ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS

ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS

Energetikos ir biotechnologijų inžinerijos institutas

Kostas Daniliauskas

TEMPERATŪROS ĮTAKOS ANAEROBINIO PROCESO

RODIKLIAMS TYRIMAS

Magistrantūros studijų baigiamasis darbas

Studijų sritis: Technologijos mokslai

Studijų kryptis: Energijos inžinerija

Studijų programa: Agroenergetikos inžinerija

Akademija, 2015

2

Baigiamųjų darbų ir egzaminų vertinimo komisija:

(Patvirtinta Rektoriaus (2015-04-23) įsakymu Nr. 124-PA)

Pirmininkas: Kauno technologijos universiteto Elektros energetikos sistemų katedros vedėjas

prof. Saulius Gudžius

Nariai: 1. doc. dr. Jonas Čėsna, Aleksandro Stulginskio universitetas;

2. doc. dr. Kęstutis Navickas, Aleksandro Stulginskio universitetas;

3. prof. dr. Stasys Slavinskas, Aleksandro Stulginskio universitetas;

4. Vyr. Patarėjas Vytautas Grušauskas, Žuvininkystės tarnyba prie LR žemės ūkio

ministerijos.

Mokslinis vadovas

Doc. dr. Kęstutis Venslauskas, Aleksandro Stulginskio universitetas

Recenzentas

Doc. dr. Egidijus Zvicevičius, Aleksandro Stulginskio universitetas

Instituto direktorius

Doc. dr. Kęstutis Navickas, Aleksandro Stulginskio universitetas

Oponentas

Prof. dr. Egidijus Šarauskis, Aleksandro Stulginskio universitetas

3

ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS

ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS

ENERGETIKOS IR BIOTECHNOLOGIJŲ INŽINERIJOS INSTITUTAS

Magistrantūros studijų baigiamasis darbas

Temperatūros įtakos anaerobinio proceso rodikliams tyrimas

Autorius: Kostas Daniliauskas

Vadovas: doc. dr. Kęstutis Venslauskas

Kalba – lietuvių

Darbo apimtis – 55 psl.

Lentelių skaičius – 9

Paveikslų skaičius – 18

Naudota informacijos šaltinių – 35

Priedų skaičius – 1

Santrauka

Tyrimų tikslas: Ištirti temperatūros įtaką silosuotų cukrinių runkelių anearobinio

perdirbimo į biodujas procesui.

Darbe apžvelgti organinių atliekų perdirbimo į biodujas, anaerobinio perdirbimo

procesai, parametrai ir rodikliai, biodujų savybės ir panaudojimas. Tyrimai atlikti Aleksando

Stulginskio biodujų laboratorijoje, vertikaliame biodujų reaktoriuje ir nustatyta biodujų išeiga

iš silosuotų cukrinių runkelių, energetinės biodujų vertės ir palyginta biodujų išeiga prie

skirtingų temperatūrų.

Atlikti 4 eksperimentai prie skirtingų temperatūrų, kiekvienas eksperimentas truko nuo

30 iki 37 parų, t.y. kol nusistovėjo biodujų išeiga. Silosuotų cukrinių runkelių perdirbimo į

biodujas tyrimas buvo atliktas vertikaliame anaerobiniame biodujų, 4,5 l talpos reaktoriuje

taikant periodinę įkrovą. Tyrimas buvo atliekamas reaktoriuje, į jį užkraunant 59 g cukrinių

runkelių siloso, o organinė apkrova buvo 2 kg/m3. Tyrimas buvo atliekamas mezofiliniame

režime. Iš vieno kilogramo žaliavos vidutiniškai gauta 1202,4 l kg-1

SOM esant 38 oC

temperatūrai, o esant 40 oC temperatūrai vidutinė išeiga siekė tik 937,6 l kg

-1 SOM. Padidinus

temperatūrą nuo 38 iki 40 oC biodujų išeiga sumažėjo 22 %. Vadinasi proceso optimali

temperatūra yra 38 oC.

Reikšminiai žodžiai: biodujos, mezofilinis režimas, anaerobinis perdirbimas,

vertikalus anaerobinis biodujų reaktorius, silosuoti cukriniai runkeliai.

