A baromfi toll biogáz-alapanyagként történő hasznosítása Bíró Tibor1 – Mézes Lili1 – Petis Mihály2 – Kovács Kornél3 –Bagi Zoltán3 - Hunyadi Gergely1 – Tamás János1 1
DE-AMTC MTK Víz- és Környezetgazdálkodási Tanszék, 2BátorTrade Kft., Nyírbátor, 3
SzTE TTIK Biotechnológiai Tanszék
A baromfi toll, mint vágóhídi hulladék ártalmatlanításának vagy hasznosításának többféle módja létezik. Hazánkban jórészt toll-lisztet készítenek belőle, de nagyüzemi komposztálására is van példa. A toll értékes szénforrása lehet a biogázüzemeknek is. A recepturába való illesztésének ugyanakkor több akadálya is van. Egyrészt a fizikai és kémiai sajátosságai nem teszik lehetővé a fermentorokba történő közvetlen adagolását, másrészt a feltáródása során jelentős kén-mennyiség szabadul fel, mely nem csak a mikrobiológiai folyamatokat gátolja, de jelentősen rontja a biogáz minőségét is. A toll mikrobiális úton történő előkezelésének témájában már évek óta folynak kutatások hazánkban (Perei et al, 2004), üzemi méretű alkalmazására ugyanakkor csak a közelmúltban került sor a Nyírbátori Regionális Biogázüzemben. A feltárt baromfi toll biomassza-recepturába való illesztése még számos próbafermentációt igényel. Az első lépéseik tapasztalatai bizakodásra adnak okot. A toll a C/N arányt kedvezően befolyásolja a kevert alapanyagokban, a legfőbb kérdés hogy milyen arányban szerepeltethető a recepturákban. A túlzott bevitel olyan mértékben növelheti a termelődő kén-hidrogén mennyiségét, mely a fermentációs folyamatok lassulását, akár leállását is eredményezheti. Vizsgálatainkkal egyrészt a baromfi toll előkezelésének üzemi méretű alkalmazhatóságát alapoztuk meg, másrészt meghatároztuk a feltárt toll bekeverhetőségének korlátait egy önkényesen választott biogázalapanyag esetében. Alkalmazott eszközök és módszerek A fermentációs folyamatokat gáz-analizátorok segítségével a Debreceni Egyetem Víz- és Környezetgazdálkodási Tanszékének kísérleti reaktoraiban vizsgáltuk. A fermentáció inkubáló szekrényekben (1. kép) szabályozott hőmérséklet mellett, egyenként 2 darab, 6 l térfogatú rozsdamentes légmentesen záró acéltartályban folyt. A megfelelő hőmérsékleti körülmények biztosítására hősugárzót és vezérlési funkcióval ellátott hőmérő szondákat alkalmaztunk. A kísérlet légköri nyomáson, anaerob 1. kép. Inkubáló szekrény körülmények között zajlott. A reaktorból távozó gázelegy összetételét – szűrést, és hűtést követően gázanalizátorokkal határoztuk meg. A biogáz-összetevőket FisherRosemount típusú (CH4, CO2, O2), valamint MX42A típusú (H2S, NH3) gázelemző készülékekkel mértük. A metán- és széndioxid-koncentráció meghatározása adott hullámhosszakon való abszorbancia-mérés alapján történt. A fermentálódó biomassza keverékek pH-ját, szárazanyag-tartalmát és a hőmérsékletét 1
meghatározott időközönként, a C%-ot, a N%-ot és a C/N arányt az eredeti és a végtermék esetében vizsgáltuk. Eredmények Baromfi toll feltárhatóságának vizsgálata A kutatás első fázisában a baromfitoll mikrorganizmusokkal történő feltárásának (PEREI és mtsai., 2004) technológiai paramétereit dolgoztuk ki. A hőkezelést főzőberendezésben 70, 100 és 130°C-on végeztük. A baromfitollat Bacillus licheniformis (KK1) kultúrával (PEREI és mtsai., 2004; BÁLINT et al., 2005) kezeltük. A kísérletekben