlavost a následně možnost využití této vlastnosti bahenního plynu, se kterým se mohl setkávat jako s přírodní formou bioplynu například v močálech a rašeliništích. Avšak první zprávy o pokusech výroby bioplynu pochází z poloviny šestnáctého století a rozvoj tohoto odvětví plynul až do druhé poloviny devatenáctého století. Během této doby se mnoho významných fyziků a chemiků naší minulosti zabývalo jeho výrobou a možným využitím. Vlastní technologie anaerobní fermentace vznikly až na počátku dvacátého století. Zásluhu na tom má obor čištění odpadních vod, neboť s rozvojem kanalizačních sítí přinesly čistírenské technologie první poznatky o anaerobních procesech a začaly se vyrábět první bioplyny. Ty byly ovšem považovány pouze za užitečný vedlejší produkt, jelikož účelem čistíren bylo čistit vodu a ne vyrábět energii. Vzniklý plyn se využíval hlavně k ohřevu reaktorů a jednotlivých částí budov. Na konci dvacátých let dvacátého století se objevují i první automobily poháněné čistírenským plynem. Druhá polovina 20.století je pak ve znamení rozvoje reaktorových procesů a výroba bioplynu se začíná uplatňovat na široké škále různých odpadů. Pravdou však zůstává, že kvůli technicky náročné výrobě bioplynu v porovnání s jeho výnosností, bylo využívání tohoto plynu pro energetické účely vytlačeno palivy fosilními. (Straka et al., 2006) 3.2 Bioplyn v současnosti Dle vyjádření Evropské Komise (2006) podíl obnovitelné energie v porovnání s její celkovou spotřebou vzroste o 20 % a podíl biopaliv ku celkové spotřebě pohonných hmot se zvýší o 10 % do roku 2020. (Bauer et al., 2009) Česká republika se po vstupu do Evropské unie zavázala zvýšit podíl obnovitelných zdrojů energie na 13 % do roku 2020. Bioplynové stanice a vůbec bioplynová lobby jsou v České republice poměrně velmi silné. Výroba bioplynu je rozvíjejícím se oborem, který vhodně doplňuje zemědělské podnikání a infrastrukturu 12

venkova. CZ Biom, profesní organizace podporující rozvoj využívání biomasy a bioplynu jako obnovitelné suroviny, v České republice nyní eviduje asi 90 bioplynových stanic a další desítky projektů se připravují. Budoucí potenciál 700 bioplynových stanic by měl poskytovat teoretický instalovaný výkon až 1000 MW. Aktuálním problémem je však získání připojení k přenosové síti z důvodu její nedostatečné kapacity kvůli blokaci sítě vysokým počtem připravovaných fotovoltaických projektů. (www.ekobydleni.eu/energie/alternativni-zdroje-nejsou-jensolarni-a-vetrne-elektrarny) Využití biologických strategií k pokrytí našich energetických požadavků se zdá být velmi slibné. Současná literatura uvádí některé plodiny (kukuřici, pšenici, brambory, řepkové semínko aj.), které by mohly být pěstovány na evropských orných půdách, aby nahradily fosilní paliva a vytvořily evropský energetický trh nezávislým. Bioetanol, bionafta a bioplyn z rostlinných zdrojů jsou středem zájmu. (Young, 2003) Výroba bioplynu ze zvířecích exkrementů, odpadů a čerstvé biomasy se řadí mezi nejsnáze udržitelné formy energie, zejména kvůli její možné produkci v malých, decentralizovaných jednotkách, jenž nepotřebují velké dopravní infrastruktury. Může být alternativou neuvěřitelného potenciálu pro zemědělské půdy nízké kvality a území s nedostatečnou infrastrukturou, kam bude dodávat teplo, plyn do zásoby a elektrickou energii pro malé farmy a komunity. (Schröder et al., 2008) Jak recenzoval Markard et al. (2002), bioplyn ze zemědělství má mnoho ekologických výhod. Tím, že je obnovitelný, může nahradit fosilní energii a také zredukovat emise metanu z přirozených rozkladných procesů organického materiálu. Tím pádem je výroba bioplynu schopna zmírnit skleníkový efekt. 3.3 Průběh vzniku bioplynu Proces rozkladu organických látek bakteriemi se nazývá vyhnívání, fermentace, biometanizace, biogasifikace nebo anaerobní digesce. K vyhnívání organických látek dochází ve vlhkém prostředí při teplotě mezi 0 C až 70 C, bez přístupu vzduchu. Tento proces se v podstatě skládá ze čtyř fází, přičemž až ve čtvrté poslední fázi dochází k samotné tvorbě bioplynu, který je produktem látkové výměny metanových bakterií. (Straka et al., 2006) 13

3.3.1 Fáze procesu První fáze, která se nazývá hydrolýza, začíná často ještě v přítomnosti kyslíku. Fakultativní anaerobové a později i ryzí anaerobní bakterie přeměňují makromolekulární látky jako jsou polysacharidy, lipidy, proteiny aj. na nízkomolekulární sloučeniny (aminokyseliny, mastné kyseliny, vodu, jednoduché cukry). V druhé fázi (acidogenezi) pokračují acidofilní bakterie a tzv. syntrofní mikroorganismy v dalším rozkladu nízkomolekulárních látek na organické kyseliny s kratšími řetězci, oxid uhličitý, vodík, alkoholy a další plyny. Z výše uvedených látek vytvoří ve třetí fázi (acetogenezi) octotvorné bakterie kyselinu octovou, oxid uhličitý a vodík. V závěrečné čtvrté fázi (metanogenezi) zpracovávají acetotrofní metanogeny kyselinu octovou a hydrogenotrofní metanogeny směs vodíku a oxidu uhličitého na metan. (Straka et al., 2006) Dochází-li v bioplynových stanicích ke kontinuálnímu plnění organickou hmotou, probíhají všechny čtyři fáze vedle sebe a nejsou nikterak odděleny. Fáze rozkladu probíhají odděleně pouze u nespojitých dávkovacích procesů, při rozběhu nových bioplynových stanic nebo u vícestupňových bioplynových stanic. Hnilobné procesy lze sledovat na mnoha místech, např.: v močálech, rašeliništích, v usazeninách moří, jezer a řek, na skládkách, hnojištích, jímkách kejdy i odpadních vod, jakož i v bahnitých rýžových polích. Podle místa výskytu pak mluvíme o plynu bahenním, důlním, skládkovém, kalovém nebo v zemědělství přímo o bioplynu. (Schulz a Eder, 2004) 3.4 Metanogeny Metan produkující mikroorganismy patří k nejstarším žijícím organismům na Zemi. Jsou striktními anaeroby a i malá koncentrace kyslíku je pro ně toxickým plynem. Metanogenní anaerobní bakterie žily již několik set milionů let předtím, než se první kyslík objevil v atmosféře. Jejich schopnost přežití je podmíněna velmi těsnou symbiózou s mnoha jinými mikroorganismy. I přes vysokou citlivost vůči kyslíku jsou metanogeny schopny úspěšně přežívat v různých podmínkách a ve vhodném prostředí 14

