Výzkumný ústav zemědělské techniky, v.v.i. Drnovská 507 161 01 Praha 6 - Ruzyně
ZJIŠŤOVÁNÍ MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ PRODUKCE BIOPLYNU Z FERMENTÁTU POMOCÍ PŘÍPRAVKU GASBACKING
Objednavatel: ENZYMIX s.r.o. Frindova 612/24
40746, Krásná Lípa
Zpracovali:
Ing. Jaroslav Kára, CSc. Ing. Irena Hanzlíková Ing. Dana Čandová
Kontroloval:
Ing. Jaroslav Kára, CSc.
STANOVENÍ MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ PRODUKCE BIOPLYNU S POUŽITÍM ADITIVA PRO ANAEROBNÍ FERMENTACI SUBSTRÁTU V BIOPLYNOVÉ STANICI (Jako vzorový materiál pro pokus byl použit zfermentovaný substrát – fermentát z BPS Energetika Kněžice, s.r.o. ) bĚHEM laboratorních pokusŮ jsme zjišťovali orientační produkcI bioplynu při anaerobní fermentaci vzorků fermentačních zbytků dodaných z bioplynové stanice Energetika Kněžice, s.r.o. bez aditiv a s aditivy. Anaerobní fermentace je biotechnologie, která umožňuje a urychluje biodegradaci a recyklaci přírodních struktur rostlinného nebo živočišného původu na základě degradabilního mezofilního nebo termofilního procesu. Přídavkem aditiv, tj. enzymatických, nebo obecně biologicky aktivních prostředků lze tento proces příznivě ovlivnit a zvýšit produkci bioplynu, nebo metanu. Postup stanovení výtěžnosti bioplynu Pro dodané vzorky fermentačních zbytků, neboli fermentátu byly v mezofilních podmínkách, (teplota procesu 42 oC) zjišťovány produkce bioplynu a jeho chemické složení. V laboratorních pokusech byly vzorky pro výrobu bioplynu testovány na malých zařízeních o objemu 1 l. Sada fermentorů je ve vyhřívané vodní lázni. Každý fermentor má svůj plynojem pro odečet produkce bioplynu. Pouze pro ilustraci uvádíme zařízení laboratoře na obrázcích 1 až 7.
Obr. 1: Malé laboratorní fermentory o objemu Obr. 2: Malé laboratorní plynojemy o objemu 1 litr. 3 litry.
1
Obr. 3: Velké laboratorní fermentory
Obr. 4: Plynoměry pro velké fermentory
Obr. 5 a 6: Analyzátory plynu AIR LF a Dräger X-am 700,
Tato malá zařízení slouží k hrubému odhadu produkce bioplynu a dalších vlastností směsí různých substrátů, potravinářských odpadů, jatečních odpadů, fytomasy energetických plodin, kejdy, fugátu a neutralizačních činidel pro snížení kyselosti anaerobně zpracovávané směsi organických substrátů a různých enzymatických a bakteriálních aditiv pro ovlivňování průběhu procesu. Pro analýzu vznikajícího bioplynu používáme analyzátor AIR LF se kterým je možné měřit koncentraci CO2 a CH4, příp. i O2. Paralelní, nebo upřesňující měření můžeme realizovat analyzátorem plynu Dräger X-am 700, který mimo dříve uvedených plynů měří i koncentrace H2S. Současně je V LABORATOŘI k dispozici dvojice větších reaktorů o objemu 100 l, sloužících k provádění srovnávacích měření metanogeneze. Směsi odzkoušené s dobrými výsledky v malých fermentorech jsou pak v případě potřeby dále ověřovány v těchto větších laboratorních fermentorech. Velké fermentory o objemu 100 l nebyly zatím pro testování vzorků ADITIVA GASBACKING využity. Větší reaktor modeluje samozřejmě lépe přiblížení provozním podmínkám. Umožňuje lépe optimalizovat složení fermentační směsi, lépe kontrolovat průběh procesu a
2
sledovat vliv provozní teploty. Pro drtivou většinu aplikací a ověření základních parametrů zkoumaného substrátu však stačí laboratorní fermentory o objemu 1 l.
