Anaerobní fermentace je biologický proces rozkladu organické hmoty, probíhající za nepřístupu vzduchu. Tento proces probíhá přirozeně v přírodě např. v bažiništích, na dně jezer nebo např. na skládkách komunálního odpadu. Při tomto procesu směsná kultura mikroorganismů postupně v několika stupních rozkládá organickou hmotu. Produkt jedné skupiny mikroorganismů se stává substrátem pro další skupinu. Proces můžeme rozdělit do 4 hlavních fází:
- Hydrolýza: působením extracelulárních enzymů dochází mimo buňky ke hydrolytickému štěpení makromolekulárních látek na jednodušší sloučeniny, především mastné kyseliny a alkoholy, při tomto procesu se uvolňuje rovněž vodík (H2) a oxid uhličitý (CO2).
- Acidogeneze: působením extracelulárních enzymů dochází mimo buňky ke hydrolytickému štěpení makromolekulárních látek na jednodušší sloučeniny, především mastné kyseliny a alkoholy, při tomto procesu se uvolňuje rovněž vodík (H2) a oxid uhličitý (CO2).
- Acetogeneze: dochází k dalšímu rozkladu kyselin a alkoholů za produkce kyseliny octové.
- Methanogeneze: závěrečný krok anaerobního rozkladu, kdy z kyseliny octové, H2 a CO2 vzniká methan - CH4, tento krok provádějí methanogenní bakterie, což jsou striktně anaerobní organismy, podobné nejstarším organismům na Zemi. Tyto bakterie jsou citlivé především na náhlé změny teplot, pH, oxidačního potenciálu a další inhibiční vlivy.
Z hlediska reakčních teplot rozdělujeme anaerobní procesy, podle optimální teploty pro mikroorganismy na psychrofilní (5-30°C), mezofilní (30-40°C), termofilní (45-60°C) a extrémně termofilní (nad 60°C). Výhodou procesů prováděných za vyšších teplot je hlavně vyšší účinnost hygienizace materiálu. Nejběžnější aplikací jsou zatím procesy mezofilní při teplotě cca 38°C.
Technologie mokré fermentace
Fermentace je obvykle prováděna ve velkých vyhřívaných a míchaných nádržích – fermentorech. Jedná se o kontinuální nebo semikontinuální proces. Pracovní sušina suspenze se dle materiálu a použitého míchacího systému pohybuje mezi 4 – 12%. Ve fermentorech dochází k odbourání cca 50 – 70% organické sušiny materiálu. Velikost nádrží je dána množstvím a kvalitou materiálu, množstvím aktivní biomasy v reaktoru a požadovanou dobou zdržení. Tyto parametry významně ovlivňují produkci bioplynu i kvalitu výstupního materiálu.
Hlavním produktem anaerobní fermentace organické hmoty je bioplyn. Bioplyn je bezbarvý plyn skládající se hlavně z methanu (cca 60%) a oxidu uhličitého (cca 40%). Bioplyn může ovšem obsahovat ještě malá množství N2, H2S, NH3, H2O, ethanu a nižších uhlovodíků. Následující tabulka umožňuje čtenáři udělat si představu o složení a vlastnostech vybraných druhů bioplynů. Hodnoty je potřeba brát jako informativní, skutečné vlastnosti bioplynu vždy závisí na mnoha faktorech, zejména na fermentovaném materiálu:
| Parametr | Skládkový plyn | Bioplyn (ČOV) | Bioplyn (prasečí kejda) |
|---|---|---|---|
| 1)Výhřevnost (MJ/m3) | 16,9 | 21,1 | 24,0 |
| H2 (%) | 1 | 1 | - |
| CO (%) | 1 | - | - |
| O2 (%) | 3 | - | - |
| N2 (%) | - | - | - |
| Cl-, F- (mg/m3) | - | - | - |
| NH3 (mg/m3) | - | - | 40 |
| CO2 (%) | 46 | 38 | 31 |
| CH4 (%) | 49 | 61 | 69 |
| H2S (mg/m3) | 350 | 1 000 | 2)2 300 |
| 1) vztaženo na 15°C, 101 325 Pa. | 2) na vstupu do odsiřovacího zařízení. | ||
Tab. č. 1 - Srovnání základních vlastností různých bioplynů
Vedlejším produktem je stabilizovaný anaerobní materiál (fermentační zbytek, digestát, fermentát), který je v současné době asi nejvíce využíván jako hnojivo.