az optimális pH, hőmérséklet, tollméret, és bacilus:toll arány értékek meghatározását végeztük el, valamint a paraméterek közötti összefüggéseket vizsgáltuk. A különböző kísérleti beállítások során a degradálódó anyag hígfázisának extinkcióját határoztuk meg, mellyel nyomon követhetővé vált a biodegradáció dinamikája. A kísérletekben a kezelés nélküli elegyben a hidrolízis mértéke jóval kisebb volt, mint a baktériummal kezeltekben (2. kép). A 70°C-on kezelt toll feltáródása volt a legintenzívebb. A legsikeresebb tollbontási intenzitás az 1%-os mikrobaaránynál volt 2. kép. A kontrollminta és az megfigyelhető. Az 1:3-as toll:víz arányú kezelések előkezelt toll összehasonlítása keverhetősége megfelelő volt és a legjobb feltáródás is ez esetben következett be. A 70°C-os hőkezelés, 1%-os bacilus:toll és 1:3-as toll:víz arányú kezeléskombináció anyag-, költségtakarékosság és biodegradálhatóság szempontjából is kedvező. Üzemi tollbontás
3. kép: Az üzemképes tartály és a szerelvényei: az oltás folyamata
Az üzemi kísérletek elvégzésére egy speciális duplafalú tartályt (un. Tycoon) alkalmaztunk a nyírbátori székhelyű BátorTrade Kft. nyíresi komposztáló telepén. A tartály egy 6 m3-es, palástfűtésű, belső keverőegységgel és levegőztetőberendezéssel ellátott berendezés (3. kép). A hőmérsékletet beépített hőmérőszonda mérte. A nyomást, a hőmérsékletet, a levegő-áramoltatás időtartamát vezérlőrendszerrel szabályoztuk. A folyamatosan mért adatokat az erre a célra kifejlesztett számítógépes szoftverrel rögzítettük. Az üzemi kísérletsorozatban több kezeléskombináció vizsgálatára került sor. Az előzetes laboratóriumi eredmények alapján az 1:3 arányú toll-víz elegyet 70 és 130°C-on 1 h időtartamig hőkezeltük 1% oltóanyaggal. A baktérium felszaporítását laboratóriumban végeztük, az oltás az üzemi kísérlet helyszínén történt. A kísérleteket megelőzően a tartályt forró gőzzel sterilizáltuk. A bontási folyamat kezdetétől a hőmérsékletet gőzáram segítségével a
2
baktériumok életfeltételeinek megfelelő 42°C-on tartottuk, az oxigén-ellátást 3 óránként 10 perces levegőztetéssel biztosítottuk. A helyszínen hőmérsékletet és pH-t, a BátorTrade Kft. nyírbátori laboratóriumában extinkciót és baktérium sejtszámot vizsgáltunk. A kezdeti és végtermék esetében a C, N, S%-ot és a C/N arányt határoztuk meg.
Az elvégzett üzemi kísérleteket ismétlés nélkül végeztük, tekintettel arra, hogy ekkora (6m3) méreteknél végzett kísérletek ismétlésére korlátozott lehetőségeink voltak. A tollbontás 4 nap oltástól számított tartózkodási idő és 10 fölötti extinkciós érték mellett volt eredményes. A kísérletekből megállapítható, hogy a 70°C-on előkezelt, 1%-os baktérium kultúrával beoltott, 1:3-as toll:víz arányú kezelés tekinthető a legkedvezőbbnek a bomlás hatékonysága, a tartózkodási idő szempontjából. A sertés hígtrágya és a baromfi toll együttes fermentálhatóságának vizsgálata A kísérlet harmadik szakaszában került sor a különböző arányban kevert sertés hígtrágya és toll együttes fermentálhatóságának vizsgálatára. A vizsgálatok során az előkezelt tollat 5, 10, 20 és 40%-os arányban kevertük hígtrágyával termofil és mezofil hőmérséklet mellett. A különböző beállításokat foglalja össze a 2. táblázat. 2. Táblázat: Kísérlet beállítási paraméterei Fermentáció hőmérséklete 35°C
