ENERGETYKA, RYNEK ENERGII - CIRE.pl - energetyka zaczyna dzień od CIREZielona energia
Właścicielem portalu jest ARE S.A.
ARE S.A.

SZUKAJ:



PANEL LOGOWANIA

X
Portal CIRE.PL wykorzystuje mechanizm plików cookies. Jeśli nie chcesz, aby nasz serwer zapisywał na Twoim urządzeniu pliki cookies, zablokuj ich stosowanie w swojej przeglądarce. Szczegóły.


MATERIAŁY PROBLEMOWE

Jak efektywnie fermentować?
17.06.2019r. 05:15

Anna Smurzyńska ("Energia & Recykling" - czerwiec 2019)
Rozwój rynku biogazowego w Polsce sprawia, że nie tylko poszukuje się wydajnych substratów do produkcji biogazu, ale też istnieje konieczność wdrożenia odpowiednich technologii przetwarzania.
Proponowane rozwiązania powinny więc być dostosowane nie tylko do wybranych substratów, ale też do warunków lokalnych oraz możliwości inwestycyjnych. Należy podkreślić, że każdy substrat wykazuje inną dynamikę i kinetykę rozkładu substancji organicznej, dlatego w celu uzyskania najwyższej wydajności biogazowej i najwyższej produkcji metanu z danej mieszanki fermentacyjnej wymaga się zapewnienia zarówno odpowiednich warunków chemicznych, jak i warunków fizycznych w instalacjach.

W praktyce okazuje się również, jak ogromny wpływ na ilość wyprodukowanej bioenergii ma logistyka dostaw oraz magazynowanie substratów (czas i sposób). Ponadto na świecie dostępnych jest wiele możliwości zwiększających ilość produkowanego metanu w komorach fermentacyjnych, jednak rzeczywistość pokazuje, iż często technologie te łączą się z wysokimi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi, co sprawia, że ich wdrożenie nie ma najmniejszego uzasadnienia. Istnieje więc konieczność dokonania odpowiedniej analizy budowy instalacji biogazowej uwzględniającej nie tylko właściwości dostępnych substratów, ale też warunki lokalne i oszacowanie kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych.

Sposób załadowania substratów do komory fermentacyjnej

Instalacje biogazowe mogą być zróżnicowane ze względu na rodzaj zadawanych substratów. Biomasa do komór fermentacyjnych podawana jest w sposób ciągły lub okresowy, dlatego też należy zadbać o właściwą logistykę dostaw i sposób jej przechowywania. Należy pamiętać o tym, że substraty powinny być jak najświeższe, aby uzyskać zadowalającą ilość wyprodukowanej bioenergii. Fermentacja ciągła wymaga regularnego dawkowania wsadu do komór fermentacyjnych przez cały czas pracowania instalacji.

Ponadto prowadzenie fermentacji ciągłej wiąże się jednoznacznie z tym, że biogazownia ta wymaga również stałego odbioru pofermentu. Podczas tej fermentacji obserwuje się stałą i stabilną produkcję biogazu, z kolei w przypadku fermentacji okresowej w pierwszych dniach produkcja biogazu jest niewielka, następnie stopniowo wzrasta. Po osiągnięciu maksymalnej wydajności biogazowej z wykorzystanych substratów dochodzi do stopniowego obniżenia produkcji bioenergii. Wynika to z cyklicznego zadawania substratów do komory podczas fermentacji okresowej. Odbiór pulpy pofermentacyjnej również odbywa się po zakończeniu rozkładu substancji organicznej.

Wybór prowadzenia fermentacji w sposób ciągły lub okresowy zależy przede wszystkim od charakterystyki rozkładu wykorzystywanych substratów oraz lokalnych możliwości zapewnienia surowców do produkcji biogazu.

Fermentacja mezofilowa czy termofilowa?

Wydajność procesu fermentacji metanowej zależy od szeregu czynników, wśród których należy wymienić m.in. zachowanie odpowiedniego pH mieszanki fermentacyjnej, warunki beztlenowe, obecność właściwej mikroflory bakteryjnej oraz temperaturę w komorze fermentacyjnej. Zapewnienie właściwej temperatury w zbiornikach fermentujących jest istotne przede wszystkim ze względu na funkcjonujące mikroorganizmy, które preferują ściśle określone warunki.