Nejpoužívanější technologií výroby bioplynu s bohatými referenčními odkazy je tzv. "mokrá fermentace", která zpracovává substráty s výsledným obsahem sušiny <12%. Mokrá anaerobní fermentace probíhá v uzavřených velkoobjemových nádobách (fermentorech/reaktorech). Tyto nádoby jsou vyhřívány na navrženou provozní teplotu (běžně 35°C až 55°C) a míchány. Technologická linka je tvořena 4 základními stavebně-technologickými celky (viz následující obrázek):
Obr. č. 1 - Blokové schéma technologie mokré fermentace
Příjmový systém: slouží pro přípravu čerstvého substrátu před jeho vstupem do fermentoru (úprava velikosti částic, míchání, homogenizace, úprava TS, ředění, apod.) a jeho optimální dávkování do anaerobního procesu. Podle druhu zpracovávané biomasy sestává z příjmového zásobníku tuhé biomasy (TS>20%) a příjmové jímky kapalné biomasy (TS <12%).
Fermentační systém: zde probíhá vlastní anaerobní vyhnívání v čistě anaerobním prostředí. Běžně se využívá několik základních koncepcí fermentačního systému, např.:
Navíc lze fermentory koncipovat jako nadzemní, podzemní či částečně zapuštěné do terénu. Případné částečné/úplné zapuštění fermentoru do terénu záleží nejen na přání investora, ale i na dalších okolnostech (např. potřeba úprav podloží z důvodu jeho snížené únosnosti, nutnost potlačení vlivu stavby na charakter krajiny, apod.).
V zemědělství se nejčastěji využívá válcových železobetonových plynotěsných fermentorů se svislou osou a poměrem ød : v > 1. Principiálně je však možný i jiný materiál (např. ocel) či jiná konstrukce. Běžný rozsah základních procesních parametrů podle druhu technologie a substrátu: t ∈ <35;40>°C, pH ≈ 6,5 až 7,5, hydraulická doba zdržení ∈ <35;110> dnů, jedno resp. dvou stupňový anaerobní proces.
Fermentor je vybaven odpovídajícím příslušenstvím podle konstrukce a druhu substrátu. Běžně jde o topný a míchací systém, v případě potřeby je možné provádět odsíření bioplynu – např. dávkováním (malého) množství vzduchu do bioplynu, apod..
- Fermentor s integrovaným plynojemem.
- Fermentor + samostatný plynojem.
- Fermentor typu "kruh v kruhu" + samostatný plynojem.
- Fermentor + dohnívací nádrž s integrovaným plynojemem, apod..
Uskladňovací systém: stabilizovaný materiál po fermentaci (tzv. fermentační zbytek nebo také digestát/fermentát) je nutné uskladňovat v souladu se zásadami správné zemědělské praxe. V případě, že je fermentační zbytek separován na tuhou frakci (sušina ≈ 25 až 35%) a kapalnou fázi/fugát (sušina <1%) je nutné koncipovat uskladňovací systém pro obě frakce.
Tuhá frakce se běžně uskladňuje na stávajících hnojištích nebo vodohospodářsky zabezpečených plochách. Fugát (sušina <1%) resp. neseparovaný fermentační zbytek (sušina ≈ 4 až 10%) se uskladňuje ve vhodně dimenzovaných jímkách. Potřebná velikost uskladňovacího systému u farmářských bioplynových stanic je volena s ohledem na splnění zásad správné zemědělské praxe … běžně pro dobu 140 až 210 dnů podle regionu.
Separační zařízení (kalolis, odstředivka, centrifuga, apod.) bývá osazováno např. z důvodu záměrného využití fugátu pro ředění čerstvého substrátu na požadovanou procesní sušinu nebo v případě zvláštních technologických požadavků farmy. Vlivem recirkulace fugátu se úměrně snižuje potřebná velikost uskladňovací jímky a snižuje spotřeba ředící vody. Je ovšem potřeba pravidelně kontrolovat obsah dusíku v recirkulovaném fugátu, a to z důvodu zamezení inhibičním vlivům na anaerobní proces.
Energetické využití bioplynu: obecně lze využívat BP mnoha způsoby, např.:
Z hlediska aktuálních podmínek na trhu s energiemi v ČR se bioplyn nejčastěji využívá pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v tzv. kogeneračních jednotkách KJ na bázi pístových spalovacích motorů – princip je naznačen na následujícím obrázku.
- Výroba tepla v teplovodních (horkovodních) resp. parních kotlích
- Kombinovaná výroba elektřiny a tepla (KVET) v kogeneračních jednotkách (různé principy)
- Čištění bioplynu a jeho prodej do plynárenské sítě resp. provozovatelům jiných energetických systémů (CZT, průmyslové teplárny, apod.)