4

ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS

FACULTY OF AGRICULTURAL ENGINEERING

INSTITUTE OF ENERGY AND BIOTECHNOLOGY ENGINEERING

Master theses

Research on the Impact of Temperature on the Indices of Anaerobic Process

Author: Kostas Daniliauskas

Supervisor: Doc. dr. Kęstutis Venslauskas

Language – Lithuanian

Pages – 55 p.

Tables – 9

Pictures – 18

Sources of literature – 35

Annexes – 1

Summary

The purpose of this work: to investigate the influence of temperature on anaerobic

ensiled sugar beet processing into biogas process.

The work describes the anaerobic processes of processing of organic waste into

biogas, parameters and characteristics, properties and utilization of biogas. Investigations

were carried in Aleksandras Stulginskis biogas laboratory in a single reactor and determine

the biogas yield of ensiled sugar beet, the energy value of biogas and biogas yield compared

to different temperatures.

There were performed four experiments with different temperatures, each experiment

lasted from 30 to 37 days, i.e. until biogas yield was stabilized. Ensiled sugar beet processing

into biogas study was carried in vertical anaerobic biogas digester, 4.5 liter volume reactor

with continuous feed. The study was conducted in a reactor while loading 59 g of sugar beet

silage, the organic load was 2 kg /(m3d). The study was carried in mesophilic mode. From one

kilogram sugar beet silage was received 1202.4 l kg-1

SOM at 38 °C, while at 40 °C, the

average biogas yield was only 937.6 kg-1

SOM. Increasing the temperature from 38 to 40 °C

biogas yield decreased by 22 %. Thus the optimum temperature of process is 38 °C.

Significant words: biogas, mesophilic regime, anaerobic digestion, vertical anaerobic

biogas reactor, ensiled sugar beet.

5

TURINYS

SIMBOLIŲ AIŠKINAMASIS ŽODYNAS ............................................................................ 6

ĮVADAS ..................................................................................................................................... 8

1. INFORMACIJOS ŠALTINIŲ ANALIZĖ ......................................................................... 9

1.1. Biodujų energetikos plėtra Lietuvoje ir Europoje ........................................................... 9

1.2. Biodujų gamybos žaliava............................................................................................... 11

1.3. Cukrinių runkelių silosas ............................................................................................... 14

1.4. Anaerobinio ir aerobinio proceso skirtumai .................................................................. 15

1.5. Anaerobinis procesas ..................................................................................................... 16

1.6. Temperatūros įtaka anaerobinio proceso efektyvumui .................................................. 17

1.7. Technologinių procesų parametrai ir jų kontrolė .......................................................... 20

1.8. Biodujų gamybos proceso pagrindiniai parametrai ....................................................... 26

1.9. Organinės apkrovos išlaikymo trukmė ir įkrovos dažnumas ........................................ 28

1.10. Organinės apkrovos norma ......................................................................................... 29

1.11. pH ir šarmingumas ...................................................................................................... 30

1.12. C:N santykis ................................................................................................................ 30

1.13. Anaerobinį procesą stimuliuojančios ir slopinančios medžiagos ................................ 31

1.16. Informacijos šaltinių analizės apibendrinimas ............................................................ 31

2. TYRIMŲ TIKSLAS IR UŽDAVINIAI ............................................................................ 33

3. TYRIMŲ METODIKA ...................................................................................................... 34

3.1 Stendo konstrukcija ....................................................................................................... 34

3.2. Vertikalaus biodujų reaktoriaus schema ........................................................................ 35

3.3. Teorinių tyrimų metodika .............................................................................................. 38

4. TYRIMŲ REZULTATAI IR JŲ APTARIMAS ............................................................. 41

4.1. Biodujų gamybos iš cukrinių runkelių siloso analizė .................................................... 41

4.2. Silosuotų cukrinių runkelių energinio potencialo nustatymas ....................................... 45

IŠVADOS ................................................................................................................................ 51