Proces rozkładu podczas fermentacji metanowej może odbywać się w odpowiednich przedziałach temperaturowych, a mianowicie w warunkach psychofilowych, mezofilowych oraz termofilowych. Niewiele jednak instalacji pracuje w temperaturze 10-25ºC ze względu na niską wydajność procesu. Biogazownie pracujące w temperaturze psychofilowej można znaleźć w krajach śródziemnomorskich, gdzie średnia temperatura powietrza jest znacznie wyższa niż w polskich warunkach. Warto podkreślić, że pod względem produkcji biogazu najwydajniej proces fermentacji zachodzi w warunkach termofilowych. Wysoka temperatura przyspiesza proces rozkładu substancji organicznej, ale też niesie za sobą inne korzyści, m.in. skuteczne zwalczanie mikroorganizmów chorobotwórczych i patogenów. Jednakże zapewnienie temperatury w przedziale 50-57ºC w komorach fermentacyjnych wiąże się, niestety, z wyższymi kosztami eksploatacyjnymi instalacji.

Najefektywniejszym rozwiązaniem jest więc prowadzenie fermentacji w warunkach mezofilowych, w temperaturze w zakresie od 32ºC do 42ºC. W warunkach mezofilowych rozkład substancji organicznej jest stopniowy, a produkcja stopniowo wzrasta i jest zdecydowanie stabilniejszym procesem produkcji bioenergii niż w warunkach termofilowych. Dlatego biogazownie mezofilowe stanowią większość instalacji na świecie.

Co z zawartością suchej masy w komorze fermentacyjnej?

W biogazowniach wykorzystywana jest bardzo zróżnicowana biomasa - mowa tu o odchodach zwierzęcych, odpadach rolnospożywczych i innych bioodpadach powstających w produkcji przemysłowej. Substraty te wykazują szereg właściwości - począwszy od zróżnicowanego składu substancji organicznej po zróżnicowane właściwości fizyczne. W procesie fermentacji istotnym parametrem substratów jest zawartość suchej masy, dlatego wyróżniamy prowadzenie rozkładu substancji organicznej jako fermentację suchą lub mokrą.

Proces beztlenowego rozkładu mieszanki fermentacyjnej o suchej masie na poziomie 12-15% zwany jest fermentacją mokrą. Substraty doprowadzone do komory fermentacyjnej są pompowalne, dzięki czemu łatwo podlegają homogenizacji, która jest istotna w celu uzyskania stabilnego procesu produkcji biogazu. Niestety, niska zawartość suchej masy w komorze fermentacyjnej sprawia, że zbiorniki te muszą mieć stosunkowo wielką objętość, aby uzyskać oczekiwaną produkcję bioenergii. Dodatkowo należy podkreślić, że niska zawartość suchej masy jest równoznaczna z zapotrzebowaniem na większą ilość energii procesowej wykorzystywanej do ogrzania substratów w komorach fermentacyjnych, aby zapewnić wymaganą temperaturę procesu, o czym wspomniano wcześniej.

Fermentacja mokra pozwala na utylizację wysoko uwodnionych substratów, które wykazują w monofermentacji niski uzysk biometanu. Jednakże bardzo często ich zastosowanie jako kosubstratów jest konieczne ze względu na rozcieńczenie mieszanki fermentacyjnej składającej się np. z kiszonki kukurydzianej czy wytłoków owocowych, czyli substratów o wysokiej zawartości suchej masy. Fermentacja sucha zachodzi w przypadku utylizacji mieszanki substratów o zawartości suchej masy powyżej 15%. Fermentacja ta odbywa się w poziomych komorach fermentacyjnych. W zbiornikach tych mieszadła odpowiadają również za przesuwanie fermentowanego wsadu. Warto podkreślić, że wybór tej technologii wiąże się również z wysokimi nakładami pracy, związanej z załadowaniem i opróżnianiem komór fermentacyjnych. Jak się zauważa, podczas fermentacji metanowej konieczne jest zapewnienie odpowiedniego kształtu, mocy i wielkości mieszadła do właściwości, jakie wykazuje mieszanka fermentacyjna.

Fermentacja jedno-, dwu-, a może wielostopniowa?

W celu optymalizacji fermentacji metanowej proces ten można wykonać w jednej komorze fermentacyjnej. Technologia ta przeznaczona jest przede wszystkim dla łatwostrawialnych substratów, które nie powodują inhibicji rozkładu biomasy. Fermentację metanową można również wykonać z wydzieleniem poszczególnych faz, np. dzięki prowadzeniu procesu w dwóch komorach fermentacyjnych. Wówczas w jednej komorze należy zapewnić optymalne parametry dla procesu hydrolizy i kwasogenezy, co pozwala na przyspieszenie rozkładu trudnostrawialnych substratów. Przyspieszenie fermentacji możliwe jest przez zastosowanie dodatkowych enzymów, znacznie ułatwiających rozkład substratów lub wstępną obróbkę poprzez rozdrobnienie materiału wsadowego za pomocą tzw. hydrolizera czy eksdrudera. Urządzenia te wykorzystywane są głównie w przypadku wykorzystywania lignocelulozowych substratów do komory fermentacyjnej.

