Proces fermentacji

Proces fermentacji odchodów zwierzęcych w mikrobiogazowniach przebiega, z pewnymi wyjątkami, w sposób ciągły. Bakterie obecne w odchodach rozkładają materiał organiczny produkując biogaz. Podstawą instalacji jest fermentator, który składa się z jednej lub więcej komór. Poniżej znajduje się więcej informacji na temat technologii fermentacji, komponentach instalacji biogazowej i biologii oraz parametrach procesu fermentacji.

Technologie

Większość instalacji biogazowych działa bez przerwy. Podstawą instalacji jest fermentator, który składa się z jednej lub więcej komór. Odchody znajdujące sie w fermentatorze są mieszane i utrzymywane w stałej, ciepłej temperaturze. Substrat jest dostarczany do komory fermentacyjnej kilka razy dziennie. Jednocześnie usuwa się masę pofermentacyjną. Zawartość fermentatora jest stała, dzięki czemu produkcja biogazu przebiega w sposób ciągły. Zawartość suchej masy organicznej łatwo jest regulować a napełnianie można zautomatyzować. Można wybrać pionowy lub poziomy fermentator, jedno lub wieloetapowy, proces mezofilny lub termofilny itd. To, jaka instalacja sprawdzi sięnajlepiej zależy w dużej mierze od substratów, które będą w niej stosowane.

Dla odchodów stałych istnieje kilka opcji: po zmieszaniu z płynnymi odchodami lub wodą mogą być stosowane tak jak odchody płynne w fermentatorach opisanych powyżej.
Druga opcja to proces okresowy, który może być stosowany gdy substraty są bardzo suche lub gęste. Przykładem zastosowania takiego procesu jest komora fermentacyjna, którą ładuje się do pełna i hermetycznie zamyka. Po upłynięciu czasu retencji komora jest opróżniana i wypełniana świeżym substratem. Podczas opróżniania komory zbiera się płyn (perkolat), który po podgrzaniu rozpylany jest nad świeżym substratem.

Bardziej popularnym typem fermentatora jest fermentator z przepływem tłokowym. Jest to poziomy cylinder, w którym substrat przepływa wypierany przez doprowadzany z jednej strony świeży substrat. Mechanizm mieszający pracuje prostopadle do kierunku strumienia. Przerób suchej masy organicznej w fermentatorze z przepływem tlokowym może być większa niż w fermentatorze stojącym z mieszadłem. Typowe wartości to 5 do 10 kg ODM/m3/dzień. W praktyce tego typu fermentatory są często połączone z fermentatorem stojącym, pozwalającym wydłużyć czas retencji.

Komponenty instalacji biogazowej

Instalacja do produkcji biogazu składa się nie tylko z fermentatorów. Jej komponentami mogą być również:

  1. Zbiornik na gnojowicę
  2. Zbiorniki na kosubstraty
  3. Instalacja do załadunku
  4. Komory fermentacyjne z mieszadłami
  5. Palnik
  6. Zbiornik na biogaz
  7. Zbiornik na masę pofermentacyjną
  8. Grzejnik
  9. Instalacja kogeneracyjna (CHP)
  10. Instalacja do wzbogacania biogazu
  11. Rury i pompy
  12. Instalacja(e) do oczyszczania masy pofermentacyjnej

To, które komponenty będą potrzebne w danym przypadku i jakie powinny mieć wymiary, zależy od tego, co ma być produkowane (energia czy gaz), jakie są możliwości zakupu kosubstratów, oczyszczania masy pofermentacyjnej, et cetera.

 

Podstawy fermentacji

Biogaz produkowany jest z biomasy w procesie fermentacji anaerobowej (beztlenowej). Jak sama nazwa wskazuje, proces ten zachodzi w środowisku pozbawionym tlenu. Substancje organiczne zawarte w substratach są przetwarzane przez bakterie beztlenowe na biogaz.

 

Cztery fazy fermentacji

W każdym z czterech poniższych etapów biorą udział inne grupy bakterii:

Source: http://www.streambioenergy.ie/content/user/images/mapb.gif

  1. Hydroliza
  2. Acydogeneza
  3. Acetogeneza
  4. Metanogeneza

 

 

W fazie hydrolizy duże polimery organiczne takie jak węglowodany, tłuszcze i białka są rozbijane na mniejsze cząstki: cukry proste, aminokwasy, kwasy tłuszczowe i woda.

 

Potem rozpoczyna się druga faza, acydogeneza, czyli dalszy rozpad substratów. W tym procesie biorą udział bakterie kwasotwórcze, które przetwarzają materiał na krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, alkohole, CO2, wodór i amoniak.