se intenzivně množit. V dnešní době je známo asi deset druhů methanococcus a methanobacterium, které vyžadují různou péči. (Straka et al., 2006) Vybraní zástupci metan produkujících mikroorganismů: - Methanobacterium bryantii, - Methanobacterium formicium, - Methanobacterium thermoautotrophicum, - Methanobacterium ruminatium, - Metanobacterium smithii, - Methanococcus vannielii, - Methanococcus voltae, - Methanobacterium marisnigri, - Methanobacter arboriphilus, - Methanococcus mazei, - Methanospirillium hungatei, - Methanosarcina barkeri. (Straka et al., 2006) 3.4.1 Potřebné životní podmínky metanogenů Vlhké prostředí Metanové bakterie potřebují ke svému životu dostatečně zalitý substrát, alespoň z 50 %. V pevném substrátu nedokáží žít.(schulz a Eder, 2004) Zabránění přístupu vzduchu Jak už bylo zmíněno, metanogeny jsou striktními anaeroby a je-li v substrátu přítomen kyslík, musejí ho aerobní bakterie spotřebovat, k čemuž dochází v první fázi procesu. (Schulz a Eder, 2004) Zabránění přístupu světla 2004) Světlo bakterie nezničí, ale zpomaluje proces tvorby bioplynu. (Schulz a Eder, Vliv teploty a tlaku Ideální teplota pro metanogenní bakterie je mezi 0 C a 70 C. Některé kmeny mohou žít v termálních horkých pramenech, nebo dokonce v okolí hlubokomořských 15

vývěrů horkých vod, kde teplota dosahuje 300 C. Teplota spadající pod bod mrazu bakterie nezahubí, ale nejsou schopné při ní pracovat. (Straka et al., 2006) Tabulka č. 1: Rozdělení metan produkujících mikroorganismů do teplotních skupin Skupiny metanogenních bakterií Psychrofilní Tolerantní mesofilové Mesofilní Tolerantní termofilové Termofilové Etrémní termofilové Teplota 0 20 C 5 25 C 15 45 C 35 55 C 45 70 C 70 C a více Zdroj: Straka et al., 2006 Vliv tlaku na průběh vzniku bioplynu nebyl předmětem rozsáhlých výzkumů, ale metanogeny projevují vysokou tolerantnost vůči změnám tlaku.(straka et al., 2006) Hodnota ph Optimální hodnota ph by měla být v rozmezí ph 6,2 7,8. Záleží ovšem na jednotlivých kulturách, některé vyžadují úzké rozmezí ph, např. Methanospirillium (6,5 7,5), jiným vyhovuje širší spektrum ph (Methanobacterium ph 5,0 8,1). Obecně však nižší hodnota než ph 6,0 znamená inhibici procesu díky vzniku neionizovaných kyselin a vyšší hodnota než ph 7,6 inhibuje nárůstem volného amoniaku. (Straka et al., 2006) Přísun živin Metanové bakterie nejsou schopny rozkládat lipidy, proteiny, uhlovodíky, škrob či celulózu v čisté formě. Kvůli své buněčné stavbě potřebují rozpustné dusíkaté sloučeniny, minerální látky a stopové prvky, kterých je například v hnoji a kejdě dostatečné množství. V praxi se tedy užívá hnoje a kejdy jako základního substrátu a trávy, zbytků jídel, kuchyňských odpadů aj. jako přísad, aby se dosáhlo vyrovnaného poměru mezi zásaditostí a kyselostí a nedošlo k vydělování složek směsi. (Straka et al., 2006) 16

- Požadavky na dusík Metanogenní bakterie vyžadují pro svůj život amonný ion, jako zdroj mohou sloužit aminokyseliny. Při nedostatku jsou schopny fixovat dusík molekulární. - Požadavky na síru Síra je také důležitá pro růst metanogenů. Může být odebírána jako síra elementární, ze sloučenin siřičitanů, síranů, thiosíranů nebo ze síru obsahujících aminokyselin. Nízká koncentrace sulfidů v substrátu je žádaným optimem, velké přebytky pak inhibují metanogenezi. - Požadavky na fosfor Potřebný poměr uhlíku ku fosforu by měl být C/P = 100 až 150 v hmotnostních údajích. (Straka et al., 2006) 3.5 Faktory ovlivňující proces výroby bioplynu Kontaktní plochy Používáme-li materiál jako je sláma, bioodpad nebo dlouhá tráva, musíme jej rozsekat, aby vznikly velké dotykové plochy. Jinak vyhnívají příliš dlouho a mohou vytvářet kalový strop. (Schulz a Eder, 2004) Inhibitory Antibiotika, chemoterapeutika, organické kyseliny nebo dezinfekční prostředky mohou proces vyhnívání velmi ovlivnit. Mohou ho brzdit nebo dokonce zastavit. Dochází k tomu při dezinfekci stájí nebo ošetření všech zvířat najednou. Záleží ovšem také na používaných prostředcích. (Schulz a Eder, 2004) Zatížení vyhnívacího prostoru Zatížení vyhnívacího prostoru (měrná jednotka: 1 kg os/m 3 *d; os = organická sušina) udává, jaké maximální množství organické sušiny na m 3 a den může být dodáno do fermentoru, aniž dojde k přesycení bakterií a zastavení procesu. Záleží především na teplotě, obsahu sušiny a době kontaktu. Reaktor lze v závislosti na druhu substrátu zatížit až na 5kg os/m 3 *den, což je absolutní horní hranice, obvyklé zatížení je mezi 0,5-1,5 os/m 3 *den. (Schulz a Eder, 2004) 17

