Biogazownie zasilane wywarem z gorzelni pracują od ponad 20 lat. Surowcem do produkcji biogazu w procesie fermentacji beztlenowej oprócz samego wywaru mogą być ścieki i nadwyżki drożdży z destylacji alkoholu z ziemniaków, ziarna zbóż, kukurydzy, a także melasy, której badanie było przedmiotem udanego eksperymentu przydatność została potwierdzona (Gleixner i Spradau, 1996).

Biogazownie na wywar z gorzelni jako monosubstrat są rozwiązaniami przeznaczonymi do specyficznego procesu fermentacji metanowej wywaru. Fermentacja beztlenowa jest procesem naturalnym, którego przebieg i wydajność możemy poprawić poprzez odpowiednie środki techniczne i technologiczne.

 

MONOFERMENTACJA – SPECYFIKA UDANEGO PROCESU

Dobra znajomość naturalnego procesu zachodzącego w biogazowni jest niezbędnym wymogiem zapewnienia jego odpowiedniego przebiegu. Rozkład materii organicznej w biogazowni przebiega w czterech etapach:
1)    hydroliza,
2)    zakwaszanie,
3)    acetogeneza,
4)    metanogeneza.

Podstawowym wymogiem prawidłowego przebiegu fermentacji wywaru i innych substratów jest sukcesywne lub równoległe uruchamianie indywidualnych procesów biochemicznych z podziałem na dwie główne fazy, tj. fazę hydrolizy (etapy 1 i 2) oraz fazę metanogenezy (etapy 3 i 4). Doświadczenie pokazuje, że w przypadku wywaru z gorzelni o zawartości suchej masy pomiędzy 6 a 9% faza hydrolizy trwa od 3 do 6 dni. Czas ten zależy od rodzaju substratu, stopnia rozkładu i konsystencji wywaru. Z tych względów hydroliza wywaru z ziemniaków przebiega szybciej niż wywaru ze zboża. Czas fermentacji metanowej (czas retencji) wywaru zazwyczaj wynosi pomiędzy 20 a 25 dni.

Tab. 1. Przykładowy skład kwasów tłuszczowych i stopień ich rozkładu w biogazowni. Tabela pochodzi z typowego arkusza analizy bardzo dobrze działającej biogazowni na wywar z gorzelni. W tabeli pokazany jest rozwój kwasów tłuszczowych i wolnych kwasów tłuszczowych w fazie hydrolizy oraz ich rozkład i przekształcanie w metan w fazie metanogenezy (Pesta, 2005).

Fermentacja wywaru z gorzelni w biogazowni
Fermentacja wywaru z gorzelni w biogazowi może być przeprowadzona wyłącznie pod ścisłą kontrolą. Dlatego też części stałe powinny zostać usunięte z wywaru poprzez separację i nie powinny być one dostarczane do fermentora.
– W biogazowni powinny być wyodrębnione dwie fazy z rozdziałem na hydrolizę i metanogenezę (nie mylić z powszechnie stosowanym systemem biogazowni rolniczych składających się z fermentatora głównego i zamkniętego zbiornika pofermentacyjnego).
– Substraty do fermentacji powinny być jednolite i prawidłowo wymieszane do pompowania.
– Wymagania te mają na celu uzyskanie wysokiej wydajności biogazu w odniesieniu do pojemności fermentatora i czasu fermentacji, jak również zapewnienie bezpiecznej eksploatacji biogazowni.
– Dodawanie gnojowicy w procesie fermentacji materiałów pochodzenia roślinnego nie jest niezbędne, wydajność biogazu jest w tym przypadku wyższa bez dodawania gnojowicy.

POTENCJAŁ ENERGII

Do produkcji biogazu wykorzystywane są tłuszcze, białka, natomiast lignina nie podlega rozkładowi w fermentacji beztlenowej. Produkcja biogazu i zawartość metanu (jakość gazu) zależy również od kompozycji substratów. Znając kompozycję substratów, możliwe jest teoretyczne określenie wydajności biogazu i zawartości CH4 i CO2 na podstawie obliczeń według wzoru Buswella (Wellinger et al., 1991).

Tab. 2. Porównanie typowych wydajności biogazu z różnych substratów: wywaru, biomasy roślin uprawnych (NaWaRo) i gnojowicy. Tabela pokazuje porównanie składu różnych substratów na podstawie wartości pokarmowych pasz według DLG. W praktyce dane te mogą się różnić w zależności od technologii gorzelni, np. zawartość suchej masy wahać się może pomiędzy 4,5 a 16%. Dla lepszego porównania dane te są określone dla standaryzowanej zawartości suchej masy 7,0%.

KONCEPCJA SYSTEMU

Ze względu na specyfikę produkcji gorzelnie idealnie nadają się do stosowania technologii biogazowni do produkcji energii (ciepła i energii elektrycznej) z odpadu produkcyjnego. Wynika to z tego, że składniki wywaru są wstępnie rozpuszczane przez drożdże fermentacji alkoholowej, substrat ten ma stały skład, nie wymaga podgrzewania przed jego aplikacją do biogazowni, a gorzelnia sama w sobie jest odbiorcą dużej ilości energii (rys. 1).

