VLIV IRADIACE ULTRAZVUKEM NA PRODUKCI BIOPLYNU Ing. David Hrušťák, Cristina Serrano Gil Školitel: Prof. Ing. Pavel Ditl, DrSc. Abstrakt Článek se zabývá úpravou substrátu pomocí iradiace ultrazvukem a jejím vlivem na produkci bioplynu. Cílem práce je prokázání pozitivního účinku iradiace, nalezení optimálních parametrů (výkon, intenzita a doba působení). Experimenty jsou prováděny na fermentorech v paralelním uspořádání (ošetřený vs. neošetřený). Závěrem bude vyhodnocení vlivu iradiace ultrazvukem na produkci bioplynu. Klíčová slova: bioplyn, anaerobní fermentace, intenzita ultrazvuku, substrát, inokulum 1. Úvod Se zvyšující se poptávkou po obnovitelných zdrojích energie vyvstala otázka, jak ze současných zařízení produkujících bioplyn dostat ještě větší produkci. Bylo zjištěno, že úpravou vstupního substrátu se zvýší produkce bioplynu. V současné době se používají mechanické nebo nemechanické metody (fyzikální, chemické nebo biologické procesy). Všechny tyto metody mají pozitivní vliv na produkci bioplynu, ale také mají různé požadavky na svou spotřebu energie. Proto se nyní snažíme najít jiné metody, které také přinesou pozitivní vliv na produkci bioplynu, ale zároveň se sníží jejich požadavky na energii. Právě touto metodou by mohla být iradiace ultrazvukem. Použití této metody by mohlo být efektivní nejen po energetické, ale i ekonomické stránce. 2. Iradiace ultrazvukem Předpokladem je, že se zvolí taková intenzita ultrazvuku, která nezpůsobí kavitaci, tj. buňky nejsou porušeny. Ultrazvuk má za úkol v tomto případě pouze povzbudit - stimulovat aktivitu mikroorganismů, která způsobí zvýšení tvorby bioplynu a urychlení celého procesu fermentace. Mezi nejdůležitější parametry ultrazvuku (US) řadíme: Tabulka 1. – Nejdůležitější parametry iradiace VÝKON P [W] FREKVENCE f [kHz] INTENZITA I [W.cm-2] DOBA ZDRŽENÍ t [s] CELKOVÁ DOBA PŮSOBENÍ US tcelk
[min]
SPECIFICKÝ VÝKON Pv
[W.cm-3]
2.1. Růstová křivka mikroorganismů, aplikace ultrazvuku Produkce bioplynu závisí na růstové křivce mikroorganismů, ta se dělí do několika fází. Tyto fáze jsou zobrazeny na následujícím obrázku 1.
Obr. 1. Růstová křivka mikroorganismů Tabulka 2. – Jednotlivé fáze růstové křivky
Aplikace ultrazvuku probíhá ve druhé fázi, tj. ve fázi zrychleného růstu, kdy se přizpůsobené mikroorganismy začínají silně množit (v našich experimentech cca po 20 hodinách). První parametry nastavení ultrazvuku vycházely z literární rešerše dříve prováděných experimentů. Zde jsme se zaměřovali na hodnotu intenzity, kdy jsme používali hodnotu cca 0,3 W/cm2. Tyto nastavení (v tabulce 3. nazvané ’’dříve’’) na námi používaném ultrazvuku neprokazovali vliv na produkci bioplynu. Proto jsme se pustili do nového hledání v literatuře. Byly nalezeny dvě studie, které se zabývali iradiací ultrazvukem v aerobním prostředí. Nastavení parametrů v těchto experimentech se shodovalo s nastavením v projektu BIOFERM, prováděném na naší fakultě. Zjistili jsme, že jedním z důležitých parametrů je specifická energie J/cm3 .Závislost rychlosti růstu mikroorganismů na specifické energie ukazuje následující obrázek 2.