INFORMACIJOS ŠALTINIŲ SĄRAŠAS ........................................................................... 52

MOKSLINIO DARBO APROBACIJA ............................................................................... 55

6

SIMBOLIŲ AIŠKINAMASIS ŽODYNAS

rV - turinė organinė apkrova, kg/m3;

b – biodujų išeiga iš vieno kg medžiagos, m3/kg;

bdt - pagamintų biodujų kiekis per laikotarpį dt l;

bM – biodujų išeiga iš perdirbamos biomasės masės vieneto, l/kg;

bSM – biodujų išeiga iš perdirbamos biomasės sausosios medžiagos masės vieneto, l/kg;

bSOM – biodujų išeiga iš perdirbamos biomasės sausosios organinės medžiagos masės vieneto,

l/kg;

cb – biomasės šiluminė talpa, kJ/(kg·K);

C – organinė anglis, %;

Cm – metano koncentracija biodujose, %;

D – reaktoriaus skersmuo, m;

ɛ - biodujų konversijos į energiją energis efektyvumas;

ebi – per laiko intervalą ∆ti išgautų biodujų energetinė vertė MJ/l;

EBM – cukrinių runkelių siloso energinė vertė, MJ/t;

Ed – biodujų energetinė vertė, MJ;

Esan – energijos sąnaudos biodujų gamybai, MJ/t;

Ešb – energijos sąnaudos per atitinkamą laikotarpį, MJ;

Ešbp – energijos sąnaudos perparą šviežiai biomasiai sušildyti, MJ;

Ešil – šiluminės energijos sąnaudos biodujų jėgainėje, MJ/t;

Ešn – energijos sąnaudos šilumos nuostoliams padengti, MJ;

Etechn – energijos sąnaudos technologiniams įrenginiams biodujų jėgainėje, MJ/t;

F – bioreaktoriaus sienelių paviršiaus plotas, m2;

IT – substrato išlaikymo trukmė, paromis;

k – apšiltintų bioreaktoriaus sienelių šilumos perdavimo koeficientas, W/(m2°C);

K – bendras kalis, mg/kg;

Kv – bioreaktoriaus užpildymo koeficientas;

L – reaktoriaus aukštis, m;

Mm – cukrinių runkelių kiekis per parą, kg;

mo - reaktoriaus tūrinė organinė apkrova, kg/(m3 ·d);

mp – substrato paros įkrova, m3/parą;

Ms – sausosios medžiagos kiekis, kg/parą;

mSOM - sausųjų organinių medžiagų masė perdirbamoje biomasėje kg;

7

Mu – biomasės kiekis, kg;

N – bendras azotas, %;

P – bendras fosforas, %;

pH – rūgštingumas, %;

Q – biodujų potenciali šiluminė vertė, MJ;

q – biodujų šilumingumas, MJ/m3;

Q1 – šiluminės energijos kiekis tiekiamo substrato temperatūrai pakelti iki bioreaktoriaus

teperatūros, MJ/parą;

Q2 – bioreaktoriaus šilumos nuostoliai per parą, MJ/parą;

Qb – šilumos nuostoliai į aplinką, W;

Qs – biodujų gamybos procesui palaikyti reikalingašiluminė energijos kiekis, MJ/parą;

Sb – bioreaktoriaus paviršiaus plotas, m2;

Sh – Vertikalaus cilindrinio bioreaktoriaus paviršiaus plotas, m2;

Ssm – sausos medžiagos koncentracija runkeliuos, %;

td – dienų skaičius, vnt;

Ti – skaičiuojamoji išorės temperatūra, K;

tl – lauko temperatūra, °C;

tr – bioreaktoriaus vidaus temperatūra, °C;

Ts – skaičiuojamoji paduodamo substrato temperatūra, K;

ts – tiekiamo į bioreaktorių substrato temperatūra, °C;

Tvb – bioreaktoriaus vidaus temperatūra (substrato temperatūra), K;

V – reaktoriaus tūris, m3;

Vb – biodujų kiekis, m3/parą;

δi – i-tojo sluoksnio storis, m;

λi – i-tojo sluoksnio šilumos laidumo koeficientas W/(m·K).

