Technologie biogazowe oferują możliwość utylizacji wielu uciążliwych odpadów z jednoczesną produkcją energii odnawialnej. Istotna jest uniwersalność metody, zwłaszcza w odniesieniu do wilgotnych odpadów organicznych, których inne formy neutralizacji (np. spalanie, zgazowanie, piroliza) są na ogół nieopłacalne z uwagi na konieczność ich wcześniejszego energochłonnego osuszania. Istnieją jednak pewne ograniczenia biotechnologiczne, które powodują, że produkcja biogazu z niektórych surowców jest trudna i mało opłacalna, a wynika to głównie z niskiej biodostępności związków organicznych i/lub mineralnych, które w nich występują, lub z obecności zbyt wysokich stężeń inhibitorów procesu. Należy bowiem pamiętać, że procesy zachodzą tak szybko, na ile pozwala im to składnik lub czynnik limitujący, czyli występujący w nadmiarze lub w niedomiarze.

 

Proces fermentacji metanowej jest podzielony na kilka etapów, z których każdy zachodzi z udziałem wielu grup współzależnych mikroorganizmów. Produkty przemiany związków organicznych jednej grupy bakterii stają się pokarmem dla kolejnej. Powstający w ostatnim etapie fermentacji cenny dla nas metan jest odpadem metabolicznym bakterii, który uwalnia się jako jeden z gazowych produktów tych przemian. W przypadku niskiej biodostępności związków organicznych w substracie już pierwsza grupa bakterii ma trudności z ich trawieniem (hydrolizą), co jest przyczyną osłabienia wydajności całego procesu. W związku z tym podejmowane są próby wzbogacenia technologii biogazowych np. o możliwość suplementacji lub katalizy oraz o procesy wstępnej obróbki substratu, które czynią go  bardziej podatnym na działania enzymów bakteryjnych i tym samym zwiększają wydajność i szybkość powstawania biogazu, podnosząc jednocześnie opłacalność przedsięwzięcia, jakim jest budowa i eksploatacja biogazowni. Przykładowo dzięki przyśpieszeniu odfermentowania substratu następuje skrócenie jego średniego czasu przebywania (HRT) w fermentorze. To z kolei umożliwia projektowanie biogazowni z mniejszymi  fermentorami, co istotnie wpływa na obniżenie kosztów inwestycyjnych.

Podobne efekty dezintegracji można osiągnąć poprzez zastosowanie ultradźwięków. Ich oddziaływanie na biomasę powoduje mechaniczne rozbicie jej struktury oraz reakcje sonochemiczne, które są efektem kawitacji. Zjawisko to objawiające się powstawaniem tzw. pęcherzyków kawitacyjnych skutkuje lokalnymi, gwałtownymi zmianami ciśnienia (~1000 atm) i temperatury (nawet do ok. ~5000 K) oraz drganiami cząsteczek z szybkością nawet 400 km/h. Obecne w obrębie kawitacji cząsteczki wody mogą ulegać rozbiciu do wolnych rodników, które reagują z rozpuszczonymi wielkocząsteczkowymi substancjami, powodując ich hydrolizę. Istnieje odwrotnie proporcjonalna zależność między częstotliwością stosowanych ultradźwięków a średnicą pęcherzyków kawitacyjnych, przy czym im większe pęcherzyki – tym większe siły ścinające generują w swoim sąsiedztwie i efektywniej rozbijają biomasę. Z tego powodu na ogół najlepsze rezultaty otrzymuje się stosując ultradźwięki o niskich częstotliwościach, rzędu 20 kHz. Poza częstotliwością ultradźwięków na efektywność rozbicia cząsteczek biomasy istotny wpływ ma ich moc oraz czas oddziaływania.

Zastosowanie ultradźwięków do rozbijania biomasy przed fermentacją skutkuje wzrostem wydajności produkcji biogazu o kilkanaście do kilkudziesięciu procent, przy czym obserwuje się również ustabilizowanie procesu poprzez szybszą konwersję lotnych kwasów tłuszczowych w metan, co jednocześnie zapobiega zakwaszeniu układu przy ponadnormatywnym obciążeniu fermentora masą organiczną.

Wyniki badań omawiane w wielu publikacjach dowodzą, że również dodatek takich substancji, jak: pektyny, węgiel drzewny, alkohol poliwinylowy, kaolin, żel silikonowy, proszek aluminiowy i in. mogą poprawiać wydajność i stabilność fermentacji metanowej.

Niekiedy suplementacji wymagają mikroelementy, takie jak np.: Cr, Cu, Ni, Zn, Fe i in., które nie zawsze są dostępne w substracie w wystarczających ilościach. Stwierdzono np., że podniesienie zawartości jonów niklu w dozowanym substracie o 2,5-5 ppm może spowodować wzrost produkcji biogazu o ok. 55%.

Należy zaznaczyć, że wymienione powyżej (również w tabeli) metody intensyfikacji produkcji biogazu nie wyczerpują jej długiej listy, którą można by zapełnić po przestudiowaniu dostępnej literatury naukowej. Istotne jest jednak, że spora ich część, jakkolwiek dała pozytywne rezultaty, nie wyszła poza półtechniczną skalę laboratoriów lub może mieć jedynie lokalny zasięg zastosowania. Wynika to najczęściej ze zbyt wysokich kosztów stosowania lub np. z opracowania danej innowacji w celu poprawy opłacalności produkcji biogazu ze ściśle określonego i rzadkiego substratu, lub z zastosowania jedynie lokalnie występujących suplementów czy katalizatorów, których pozyskanie i transport poza region ich występowania byłby nieopłacalny.

Tab. 1. Wybrane z literatury przykłady różnych sposobów podnoszenia wydajności fermentacji metanowej, które uzyskano w skali laboratorium i/lub znalazły zastosowanie na skalę przemysłową. (…)

 

Źródła:
[1] Yadvika, Santosh, T.R. Sreekrishnan, Sangeeta Kolhli, Vinnet Rana: Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques – a review, Bioresource Technology 95 (2004) 1-10
[2] Jeongsik Kim, Chulhwan Park, Tak-Hyun Kim, Myunggu Lee, Sangyong Kim, Seung-Wook Kim, Jinwon Lee: Effects of Various Pretreatments for Enhanced Anareobic Digestion with Waste Activated Sludge, Journal of Bioscience and Bioengineering, vol. 95, No. 3, 271-275, 2003
[3] Zavacky Martin: Biogas Production Enhancement by Ultrasonic Disintegration of Biomas;
[4] Dahanyos M., Zabranska J., Jenicek P.: Innowate technology for the improvement of the anareobic methane fermentation; Pergamon, vol. 36, No 6-7, 1997, p. 333-340
[5] Taherzadeh M.J., Karimi K.: Pretretment of Lignocellulosic Wastes to Improve Ethanol and Biogas Production, International Journal of Molecular Ssience, no 9, 2008, 1621-1651
[6] Bagi Z., Acs N., Balint B., Harvath L., Dobo K., Perei K.R., Rakhely G., Kovacs K.L.: Biotechnological intensification of biogas production. Applied Microbiology and Biotechnology, 2007, 76:473-482

 

dr inż. Artur Olesienkiewicz
Laboratorium Biotechnologiczne firmy Biogaz Zeneris Sp. z o.o.

 

Cały artykuł – GLOBEnergia 4/2010

wykorzystnie biogazu art str 1