Proces anaerobní digesce, který využívají bioplynové stanice, je známým průmyslovým postupem, jenž má jasné a jednoznačné zákonitosti. Jako takový je možné jej nejen pasivně sledovat, ale především aktivně řídit tak, aby celá technologie dosahovala maximální celkové i specifické produkce bioplynu.
Především v současné ekonomické situaci musí být výroba bioplynu maximálně efektivní a ekonomicky konkurenceschopná v porovnání s alternativním uplatněním vstupních zemědělských surovin. Klíčem k úspěchu investice je propracovaný systém sledování, řízení a regulace procesů produkce bioplynu.
Chemická analýza v procesním řízení
Fermentor bioplynové stanice není tolik populární „betonová kráva“, kde je možné sledovat pouze množství a kvalitu vstupů a porovnávat tyto údaje s očekávaným výsledkem. Při tomto oblíbeném srovnání nesmíme zapomínat, že skutečná kráva je velice dobře fungující „biochemickou továrnou“ s komplexním systémem autonomního řízení a regulace.
Při vlastním řízení anaerobní digesce ve fermentoru bioplynové stanice je nutné zajistit, aby proces uvnitř nebyl pouze „černou skříňkou“, jejíž charakteristika končí teplotou a hodnotou pH. Proces fermentace bioplynové stanice si nezadá se středně náročnou chemickou výrobou a jako takový je možné jej řídit a optimalizovat. Cílem optimalizace je pak maximální ekonomická efektivita daná stabilitou a výkonností produkce bioplynu.
Procesní řízení vyžaduje znalost probíhajících procesů a jejich optimální podmínky. Zde je pak základem chemická analýza v potřebném rozsahu a čase. Pro zemědělské bioplynové stanice zpracovávající pouze biomasu ze zemědělských výrob se jedná o charakterizaci a určení stupně odbourání organických látek (vlastní efektivita procesu), dále bilanci dusíku, a především pak kondici fermentačních a metanogenních bakteriálních kmenů.
V případě využití specifických substrátů se samozřejmě musí přizpůsobit i rozsah analýz tak, aby pokrýval případné změny vyvolané těmito substráty (např. při zpracování bioodpadů). Chemické analýzy se standardně provádějí každých 14 dnů, v případě zjištění zhoršení stavu pak každý týden, nebo i častěji. Obecně je pak tento časový interval funkcí hydraulické doby zdržení.
Optimální řešení sledování procesu pak představuje on-line kontinuální chemická analýza. Tato možnost nejlépe odpovídá požadavkům na moderní sledování provozu, s okamžitým výstupem na řídicí počítač.
Vlastním měřicím zařízením je zde infračervený spektrometr, kterým je možné sledovat složení nejen kapalné, ale i pevné fáze. Díky tomu je umožněno sledování a kontinuální analýza vstupních substrátů, díky které je např. možné automaticky regulovat vstupní dávku biomasy podle její aktuální sušiny, a tím vždy zajistit trvale konstantní vstup organické hmoty do fermentoru, a tím i konstantní odezvu v tvorbě bioplynu.
Řízení procesů anaerobní digesce
V okamžiku, kdy získáváme data některou z uvedených metod chemické analýzy, můžeme přistoupit k vlastnímu aktivnímu řízení procesní biochemie. Základním požadavkem je pak optimalizace a vzájemná synchronizace hlavních procesů tvorby bioplynu.
Tyto procesy můžeme efektivně řídit a regulovat řadou chemických aditiv, které specificky ovlivňují jednotlivé bakteriální kmeny. V praxi se pak jedná především o maximální synchronizaci fermentace a metanogeneze. Každý z těchto dvou procesů může být rychlost limitujícím krokem celé výroby bioplynu.
Rychlost fermentace je určena hydrolýzou vstupních materiálů. Při hydrolýze jsou makromolekuly rozštěpeny na krátké bloky, které jsou rozpustné ve vodě, a tím i přístupné bakteriím.
V případě rostlinných materiálů jde téměř z 90 % o hydrolytické štěpení celulózy a lignocelulózy. Přirozený proces hydrolytického štěpení je ale značně pomalý, protože k hydrolytické reakci dochází pouze na povrchu buněčné stěny příslušných mikroorganismů. Tato skutečnost je obecnou charakteristikou anaerobní fermentace. Zásadní nevýhodou v řízení bioplynové stanice je následně fakt, že rychlost fermentace je tak zcela závislá na počtu a kondici příslušných fermentačních bakterií. Základem procesního řízení anaerobní fermentace je zrušení této závislosti.
V řízeném procesu je hydrolýza zásadně urychlena přídavkem hydrolytických enzymů, které rozšíří hydrolytickou reakci do celého objemu fermentoru, nezávisle na množství fermentačních bakterií a jejich biologické kondici. To umožňuje zcela převzít kontrolu nad nejpomalejším blokem chemických reakcí v bioplynové stanici.
Příklad navýšení specifické produkce bioplynu (tj. po započtení vlivu druhu a složení substrátů) ukazuje graf srovnávající původní provoz bioplynové stanice v referenčním období (srpen až prosinec 2012) a provoz s přípravkem hydrolytických enzymů MethaPlus L 100 v roce 2013 (graf 1). Jedná se o bioplynovou stanici 800 kW na Slovensku, využívající slamnatý hovězí hnůj, drůbeží trus, kukuřičnou siláž a travní senáž.