Rovnoměrný přísun substrátu Je nutno zajistit rovnoměrný přísun jak základního substrátu, tak i kofermentátu, a to v co nejkratších intervalech, aby nedocházelo k zatížení plnící zóny fermentoru. Zabrání se tím i nadměrnému poklesu teplot v plnící zóně. (Schulz a Eder, 2004) Míchání substrátu Míchání substrátu má pro proces biometanizace velký význam, a to hned z několika důvodů: - promícháváním čerstvého substrátu s již vyhnívajícím dojde k naočkování čerstvého substrátu aktivními bakteriemi, - ve fermentoru se rozdělí teplo a udržuje se co možno nejrovnoměrnější teplotní úroveň, - zabrání se vzniku vyplavání lehkých částic a tvorbě plovoucího nebo pěnového koláče na hladině, - podpoří se látková výměna v buněčném komplexu mikroorganismů, - zabrání se usazování hutných sedimentů na dně nádrže. (Straka et al., 2006) Odplynování substrátu Vysokého rozkladného výkonu dosahují metanové bakterie tehdy, je-li plyn ze substrátu průběžně odváděn. Neodvádíme-li průběžně plyn z nádrže, může dojít k velkému zvýšení tlaku a tím i k případným škodám. (Schulz a Eder, 2004) 3.6 Bioplynové technologie Technologické postupy můžeme rozlišovat podle způsobu plnění (dávkový nebo průtokový postup), dále jednostupňový nebo vícestupňový postup a nakonec podle konzistence substrátu (pevný a kapalný). (Schulz a Eder, 2004) 3.6.1 Dávkový postup (batch process) U dávkového postupu se vyhnívací nádrž naplní najednou, přičemž dávka vyhnívá až do konce doby kontaktu, aniž by se přidával nebo odjímal další substrát. Po naplnění produkce plynu pomalu roste, dosahuje svého maxima a následovně klesá. Po skončení doby kontaktu se vyhnívací nádrž vyprázdní, ale menší množství kalu se 18

v nádrži ponechá, aby se nová dávka naočkovala již zapracovanými bakteriemi. K dosažení naplnění a vyprázdnění dávkového fermentoru najednou je zapotřebí mít k dispozici přípravnou a skladovací nádrž, což tento postup prodražuje. Další negativum představuje nerovnoměrná výroba plynu, které lze předejít použitím dvou menších fermentorů, které se střídavě naplňují a vyprazdňují vždy po uplynutí poloviny doby kontaktu. Zařízení dvou menších fermentorů je ještě nákladnější než jednoho většího. (Schulz a Eder, 2004) 3.6.2 Metoda střídání nádrží Tato metoda je založena na dvou vyhnívacích nádržích. Z přípravné nádrže se pomalu rovnoměrně plní první prázdná vyhnívací nádrž, zatímco v druhé probíhá vyhnívací proces. Po naplnění první nádrže se obsah té druhé přesune do skladovací nádrže a tato vyprázdněná se pak začne naplňovat z přípravné nádrže. A takto se vyhnívací nádrže střídavě plní a vyprazdňují. Vyhnilý kal ze skladovací nádrže se poté vyváží na vhodné plochy. Tato technologie se vyznačuje rovnoměrnou výrobou plynu a dobrým hygienizačním účinkem. Nevýhodou jsou pak vysoké pořizovací náklady, zavzdušňování při vyprazdňování nádrže a vyšší tepelné ztráty v porovnání se systémem s jedním fermentorem. (Schulz a Eder, 2004) 3.6.3 Průtokový způsob Průtokový způsob spočívá ve stále naplněné vyhnívací nádrži, do které je 1x 2x denně dodáván čerstvý a zároveň odebírán vyhnilý substrát. Velké množství bioplynových stanic pracuje s průtokovým způsobem a to buď v kombinaci se zásobníkem nebo v čisté formě. Výhodou tohoto způsobu je rovnoměrná výroba plynu, cenově příznivá konstrukce, malé tepelné ztráty a dobré vytížení vyhnívacího prostoru. Nevýhodou může být smíchání čerstvého substrátu s vyhnilým a tím pádem znehodnocení hygienizačního efektu. (Schulz a Eder, 2004) 3.6.4 Metoda se zásobníkem Při této metodě je fermentor propojen se skladovací nádrží do jednoho. Při vyvážení vyhnilého substrátu se zásobník vyprázdní až na malé množství, které je potřebné k naočkování další náplně. Poté se kombinovaná vyhnívací a skladovací nádrž 19

pomalu plní. Výhodou tohoto zařízení jsou nízké náklady a jednoduchý provoz. (Schulz a Eder, 2004) 3.6.5 Kombinovaná průtoková metoda se zásobníkem Kombinovaná průtoková metoda se zásobníkem představuje v současnosti nejvyšší stupeň vývoje bioplynových technologií. K průtokovému fermentoru jsou připojeny skladovací nádrže na vyhnilý substrát, dodatečně opatřené pevným krytem nebo fóliovým poklopem, aby nedocházelo ke ztrátám na dusíku a získal se dodatečný plyn. (Schulz a Eder, 2004) 3.6.6 Jednostupňový nebo vícestupňový proces Proces výroby bioplynu můžeme provádět buď jednostupňově, nebo vícestupňově. Při jednostupňovém procesu probíhají všechny čtyři fáze vyhnívacího procesu v jedné vyhnívací nádrži. U vícestupňového procesu se jednotlivé fáze oddělují a to použitím více vyhnívacích nádrží, nebo oddělením ve vyhnívacím prostoru. (Schulz a Eder, 2004) 3.6.6.1 Dvoufázový systém Pro snadno organicky rozložitelné odpady je dvoufázový fermentační systém vhodnější. (Mata-Alvarezet al., 2000) V tomto systému je oddělena acidogeneze a metanogeneze, což zabezpečuje vhodnější podmínky pro acidogenní i metanogenní bakterie, tím pádem i zvýšení celkové aktivity ve fermentoru. Řada studií presentovala výhody rozkladu organických odpadů ve dvoufázovém systému. (Mata-Alvarez et al., 2000; Bouallagui et al, 2004; Dinsdale et al., 2000) Bouallagui et al. (2004) napsal, že dvoufázová digesce ovocných a zeleninových zbytků použitá ve dvou anaerobních sekvenčně plněných reaktorech vedla k vysoké stabilizaci procesu, významné produkci bioplynu a lepší kvalitě odtokové vody. 3.6.7 Rozdělení reaktorů podle obsahu sušiny Metanizační reaktory se dělí na: - reaktory pro zpracování rozpuštěného substrátu (odpadní vody), - reaktory pro zpracování substrátu v suspenzi (s obsahem sušiny do 10 12%, například kaly a kejdy), 20

