W roku 2024 na całym świecie nastąpi nasilenie zwrotu w kierunku odnawialnych źródeł energii, a biogaz stanie się kluczowym elementem zrównoważonych rozwiązań energetycznych.
Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) przewiduje się, że do 2030 roku produkcja biogazu wzrośnie o 40% dzięki postępowi w technologii fermentacji beztlenowej i rosnącemu zapotrzebowaniu na czystą energię.
Indie, jeden z największych producentów odpadów organicznych, skupiają się na biogazie jako zdecentralizowanym rozwiązaniu energetycznym, a inicjatywy rządowe, takie jak program Zrównoważonej Alternatywy na Rzecz Przystępnego Transportu (SATAT), promują produkcję sprężonego biogazu (CBG).
W obliczu stale rosnących obaw dotyczących gospodarki odpadami i bezpieczeństwa energetycznego, wykorzystanie energii pochodzącej z rozkładu materii organicznej stanowi skuteczne rozwiązanie.
Energia nie powstaje ani nie ulega zniszczeniu; przekształca się z jednej formy energii w inną.
Każdy jest dobrze zaznajomiony z tą zasadą termodynamiki.
Nasuwa się więc szereg pytań dotyczących tego, co dzieje się z materią organiczną podczas rozkładu.
Co można zrobić, aby wykorzystać energię powstającą w wyniku rozkładu materii organicznej?
Mówiąc prościej, produkcja energii z rozkładu materii organicznej to idealny wynik, jakiego można oczekiwać od każdej strategii zagospodarowania odpadów!
Gdy materiał organiczny ulega rozkładowi, przechodzi przez szlaki fermentacji tlenowej lub beztlenowej, w zależności od dostępności powietrza i warunków środowiskowych.
Tlenowy oznacza taki, w którym występuje tlen, a beztlenowy oznacza taki, w którym nie występuje tlen.
Ponieważ są to dwa zupełnie różne procesy, oba są przeprowadzane przez różne grupy bakterii i prowadzą do powstania różnych produktów końcowych.
Energię uwalnianą w procesie biodegradacji odpadów organicznych można wykorzystać i przekształcić w użyteczny produkt.
Kontrolowana fermentacja tlenowa materii organicznej może dostarczyć nam bogatego w składniki odżywcze nawozu, znanego jako kompost.
Podobnie proces fermentacji beztlenowej może prowadzić do produkcji biogazu , który może być niezwykle użytecznym źródłem energii mającym wiele zastosowań.
Naturalny proces trawienia beztlenowego zachodzi w żołądkach przeżuwaczy lub zwierząt bagiennych.
W procesie beztlenowym mikroorganizmy rozkładają materię organiczną, wytwarzając biogaz, który jest mieszaniną metanu (CH4), dwutlenku węgla (CO2), siarkowodoru (H2S), tlenku węgla (CO), wodoru (H2), azotu (N2) i pary wodnej.
Spośród wszystkich produktów końcowych uzyskanych w wyniku fermentacji beztlenowej metan jest najciekawszym gazem ze względu na swoje właściwości.
Metan wytwarzany z biogazu jest palny i może być wykorzystywany jako źródło energii.
Proces produkcji biogazu to wieloetapowy proces, w którym na każdym etapie uczestniczy inny zestaw bakterii.
Materiał organiczny przechodzi przez szereg etapów degradacji, tj. hydrolizę, kwasogenezę, acetogenezę i metanogenezę.
Na końcu tego łańcucha procesów materia organiczna przekształca się w metan i inne produkty końcowe, a proces ten znany jest jako produkcja biogazu.
Materiał organiczny dodawany do reaktorów beztlenowych jest z natury złożonym polimerem.
Proces hydrolizy polega zasadniczo na rozkładzie organicznych makrocząsteczek na mniejsze związki.
Bakterie hydrolityczne wydzielają enzymy, takie jak amylaza, celuloza, proteaza i lipaza, które rozkładają węglowodany na proste cukry, takie jak monosacharydy i disacharydy, a białka przekształcają się w aminokwasy, a lipidy w różne łańcuchy kwasów tłuszczowych.
Optymalne pH hydrolizy wynosi od 6 do 7, a zakres temperatur wynosi od 30 do 50 °C.
To pierwszy krok w kierunku produkcji biogazu i jest on bardzo ważny, gdyż im większy jest rozkład złożonej materii, tym więcej substratu jest dostępnego do produkcji biogazu.