W kolejnym zbiorniku odbywa się właściwy proces fermentacji metanowej (octanogeneza i metanogeneza). Podczas stopniowego fermentowania biomasy zauważa się znacznie wyższą produkcją biogazu, niż gdyby cały proces odbywał się w jednej komorze. Jednak z drugiej strony należy podkreślić, że zastosowanie wielostopniowego procesu fermentacji wiąże się z wyższymi kosztami inwestycyjnymi poprzez zakup dwóch komór fermentacyjnych czy zastosowane dodatkowych, wstępnych obróbek substratów.

Innym rozwiązaniem jest prowadzenie fermentacji w pierwszej komorze w warunkach termofilowych i w kolejnym zbiorniku prowadzenie fermentacji w warunkach metanowych. Podział ten nie tylko zapewni szybszy rozkład materii organicznej i stabilniejszą produkcję biogazu, ale też pozwoli na oszczędności eksploatacyjne związane z zapotrzebowaniem energii do produkcji bioenergii częściowo w wyższej temperaturze, aniżeli prowadzenia procesu tylko i wyłącznie w warunkach termofilowych.

Fermentacja jednostopniowa polega na przeprowadzeniu całego procesu fermentacji metanowej w jednej komorze fermentacyjnej. Rozwiązanie to zapewnia, co prawda, niższe koszty, jednak utrzymanie optymalnych parametrów dla zachodzącego procesu jest trudne do zrealizowania, ponieważ każdy etap fermentacji wymaga odmiennych warunków środowiskowych. Dlatego też produkcja biogazu w jednej komorze w ściśle określonych warunkach może być niższa niż w przypadku instalacji wielostopniowej.

Złożony proces

Produkcja biogazu jest złożonym, czteroetapowym procesem fizykochemicznym, w którym udział bierze właściwa temu procesowi mikroflora bakteryjna. Istotne okazuje się, czy substrat będzie zadawany w sposób ciągły, czy okresowy, co uwarunkowane jest w dużej mierze czasem HRT wykorzystywanych substratów. Oczywiste jest, że podczas produkcji biogazu zawartość składników organicznych jest istotna, ale - jak wskazują badania - również zawartość suchej masy w mieszance fermentacyjnej generuje konieczność zastosowania właściwych zbiorników fermentacyjnych. Proponuje się też dostosowanie odpowiedniej temperatury procesu, w zależności od rodzaju wykorzystywanych substratów.

W Polsce w biogazowniach powszechnie stosuje się fermentację w warunkach mezofilowych - ze względu na koszty eksploatacyjne oraz stabilną produkcję bioenergii. Proponuje się również wstępny rozkład substratów w warunkach termofilowych oraz prowadzenie dalszego procesu w warunkach mezofilowych, co przyspiesza rozkład substancji organicznej i pozwala na redukcję kosztów eksploatacyjnych. Wydzielenie poszczególnych etapów fermentacji metanowej również skutecznie skraca czas rozkładu biomasy i efektywnie zwiększa wydajność fermentacji, lecz wiąże się z wyższymi kosztami inwestycyjnymi.

Wydajność procesu produkcji biogazu jest więc nie tylko uwarunkowana odpowiednim doborem substratów, ale też zależy od technologii, która jest zastosowana w danej biogazowni. Badania wykazują, że poznanie właściwości substratów jest istotą planowania beztlenowego rozkładu substancji organicznej. Ważną rolę w planowaniu odgrywa również opracowanie właściwej logistyki, uwarunkowanej lokalnymi warunkami, a także oszacowanie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych w stosunku do uzyskiwanych zysków.

DODAJ KOMENTARZ
Redakcja portalu CIRE informuje, że publikowane komentarze są prywatnymi opiniami użytkowników portalu CIRE. Redakcja portalu CIRE nie ponosi odpowiedzialności za ich treść.

Przesłanie komentarza oznacza akceptację Regulaminu umieszczania komentarzy do informacji i materiałów publikowanych w portalu CIRE.PL
Ewentualne opóźnienie w pojawianiu się wpisanych komentarzy wynika z technicznych uwarunkowań funkcjonowania portalu. szczegóły...

Podpis:


Poinformuj mnie o nowych komentarzach w tym temacie




cire
©2002-2019
Agencja Rynku Energii S.A.
mobilne cire
IT BCE