- reaktory pro zpracování tuhých materiálů (obsah sušiny 10 50%, například slamnatý hnůj). (Brandejsová et al., 1991) 3.7 Konstrukční typy fermentorů 3.7.1 Horizontální konstrukční typ Vyhnívací nádrž horizontální je konstruována jako ležící. Má významnou přednost, že v ní lze instalovat výkonné, funkčně bezpečné a energeticky úsporné mechanické míchadlo. Tím se dosáhne kvalitního promíchání napříč směrem průtoku, aniž by docházelo k přílišnému promíchání v podélném směru. Délka u této nádrže je oproti výšce několikanásobná, proto tu automaticky vzniká pístové proudění. To znamená, že jedna dávka je posouvána rourou a nemůže přijít do kontaktu s již vyhnilým materiálem, což podporuje hygienizační efekt. Nevýhodou je například potřeba velkého prostoru na umístění nádrže. (Schulz a Eder, 2004) 3.7.2 Vertikální konstrukční typ Vertikální vyhnívací nádrž je stojící. Ze statických důvodů se vyrábí z betonu a má kruhový průřez. Oproti horizontální nádrži zde lze dosáhnout lepšího poměru mezi povrchem a objemem, čímž se sníží tepelné ztráty i materiálové náklady. Nedochází tu ovšem k pístovému proudění, jako u horizontální nádrže. (Schulz a Eder, 2004) 3.8 Vhodné substráty pro anaerobní zpracování 3.8.1 Rostlinná biomasa Vhodnost jednotlivých odpadů či biomasy pro anaerobní fermentaci spočívá ve skladbě jejich biologicky rozložitelných podílů. Skupina polysacharidů, proteinů a lipidů je hlavním zdrojem poskytujícím metan v procesu biometanizace. Ve většině případů jsou polysacharidy nejvýznamnějším zdrojem, pouze ojediněle zastávají hlavní úlohu v produkci metanu proteiny nebo lipidy. V buněčné struktuře rostlinné biomasy převládají tři základní složky: celulózy, hemicelulózy a lignin. V jejich vzájemně propletených strukturách tkví příčiny odlišných biologických rozložitelností biomas. Hemicelulózy podléhají nejsnáze rozkladu, jelikož celulózové struktury bývají obalené ligninem, což velmi zpomaluje 21

jejich rozklad. Lignin je velmi odolný vůči fermentaci, protože obsahuje fenolickou polymerní strukturu, která je biologicky velmi obtížně rozložitelná. Dalším významným faktorem, zda-li použít daný substrát pro bioplynové technologie je obsah sušiny. Optimálním obsah by se měl pohybovat mezi 5 a 15 %. Důležitý je též poměr uhlíku ku dusíku, který by měl dosahovat 20 : 1 až 40 : 1. (Straka et al.,2006) 3.8.2 Jednotlivé příklady substrátů Kejda (kapalný hnůj) Je to směs tuhých a kapalných exkrementů zvířat. Dobytek bývá ustájen bez podestýlky nebo pouze na nízké podestýlce na roštech, štěrbinových podlahách a v boxech. Kejda je vhodným a často používaným substrátem. (Schulz a Eder, 2004) Kejda a hnůj z volného ustájení Kal bez podestýlky z tuhých a kapalných zvířecích exkrementů a dešťové vody z krmišť a výběhů jsou substrátem pro bioplynové stanice velice vhodným. (Schulz a Eder, 2004) Pevný hnůj Pevný hnůj vzniká při klasickém způsobu chovu zvířat ve stáji s podestýlkou. Tento substrát s velkým podílem slámy je vhodný spíše pro kompostování než fermentaci, protože zde vyvstává problém s rozřezáním slámy na menší kousky a následovně s ředěním vodou, močůvkou nebo řídkou kejdou, jelikož tuhý hnůj by se nedal míchat ve fermentorech. (Schulz a Eder, 2004) Klestí ze stromů a keřů Klestí ze stromů a keřů není vhodným substrátem pro anaerobní digesci kvůli vysokému obsahu ligninu. Je naopak vhodným substrátem pro kompostování. (Schulz a Eder, 2004) Zemědělské plodiny V současné době patří například kukuřice mezi hlavní suroviny pro anaerobní digesci. (Hermann et al., 2008; Weiland, 2006; Karpenstein-Machan, 2005; Leonhartsberger et al., 2008) Provádí se však mnoho pokusů i s jinými plodinami, aby 22

se zjistilo, které a za jakých podmínek budou pro výrobu bioplynu do budoucna nejvýznamnější. Specifická produkce metanu a nutriční složení různých zemědělských biomas, zbytků a meziproduktů z lihovaru stejně jako jejich směsi byly studovány během experimentu v Německu. Kukuřice, ječmen, slunečnice, vojtěška a čirok patřily mezi energetické plodiny, které byly pěstovány a sklizeny v roce 2007 v okrese Korneuburg (Dolní Rakousy). (Bauer et al., 2009) Výsledky výnosu metanu jednotlivých plodin a jejich směsí jsou zaznamenány v tabulce č. 2 a 3. K porovnání výnosů těchto zemědělských plodin s výtěžky jiných substrátů, zejména zvířecích exkrementů, můžeme použít tabulku č. 4. 23