Obr. 2. Závislost rychlosti růstu na specifické energii Po tomto zjištění byly optimalizovány nastavované parametry na ultrazvuku a otáčky na čerpadle. Jak dokládá následující tabulka 3 s uvedenými parametry, změnil se výkon, tím i specifická energie, a průtok inokula ultrazvukem. Tabulka 3. – Nastavované parametry experiment 1 2 dříve frekvence US kHz 40 40 40 výkon W plocha cm2 objem l intenzita W/cm2 průtok l/min čas min doba zdržení min energie kJ specifická energie J/cm3
200 2270 2,8 0,088 3,2 14 0,875 168 4,67
200 2270 2,8 0,088 3,2 14 0,875 168 4,67
700 2270 2,8 0,308 1 70 2,8 2940 81,67
3. Experimenty 3.1. Měřící zařízení Experimenty jsou prováděny v poloprovozním měřítku za použití dvou fermentorů. Experimenty probíhají paralelně, kdy jeden fermentor je ošetřován a druhý nikoli. Schéma zapojení fermentoru a ultrazvuku je na obr. 3
1 2 3 4 5 6
Fermentor Čerpadlo Ultrazvuk Průtokoměr Analyzátor plynu Zásobník NaOH Čerpadlo na úpravu 7 pH 8 Monitoring Obr. 3. Schéma experimentálního zařízení Pro ošetřování ování se používá zařízení zař BANDELIN M 1000 (max. výkon 1000 W – rozsah nastavitelnosti po 100 W, frekvence 40 kHz), která umožňuje umo uje plynulé nastavení intenzity.
Obr. 4. Ultrazvukový generátor a komora BANDELIN M 1000 3.2. Substrát Jako substrát používáme kukuřičnou kukuř siláž ze ZOD Brniště.. Siláž se jeví jako nejdostupnější nejdostupn a nejlepší substrát pro experimenty. Složení používané siláže jsou uvedeny níže v tabulce 4. Tabulka 4. – Prvkové složení siláže Ukazatel Jednotka Sušina 105ºC 25.37 % hm. Uhlík 44.86 % hm. suš. Organický uhlík 44.46 % hm. suš. Síra 0.36 % hm. suš. Fosfor 0.14 % hm. suš. Dusík 0.97 % hm. suš. Vodík 6.26 % hm. suš. Kyslík (dopočítaný) 43.76 % hm. suš.
3.3. Inokulum Inokulum je vyfermentovaná odpadní voda z čistírny odpadních vod v České Lípě. Složení inokula je uvedeno níže. Tabulka 5. – Prvkové složení inokula Ukazatel Jednotka CHSK Cr 22300 mg/l Sušina 105ºC 0.69 % hm Popel 550 °C 48.94 % hm. suš 3.4. Parametry ultrazvuku Parametry ultrazvuku, voleny na základě nových studijních materiálů, ukazuje tabulka 6. Tabulka 6. – Parametry používané při experimentech experiment 1 2 frekvence US kHz 40 40 výkon W plocha cm2 objem l intenzita W/cm2 průtok l/min čas min doba zdržení min energie kJ specifická energie J/cm3
200 2270 2,8 0,088 3,2 14 0,875 168 4,67
200 2270 2,8 0,088 3,2 14 0,875 168 4,67
3.5. Vyhodnocení experimentů Vyprodukované množství bioplynu bylo přepočítáno pomocí stavové rovnice na Nl při teplotě: 0°C, tlaku: 101,325 kPa. Experiment 1 600 500 400
V [NL/kg VS]
300 ošetřeno 200 neošetřeno 100 0 0
100
200
300
400
500
600
700
čas fermentace [h]
Obr. 5. Kumulovaná produkce bioplynu
800
VCH4 [NL/Kg VS]
300 250 200 150 ošetřeno
100
neošetřeno
50 0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
čas fermentace [h]
[] [%]
Obr. 6. Kumulovaná produkce metanu
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
CH4 ošetřeno CH4 neošetřeno CO2 ošetřeno CO2 neošetřeno O2 ošetřeno 0
100
200
300
400
500
600
700
800
O2 neošetřeno
čas fermentace [h]
Obr. 7. Objemové složení bioplynu v průběhu experimentu Tabulka 7. – Vyhodnocení experimentu 1 fermentace s ošetřením fermentace bez ošetření
V [Nl/kg VS] VCH4 [Nl/kg VS] x CH4 max [%] 498,67 250,36 81,12 434,99 223,62 79,71
Produkce bioplynu se zvýšila o 12,8 %, produkce metanu se zvýšila o 11,9 %. Z grafu produkce bioplynu je vidět u ošetřeného fermentoru rychlejší nástup produkce bioplynu, což také dokládá pozitivní vliv použití iradiace. Vliv iradiace na produkci bioplynu zde byl prokázán.