Końcowym produktem hydrolizy są związki małocząsteczkowe, które mogą przenikać przez błonę komórkową bakterii acidogennych.
Bakterie acidogenne przekształcają związki prekursorowe w związki pośrednie, znane jako lotne kwasy tłuszczowe (LKT) , alkohole, takie jak metanol, etanol i aldehydy, oraz CO2.
Kwasy tłuszczowe lotne (LFA) składają się z kwasów organicznych, takich jak octany, oraz większych kwasów organicznych, takich jak propionian, maślan i pentanian, w różnych proporcjach.
Octan jest bezpośrednio wykorzystywany jako substrat w metanogenezie, ale nie ma to miejsca w przypadku wyższych kwasów organicznych.
Acetogeneza to proces, w którym wyższe kwasy organiczne, takie jak propionian i maślan, są przekształcane w octan i wodór przez bakterie acetoklastyczne.
W procesie acetogenezy powstaje około 25% octanów, natomiast około 11% wodoru.
Metanogeneza jest ostatnim etapem fermentacji beztlenowej.
Bakterie metanogenne przekształcają produkty pośrednie z poprzednich etapów, takie jak octany, wodór, metanol i metyloaminę, w metan i H2O.
Octan jest zużywany przez acetoklastyczne organizmy metanogenne i przekształcany w metan.
Inna grupa hydrogenotroficznych metanogenów redukuje CO2 przy użyciu wodoru, wytwarzając metan podczas etapu acetogenezy i przekształcając go w metan.
Proces metanogenezy zachodzi przy wyższym pH. 2/3 wytwarzanego metanu powstaje w wyniku metanogenezy acetoklastycznej, a 1/3 w wyniku metanogenezy hydrogenotroficznej.
Proces hydrolizy przeprowadzany jest przez grupę bakterii beztlenowych, takich jak Streptococcus i Enterobacterium, zwanych również bakteriami fermentacyjnymi.
Wydzielają enzymy zewnątrzkomórkowe, które są adsorbowane na odpadach poddawanych trawieniu.
Zhydrolizowane odpady są następnie przekształcane w kwasy organiczne przez bakterie z rodzaju Pseudomonas, Bacillus , Clostridium, Micrococcus lub Flavobacterium.
W zależności od zróżnicowania populacji mikroorganizmów proces kwasogenezy może przebiegać albo w procesie uwodornionym, gdzie bezpośrednimi produktami końcowymi są octany, wodór i CO2, albo w procesie odwodornionym, gdzie odpady są przekształcane w wyższe kwasy organiczne.
Inną funkcją bakterii fakultatywnych acidogennych jest tworzenie środowiska pracy dla bezwzględnych beztlenowców w następujących procesach.
Beztlenowce fakultatywne wykorzystują cały tlen obecny w reaktorze, tworząc warunki całkowicie beztlenowe.
Proces acetogenezy przeprowadzany jest przez bakterie z rodzaju Syntrophomonas i Syntrophobacter, które przekształcają maślan i propionian w octan i wodór, a niektóre bakterie, takie jak Methanobacterium suboxydans, przekształcają kwas pentanowy w kwas propionowy, podczas gdy Methanobacterium propionicum przekształcają kwas propionowy w octan.
Wodór uwalniany w wyniku acetogenezy hamuje rozwój bakterii octowych; w takim przypadku bakterie hydrogenotroficzne działają symbiotycznie, przekształcając uwolniony wodór w metan, a proces ten nazywa się również syntrofią.
Ostatni etap metanogenezy przeprowadzany jest również przez dwa różne zestawy bakterii, w zależności od substratu wykorzystanego do wytwarzania metanu.
Bakterie acetotroficzne, takie jak Methanosarcina i Methanosaeta, to najpowszechniejsze rodzaje bakterii acetotroficznych, które przekształcają metan z octanu, podczas gdy rodzaje Methanobacteriaceae i Methanoculleus to powszechne bakterie hydrogenotroficzne wykorzystujące wodór jako produkt pośredni do wytwarzania metanu.
Ogólnie rzecz biorąc, fermentacja beztlenowa jest procesem wrażliwym, dlatego należy używać specjalnego rodzaju materiałów.
Pasze przeznaczone dla ludzi i zwierząt oraz ich produkty uboczne mogą być wykorzystane jako surowiec do produkcji biogazu.
Aby wybrać surowiec do produkcji biogazu, konieczne jest uwzględnienie zawartości wody, całkowitej zawartości substancji stałych i substancji lotnych w danym surowcu.