Tabulka č. 2: Zkoumané substráty a směsi (v %) výpalky kukuřice ječmen slunečnice vojtěška čirok neupravená sláma upravená sláma pšeničné výpalky 100 0 0 0 0 0 0 0 kukuřičná siláž 0 100 0 0 0 0 0 0 ječmenná siláž 0 0 100 0 0 0 0 0 slunečnicová siláž 0 0 0 100 0 0 0 0 vojtěšková siláž 0 0 0 0 100 0 0 0 čiroková siláž 0 0 0 0 0 100 0 0 pšeničná sláma 0 0 0 0 0 0 100 0 předupravená pšeničná sláma 0 0 0 0 0 0 0 100 směs 1 17,9 82,1 0 0 0 0 0 0 směs 2 15,2 21,2 21,2 21,2 0 21,2 0 0 směs 3 15,2 21,2 21,2 21,2 21,2 0 0 0 směs 4 14,2 0 28,6 0 28,6 28,6 0 0 směs 5 14,2 0 28,6 28,6 28,6 0 0 0 směs 6 15,2 21,2 0 21,2 21,2 21,2 0 0 směs 7 20 0 0 0 0 0 0 80 Zdroj: Bauer et al., 2009 24

Tabulka č. 3: Výnosy bioplynu a metanu podle VDI 4630 (VDI 2006) výnos bioplynu (m 3 CH 4 / kg VL) výnos metanu (m 3 CH 4 / kg VL) výnos energie (MJ kg -1 DM) teoretický výnos metanu (m 3 CH 4 / kg VL) pšeničné výpalky 0,766 0,419 15,8 0,510 kukuřičná siláž 0,673 0,345 13 0,442 ječmenná siláž 0,717 0,375 13,7 0,449 slunečnicová siláž 0,630 0,345 12,4 0,488 vojtěšková siláž 0,654 0,357 13,1 0,455 čiroková siláž 0,672 0,362 13,4 0,449 pšeničná sláma 0,484 0,276 10,2 0,436 předupravená pšeničná sláma 0,641 0,361 13,7 0,448 směs 1 0,654 0,353 13,3 0,454 směs 2 0,706 0,375 13,9 0,465 směs 3 0,681 0,387 14,3 0,466 směs 4 0,681 0,356 13,1 0,459 směs 5 0,695 0,385 14,1 0,471 směs 6 0,686 0,368 13,6 0,467 směs 7 0,692 0,371 14 0,496 Zdroj: Bauer et al., 2009 25

Tabulka č. 4: Výtěžky metanu z různých typů zemědělských odpadů a biomasy na 1 kg sušiny skot prasata odpady rostlinné odpady substráty výtěžek metanu (m 3 CH 4 /kg VL) hovězí hnůj 0,13 hovězí hnůj + sláma 0,09 hnůj skotu 0,10-0,29 prasečí kejda + kal ČOV 0,30-0,40 prasečí kejda 0,28-0,48 kal z ČOV 0,28 biodegradabilní frakce TKO 0,12 kukuřičná siláž 0,37 tráva čerstvě sečená 0,31 travní senáž 0,28 biomasa dřevní biomasa 0,18-0,28 3.8.2.1 Složení substrátu Zdroj: Straka et al., 2006 Složení kejdy nebo hnoje je u každého zvířete odlišné. Je závislé na typu krmení, na druhu ustájení, zda-li je ustájeno na podestýlce či ne atd. Například kejda dojnic bývá řidší než u jatečních býků nebo mladého skotu. Právě kejda mladého dobytka přináší menší výnosnost plynu ve srovnání s jatečními býky. Důležitým faktorem tu je intenzita krmení. U kejdy chovných prasnic dochází taktéž k menší produkci metanu než u jatečných prasat, jelikož lépe využívají potravu. Při nedostatečném promíchávání prasečí kejdy ve fermentorech může docházet k vytváření silné vrstvy usazenin. (Schulz a Eder, 2004) Obsah surového vlákna Surové vlákno se dobře rozkládá pouze při dlouhé době kontaktu. Mezi obsahy surových proteinů a NFE (bezdusíkaté extrakty = uhlovodíky) jsou jen malé rozdíly, obě tyto skupiny mikroorganismy dobře rozkládají. Ze surového proteinu vzniká sirovodík v bioplynu; vyšší obsahy surového proteinu jsou zapříčiněny vysokým obsahem bílkovin v krmné dávce. Nejvyšší hodnotu surového vlákna obsahuje hovězí kejda. (Schulz a Eder, 2004) 26

Surový tuk Tuk podléhá snadno rozkladu a je v něm soustředěno velké množství energie, tudíž přináší velké výnosy plynu. Prasečí kejda má obsah surového tuku jednoznačně nejvyšší, avšak vyšších výnosů než např. ze slepičího trusu nebo hovězí kejdy z ní dosáhnout nelze, jelikož má nízký obsah sušiny a vysoký obsah vody. (Schulz a Eder, 2004) 3.8.3 Kosubstráty Produkce bioplynu je závislá na typu suroviny použité pro anaerobní digesci. Výnos plynu z exkrementů od prasat a hovězího dobytka se pohybuje pouze mezi 25 a 36 m 3 /t z čerstvé hmoty, jelikož obsah organické sušiny je nízký (2 10 %) a většina energeticky bohatých látek je už rozložena samotnými zvířaty. Z tohoto důvodu je používání samotného hnoje neekonomické a přidání kosubstrátů je nezbytností. (Rieger et al., 2001) Při kofermentaci je produkce plynu stanovena řadou faktorů, ale složení přídavku či směšovací poměr jsou jedněmi z kritických. (Murto et al., 2004) Lehtomäki et al. (2007) ve své studii dokládají, že nejvyššího výnosu metanu bylo dosaženo smícháním 30 % biomasy a 70 % kravské kejdy. Avšak nesprávný směšovací poměrem surovin může zapříčinit malou produkci fermentoru. Například v Německu více než 90 % bioplynových stanic operuje s kosubstráty získaných zejména z potravinářského a zemědělského průmyslu, obchodů, jídelen a komunální sféry. S kofermentací energeticky výnosných plodin začali poprvé v roce 1999 a dodnes ji používá více než 50 % bioplynových stanic, které byly v roce 1999 zapojeny do experimentů s těmito plodinami. Pouze 7 % všech bioplynových stanic v Německu pracuje výhradně s hnojem jako jediným substrátem v procesu. (Rieger et al., 2001) Použití prasečího a kravského hnoje jako základního substrátu pro kofermentaci má své výhody: jeho složitá skladba vyvažuje jakýkoliv nedostatek stopových prvků nebo nutrientů a vysoká pufrační kapacita hnoje stabilizuje hodnotu ph. Odpady z potravinářského a zemědělského průmyslu jsou ideálními kosubstráty, protože neobsahují žádné kontaminanty, patogeny a těžké kovy. Zbytky obsahující velké množství tuku vykazují nejvyšší výtěžky metanu, ale díky výskytu různých nemocí u zvířat dnes mohou být použity pouze rostlinné tuky a oleje. Zbytky z restaurací, obchodů a komunální sféry potřebují předúpravu, aby se zredukovala velikost částic a separovaly se kontaminanty rušící proces digesce. Zařízení pro 27