Experiment 2 600
V [NL/kg VS
500 400 300 ošetřeno 200
neošetřeno
100 0 0
100
200
300
400
500
600
700
čas fermentace [h]
Obr. 8. Kumulovaná produkce bioplynu 300 VCH4 [NL/Kg VS]
250 200 150 ošetřeno 100 neošetřeno 50 0 0
100
200
300
400
500
600
700
čas fermentace [h]
Obr. 9. Kumulovaná produkce metanu 90 80
[] [%]
70 60
CH4 ošetřeno
50
CH4 neošetřeno
40
CO2 ošetřeno
30 CO2 neošetřeno 20 O2 ošetřeno 10 O2 neošetřeno
0 0
100
200
300
400
500
600
700
čas fermentace [h]
Obr. 10. Objemové složení bioplynu v průběhu experimentu
Tabulka 8. – Vyhodnocení experimentu 1 fermentace s ošetřením fermentace bez ošetření
V [Nl/kg VS] VCH4 [Nl/kg VS] x CH4 max [%] 491,96 275,43 85,15 471,22 244,17 67,28
Produkce bioplynu se zvýšila o 4,4 %, produkce metanu se zvýšila o 12,8 % 4. Závěr Na provedených experimentech byl prokázán vliv iradiace na produkci bioplynu. Použité nastavení parametrů ultrazvuku je znázorněno v tabulce 9. Tabulka 9. – Nastavované parametry experimentů experiment 1 2 frekvence US kHz 40 40 výkon W plocha cm2 objem l intenzita W/cm2 průtok l/min čas min doba zdržení min energie kJ specifická energie J/cm3
200 2270 2,8 0,088 3,2 14 0,875 168 4,67
200 2270 2,8 0,088 3,2 14 0,875 168 4,67
V obou dvou případech byly použity stejné parametry. Tyto zvolené parametry měly pozitivní vliv na produkci bioplynu a metanu. Dosažené produkce jsou zobrazeny v tabulce 10. Tabulka 10. – Vyhodnocení experimentů 1 2
fermentace s ošetřením fermentace bez ošetření fermentace s ošetřením fermentace bez ošetření
V [Nl/kg VS] VCH4 [Nl/kg VS] x CH4 max [%] 498,67 250,36 81,12 434,99 223,62 79,71 491,96 275,43 85,15 471,22 244,17 67,28
Z těchto hodnot je vidět, že bylo dosaženo u experimentu 1 12,8%, u experimentu 2 4,4% zvýšení produkce bioplynu. U obou experimentů bylo dosaženo srovnatelných hodnot produkce metanu, a to cca 12%. Podařilo se tedy prokázat vliv iradiace na produkci bioplynu.
Seznam použité literatury [1] SERRANO GIL, Effect of ultrasonic irradiation on biogas production. Praha 2011. Diploma Thesis. ČVUT v Praze [2] XIE, B., LIU, H., YAN, Y. Improvement of the activity of anaerobic sludge by low-intensity ultrasound. Journal of Environmental Management. 2007. Volume 90, pages 260-264. [3] LIU, H., YAN, Y., WANG, W., YU, Y. Low intensity ultrasound stimulates biological activity of aerobic activated sludge. Environ. Sci. Engin. China. 2007, no 1, pages 67–72. [4] DANĚK, Vliv aktivace ultrazvukem na zvýšení produkce bioplynu. Praha, 2009. 82 s. Diplomová práce. ČVUT v Praze. [5] SVITÁKOVÁ, BIOWELL - Ultrasonic Bioreactors Sardinia. Praha: Czech Technical University, 2006. s. 18.