baromfi toll : sertés hígtrágya arányok 5% 10% 20% 4,75kg: 4,5kg: 0,5kg 4 kg:1 kg 0,25kg
52°C
4,75kg: 0,25kg
4,5kg: 0,5kg
40% 3 kg: 2 kg
4 kg:1 kg
3 kg: 2 kg
80 70 60
tf%
50 40 30 20 10
Kezeletlen
5%
10%
20%
40%
57
56
55
52
51
50
46
45
44
43
42
42
37
36
35
31
30
29
29
28
24
22
17
13
10
5
3
0
0 t (d)
1. Ábra: A termofil fermentáció során keletkezett metán koncentrációja a toll:hígtrágya arány függvényében A termofil erjesztés során keletkezett, a fermentációs folyamatokat jól indikáló metán koncentráció változását szemlélteti az 1. ábra. A 20, illetve 40%-os keverési arány már a
3
fermentáció kezdeti szakaszában kedvezőtlen folyamatokat indított el. A maximális metánkoncentráció nem haladta meg a 30%-ot. Az 5 és 10%-os keverési arány esetében a metánkoncentrációk kedvezőbben alakultak. A 60% körül ingadozó értékek tartósnak bizonyultak. 50 45 40 35 ppm
30 25 20 15 10 5
5% toll
10% toll
20% toll
40% toll
57
56
55
52
51
50
46
45
44
43
42
42
37
36
35
31
30
29
29
28
24
22
17
13
10
5
3
0
0 t(d)
2. Ábra: Különböző arányban kevert toll:hígtrágya alapanyagok kénhidrogén termeléseinek változása A 2. ábra az 5, 10, 20, illetve 40%-os arányban előkezelt tollal kevert sertés hígtrágya fermentációja során - mezofil körülmények között - keletkezett kénhidrogén koncentrációit mutatja a tartózkodási idő függvényében. A H2S-koncentrációk a nagyobb tollarányoknál, a fermentáció kezdeti szakaszában voltak jelentősek, majd csökkenő tendenciát mutattak. A 20-21. napon újabb gáztermelési csúcsok jelentkeztek. Az 5 és 10%-os arányban kevert anyagok által termelt gázok kénhidrogénkoncentrációi - összevetve a nagyobb keverési arányokkal - kedvezőbben alakultak. A tartózkodási idő végén a kisebb keverési arányok esetében megnőtt a kibocsátott kénhidrogén mennyisége, mivel a toll gerincének bontása a fermentáció utolsó szakaszában indult meg. A kísérletek alapján megállapítható, hogy a sertés hígtrágyát és baromfi tollat tartalmazó alapanyag által termelt biogáz összetételét a keverési arány jelentős mértékben meghatározza. Az 5 és 10%-os tollarány esetén kedvezőbb volt a biogáz metán-tartalma a 20 és 40%-os arányokhoz képest. A mezofil és termofil hőmérsékletekre beállított kísérletek között nem volt lényegi eltérés a metánkoncentrációk tekintetében. A nehezen feltáródó (és komposztálható) toll a kidolgozott módszer segítségével nagy tömegben hasznosítható az energetikai célú biogáz-termelésben, valamint a komposztrecepturákban. A technológia az állategészségügyi és levegőtisztaság-védelmi előírásoknak is megfelel. Ezzel az eljárással baromfi toll elhelyezési-ártalmatlanítási problémái jelentősen enyhíthetők. A kutatás a Baross Gábor K+F pályázat (BAROSS-2-2005-0047) által nyújtott támogatással valósult meg. Irodalomjegyzék
4
BÁLINT, B.- BAGI, Z.- TÓTH A.- RÁKHELY G.- PEREI K.- KOVÁCS, K. L. (2005) Utilization of keratin-containing biowaste to produce biohydrogen. Applied Microbiology and Biotechnol. 69. 4: 404-410. PEREI K.-BAGI Z.- BÁLINT B.-CSANÁDI GY.- HOFNER P.-HORVÁTH L.-KARDOS GY.-MAGONY M.-RÁKHELY G.-ROMÁN GY.-TÓTH A.-ZSÍROS SZ.-KOVÁCS L. K. (2004) Mikrobák környezetvédelmi biotechnológiai hasznosításra. In: SZÉKÁCS A. (szerk.) (2004) Biokémia. A Magyar Biokémiai Egyesület tájékoztatója. 28. 3: 54–58.
5