předúpravu jsou velmi nákladné, tudíž se tyto odpady používají hlavně ve velkých centralizovaných stanicích. Energetické plodiny jsou tedy zajímavou alternativou, jelikož vhodné nevyužité zemědělské půdy pro jejich kultivaci jsou dostupné jak v Německu, tak i v dalších evropských zemích. Mnoho běžných zemědělských plodin je vhodných pro fermentaci, ale pokud jsou sklizeny před začátkem lignifikace. Vysokého výnosu metanu dosahují okopaniny, obiloviny a některé zelené pícniny. 3.9 Veličiny ovlivňující průběh procesu Abychom zajistili co možná nejvyšší výkon procesu v bioplynové stanici, sledujeme některé důležité parametry, které ho mohou ovlivnit. Mezi tyto parametry patří teplota, obsah organické sušiny, ph, nižší mastné kyseliny aj. 3.9.1 Sušina a organická sušina Obsah sušiny v exkrementech se liší podle druhu zvířat. Obecně má prasečí kejda nízký obsah sušiny, hovězí hnůj střední a slepičí trus vysoký. S přibývajícím obsahem sušiny vznikají velké obtíže při promíchávání fermentoru. Organická sušina v substrátu je prvořadá pro výnos bioplynu. Je-li obsah organické sušiny nízký, může to být způsobeno přítomností písku a hlíny v krmivu atd. (Schulz a Eder, 2004) Pro bioplynovou technologii se optimální obsah sušiny pohybuje mezi 5 a 15 %. Kdyby se obsah pohyboval pod 5 %, proces by mohl stále probíhat, ale zařízením by procházelo zbytečně velké množství vody, což by bylo neekonomické. (Schulz a Eder, 2004) 3.9.2 Hodnota ph Hodnota ph nepatří mezi citlivé indikátory stavu procesu. Důležitost monitorování ph je u reaktorů, které zpracovávají substráty nevykazující při rozkladu dostatečnou neutralizační kapacitu. Jak již bylo zmíněno výše, ideální hodnota ph se pohybuje v rozmezí ph 6,2-7,8; záleží ovšem na jednotlivých bakteriálních kulturách. (Straka et al., 2006) 28

3.9.3 Nižší mastné kyseliny Jedním z nejcitlivějších indikátorů stavu (stability) procesu jsou právě nižší mastné kyseliny. Mezi nejdůležitější z nich patří kyselina máselná, octová, propionová, valerová a kapronová, jejichž jednotlivé koncentrace je nutné sledovat. Díky těmto proměnným můžeme indikovat metabolickou aktivitu vodík produkujících acetogenů a acetotrofních metanogenů. Dojde-li k akumulaci nižších mastných kyselin, znamená to nerovnováhu mezi aktivitou mikroorganismů produkujících a rozkládajících mastné kyseliny a vede k nestabilitě procesu. Avšak maximální koncentrace nižších mastných kyselin, při kterých lze proces pokládat za ustálený, jsou závislé na mnoha dalších faktorech jako složení substrátu, zatížení fermentoru, doba zdržení aj. Při náhlých změnách technologických podmínek, například teploty a zatížení fermentoru, se zvyšuje koncentrace všech nižších mastných kyselin. Do jaké míry je toto zvýšení nebezpečné, závisí na velikosti a volné výkonnostní kapacitě systému. Bude-li systém na hranici možné výkonnosti, pak i po malém nárůstu mastných kyselin může dojít ke zhroucení systému. (Straka et al., 2006) 3.9.4 Amoniakální dusík NH 4 -N Amoniakální dusík patří mezi sledované parametry kvůli své toxicitě. Jeho disociační rovnováha se může přesunout z disociované formy (NH + 4 OH - ) na nedisociovanou (UAN = amoniak NH 3 ) v závislosti na teplotě a hodnotě ph. Tato forma ve zvýšených koncentracích působí toxicky na mikroorganismy. NH 4 -N 5g/l se udává jako inhibiční mez fermentačního procesu, ale v praxi vykazují fermentory i vyšší hodnoty. (Koutný, 2008) 3.9.5 BSK 5 Značka BSK 5 značí biologickou spotřebu kyslíku a udává nám, jaké množství kyslíku spotřebují mikroorganismy při rozkladu organických látek v substrátu za pět dní. 3.9.6 CHSK Cr Značka CHSK Cr značí chemickou spotřebu kyslíku, která se provádí pomocí dichromanu draselného. Zjistíme tím množství kyslíku, které se spotřebuje na oxidaci 29