Rys. 1. Schemat biogazowni na wywar dla przykładowej gorzelni o wydajności 28 000 hl rocznie (Gleixner, 2004)

 

schemat biogazowni

 

Biogaz może być wykorzystany na kilka sposobów:
– Bezpośrednie spalanie w kotle parowym do produkcji pary technologicznej, wraz z gazem ziemnym lub zamiast oleju napędowego (wielopaliwowymi palnika).
– Spalanie paliw w układach kogeneracji energii elektrycznej (CHP) z wysokotemperaturowym systemem chłodzenia silnika gazowego, do wytwarzania energii elektrycznej i energii cieplnej procesowej w postaci skompresowanej wody lub pary o niskim ciśnieniu lub elektrociepłowni z wykorzystaniem ciepła spalin do wytwarzania pary wodnej.
– Spalanie w bloku kogeneracyjnym z turbiną gazową, do wytwarzania energii elektrycznej i pary / ciepła procesowego (tylko w większych zakładach).
– Zastosowanie biogazu w ogniwach paliwowych, energii elektrycznej i energii cieplnej.

Rys. 2. Wykorzystanie własne biogazu produkowanego z wywaru (Gleixner, 2004). Rysunek przedstawia przypadek idealnego przepływu masy i energii w nowoczesnych gorzelniach.

ZUŻYCIE WŁASNE ENERGII, KOSZTY EKSPLOATACJI

Zużycie własne energii w biogazowni zasilanej wywarem jest stosunkowo niskie. Zużycie energii elektrycznej z biogazowni wynosi około 200.000 kWhel /a. Zapotrzebowanie na energię cieplną jest niewielkie, jeśli dostarczany wywar ma temperaturę w przedziale 40 do 50OC. Zapotrzebowanie na pracę obsługi biogazowni zasilanej wywarem jest również niewielkie ze względu na możliwość zastosowania automatyzacji. Uwzględnia się dwie godziny pracy w charakterze nadzoru.

PŁYN POFERMENTACYJNY

Pozostałości pofermentacyjne gorzelni rolniczych są gromadzone, przechowywane i wykorzystywane jako dodatek paszowy dla przeżuwaczy lub dodatek do nawozów organicznych. Redukcja substancji organicznej w procesie wytwarzania biogazu powoduje obniżenie lepkości (ok. 2-3% SM) wywaru. Składniki mineralne, takie jak N, P, K, są w dużym stopniu zachowane w płynie pofermentacyjnym. Badania znanych ekspertów wykazały, że wpływ nawożenia płynem pofermentacyjnym z wywaru jest lepszy niż efekt nawożenia świeżym wywarem.

PRZYKŁADY BIOGAZOWNI NA WYWAR Z GORZELNI

Jak już wspomniano na wstępie, doświadczenia z biogazowniami na wywar z gorzelni prowadzone są już od dłuższego czasu. Duże instalacje tego typu funkcjonują w Republice Południowej Afryki już od lat 60. XX wieku, wykorzystując ścieki z gorzelni (Temper et al., 1986). Jedną z pierwszych biogazowni działających w Niemczech był zakład pana Spradau w Twistringen-Heiligenloh. Biogazownia ta została zaprojektowana przez Schraufstetter i była archetypem biogazowni INNOVASi.

WNIOSKI

Technologie biogazowni wykorzystujących wywar i / lub części roślinne są w pełni rozwinięte, a wieloletnie doświadczenie gwarantuje dostępność do niezawodnej technologii. Odpowiednie zaplanowanie i zaprojektowanie biogazowni zapewnia jej rentowność. Gorzelnie są tego najlepszym przykładem. Wytworzony biogaz pokrywa do 90% zapotrzebowania na energię paliw kopalnych, a zatem zapewnia niezależność energetyczną gorzelni. Uniezależnienie od wpływu międzynarodowego rynku energii jest najważniejszym kryterium stosowania biogazowni i produkcji alkoholu. (…)

LITERATURA

– Ba ¨ UML, M. i COWATEC GmbH, 2005, Der Einsatz des hydrolytischen Enzyms MethaPlus zur Optimierung von Biogasanlagen, konsultacje techniczne (biomasse 2005), Carmen, Straubing
– Gleixner A., 2004, Brennerei und biogaz, bioetanol-und Energieerzeugung w mittelstaendischen landwirtschaftlichen Brennereien, sprawozdanie techniczne
– Gleixner A. i Spradau L., 1996, 12 Jahre Biogasanlagen w Brennereien – Ein Erfahrungsbericht, w: Handbuch fur ¨ die Brennerei-und Alkoholwirtschaft, Brennereikalender 1996, Beck M., ed., Zimmermann Druck, Balve.
– NN, 2004, Gesetz fuer den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG), Federalne Ministerstwo Środowiska, Ochrony Przyrody i Bezpieczeństwa Jądrowego, Berlin
– Pesta G., 2005, Analysis Report biogazowni Altheim, sprawozdanie techniczne, Uniwersytet Techniczny Monachium, Katedra Energetyki i Ochrony Środowiska, Technologie Przemysłu Spożywczego
– Temper, U., Pfeiffer W., Steiner, A. Mu ¨ CKE, JV i Carozzi A., 1986, beztlenowe oczyszczalnie ścieków – wyniki przeglądu literatury, w: Proceedings of Aqua ’86 – Sympozjum beztlenowego oczyszczania ścieków, Amsterdam.
– Wellinger A., Baserga U., Edelmann W., Egger K. i Seiler B., 1991, Biogaz-Handbuch, Grundlagen – Planung – Betrieb landwirtschaftlicher Anlagen, Wirz, Aarau.

 

Anselm Gleixner
INNOVAS
Tłumaczenie: Krzysztof Roszak
RENBIO Biogazownie

 

Cały artykuł – GLOBEnergia 5/2010

fermentacja biogazowa art str 1 art str 2

 

art str 3art str 4