Tym właściwsze wydaje się szukanie dobrych optymalnych z punktu widzenia właściwego doboru elementów składowych i konstrukcji instalacji biogazowej do rodzaju substratów. Na uwagę zasługują instalacje pracujące w oparciu o proces fermentacji termofilowej.

Spektrum rozwiązań

Produkcja biogazu w procesie fermentacji metanowej w biogazowni rolniczej może być prowadzona w różnych technologiach. Czynnikiem wpływającym na dobór właściwego rozwiązania są stosowane substraty i rozwiązania konstrukcyjne.

Zakres temperatur, w jakich może przebiegać fermentacja, wynosi od 4 do 70°C, jednakże najczęściej spotykamy instalacje, w których proces prowadzony jest w temperaturach 30-42°C, opisywany w literaturze jako fermentacja mezofilowa. Rozpowszechnienie tego rodzaju procesu wynika z osiągania stosunkowo wysokiej produkcji biogazu przy zachowaniu w miarę stabilnego procesu. Dla bakterii psychrofilowych optymalna temperatura procesów to ok. 25°C. Utrzymanie takiej temperatury nie wymaga ogrzewania komory fermentacyjnej czy substratów, ale obniża skuteczność rozkładu związków organicznych, a produkcja biogazu jest ograniczona. W zakresie temperatur od 50-55°C prowadzony jest proces fermentacji termofilowej. Należy jednak pamiętać, że odznacza się on większą czułością na zmiany. Poza tym, z uwagi na utrzymywanie wyższej temperatury, zbiorniki fermentacyjne powinny być bardzo dobrze izolowane termicznie.

Przy wyższej temperaturze procesy biochemiczne zachodzą szybciej i efektywniej. Ze wzrostem temperatury zwiększa się ilość cząsteczek substratu o energii równiej lub większej od energii aktywacji, której osiągnięcie warunkuje wzbudzenie samoistnej reakcji. Wzrost temperatury przyczynia się również do obniżenia takich parametrów jak lepkość i napięcie powierzchniowe cieczy, a to z kolei powoduje łatwiejszy transport biomasy i zwiększenie szybkości przemian. Temperatura w zbiorniku fermentacyjnym nie może jednak rosnąć w nieskończoność ? granicę stanowi odporność materii organicznej. Zbyt wysoka temperatura powoduje denaturację białek jako struktur biologicznie aktywnych. W szczególności może powodować dezaktywację enzymów odpowiedzialnych za obniżanie energii aktywacji i reakcje mogą przebiegać w niższej temperaturze. Biorąc pod uwagę te uwarunkowania dla procesów biologicznych, temperatura nie powinna przekraczać 55°C. Dla bakterii hydrolitycznych biorących udział w produkcji kwasów temperatura procesu nie stanowi ograniczenia, gdyż potrafią one stosunkowo łatwo zaadaptować się do nowych warunków. Duże znaczenie ma natomiast poziom temperatury dla bakterii metanogennych, których struktury białkowe związane z enzymami są wrażliwe na zmiany i wykazują niższą odporność na wysoką temperaturę.

Proces fermentacyjny w zakresie temperatur 50-57°C zapewnia również wysoką higienizację materiału wsadowego oraz, wg niektórych danych, nawet do 25-30% większą wydajność produkcji gazu. Temperatura wpływa też na stopień rozkładu materii organicznej oraz ilość i skład produkowanego gazu. Obserwuje się nieco wyższą zawartość CO2 czy niższą koncentrację CH4 dla wyższych temperatur fermentacji (termofilowej i mezofilowej). Pomimo wrażliwości procesów fermentacyjnych na zmiany temperatury, tolerancja flory bakteryjnej rośnie w miarę zwiększania się parametru obciążenia ładunkiem organicznym ? w przypadku zawartości s.m. ok. 10% i powyżej zmiany temperatury o kilka stopni nie zakłócają działania mikroorganizmów i następuje szybki powrót do aktywności.

Dobór substratów i zbiorników

Należy dodać, że utrzymanie właściwej temperatury i zapotrzebowanie na energię cieplną wiąże się z odpowiednim doborem substratów. Przykładowo podczas przemian biochemicznych kiszonek roślinnych zarówno z kukurydzy, jak i z traw czy zbóż (całych roślin) następują reakcje egzotermiczne, które powodują wzrost temperatury do ok. 40 ? 45°C w przypadku, kiedy fermentują jedynie roślinne substraty. Wtedy wystarczy doprowadzenie ciepła w celu zwiększenia temperatury tylko o kilka stopni. Należy również wspomnieć, że w procesie, w którym główny wsad stanowią kiszonki roślinne, nie zaleca się prowadzenia fermentacji mezofilowej ze względu na trudność w utrzymaniu temperatury na poziomie 38-40°C, szczególnie latem, kiedy występują wysokie temperatury otoczenia. Oprócz fermentacji kiszonek, proces termofilowy zalecany jest w przypadku substratów o dłuższym okresie rozkładu substancji organicznych, takich jak obornik z dużą zawartością słomy czy biofrakcja z odpadów komunalnych.