organických látek ve zkoumaném vzorku. Jelikož tu dochází k oxidaci velmi odolných látek pomocí chemický činidel, bývá tato hodnota vyšší než u BSK 5. 3.9.7 Teplota Proces tvorby metanu může probíhat v širokém teplotním rozmezí, v podstatě od 0 C až nad 100 C. Tyto hodnoty (0 C a 100 C) jsou však extrémní a v praxi se s nimi nesetkáváme. Obecně platí, že čím vyšší teplota, tím vyšší výnos metanu. Bakterie, které však vyžadují vysoké teploty, jsou citlivější i na malé změny jiných parametrů, tudíž se v praxi nevyužívají. Nejvíce se pracuje s koloniemi žijícími v mesofilní a termofilní oblasti teplot. (Straka et al., 2006) 3.9.8 Složení bioplynu Bioplyn je složen téměř ze dvou třetin z metanu a téměř z jedné třetiny z oxidu uhličitého a dalších plynů jako je vodík, sulfan, dusík, kyslík aj. (Groda, 1995) Poměr jednotlivých plynů v bioplynu je závislý na technologii a zpracovávaném substrátu. Požadovaný je co nejvyšší obsah metanu. Tabulka č. 5: Důležité ukazatele pro hodnocení metageneze u bioplynových stanic Parametr Jednotka Optimální, kritické a toxické hodnoty pro bioplynový reaktor Zelená Žlutá Červená ph [-] 7,5 8,1 7,1 7,5 < 7,1; > 8,1 CHSK [g/kg] 40 90 < 40; 90 100 > 110 Sušina [%] 3 9 < 3 > 9 Org. sušina [%] 2,4 5,5 < 2.4; 5,5 6,5 > 6,5 TKN [g/kg] < 6 > 6 - NH 4 - N [g/kg] < 5 > 5 - UAN [mg/l] < 600 600 800 > 800 kys. octová [mg/l] 0 1 000 1 000 3 000 > 3 000 kys. propionová [mg/l] 0 250 250 1 000 > 1 000 kys. i-máselná [mg/l] 0 50 50 300 > 300 kys. máselná [mg/l] 0 50 50 100 > 100 kys. i-valerová [mg/l] 0 50 50 150 > 150 kys. valerová [mg/l] 0 20 20 100 > 100 VFA celkem [mg/l] 0 1 500 1 500 4 500 > 4 500 Zdroj: Laaber et al., 2006 30

4 ZKOUŠKY SUBSTRÁTU 4.1 Plynová chromatografie stanovení nižších mastných kyselin 4.1.1 Podstata zkoušky Plynová chromatografie je analytická metoda založená na dělení jednotlivých složek mezi mobilní plynnou fázi a stacionární kapalnou fázi. Rozpustnost složky ve stacionární fázi závisí na parciálním tlaku par čisté složky při teplotě systému a na mezimolekulárních silách v kapalné fázi. (www.lekopis.cz/kap_2_2_28.htm) 4.1.2 Přístroj Přístroj je složen z dávkovacího zařízení, z chromatografické kolony, která je umístěna v termostatu, detektoru a systému na zpracování dat. Nosný plyn protéká kolonou kontrolovanou rychlostí či tlakem do detektoru. (www.lekopis.cz/kap_2_2_28.htm). 4.1.3 Postup zkoušky Kolona, dávkovací zařízení a detektor se stabilizují při předepsaných teplotách a průtocích plynů, pokud není dosaženo stabilní nulové linie. Připraví se roztoky zkoušených látek a porovnávací roztoky. Musí však být prosty pevných částic. (www.lekopis.cz/kap_2_2_28.htm) 4.1.4 Stanovení NMK 4.1.4.1 Úprava vzorků Aby nedocházelo k zanášení mikrostříkačky a chromatografické kolony, je třeba předem ze vzorku odstranit suspendované částice. Toho lze dosáhnout odstředěním vzorků při 15 000 ot.min -1 po dobu, která by neměla překročit 10 minut, aby nedošlo ke ztrátě kyselin. Dále je nutné do vzorku přidat inaktivační kyselinu fosforečnou, zabráňující sorpci kyselin na stacionární fázi a asociaci kyselin v parách, důsledkem čehož je chvostování píků a vznik stínového efektu. Protože NMK jsou látky těkavé, je nutno vzorky analyzovat co nejdříve od doby odběru nebo je uchovávat ve zmrazeném stavu, aby nedocházelo ke změnám v koncentraci jednotlivých kyselin. (Pokorná, 2010) 31

4.1.4.2 Vhodné chromatografické kolony Pro stanovení nižších mastných kyselin můžeme použít klasické skleněné či nerez ocelové kolony o délce zhruba 1,5m. Existuje větší množství chromatografických náplní schopných dělit NMK, ne všechny však odolávají působení vody ve stanovovaných vzorcích a zároveň vysoké teplotě potřebné pro odpaření NMK. Pro analýzu NMK můžeme s výhodou využít kapilární chromatografické kolony. Délka klasických náplňových kolon je limitována problémy s ustáleným tokem nosného plynu a vznikem zkratových proudů na asi 6 m. Délka kapilárních kolon může vzhledem k jejich permeabilitě dosahovat až 100 m, s počtem teoretických pater až 4.10 5. Analýza NMK se provádí na kolonách o délce zhruba 30 m. Charakteristickým parametrem těchto kolon je jejich průměr, který má vliv na účinnost kolony, retenční časy a kapacitu, a síla filmu stacionární fáze. Její hodnota je u běžných kolon 0,25-0,32 µm. Pro analýzu NMK používáme kolony s polární stacionární fází např. FFAP. Použití kapilárních chromatografických kolon poskytuje lepší účinnost dělení, poskytuje užší a symetričtější píky a má kratší dobu analýzy než plynová chromatografie na náplňových kolonách.(pokorná, 2010) 4.1.4.3 Stanovení Nižší mastné kyseliny ( kyselina octová až kapronová) jsou látky rozpustné ve vodě, takže pro jejich analýzu ze vzorků není nutná žádná zvláštní předúprava. Nastřikuje se přímo 1 µl vodného vzorku, který byl po odstranění suspendovaných látek upraven pouze přidáním inaktivační kyseliny. Podmínky analýzy: - teplota termostatu : programovaná 90 C 10 C/min 140 C, - teplota nástřiku 270 C, - teplota detektoru 300 C, - nástřik 1 µl, - tlak nosného plynu dusíku 400 kpa, - průtok nosného plynu 50,2 ml/min, - lineární rychlost 128,4 cm/s, - splitovací poměr 1 : 3,6 - průtok vzduchu pro FID 600 ml/min, - průtok vodíku pro FID 60 ml/min. (Pokorná, 2010) 32

4.1.4.4 Vyhodnocení K vyhodnocení se používá počítač vybavený potřebným softwarem k sestrojení a vyhodnocení kalibračních křivek. Tyto křivky mají přímkový charakter, který je ověřen až do koncentrace 1000 mg l -1. Na obrázku č. 1 můžeme vidět chromatogram standardní směsi nižších mastných kyselin. (Pokorná, 2010) Zdroj:Pokorná, 2010 Obr.1 Chromatogram standardní směsi nižších mastných kyselin o koncentraci 1000 mg l -1 4.2 Stanovení veškerých látek a obsahu vody dle normy ČSN EN 12880, 2001 4.2.1 Podstata zkoušky Vzorky se vysuší do konstantní hmotnosti v sušárně při teplotě 105 C ± 5 C. Z rozdílu hmotnosti před sušením a po sušení se vypočte koncentrace veškerých látek a obsah vody. 33