8

ĮVADAS

Pasaulyje vis daugiau ir daugiau sunaudojama įvairių rūšių energija, kiekvienais

metais suvartojamos energijos mastai didėja, pasakoje to energijos šaltinių t.y. iškastinio kuro

resursai mažėja. XXI a. Vis daugiau dėmesio yra skiriama atsinaujinantiems energijos

šaltiniams (AEŠ). Iš atsinaujinančių energijos šaltinių galima išgauti energiją kurią vėliau

galima panaudoti elektros, šilumos bei kitos energijos gamybai. Energijos gamybos iš

vietinių ir atsinaujinančių energijos išteklių vystymasis – vienas pagrindinių Lietuvos ir

Europos Bendrijos energetikos politikos tikslų. Lietuvoje numatyta iki 2020 metų padidinti

atsinaujinančių energijos šaltinių dalį elektros energijos gamyboje iki 20 proc. Biodujų

gamybos ir biodujų jėgainių statybos vystymas yra viena iš šio įsipareigojimo vykdymo

krypčių, elektros energijos plėtojimo programose [34].

Anaerobinis energetinių šakniavaisių, žolių ir kitų biologiškai skaidžių žaliavų

perdirbimas į biodujas yra laikomas vienu iš efektyviausių perdirbimo būdų. Biologiškai

suyrančias žaliavas perdirbant biodujų jėgainėse mažiau teršiamas aplinkos oras, vanduo ir

dirvožemis, pagamintos biodujos yra vertingas kuras, kurį galima naudoti elektros ar

šiluminės energijos gamybai, o perdirbta biomasė panaudojama laukų tręšimui. Tinkamas

proceso valdymas daro didelę įtaką mikroorganizmų, kurie dalyvauja anaerobiniame pūdymo

procese, fizikinėms ir cheminėms savybėms. Visi organizmai yra prisitaikę gyventi tam

tikroje aplinkoje. Todėl labai svarbu parinkti optimaliausius aplinkos t.y. temperatūros,

įkrovos, žaliavos proceso parametrus, kurie teigiamai įtakotų mikroorganizmų dauginimosi,

bei biodujų išgavimo didėjimą, su kuo mažesnėmis energijos sąnaudomis.

Šiame darbe buvo tiriama silosuotų cukrinių runkelių perdirbimas į biodujas biodujų

jėgainėje mezofiliniame rėžime, palaikant skirtingas proceso temperatūras, įvertinant biodujų

jėgainės efektyvumą keičiant temperatūrą.

Mokslinė hipotezė: Norint gauti didžiausią energinę naudą su mažiausiomis energijos

sąnaudomis yra tikslinga parinkti tinkamą temperatūrą išgaunant biodujas.

9

1. INFORMACIJOS ŠALTINIŲ ANALIZĖ

1.1. Biodujų energetikos plėtra Lietuvoje ir Europoje

Lietuva importuoja naudojamus energetinius išteklius: naftą ir gamtines dujas.

Lietuvoje išgaunama nafta ir naudojamas vietinis kuras sudaro tik nedidelę dalį kuro

energetiniame balanse. 2009 metais uždarius Ignalinos atominę elektrinę, Lietuvos

priklausomybė nuo importuojamo iškastinio kuro dar labiau išaugo.

Siekiant kaip įmanoma daugiau mažinti priklausomybę nuo importuojamo/iškastinio

kuro, o tuo pačiu sumažinti organinio kuro poveikį aplinkai, ES skatina visapusišką

atsinaujinančiųjų ir vietinių energijos išteklių naudojimą. Nors tam tikrais atvejais

atsinaujinantieji energijos ištekliai gali būti brangesni, tačiau jie visais atvejais duoda

aplinkosauginę naudą, kuria papildomas darbo vietas, skatina technologinį progresą ir šalies

mastu mažina energetinę priklausomybę [25].

Anaerobinis atliekų perdirbimas biodujų reaktoriuose yra žinomas kaip vienas

efektyviausių ir paprasčiausių šiam procesui tinkamų atliekų perdirbimo būdų. Biologiškai

skaidžias atliekas naudojant biodujų reaktoriuose biodujų išgavimui yra žymiai mažiau

teršiamas ne tik aplinkos oras, bet ir vanduo bei gruntas. Bioreaktoriuje susidariusios dujos

yra atsinaujinantis energijos šaltinis, kurį vėliau galima panaudoti šilumos ar elektros

energijos gamybai. Naudojant anaerobinį pūdymo procesą bioreaktoriuose įvairios atliekos

tampa naudingomis, o po pūdymo proceso likusi biomasė dar naudojama ir laukams tręšti.

Biodujų išgavimas panaudojant organines atliekas ir biomasę yra labai perspektyvi visame

pasaulyje.