1 - skleněná nádržka 3 l 2 - základová deska 3 - pryžová hadice pro
přívod
bioplynu
4 - vodní nádrž 5 - zadržovaný bioplyn
Obr. 7: Schéma vodního plynojemu pro jímání bioplynu (1 sekce)
VLIV PŘÍPRAVKU ADITIVA GASBACKING V SUBSTRÁTU BPS KNĚŽICE NA MNOŽSTVÍ A KVALITU PRODUKCE BIOPLYNU Odběratelem byly dodány vzorky ADITIVA GASBACKING. Odvoz nádob se substrátem z BPS Kněžice jsme zajistili sami. Jednalo se o zfermentovaný materiál z bioplynové stanice, fermentát. Pro ověřovací pokus bylo využito tří sad pokusných fermentorů o objemu 1 litr, jedna s neupraveným substrátem, tak jak opouští bioplynovou stanici, druhá upravená přípravkem GASBACKING v koncentraci 0,05 g na litr a třetí upravená přípravkem GASBACKING v koncentraci 0,07 g na litr substrátu. Pro přesnější dávkování byl přípravek GASBACKING naředěn: - pro dávkování 0,05 g na litr bylo rozpuštěno 5 g výrobku ve 100 ml vody a dávkoval se 1 ml připraveného roztoku na litr substrátu - pro dávkování 0,07 g na litr bylo rozpuštěno 7 g výrobku ve 100 ml vody a dávkoval se 1 ml připraveného roztoku na litr substrátu Doba trvání pokusu: Obvykle by měla trvat 50 dní, u snadno rozložitelných substrátů můžeme tolerovat dobu trvání 30 dní, v našem případě však již po 25 dnech byla produkce bioplynu minimální a proto byl pokus ukončen. Jak bylo uvedeno výše pokus byl založen v malých fermentorech o objemu 1 l ve třech sadách se dvěma fermentory v každé sadě (celkem 6 fermentorů)
3
Dávkování sady fermentorů č.: 1 1a 2a 1 l fermentát z BPS KO, kontrola, bez aditiva 2 3a 4a 1 l fermentát z BPS + 0,05 g GASBACKINGu v 1 kg 3 5a 6a 1 l fermentát z BPS + 0,07 g GASBACKINGu v 1 kg Receptura ředění pro dávkování je uvedena v tabulce1. Tab. 1: Receptura koncentrace aditiva při laboratorním pokusu LB/17-/09, BPS Kněžice + Gasbacking Varianta
Přípravek
1
Gasbacking
Ředění 5 g výrobku rozpustit v 100 ml vody. - dávkovat 1 ml
Dávkování 1 l 0,05g /1kg 50g /1t
Varianta
Přípravek
Dávkování 1 l
Ředění
2
Gasbacking
0,07g /1kg
7 g výrobku rozpustit v 100 ml vody. - dávkovat 1 ml
70g /1t
Úbytek sušiny a organické sušiny před a po anaerobním zpracování je zaznamenán v tabulkách 2 a 3. Tab. 2: Sušina vzorků před a po anaerobním zpracování
Materiál
pH
Datum založení
Číslo
8,62 8,62
9.11.
Hmotnost (g) brutto brutto 1 2
sušina
sušina průměr
vysouš.
před suš.
po suš.
%
%
8 9
72,36 76,85
254,78 287,96
80,26 85,42
4,33 4,06
4,20
218 215 207 205 214 210
72,2 72,61 91,1 82,45 80,15 69,58
198,65 224,33 195,66 194,23 174,32 189,99
76,5 77,78 94,55 86,23 83,21 73,42
3,40 3,41 3,30 3,38 3,25 3,19
ukončení BPS Kněžice + aditivum Gasbacking fermentát Kněžice fermentát Kněžice Závěr pokusu 1a 2a 3a 4a 5a 6a
tara
4.12. 8,8 8,9 9,2 9,3 9,3 9,3
4
3,40 3,34 3,22
Tab. 3: Organická sušina - (spalitelné látky) před a po anaerobním zpracování Hmotnost (g) Materiál
Datum
Číslo
tara kelímku
brutto 1 před pál.
brutto 2 po pál.
org.sušina
org.suš. průměr
popel.
popel průměr
%
%
%
%
Začátek pokusu LB/17/09 - BPS Kněžice + aditivum Gasbacking fermentát Kněžice 10.11. 14 19,487 22,639 21,564 fermentát Kněžice 15 19,514 20,995 20,183 Závěr pokusu 5.12. 15 19,512 21,521 20,509 1a 16 20,894 23,281 22,111 2a 17 19,186 21,102 20,226 3a 18 20,090 22,452 21,352 4a 19 19,932 21,861 20,951 5a 20 19,504 21,545 20,556 6a
53,63 54,79
54,21
50,34 49,00 45,71 46,58 47,14 48,45
49,67 46,14 47,80
51,88 45,21 49,66 51,00 54,29 53,42 52,86 51,55
48,55
50,33 53,86 52,20
Hmotnostní úbytek materiálu během pokusu je uveden v tabulce 4, denní a kumulativní produkce bioplynu bez aditiva a s aditivy je na obrázcích 1 a 2.
