Biogas production intensification
Intenzifikace produkce bioplynu
Vedoucí/Supervisor
Prof. Ing. Michal Dohányos, CSc.
Jazyk/Language
Czech
Abstrakt
Zemědělské bioplynové stanice využívají jako substrát především odpady, jako je např. kejda, a také pěstované, tzv. „energetické plodiny“, jako je např. kukuřice. Efektivita využití uhlíku z rostlin není tak vysoká, jako je tomu např. v trávicím traktu přežvýkavců. Dobrým příkladem je trávení kukuřičné siláže, kdy dobytek využije zhruba 60 % energie v rostlinách pro svůj metabolismus a exkrementy je možné dále využít jako substrát pro tvorbu bioplynu. Celkově je tak dosahováno 80% využití organického uhlíku z krmiva. Klíčovým procesem je hydrolýza: přežvýkavci jsou schopni degradovat fytomasu ve velmi krátké době s vyšší efektivitou, než je tomu u bioplynových stanic. Významnou roli při trávení přežvýkavců hrají symbiotické mikroorganismy. Prvními mikroorganismy, které kolonizují krmivo po jeho pozření, jsou anaerobní houby. Tyto pozoruhodné organismy produkují velmi účinné enzymy organizované v extracelulárních organelách – celulozomech. Anaerobní houby rostou přímo na povrchu substrátu a jsou schopné do něj pronikat a rozkládat jej také mechanicky. Tato práce je zaměřená na použití anaerobních hub jako prostředku pro intenzifikaci výtěžnosti bioplynu z tradičních substrátů, jako je kukuřičná siláž nebo travní senáž.
Na základě provedených jednorázových testů byly vybrány dva kmeny anaerobních hub (Anaeromyces sp. a Piromyces sp.). Tyto houby ukázaly nejlepší schopnost rozkládat organickou hmotu a růst na rostlinných substrátech v laboratorních podmínkách. Směs těchto kmenů byla testována v batch testech s kukuřičnou siláží a travní senáží, které ukázaly 15% zvýšení výtěžnosti metanu oproti kontrole. 15% rozdíl oproti kontrole byl pozorován opakovaně. V další fázi projektu byl sledován dlouhodobý vliv přídavku anaerobních hub v batch testech s opakovaným přídavkem substrátu a v semikontinuálním testu. Opět bylo pozorováno zvýšení výtěžnosti metanu, ale v delším období docházelo k poklesu efektu anaerobních hub oproti kontrole. Druhým způsobem využití anaerobních hub je předřazená hydrolýza substrátu. V laboratorních podmínkách anaerobní houby velmi dobře hydrolyzovaly rostlinné materiály a produkovaly rozpuštěné organické látky. Výtěžek rozpuštěné CHSK byl až 75 % z CHSK vstupujícího substrátu po 66 dnech hydrolýzy. Nicméně dalšími testy bylo zjištěno, že optimální doba zdržení v hydrolyzním stupni je 6 dní. Delší doby zdržení vedly k nadměrnému rozvoji bakterií, kratší pak k vymytí anaerobních hub.
Pro provozní aplikaci byl navržen a otestován systém, který využívá hydrolýzu s anaerobními houbami, předřazenou metanizačnímu stupni. Doba zdržení v hydrolýze je 6 dní. Tento systém byl testován v semikontinuálním režimu a dosáhl účinnosti až 80 % (vztaženo na vstupující CHSK). Pro tento systém byla zpracována jednoduchá ekonomická bilance.
Abstract
Agricultural anaerobic digesters use farm waste e.g. manure as well as “energetic” crops. Efficiency of use of organic carbon from crops in biogas plant is not as high as for example in ruminants’ digestives. One example is in use of maize silage; about 60 % silage eaten by cows is decomposed and transported into their blood and the rest leaves digestive in excrements. These excrements could be used in biogas plant and in total about 80 % of substrate organic matter is used. Key process is hydrolysis: ruminants are able to decompose phytomass in short time with higher efficiency than biogas plant. In this process symbiotic microorganisms living in rumen play very important role. First of them who colonize the substrate are anaerobic fungi. Anaerobic fungi are very interesting organisms. They produce very efficient enzymes organized in cellulosomes – extracellular organelles with battery of different enzymes which can work together. Anaerobic fungi are also able to grow through plant matter and decompose it also mechanically. This thesis is focused on the use of anaerobic fungi as the way to improve biogas yield from traditional biogas plant substrate as maize silage and grass silage.
On the base of results from batch test two strains of anaerobic fungi (Anaeromyces sp. and Piromyces sp.) were chosen. These strains showed the best abilities to degrade organic matter and to grow on plant matter and survive in laboratory conditions. Mixture of these strains was added into batch tests with maize and grass silage. In these tests above 15 % higher methane yield in the case of use of anaerobic fungi was repeatedly observed. In next phase of experiments long term effect of anaerobic fungi was tested. Increased methane yield was observed also in fed-batch and then also in semi-continuous experiments. On the other hand, decrease in difference in methane production between digester enriched by anaerobic fungi and control digester after 20-60 days were observed in all experiments.
Other way of use of anaerobic fungi is detached hydrolysis. In laboratory conditions anaerobic fungi hydrolyzed maize silage as well as grass silage. Volatile fatty acid accounted for about 60 % of total dissolved COD after 66 days of hydrolysis. After 66 days was degraded about 75 % of substrate. Shorter retention times were tested in semi-continuous experiments. 6 days was found as the optimal hydraulic retention time in hydrolysis step. Longer time lead to lose of efficiency in about two weeks. Shorter retention time caused washout of anaerobic fungi. System with hydrolysis reactor with 6 days HRT worked with 80 % COD recovery into biogas compared to 60 % in control reactor without hydrolysis. This efficiency was stable and was achieved during entire period of 65 days.