1776 m. Aleksandras Volta išaiškino sudėtingą biodujų išgavimo procesą, kuris

vyksta beorėje (anaerobinėje) 15-56C temperatūros aplinkoje. Pirmą kartą biodujos išgautos

miesto nutekamųjų vandenų buvo panaudotos 1897 m. (Didžiosios Britanijos Eksetero miesto

apšvietimui ir šildymui) [14]. 1973 metais atsiradusi energetikos krizė labai paspartino

biodujų išgavimo technologijų kūrimą ir plėtrą. Pavyzdžiui: Švedijoje miesto autobusai

naudojama biodujas pagamintas iš nuotekų [15].

Šiuolaikiniuose moderniuose bioreaktoriuose perdirbtos įvairių žemės ūkio ir

pramonės sričių organinės atliekos daug mažiau teršia gruntą, orą bei vandenį. Biodujų

išgavimo proceso metu sunaikinamos atliekose esančios pavojingos ir žalingos bakterijos bei

virusai, ir mažinami į aplinką sklindantys kvapai. Kita vertus vis griežtėjantys

aplinkosauginiai reikalavimai verčia žemės ūkio ir maisto pramonės įmones naudoti įvairias

atliekų utilizavimo technologijas [3, 15].

10

Biodujų išgavimas iš organinės kilmės atliekų, anaerobiškai apdorojamų

bioreaktoriuose, leidžia apsirūpinti ir šilumine ir elektros energija pagaminta iš

atsinaujinančių energijos išteklių. Išgaunant biodujas bioreaktoriuose yra utilizuojamos

organinės kilmės atliekos. Tokiu būdu utilizuojant atliekas yra žymiai geriau sprendžiami ne

tik energetiniai, bet ir aplinkos ekologijos problemų klausimai.

Siekiant energetinės nepriklausomybės ir energiją gaminti iš atsinaujinančių

energijos išteklių vakarų Europa jau senokai rado alternatyvą, kuri gali bent jau tikrai

dalinai pakeisti iškastinį kurą, o ūkininkus per sunkmetį nuo bankroto saugo turimos

biodujų jėgainės. Biodujų gamybai gali būti naudojamas gyvulių ir/ar paukščių mėšlas,

nuotekų valyklose susidaręs dumblas, bei visos organinės kilmės medžiagos. Tačiau šiuo

metu Lietuvoje ši niša yra labai menkai išnaudojama, nors turimas ir didelis potencialas,

pastebi biodujų išgavimo ekspertai [23].

Labai nemaži galimų panaudoti bioreaktoriuose atliekų kiekiai kaupiasi cukraus

gaminimo įmonėse, gyvulių skerdyklose ir mėsos perdirbimo gamyklose, spirito, krakmolo ir

mielių fabrikuose. Taip pat labai nemažą potencialą turi spirito žlaugtai ir pieno išrūgos. Šios

atliekos pigios, todėl netoli jas tiekiančių įmonių gyvenantiems ūkininkams galėtų būti

žaliavos rezervas biodujoms gaminti [5]. Taip pat labai tinkamos medžiagos biodujoms

išgauti yra ir rapso bei cukrinių runkelių išspaudos, alaus pramonės atliekos, virti ir/ar žemos

kokybės daržovės ir vaisiai, naudotas aliejus, konservų, vyno, salyklo, uogienių, šokolado

atliekos, pieno, sūrių, ledų, žuvų produktų gamybos atliekos ir nuotekos.

Lietuvoje yra ne viena biodujų jėgainė, tačiau daugiausiai biodujų yra išgaunama iš

skerdimo ir mėsos pramonės atliekų, sąvartynuose ir nuotekų valyklose. Lietuvoje yra ne

viena kogeneracinė jėgainė, kurioje deginamos sąvartynuose surinktos ir susikaupusios

biodujos. Tokios tipo biodujų jėgainės yra įrengtos tokiuose miestuose [20, 21, 22, 23] :

Kaune (Lapių sąvartynas);

Šiauliuose (Kairų sąvartynas);

Vilniuje (Kazokiškių sąvartynas);

Klaipėdoje (Glaudėnų sąvartynas);

Panevėžyje (regioninis sąvartynas);

Marijampolės (regioninis sąvartynas).