Tab. 4: Hmotnostní úbytek materiálu v jednotlivých reaktorech Fermentát BPS Kněžice + aditivum Gasbacking Datum:
9. 11. - 4. 12. 2009 Doba zdržení: 26 dní Číslo pokusu: LB/17/09
Hmotnost lahve Vzorek pH začátek
pH konec
Brutto začátek
Sušina směsi
Brutto konec
úbytek
úbytek
(g)
(%)
začátek
konec
(%)
Úbytek % sušiny směsi na konci pokusu
Úbytek sušiny směsi v % na konci pokusu ze 100% základu
Fermentát + aditivum Gasbacking
Reaktor
KO
1a
8,6
8,8
1084,8
1075,6
9,2
0,85
4,2
3,4
0,8
19,05
KO
2a
8,6
8,9
1084,0
1074,9
9,1
0,84
4,2
3,41
0,79
18,81
0,05g
3a
8,6
9,2
1085,7
1072,9
12,8
1,18
4,2
3,3
0,9
21,43
0,05g
4a
8,6
9,3
1085,4
1072,3
13,1
1,21
4,2
3,38
0,82
19,52
0,07g
5a
8,6
9,3
1083,2
1070,6
12,6
1,16
4,2
3,25
0,95
22,62
0,07g
6a
8,6
9,3
1086,2
1073,2
13,0
1,20
4,2
3,19
1,01
24,05
(g)
5
Denní produkce bioplynu v laboratorních fermentorech fermentát BPS Kněžice + aditivum Gasbacking
p ro d u kce b io p lyn u (m l . d en - 1 )
1200
1000 800
600
400 200
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
KO - fermentát 1a fermentát + 0,05g aditiva Gasbacking 3a fermentát + 0,07g aditiva Gasbacking 5a
13 14 čas (den)
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
KO - fermentát 2a fermentát + 0,05g aditiva Gasbacking 4a fermentát + 0,07g aditiva Gasbacking 6a
Obr. 1: Denní produkce bioplynu, laboratorní fermentory bez aditiva a s aditivy
Kumulativní produkce bioplynu fermentát BPS Kněžice + aditivum Gasbacking 300,0
200,0
-1
bioplyn (l.1kg sušiny)
250,0
150,0 100,0 50,0 0,0 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 čas (den) KO - fermentát 1a KO - fermentát 2a fermentát + 0,05g aditiva Gasbacking 3a fermentát + 0,07g aditiva Gasbacking 5a fermentát + 0,05g aditiva Gasbacking 4a fermentát + 0,07g aditiva Gasbacking 6a
Obr. 2: Kumulativní produkce bioplynu, laboratorní fermentory bez aditiva a s aditivy
Produkce bioplynu, zvýšení produkce bioplynu, koncentrace metanu ve zkušebních vzorcích jsou číselně zpracovány v tabulkách 5 až 7.
6
25
Tab. 5: Výsledné průměrné koncentrace metanu ve vzorcích Fermentory s náplní
KO CH4
0,05g GB CH4
0,07g GB CH4
Průměrné hodnoty %
43,6
49,9
52,2
Tab. 6: Produkce bioplynu a metanu během pokusu v l.kg-1 sušiny KO
0,05g GB
0,07g GB
Produkce bioplynu během pokusu l.kg-1 sušiny
227,1
264,3
265,2
Produkce metanu během pokusu l.kg-1 sušiny
99,0
131,9
138,3
Tab. 7: Nárust produkce bioplynu a metanu během pokusu při porovnání kontrolního vzorku se vzorky s aditivy v % KO
0,05g GB
0,07g GB
Zvýšení produkce bioplynu během pokusu v (%)
0
16,38
16,77
Zvýšení produkce metanu během pokusu v (%)
0
33,23
39,7
Závěr Během ověřovacího pokusu se proti kontrole zvýšila produkce bioplynu a metanu s použitím aditiva GASBACKING. Nárůst produkce bioplynu je u dávkování 0,05 g GASBACKINGu v 1 kg fermentátu 16,38 % a u dávkování 0,07 g je 16,77%, prakticky skoro stejný, jen o něco málo lepší. Zato nárůst produkce metanu je u dávkování 0,05 g GASBACKINGu v 1 kg fermentátu 33,23 % a u dávkování 0,07 g je 39,7%. Obecně se podstatně zvyšuje produkce metanu, což je příznivé z energetického hlediska při využití bioplynu pro výrobu elektřiny v kogenerační jednotce.
7
