Produkci bioplynu lze zvýšit dezintegrací vstupní fytomasy

Provozovatelé bioplynových stanic chtějí zvýšit produkci bioplynu, ale pokud možno bez nutnosti dalších investic. Toho lze dosáhnut především optimalizací provozu. Jde zejména o úpravu vstupů, promíchávání obsahu fermentoru a dodržení technologických parametrů. Výtěžnost metanu lze zvýšit například větší destrukcí vstupní suroviny.

Zemědělské bioplynové stanice (ZBPS) je možno z technologického hlediska lze dělit i podle obsahu sušiny ve fermentoru. U míchatelného procesu (tzv. mokrá fermentace), je obsah sušiny jen asi 4 až 9 %. S vyšším obsahem totiž výrazně rostou požadavky na konstrukci míchadel, vstupní energii a další náklady. ZBPS na bázi vsádkového systému (tzv. suchá fermentce), což ve své podstatě je píše forma skládkování, mají obsah sušiny ve až 30 %. U nás jsou ale zastoupeny jen minimálně.

Vyšší náklady u mokré fermentace jsou kompenzovány vyšší hloubkou procesu - obvykle je odbouráno až 30 až 40 % organické sušiny. V případě nemíchatelných procesů se odbourá obvykle jen do 30 % organické sušiny, avšak odpadají náklady na provoz míchadel a na další konstrukční prvky k přečerpávání materiálu a podobně (viz tabulka). Obě formy ZBS však zdaleka nevyužívají celý potenciál rostlinných vstupů.

Tab. – Orientační hodnocení hloubky procesu v ZBPS (Zdroj: Autor)

Optimalizace podmínek

Vyšší produkce bioplynu (BP) lze dosáhnut především optimalizací technologických podmínek provozu. Jde zejména o správné dávkování substrátu, lepší promíchávání a dodržení technologických parametrů. Důležité je například správné zatížení a dodržování doby zdržení v různých stupních výroby. S rostoucí provozní teplotou (mezofilní proces 30 až 40 °C, termofilní proces 45 až 60 °C a extrémně termofilní proces nad 60 °C) totiž vzrůstá nejen produkce BP, ale také citlivost procesu na výkyvy teploty.

U ZBPS s živočišnými vstupy je kritické kontinuální odstraňování sloučenin síry a amoniaku.Velmi užitečné se ukázalo použití čidel s detekcí vodíku, jehož vyšší přítomnost naznačuje riziko zvrhnutí procesu.

Další možností zvýšení výkonnosti bioplynové stanice je volba skladby substrátu ve prospěch lépe rozložitelných substrátů s vyšší výtěžností BP nebo ladění poměru C:N a pH.

Zejména správci bioplynových stanic s míchatelným procesem se snaží zvýšit produkci BP přidáváním různých aditiv. Obchodní zástupci nabízejí širokou škálu přípravků od samotných enzymů, přes enzymatické a mikrobiální mixy vybraných kmenů až po glycerol z produkce bionafty. V reaktoru je tento proces dominantně záležitostí extracelulárních hydrolytických enzymů produkovaných hlavně divokými fermentačními bakteriemi například z trávicích traktů přežvýkavců. Výsledkem jsou jednodušší (kratší), snáze fermentovatelné cukry, které jsou lépe využitelné v navazujících procesech.

Také užití aditiv ale přináší ekonomicky zajímavé zvýšení produkce BP obvykle až po kvalitní dezintegraci fytomasy. Mezi klíčové parametry, které určují efektivitu (hloubku) procesu, tak patří úprava vstupující suroviny dezintegrací.

Význam dezintegrace

U ZBPS znamená dezintegrace pletiv fytomasy jejich zpřístupnění hydrolyzujícím enzymům a prokazatelně vede ke zvýšení produkce BP. Čím je více vstupní surovina dezintegrovaná, tím lépe se mohou enzymy dostat na větší povrch odkrytých řetězců (například celulózy) a tím efektivněji je mohou hydrolyzovat.

Nejmenší problém je s hydrolýzou škrobu. Pokud není užívána přezrálá siláž, snadno se hydrolyzuje amylolytickými enzymy na jednoduché cukry (maltóza, ve vodě rozpustná amylóza, nerozpustný amylopektin). Problém nebývá ani s hydrolýzou hemicelulózy (heteropolysacharid), která tvoří rozvětvené řetězce s prostorovou strukturou. Možná i z toho důvodu je extracelulárními enzymy hydrolyzována poměrně snadno.

Celulóza je polymerem glukózy a je v anaerobní digesci nejméně rozložitelná. Pro její hydrolýzu je nutná například přítomnost celulotických enzymů ze zažívacích traktů přežvýkavců. V bioplynových stanicích, které nezpracovávají zvířecí exkrementy, je tak její hydrolýza problematická.