4.2.2 Přístroje a pomůcky a) Sušárna řízená termostatem, s nucenou cirkulací vzduchu, udržující teplotu 105 C ± 5 C b) Exsikátor obsahující vysoušedlo, např. silikagel nebo oxid fosforečný c) Analytické váhy vážící s přesností na 1 mg nebo lépe d) Odpařovací miska nebo kelímek 4.2.3 Postup zkoušky Prázdná odpařovací miska nebo kelímek se nejméně 30 min vysušuje v sušárně při teplotě 105 C. Po ochlazení v exsikátoru na laboratorní teplotu se zváží s přesností na 1 mg. Podle očekávaného obsahu vody se do odpařovací misky nebo kelímku odváží přiměřené množství vzorku, aby získaná sušina měla hmotnost nejméně 0,5 g. Odpařovací miska nebo kelímek se vzorkem se suší v sušárně při teplotě 105 C, dokud se zbytek nezdá být suchý. Po ochlazení v exsikátoru se odpařovací miska nebo kelímek s obsahem poprvé zváží. Koncentrace veškerých látek se považuje za konstantní, pokud se hmotnost zjištěná po další hodině sušení neliší buď o více než 0,5 %, nebo o 2 mg od předchozí hodnoty (platí větší hodnota). Není-li tomu tak, opakuje se sušení až do dosažení konstantní hmotnosti. 4.2.4 Výpočet výsledků Koncentrace veškerých látek (w dr ) a obsah vody (w w ) vyjádřené v hmotnostních procentech nebo v g/kg se vypočítá podle vzorců: w dr w w m a m b m c w w ( mc ) ( mb ma) ( mb mc ) ( m ma) dr = w = b koncentrace veškerých látek ve vzorku kalu, v procentech nebo v g/kg obsah vody ve vzorku kalu, v procentech nebo v g/kg hmotnost prázdné misky nebo kelímku v g hmotnost misky nebo kelímku s navážkou vzorku v g hmotnost misky nebo kelímku se sušinou vzorku v g f f 34

f přepočtový koeficient; má hodnotu 100 při vyjadřování výsledků v % a hodnotu 1 000 při vyjadřování výsledků v g/kg 4.3 Stanovení ztráty žíháním dle normy ČSN EN 15169, 2007 4.3.1 Podstata zkoušky Ztráta žíháním je často používána k odhadu obsahu netěkavých organických látek v odpadech, kalech nebo sedimentech. Zkušební podíl je žíhán v peci při teplotě (550 ± 25) C. Z rozdílu hmotnosti před a po žíhání se vypočítá ztráta žíháním. 4.3.2 Přístroje a) Otevřený plochý tavný kelímek, průměru 50 mm až 70 mm, vhodný pro žíhání při teplotě 550 C, zhotovený např. z křemenného skla, porcelánu, niklu nebo platiny. b) Muflová pec nebo podobné zařízení, schopné udržet teplotu (550 ± 25) C. c) Exsikátor, obsahující vysoušedlo. d) Analytické váhy s přesností vážení na 1 mg nebo vyšší. e) Kovová deska. 4.3.3 Postup Stanovení ztráty žíháním a stanovení sušiny se provádějí zvlášť na různých zkušebních podílech stejného vzorku. Pro některé vzorky je však pohodlné provést stanovení podílu sušiny a ztráty žíháním ve dvou po sobě jdoucích krocích ve stejném kelímku. Ve všech případech by se mělo zabránit absorpci atmosférické vlhkosti vzorkem, dokud není zvážen. Kelímek se vloží do pece a zahřívá se nejméně 20 min při teplotě (550 ± 25) C. Kelímek se vyndá z pece, ochladí na kovové desce, vloží do exsikátoru a nechá se vychladnout na teplotu okolí. Prázdný kelímek se zváží na analytických vahách do konstantní hmotnosti na nejbližší 1 mg. Do kelímku se naváží 0,5 g až 5 g vzorku na nejbližší 1 mg. Pokud je to vhodné, mohou být použity i vyšší navážky. 35

Jestliže se provádí stanovení ztráty žíháním a stanovení sušiny v po sobě jdoucích krocích, zváží se kelímek s vysušeným vzorkem na nejbližší 1 mg. Kelímek se vloží do pece a zahřívá se nejméně 1 h při teplotě (550 ± 25) C. Horký kelímek se vyjme z pece a ochladí se na čisté kovové desce po dobu několika minut. Stále teplý kelímek se přesune do exsikátoru a dokončí se ochlazení na teplotu okolí. Kelímek, který obsahuje zbytek po žíhání, se zváží na nejbližší 1 mg, jakmile se dosáhne okolní teploty. Žíhání může být považováno za úplné, když se dosáhne konstantní hmotnosti. Jestliže se nedosáhne konstantní teploty ani po třetím žíhání při teplotě (550 ± 25) C, zaznamená se stanovená hodnota jako poslední měření. Tato skutečnost se musí zaznamenat spolu s výsledkem. 4.3.4 Výpočet W LOI m( b) m( c) = 100 (100 w m( b) m( a) W LOI dm m( d) m( c) = 100 m( d ) m( a) 100 ) wdm W LOI ztráta žíháním vzorku v % podílu sušiny nebo bezvodého vzorku w dm obsah sušiny ve vzorku v % m (a) hmotnost prázdného kelímku v g m (b) hmotnost kelímku, obsahujícího nevysušený vzorek, v g m (c) hmotnost kelímku, obsahujícího zbytek po žíhání, v g m (d) hmotnost kelímku, obsahujícího vysušený vzorek, v g 4.3.5 Zbytek po žíhání Zbytek po žíhání vzorku W ROI je vyjádřen v hmotnostních procentech sušiny a musí se vypočítat podle rovnice: W LOI W ROI W = 100 ROI W LOI ztráta žíháním vzorku v % podílu sušiny nebo bezvodého vzorku zbytek po žíhání vzorku v procentech podílu sušiny nebo bezvodého roztoku 36