W celu utrzymania odpowiedniej temperatury należy podkreślić rolę właściwego doboru elementów technologicznych i konstrukcji komór fermentacyjnych. Do prowadzenia procesu termofilowego najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie wysokich, pionowych zbiorników stalowych szkliwionych bądź żelbetowych. Ściany, płyta fundamentowa i dach takiego zbiornika są ocieplone i izolowane w celu zredukowania strat ciepła. Ochronę izolacji przed warunkami atmosferycznymi zapewnia pokrycie blachą trapezową. Wysokość tego typu zbiorników zwykle wynosi powyżej 10 m, a średnica jest zbliżona do wysokości zbiornika, a objętość robocza to maks. 5000 m3 dla jednego zbiornika. Charakterystycznym elementem systemu ogrzewania jest zastosowanie zewnętrznego wymiennika ciepła ? spiralnego bądź rurowego, zazwyczaj zaizolowanego. Wymiennik lokalizuje się w pomieszczeniu przepompowni pomiędzy komorami fermentacyjnymi. Zasada działania jest prosta ? przy obniżeniu się temperatury w zbiorniku włącza się pompa, która tłoczy część masy fermentacyjnej przez wymiennik, gdzie zostaje ona podgrzana przez ciepłą wodę pochodzącą z modułu kogeneracyjnego lub innego źródła ciepła. Następnie ogrzana biomasa wraca do komory i jest rozprowadzana w całej objętości zbiornika za pomocą wolnoobrotowego mieszadła, pracującego w trybie ciągłym, z jednostajną prędkością, regulowaną przez falownik. Pompowanie biomasy przez wymiennik ciepła trwa do czasu osiągnięcia właściwej dla procesu temperatury. W ten sposób utrzymuje się jej stały poziom w komorze (oczywiście obok innych parametrów, takich jak rozprowadzenie związków organicznych dla bakterii, właściwe pH czy stężenie produktów przemian biologicznych). Do zalet tego rozwiązania zalicza się przede wszystkim dostępność i możliwość mechanicznego udrożnienia w przypadku awarii czy zaczopowania jakiegoś elementu.

Jak wspomniano wcześniej, konstrukcja zbiornika wymaga zastosowania mieszadła pionowego, zamontowanego na dachu komory. Lokalizacja silnika z przekładnią na zewnątrz zbiornika umożliwia łatwy dostęp w przypadku awarii, jedynie elementy śmigła znajdują się wewnątrz zbiornika, co stanowi dodatkowy atut zastosowania takiego rozwiązania. Ponadto mieszadło pionowe zapobiega powstawaniu warstwy tzw. kożucha, utworzonego przez cząstki substratu o dużej tendencji do unoszenia się na powierzchni, tak jak w przypadku kiszonki z roślin.

Dotychczas w warunkach polskich wykonano pięć biogazowni działających w zakresie temperatur termofilowych. Jedną z nich jest wybudowana w ub.r. biogazownia rolnicza o mocy 1,2 MW w miejscowości Wojny Wawrzyńce na Podlasiu. Pierwotną komorę fermentacyjną stanowi zbiornik stalowy szkliwiony, całkowicie izolowany termicznie o pojemności brutto 5060 m3 z zamontowanym na dachu mieszadłem pionowym. Instalacja pracuje w oparciu o substraty pochodzenia rolniczego: kiszonkę z całych roślin kukurydzy, wysłodki cukrowe oraz pulpę ziemniaczaną. Temperatura wewnątrz pierwotnej komory fermentacyjnej jest utrzymywana na poziomie ok. 52°C. Następnym elementem jest wtórna komora fermentacyjna, w której temperatura wynosi ok. 38°C i następuje dekompozycja związków organicznych o najdłuższym okresie rozkładu. Wtórną komorę stanowi zbiornik żelbetowy, również izolowany termicznie, o pojemności 3700 m3 z nabudowanym dachowym zbiornikiem magazynowym biogazu. Przefermentowana masa jest następnie podawana do separatora, który rozdziela ją na frakcję stałą i płynną (przechowywaną w zbiorniku magazynowym w okresie, kiedy nie może być rozprowadzana na pola). Ciepło pochodzące z modułu kogeneracyjnego jest wykorzystywane do utrzymywania temperatury w komorze poprzez zewnętrzny rurowy wymiennik ciepła. Pozostałą część ciepła doprowadza się do obszaru suszenia biomasy rolnej w suszarni niskotemperaturowej. Praca wszystkich elementów instalacji technologicznej jest kontrolowana za pomocą systemu sterowania i wizualizacji SCADA.

Opisana biogazownia stanowi przykład zastosowania procesu termofilowego również z myślą o rozwiązaniach technologicznych biogazowni działających w oparciu o substraty pochodzenia rolniczego czy z przetwórstwa rolno-spożywczego.

Proces fermentacji termofilowej może być z powodzeniem stosowany w warunkach polskich, oczywiście przy założeniu właściwego doboru konstrukcji zbiorników, urządzeń i instalacji oraz materiału wsadowego. W biogazowni utrzymanie wyższej temperatury nie musi być związane z dostarczaniem większych ilości ciepła, lecz z użyciem oszczędnych rozwiązań konstrukcyjnych. Inwestor może prowadzić proces szybciej i wydajniej, jednocześnie, dzięki higienizacji w temperaturze ok. 52 ? 55°C, eliminując wiele mikroorganizmów patogennych.

 

dr Katarzyna Gowin, Biogazownie Polskie, Kraków