- Čištění a jeho využití pro pohon dopravní techniky a automobilů, apod.
Obr. č. 2 – Princip kogenerační jednotky s pístovým spalovacím motorem
Technologie suché fermentace
zpracovává substráty o sušině 30 až 35%. Zpravidla jde o aplikace mezofilního anaerobního procesu, rozsah používaných reakčních teplot 32-38°C. Optimální pH se pohybuje mezi 6,5 - 7,5. V zásadě lze rozdělit technologie na diskontinuální (vsázkové) a kontinuální.
Diskontinuální technologie suché fermentace sestává z několika reakčních komor (kovový kontejner nebo zděná komora s plynotěsnými vraty) a meziskladu. Doprava zpracovávaného materiálu do komor a z nich je zpravidla prováděna běžnou manipulační technikou (např. traktor s radlicí). Anaerobní proces je řízen dávkováním procesní tekutiny. Proces je diskontinuální - vyprázdnění a nové naplnění komory + start reakce 3 dny, vlastní reakce a produkce bioplynu 21-27 dnů. Podle druhu výstavby je můžeme rozdělit na výstavbové (= „na zelené louce“) a vestavbové - využívají instalace lehčených fermentačních komor do nevyužívaných objektů - v zemědělství např. seníky, ocelokolny, kravíny, apod.. Principiálně lze technologii navrhovat jako jedno případně vícestupňovou (investičně a provozně náročnější).
Obr. č. 3 – Technologie suché fermentace, diskontinuální technologie
Pro potřeby inokulace/očkování je využíváno jednak pravidelné vstřikování tzv. perkolátu (látka s obsahem vhodných kultur anaerobních mikororganismů) a přídavků části fermentačního zbytku z předchozího cyklu do čerstvé dávky substrátu. Podrobnější popis překračuje rámec a přehlednost těchto webových stránek.
Kontinuální technologie jsou doprovázeny vysokou investiční a provozní náročností a jsou využívány zpravidla pro zpracování komunálních a tříděných domovních odpadů. Reakční objem bývá rozdělen na několik fermentorů. Běžně jsou využívány ležaté fermentory (válcové i komorové) s 1 pomaloběžným míchacím zařízením, uloženým napříč celým fermentorem.
Srovnání
Srovnání technologií
Mokré technologie mají širší uplatnění, jsou historicky rozšířenější, technicky propracovanější a jsou dobře provozně prověřené. Bohatší technologická výbava a příslušenství (např. míchadla, čerpadla, drtiče, separace, …) zvyšuje provozní náklady (spotřeba elektřiny, servis a údržba) a četnosti poruch.
Suché technologie byly původně navržené pro zpracování komunálních bioodpadů. Vzhledem k nové přísnější legislativě se však domníváme, že v podmínkách ČR bude využitelná především v zemědělských provozech, kde jsou k dispozici pouze vysokosušinové substráty. Problematičtější bude uplatnění v komunálních a průmyslových projektech (technicky obtížnější splnění legislativních požadavků).
Z hlediska četnosti lze konstatovat, že silně převažují aplikace mokré fermentace nad suchou. Je to dáno historií, neboť většina bioplnových stanic je stavěna u intenzivních chovů zvířat. Také je nutné konstatovat, že k suchým technologiím existuje poměrně silná nedůvěra investorů a některých odborníků. Literární prameny uvádí, že stávající aplikace suché cesty mívá, ve srovnání s mokrou, nižší specifické výtěžnosti bioplynu. Je třeba si ovšem uvědomit, že suché fermentory zpracovávají substráty s cca 3-4 násobným obsahem organické hmoty oproti reaktorům na mokrou cestu. Suché technologie jsou zpravidla využívány u bioplynových stanic, které zpracovávají komunální a domovní odpady. V zemědělství ji lze zaznamenat jen zcela výjimečně. Nicméně je nutné si uvědomit, že každá technologie má své výhody a nevýhody. Např. suchou fermentaci lze použít i u biomasy, kterou nelze mokrou cestou jednoduše zpracovat (např. podestýlky na bázi pilin – v mokré cestě tvoří krusty, ucpávají čerpadla, nedokonale vytříděné bioodpady - příměsi plastů, dřeva, kovů, zeminy, atd.).
Z výše uvedeného stručného popisu je patrné, že je vždy nutné navrhovat technologii pro každý projekt individuálně. Samozřejmým a zcela základním dokumentem je proto studie proveditelnosti, která řeší všechny aspekty záměru a budoucího provozu, a to vč. využití přebytků tepla.