Kromě lépe či hůře hydrolyzovatelných polysacharidů obsahuje fytomasa i látky, jejichž biologická rozložitelnost je velmi nízká až téměř nulová. Mezi tyto látky patří zejména lignin, lignany a terpeny.

Dezintegrace je ale často opomenuta, nebo se bere za dostatečné zpracování při sklizni. Do ZBPS tak fytomasa vstupuje nejčastěji jako siláž (délky 4 až 11 mm), či jako různé formy senáže.

Jak změnit vlastnosti

Jakkoli se může zdát, že silážováním či senážováním rostliny zjemnily, dlouhý čas evoluce uzpůsobil habitus a konstituci většiny suchozemských rostlin silně rezistentní vůči nabourávání mikroorganismy. Přirozenou obranou rostlin se tak staly nejen dřevnatějící ostny, jedovaté či antinutriční látky a podobně, ale i vnitřní pevná lignocelulózová struktura, ve které celulózová vlákna (zkrystalizované desetitisíce až statisíce molekul glukózy) připomínají železné pruty a lignin s hemicelulózami cement, balastní pojivo, které je s celulózovými vlákny spojeno vodíkovými a kovalentními vazbami.

Zvolením správných parametrů dezintegrace ale lze změnit vlastnosti materiálu takovým způsobem, aby vnitřní pevnost (krystalinita) rostlinných vláken byla co nejvíce narušena a navazující hydrolýza mohla probíhat co možná nejrychleji a nejhlouběji, uvolňujíc při tom energeticky bohatou glukózu. Dle Hendrikse (2009) se dezintegrací biomasy zvýší účinnost hydrolýzy o 5 až 25 % a zároveň zle očekávat snížení doby zdržení ve fermentoru o 23 až 59 %.

Jakákoli metoda dezintegrace musí být z principu velmi efektivní, protože z podstaty věci představuje dodatečné náklady. Užitá metoda musí být však nejen investičně a provozně (zejména energeticky) nenáročná, ale nesmí způsobit degradaci či jiné znehodnocení materiálu, například znečištěním.

Při mechanickém zpracování lignocelulózových materiálů se nejčastěji uplatňují sekání, střihání, trhání, otírání, působení úderem nebo tření. Kombinací lámání, drcení a mletí lze dosáhnout výsledné velikosti částic 10-30 mm, při lámání a mletí 0,2-2 mm. Za tímto účelem lze užít drtiče, či kulové, vibrační-kulové, nožové, úderové, diskové, válcové a koloidní mlýny. Praxe ukázala, že užití drtičů a mlýnů je vysoce energeticky náročné. Obvykle je udáváno, že jejich zařazení zvýší celkovou energetickou náročnost technologie o třetinu. Samostatnou a velmi účinnou metodou dezintegrace fytomasy je tzv. extruze.

Dezintegrace extruzí

V případě užití extruze lze dezintegraci fytomasy chápat jako rychlý vysokoteplotní proces (high temperature, short time process, HTST) při kterém je v reaktoru (extrudéru) materiálu dodáno teplo a mechanická energie, což způsobí fyzikálně-chemické proměny jeho struktury. Tlaku uvnitř reaktoru je nejčastěji dosahováno zvýšením teploty přívodem horké páry. Po určité době zdržení za daných podmínek následuje prudké uvolnění, nejčastěji do úrovně atmosférického tlaku.

Na rozdíl od mechanických způsobů extruze nijak výrazně nesníží průměrnou velikost částic, ale při správných parametrech způsobí hlubokou dezintegraci rostlinných vláken, ideálně až na úrovneň buněk. Tento jev lze externě detekovat například snížením viskozity. Když jsou parametry nastaveny optimálně (pro každý druh fytomasy je optimální jiný tlak a doba zdržení i hydromodul) dojde až k buněčné kavitaci. Tu lze uvnitř rostlinné buňky popsat vytvořením bublinek vakua či plynu z okolního prostředí a následnou implozí způsobenou náhlým poklesem tlaku. Síla vakua způsobí, že do prostoru difundují ve formě par plyny z okolní kapalné fáze. Při vymizení podtlaku, který kavitaci vytvořil, bublina plynů imploduje za vzniku tlakové vlny s destruktivním účinkem na okolní materiál.

Vhodně zvolené parametry extruze výrazně zvyšují přístupnost celulózových vláken a tím zlepšují možnost rozkladu polysacharidů na monosacharidy bez degradace materiálu. Přitom lze zvolit takové extruzní tlaky, které nezvyšují přítomnost inhibitorů, jež by ovlivnily navazující mikrobiální pochody ve fermentoru.

I

ng. J. Maroušek, Ph. D., ZF, JU v Českých Budějovicích