Zvyšování výtěžnosti bioplynu

Anaerobní rozklad organických látek a bioodpadů dlouhou dobu probíhal bez přílišného důrazu na účinnost a další parametry procesu, zejména při zpracování nejrůznějších druhů bioodpadů. V posledních letech se však výroba bioplynu uskutečňuje i z cíleně pěstovaných surovin a vzhledem k podstatnému zvýšení cen vstupů vzniká otázka efektivního využití surovin, protože výtěžnost bioplynu a jeho lepší kvalita se stávají klíčovou otázkou pro udržitelnou ekonomiku procesu.

Snaha o zvýšení výtěžnosti bioplynu (eventuálně o zlepšení jeho složení) je patrná již několik let. Pro zlepšení výtěžnosti bioplynu z různých surovin (především pak z lignocelulosových odpadů) se uvažuje s jejich úpravou jak mechanickými a chemickými způsoby, tak fyzikálně-chemickými postupy, které zahrnují nejen termickou úpravu, ale dále i úpravu vsádky, např. působením ultrazvuku, elektrických pulzů apod.
Omezením pro využití mechanických a fyzikálních metod úpravy je v některých případech vysoká energetická náročnost. Dále jsou popsány dva slibné postupy úpravy, jejichž aplikace není omezena vysokou energetickou náročností.

Biokatalyzátor
Jeden ze způsobů podpory účinnosti výroby bioplynu a zlepšení jeho složení uvedla na trh rakouská společnost. Modifikací přírodních nanoporézních minerálů vyvinula biokatalyzátor, který je přidáván do vsádky anaerobního bioreaktoru. Biokatalyzátor zvyšuje produkci bioplynu až o 30 % a podle původců snižuje i tvorbu sirovodíku.
Biokatalyzátor se vyrábí z přírodních minerálů fyzikální a chemickou aktivací povrchu. Spotřeba biokatalyzátoru je pro bioplynovou stanici s výkonem 500 kW přibližně 30 tun za rok. Biokatalyzátor se přidává do vsádky buď ve formě suspenze, nebo i jako prášek.
Biokatalyzátor účinkuje několika způsoby:
- zvyšuje tvorbu bioplynu (a využitelnost vsádky) až o 30 %,
- stimuluje tvorbu granulí v kalu,
- reguluje aktuální koncentraci amoniaku v prostředí,
- zajišťuje dodávku mikrobiotických prvků aktivní biomase.
Hlavním výsledkem působení biokatalyzátoru je ochrana methanogenních bakterií před nepříznivými účinky prostředí a optimalizace podmínek pro jejich růst a metabolické aktivity. Další vlivy působení biokatalyzátoru se projevují snížením tvorby pěny a plovoucích vrstev materiálu a zvyšuje se kvalita vytvářeného bioplynu. Dochází ke zvýšení obsahu methanu až o 4 % a snížení obsahu sirovodíku až o 90 %. Zvyšuje se i kvalita zbytku po fermentaci pro využití jako hnojivo.
Biokatalyzátor je v současné době přihlášen k patentování a Rakouské inovační centrum ho nabízí na svých webových stránkách (https://www.bit.or.at/irca/bbsshow8.php?ref1=06%20AT%20 ATBI%200E1S&vQuelle=ECO&cc=). Některé bioplynové stanice ho podle informací na stránkách Rakouského inovačního centra využívají prakticky již druhý rok.
Využití biokatalyzátoru tedy zlepšuje celkovou ekonomiku provozu bioplynové stanice a zvyšuje specifickou výtěžnost bioplynu a energie z vnesených materiálů.

Úprava vstupního materiálu elektroporací
Ve Švédsku, které má rozvinutý systém využití bioplynu jako paliva pro dopravní prostředky (109 čerpacích stanic v roce 2007 s kapalným bioplynem a v provozu kolem 14 000 automobilů s pohonem na toto palivo – https://www.iea-biogas.net/Dokumente/countryreports /07/lille/sweden _reports11_07.pdf), byla intenzivně testována úprava potravinových odpadů elektroporací (Carlsson, M., Lagerkvist, A.R.: Electroporation for enhanced methane yield from municipal solid waste, in. Proceedings of the 6th International Conference ORBIT 2008, 12th to 15th October 2008, Wageningen, The Netherlands, paper No. 288).
Elektroporace je slibnou technologií úpravy pro některé druhy organických odpadů. Je to jednotková operace, při které ošetřovaný materiál je podroben krátkým a intenzivním elektrickým pulzům při vysokém napětí. Tyto pulzy způsobí porušení buněčných stěn organického materiálu.
Upravený vytříděný biologicky rozložitelný komunální odpad po úpravě elektroporací umožnil získat o 20 až 40 % více bioplynu z jednotkového množství ve srovnání s neupraveným odpadem. Zvýšení produkce bioplynu bylo prokázáno jak ve vsádkovém způsobu provozu, tak při kontinuálním.
Pro dosažení uvedeného zvýšení produkce bioplynu bylo třeba aplikovat elektrické pole 24 kV*cm-1 při 12,5 Hz. Spotřeba energie v tomto případě byla 250 kJ na 1 kg sušiny. To představuje energii menší než 7 litrů CH4 na 1 kg sušiny. Porovná-li se zvýšení produkce methanu (z 222 na 338 litrů na 1 kg sušiny během provozu 14 týdnů) se spotřebou energie na elektroporaci, spotřebovává tato méně než 6 % energie získané zvýšenou výtěžností tvorby methanu.
Z uvedených výsledků je zřejmé, že úprava biologicky rozložitelných odpadů vytříděných z komunálního odpadu elektroporací je energeticky schůdná a umožňuje výrazně zvýšit výtěžnost tvorby bioplynu.

Z uvedených příkladů je zřejmé, že existují způsoby úpravy vsádky do anaerobního reaktoru pro výrobu bioplynu, které jsou schopné významným způsobem zvýšit výtěžnost bioplynu při velmi nízké spotřebě energie a zlepšit tak ekonomiku celého procesu.
Pro zlepšení parametrů výroby bioplynu a jeho využití existují další rezervy, zejména v oblasti využití odpadního tepla ze spalování bioplynu v kogenerační jednotce a konstrukci bioreaktoru. Proto je nezbytné i nadále pokračovat ve výzkumu procesu, získávat dosud neznámé informace a zvyšovat celkovou účinnost celého procesu.

Ing. Vít Matějů
ENVISAN-GEM, a. s.,
Biotechnologická divize
E-mail: envisan@mbox.vol.cz

Zdroj: OF 12/2008