Każdy materiał zawiera wodę i suchą masę.
Suchą masę można dalej klasyfikować jako całkowitą zawartość substancji stałych, która jest całkowitą masą substancji stałych, oraz substancje lotne, które są całkowitą ilością biodegradowalnej materii organicznej.
Zaleca się stosowanie materiałów o wysokiej zawartości substancji lotnych.
Produkty uboczne żywności mogą być wykorzystywane jako surowiec do produkcji biogazu , który można łatwo uzyskać z odpadów rynkowych, z przetwórstwa spożywczego i restauracji po niskiej cenie.
Produkty uboczne żywności łatwo ulegają degradacji.
Do produkcji biogazu zaleca się korzystanie z jednego, stałego źródła żywności, aby mieć stały surowiec.
Obornik to niestrawiona pasza dla zwierząt z dodatkową wodą i ściółką. Jest również dobrym źródłem mikroorganizmów.
Najczęściej wybieranym rodzajem obornika jest obornik bydlęcy, natomiast obornik świński i drobiowy zawiera dużą ilość azotu. W związku z tym może on prowadzić do niskiego stosunku C:N w układzie reakcji.
Najlepiej do fermentacji beztlenowej nadaje się świeży obornik.
Dodanie roślin energetycznych jako surowca wtórnego może zwiększyć produkcję biogazu.
Do upraw energetycznych zalicza się trawy, kiszonkę kukurydzianą i sianokiszonkę.
Rośliny energetyczne zazwyczaj trzeba kupować na rynku, stąd wytworzona energia powinna pokrywać koszt surowców.
Bioreaktor beztlenowy to jednostka przetwórcza, w której materiał organiczny jest poddawany beztlenowemu rozkładowi w kontrolowanych warunkach, co wspomaga powstawanie pofermentu i produkcję biogazu.
Bioreaktor beztlenowy jest zamkniętą, hermetyczną konstrukcją.
Posiada rurę wlotową, która zapewnia dodawanie surowca do bioreaktora.
Rura wlotowa dociera do digestera. W digesterze odbywa się cała fermentacja beztlenowa.
Objętość fermentora jest dzielona w celu utrzymania wymaganej ilości zawiesiny i przestrzeni nad powierzchnią, co umożliwia gromadzenie się gazu podczas produkcji biogazu.
Na górze biogazowni znajduje się rura gazowa z zaworem kontrolującym wypływ gazu po rozpoczęciu produkcji biogazu.
Znajduje się tam obszar wylotowy i obszar przelewowy, który zbiera nadmiar gnojowicy i umożliwia jej przelewanie się, gdy jest to konieczne.
Najczęściej stosowanym parametrem operacyjnym w procesie fermentacji beztlenowej i produkcji biogazu jest jednoetapowy, ciągły system pracujący w warunkach mezofilowych, w których jako surowiec najlepiej nadają się mokre odpady.
Biorąc pod uwagę te parametry i skalowalność, idealnymi technologiami do produkcji biogazu są reaktor kopułowy, reaktor bębnowy i reaktor balonowy.
Stały bioreaktor kopułowy to zamknięty system zbudowany z cegieł i cementu.
Część fermentacyjna znajduje się pod ziemią, natomiast wlot, zawór sterujący gazem i wylot znajdują się nad ziemią.
Ten typ reaktora charakteryzuje się stosunkowo długą żywotnością wśród reaktorów stosowanych w produkcji biogazu.
Budownictwo podziemne pozwala zaoszczędzić miejsce i niweluje wahania temperatury na zewnątrz.
Pływający bęben działa na podobnej zasadzie jak stała kopuła, ale główną różnicą jest to, że zbiornik fermentacyjny znajduje się pod ziemią, podczas gdy bęben gromadzący gaz unosi się nad ziemią.
Bęben porusza się w górę, gdy podczas produkcji biogazu wzrasta ciśnienie gazu, a po jego zużyciu bęben opada pod wpływem własnego ciężaru, unosząc się na płaszczu wodnym lub szlamie.
Beczki do przechowywania gazu mogą być wykonane z metalu, plastiku lub włókna szklanego.
Jest to niedrogi biogazownik służący do produkcji biogazu, który wygląda jak rurowy balon wykonany z plastiku lub gumy.
Dno reaktora umieszczone jest pod ziemią, w miejscu przypominającym dół.
Otwory wlotowe i wylotowe wykonane są z tego samego materiału i przylegają do balonu.
Mimo że jest to rozwiązanie ekonomiczne, ma ono krótszą żywotność, gdyż jest podatne na uszkodzenia mechaniczne.