Druhou částí optimalizace je zajištění maximální produkční schopnosti metanogenů, tj. bakterií, které zpracovávají produkty fermentace na metan jako cílový produkt našeho zájmu. Právě tyto bakteriální kmeny jsou velmi citlivé na okolní vlivy, výrazně více než ostatní přítomné mikroorganismy.
Zvláště citlivé jsou tyto bakterie na nedostatek stopových prvků. Zde opět musíme hledat příčinu v biochemii jejich životních pochodů. Metabolismus metanogenů je založen na oxido-redukčních transformacích molekul, jež jsou katalyzovány řadou metaloenzymů, tj. enzymů, které ke své unikátní funkci potřebují iont zcela určitého kovu.
Tuto zajímavou vlastnost nalezneme např. i v našem metabolismu. Krevní hemoglobin ke své jedinečné funkci potřebuje také kov, konkrétně železnatý iont. A stejně tak jako u lidí dochází při nedostatku železa v potravě k závažným zdravotním potížím, podobně silnou reakci můžeme pozorovat i v případě nedostatku stopových prvků ve výživě metanogenů.
Výsledky z praxe
Nejlépe je však ukázat význam kvalitního procesního řízení a současně závažnost jeho absence na příkladu z praxe.
Sledována byla bioplynová stanice o výkonu 1,1 MW, kde je vstupním substrátem hovězí kejda a kukuřičná siláž. Všeobecně rozšířený názor, který byl bohužel i oficiálním doporučením dodavatele technologie, že využití hovězí kejdy eliminuje veškeré problémy a nároky na procesní řízení, se ukázal jako zcela chybný.
Bioplynová stanice po svém úspěšném startu dosáhla plného výkonu a byla tak provozována několik měsíců s ustáleným pravidelným vstupem surovin (100 %, navrženo dodavatelem technologie).
Během této doby však docházelo k postupnému snižování specifické produkce bioplynu, a množství kukuřičné siláže bylo pro udržení výkonu navyšováno až na 117 % původní dávky. Tento stav trval zhruba pět měsíců a v závěru tohoto období došlo k dramatickému snížení produkce bioplynu.
Po našem převzetí řízení provozu a pečlivém vyhodnocení chemických analýz obsahu fermentorů byl indikován závažný nedostatek minerálů ve výživě metanogenů, který měl za následek dramatické zvýšení koncentrace organických kyselin. Vzhledem k absenci pravidelných analýz nebyla tato porucha včas odhalena a skutečnost vyšla najevo až při překročení koncentrací, které výrazně inhibovaly celý proces.
Znázornění koncentrací vybraných organických kyselin je uvedeno v grafu (graf 2). Zvláště stojí za pozornost koncentrace kyseliny propionové, které na počátku výrazně převyšují doporučené hodnoty až stonásobně. Proces, v takto pokročilém stavu inhibice, se i přes okamžité snížení dávkování surovin nadále zhoršoval.
Obratem byl aplikován přípravek MicroPower, který je komplexní směsí stopových prvků pro výživu metanogenů. Následující chemické analýzy jednoznačně ukazují velmi rychlý nástup účinku přípravku i v tomto případě již rozsáhlé inhibice procesu.
Z grafu je dobře patrné obnovení optimálních hodnot již za čtyři týdny aplikace přípravku MicroPower. Díky snížení koncentrace organických kyselin byly také obnoveny optimální životní podmínky všech mikroorganismů. To obsluze bioplynové stanice umožnilo postupně snížit dávkování kukuřičné siláže až na 87 % původní dávky, a to při zachování plného výkonu instalovaných kogeneračních jednotek.
Od té doby je dávka udržována a pravidelné chemické analýzy slouží mimo jiné i jako podklad k postupnému snižování dávkování minerální výživy na nezbytně nutnou hodnotu, potřebnou k trvale bezproblémovému chodu bioplynové stanice.
Produktivita bude podmínkou úspěchu
Chemické analýzy a kvalitní procesní řízení jsou důležité kroky k výraznému zvýšení produktivity bioplynových stanic. Trvale udržitelná produkce elektrické energie a tepla z bioplynu, nebo produkce biometanu jako náhrady zemního plynu, není možná bez kvalitní procesní optimalizace a intenzifikace anaerobní digesce.
Bezproblémový chod při maximálním možném výkonu je nezbytnou podmínkou ekonomického úspěchu každé bioplynové stanice.
(Článek vznikl s podporou společnosti NovaEnergo, s. r. o., www.novaenergo.cz.)
Klíčové informace
– Podmínkou efektivity bioplynových stanic je vypracovaný systém sledování a regulace procesů produkce bioplynu.
– Hydrolytické enzymy umožňují převzít kontrolu nad nejpomalejším blokem chemických reakcí, kterým je štěpení substrátů.
– Je potřeba zajistit maximální produkční schopnosti bakterií, které zpracovávají produkty fermentace na metan.
Ing. Jan Štambaský, Ph.D.,
NovaEnergo, s. r. o.