 

W trzeciej fazie, acetogenezie, tworzą się kwasy organiczne, które następnie biorą udział w metanogenezie. Bakterie acetogenne odpowiedzialne za trzecią fazę są bardzo wrażliwe na zmiany temperatury. Sama metanogeneza również zaczyna powoli zachodzić już w trzeciej fazie.

 

Czwarty i ostatni etap fermentacji prowadzi do powstania metanu. Na tym etapie powstaje 90% całkowitej ilości wyprodukowanego metanu. Uwalniane jest również CO2 i w niewielkich proporcjach woda, H2S i N2. zawartość metanu w biogazie waha się pomiędzy 50% a 60%. W mikrobiogazowniach rolniczych wszystkie cztery etapy fermentacji odbywają się na ogół w tej samej komorze fermentacyjnej, której zawartość jest ciągle mieszana.

 

Warunki środowiskowe dla bakterii

Bakterie są wrażliwe na zmiany temperatury i żeby nie zginęły, w komorze fermentacyjnej musi ona być utrzymywana na pewnym poziomie. W praktyce rozróżniamy bakterie mezofilne i termofilne. Mezofilne wymagają temperatury pomiędzy 25°C a 45°C, na ogół około 38°C. Bakterie termofilne potrzebują temperatury 45°C lub wyższej i są bardziej wrażliwe na jej zmiany. Dlatego fermentację termofilną trudniej jest kontrolować.

 

Oprócz stałej temperatury na odpowiednim poziomie, istnieje więcej czynników, które mają pozytywny wpływ na rozwój bakterii:

Wilgotne środowisko. Zawartość wody w substracie powinna wynosić co najmniej 50% aby bakterie metanogenne mogły pracować i się rozmnażać.

Ciemność. Choć światło nie zabija bakterii to spowalnia proces fermentacji, więc dobrze im stworzyć warunki w ciemności.

Wartość pH w komorze fermentacyjnej. Każdy szczep bakterii posiada optymalny dla swego rozwoju poziom pH. Dla bakterii metanogennych jest to 7. W przypadku fermentacji jednoetapowej, gdy używa się tylko jednego zbiornika, zaleca się utrzymanie tego poziomu.

Składniki odżywcze. Do budowy komórek bakterie potrzebują składników odżywczych, witamin i minerałów. W odchodach zwierzęcych z reguły znajduje się wystarczająca ilość tych składników.

Duża powierzchnia substratów. Im bardziej rozdrobnione są substraty dostarczane do komory fermentacyjnej, tym większą mają powierzchnię i tym lepiej będzie przebiegał proces fermentacji. Zwłaszcza gdy czas retencji jest krótki, ważne by używać bardzo rozdrobnionych substratów.

Ciągłe dostarczanie substratów. Aby zapobiegać przekarmieniu bakterii, ważne jest stworzenie jak najbardziej ciągłego przepływu substratów. Im łatwiej degradowalne są substraty tym częściej należy ich dostarczać do komory fermentacyjnej.

Ujście gazu. Im łatwiej biogaz może się wydostać z substratu, tym wyższa będzie produkcja. Aby tak się stało ciśnienie gazu nad substratami nie powinno być za wysokie. Potrzebne jest więc dobre ujście gazu.

Unikanie substancji hamujących proces. Niektóre substancje mają zły wpływ na produkcję biogazu. Dobrym przykładem jest tlen, ale proces fermentacji mogą zakłócić również antybiotyki i pleśnie.

Parametry procesu

Proces fermentacji opisują trzy główne parametry:

 

Ilość suchej masy (ODM). Ile kilogramów suchej masy na m3 substratu jest dziennie dostarczanych do komory fermentacyjnej. Na ogół jest to pomiędzy 2 a 3 kg ODM/m3/dzień. W praktyce maksymalną wartością jest 4 kg/m3/dzień. Przy większych wartościach aktywność bakterii spada.  

Czas retencji hydraulicznej. Jest to teoretyczny czas przebywania substratu w komorze fermentacyjnej. Dla stojącego (pionowego) fermentatora z mieszadłem jest to wartość obliczeniowa. Dla fermentatora z przepływem tłokowym czas retencji hydraulicznej dość dokładnie określa rzeczywisty czas retencji. Generalnie im łatwiej degradowalny jest substrat, tym krótszy może być czas retencji.

Stopień rozkładu. Jest to procent całkowitej ilości suchej masy organicznej, która ulega degradacji w czasie retencji. Na ogół jest to około 60%. Mogło by być więcej ale wtedy czas retencji musiałby być znacznie dłuższy. W praktyce nie cała sucha masa ulega przetworzeniu.

 

Share This