Sama doskonała infrastruktura nie wystarczy, aby zapewnić satysfakcjonującą produkcję metanu.
Ponieważ jest to złożony system, od początku do końca należy zachować szereg parametrów, aby uzyskać dobrą produkcję biogazu.
Frakcja odpadów organicznych wchodząca w skład surowca powinna zawierać dużo substancji lotnych.
Wielkość cząstek surowca powinna być bardzo mała, około 2 cm.
Rozdrabniacz można wykorzystać do uzyskania surowca o jednolitym rozmiarze, gdyż duża powierzchnia przyspiesza degradację.
Te mikroorganizmy odpowiadają za proces produkcji biogazu.
Dodatek gnojowicy krowiej oraz specjalistycznych konsorcjów mikrobiologicznych przyczynia się do wydajnej produkcji biogazu.
Do rozpoczęcia procesu produkcji biogazu niezbędne jest minimum 10–15% objętości reaktora wykonanego z obornika krowiego.
Czas uruchomienia mikroorganizmów mezofilnych jest dłuższy w porównaniu do mikroorganizmów termofilnych.
Ilość i czystość metanu powstającego w procesie produkcji biogazu zależą od stosunku C:N w materiale wejściowym.
Optymalny stosunek C:N do produkcji biogazu wynosi 30:1.
Oznacza to, że na każde 30 jednostek skonsumowanych przez bakterie przypada 1 jednostka azotu jako źródło pożywienia.
Prawidłowy stosunek węgla i azotu może zapewnić optymalną produkcję biogazu poprzez fermentację beztlenową.
Szybkość ładowania organicznego oznacza masę substratu, którą należy dodać dziennie , w zależności od objętości reaktora, aby zapewnić optymalną produkcję biogazu.
OLR mierzy się jako kilogram całkowitej ilości substancji lotnych na metr sześcienny na dzień.
Idealny OLR dla reaktora zbiornikowego bez mieszania wynosi <2 kg VS/m3 na dzień, podczas gdy reaktor zbiornikowy z mieszaniem wymaga około 4–7 kg VS/m3 na dzień.
Korzystny zakres temperatur dla bakterii mezofilnych mieści się w przedziale 30 – 40 °C, a dla bakterii termofilnych w przedziale 45 - 60 °C.
Niższa temperatura poniżej 15 °C spowalnia proces. Wiadomo, że produkcja biogazu jest utrudniona w chłodniejszą pogodę.
Optymalna temperatura do produkcji biogazu jest neutralna i wynosi od 6.5 do 7.6°C.
Proces kwasogenezy obniża pH do poziomu kwaśnego.
Przy wartości pH wynoszącej 7–7.5 CO2 w fazie gazowej zapewnia zasadowość potrzebną do buforowania zmiany pH spowodowanej przez kwasy tłuszczowe.
W przypadku szoku pH spowodowanego kwasogenezą, należy obniżyć OLR lub dodać wapno lub wodorotlenek sodu, aby podnieść pH do normy.
Najważniejszym parametrem wpływającym na optymalną produkcję biogazu jest pH systemu.
Czas pozostawania materiału w reaktorze zależy od jego wielkości i szybkości degradacji.
Proces reakcji mezofilowej trwa zazwyczaj od 10 do 40 dni, natomiast proces termofilowy trwa około 10 do 25 dni.
Produkcja biogazu może wydawać się jedynie procesem, w którym materiały organiczne można przekształcić w metan, który można wykorzystać jako źródło paliwa, ale proces produkcji biogazu ma znacznie poważniejszy wpływ na środowisko i finanse.
Podsumowując, produkcja biogazu może sprawić, że koszty gospodarowania stałymi odpadami biologicznymi staną się dla krajów szansą na generowanie dochodów.
Produkcja biogazu może doprowadzić do powstania alternatywnych źródeł ogrzewania, paliwa transportowego i wytwarzania energii elektrycznej, a tym samym może ograniczyć emisję gazów cieplarnianych i zależność od paliw kopalnych, a także stworzyć miejsca pracy w coraz bardziej niestabilnych gospodarkach na całym świecie.
Co więcej, poferment powstały w wyniku produkcji biogazu może być stosowany jako alternatywa dla środków chemicznych stosowanych do fertygacji gleby w rolnictwie.
Biorąc pod uwagę liczne zalety produkcji biogazu, jest ona kluczem do bardziej zielonej i lepszej przyszłości.