Nuotekų valymo įmonėse biodujos išgaunamos tokiuose miestuose [23]:

Kaune;

Klaipėdoje;

Panevėžyje;

Utenoje.

11

Iš kitų organinių medžiagų biodujos išgaunamos tokiose įmonėse [23]:

UAB „Kurana“ (perdirbamos etanolio gamybos atliekos);

UAB „Rokiškio sūris“ (perdirbamos sūrių gamybos atliekos);

Europos Sąjungoje biodujų gamyba plačiai išplėtota Danijoje, Austrijoje, Italijoje,

Vokietijoje, Pietryčių Švedijoje, labai sparčiai ji intensyvėja ir kaimyninėje Latvijoje. (Pvz.,

Vokietijoje per vienus metus yra pastatoma nuo 500 iki 800 tokių jėgainių) [23].

Lietuvoje biodujų jėgainių plėtrą stipriai stabdo ir tai, kad bankai nelabai skolina

pinigų tokių projektų įrengimui. Lietuva pagal energijos gamybą biodujų jėgainėse tarp

Europos Sąjungos šalių 2010 metais užėmė 4 vietą sąrašo gale aplenkdama Estiją, Rumuniją

ir Kiprą. Mūsų kaimynai latviai pagamina dvigubai daugiau energijos biodujų jėgainėse

negu mes [23].

1.2. Biodujų gamybos žaliava

Anaerobinio proceso metu biodujas galima gauti iš visų organinių medžiagų. Tačiau iš

vienos organinės medžiagos yra sunkiai skaidomos, todėl iš jų gaunama mažiau biodujų, kitos

– lengviau, todėl iš jų gaunamas žymiai didesnis biodujų kiekis, kuriose yra žymiai didesnė

metano koncentracija.

Organinės medžiagos, kurios yra skaidomos bioreaktoriuje normaliomis sąlygomis

turi tam tikrą vandens kiekį (vienos - didesnį, kitos – mažesnį). Iš šių medžiagų eliminavus

vandenį, lieka tik sausa medžiaga (SM). Kurią sudaro sausa organinė medžiaga ((SOM), šią

medžiagą gali skaidyti bioreaktoriuje esantys mikroorganizmai), bei inertinė dalis arba

pelenai. Atskiroms medžiagų grupėms SOM kiekis yra nustatomas procentais nuo bendro

sausų medžiagų kiekio.

1.1 lentelė. Bendras derlius ir skirtingų augalų biodujų potencialas [11]

Pasėlis Pasėlių derlius (t

FA/ha)

Biodujų išeiga

(Nm3/(t VS)

Metano kiekis,

%

Cukriniai runkeliai 40-70 730-770 53

Pašariniai runkeliai 80-120 750-800 53

Kukurūzai 40-60 560-650 52

Javų ir kukurūzų burbuolių kotų mišinys 10-15 660-680 53

Kviečiai 30-50 650-700 54

Kvietrugiai 28-33 590-620 54

Sorgas 40-80 520-580 55

Žolė 22-31 530-600 54

Raudonieji dobilai 17-25 530-620 56

Saulėgrąžos 31-42 420-540 55

Kviečių grūdai 6-10 700-750 53

Rūgių grūdai 4-7 560-780 53

12

Organines medžiagas, kurias galima panaudojamos biodujų gamybai galima

suskirstyti į 4 grupes:

maisto pramonės atliekos;

žemės ūkio produktai ir jų gamybos atliekos;

buitinės organinės atliekos;

miesto nutekamųjų vandenų atliekos.

Iš žemės ūkio naudmenų gaunamas organines medžiagas, kurios tinka biodujos

išgauti, galima suskirstyti taip:

Gyvulinės kilmės;

Augalinės kilmės.

Biodujoms išgauti labiausiai tinka lengvai suyrančios skystos organinės medžiagos.

1.2 lentelė. Žaliavų biodujoms gaminti šaltiniai [11]

Sritis Šaltinis

Žemės ūkis Gyvulių mėšlas, augalų liekanos, energetiniai augalai

Gyvenvietės Maisto atliekos, nuotekų dumblas, vejų žolė, medžių

lapai, kitos organinės atliekos

Pramonė Pieno, mėsos ir žuvies perdirbimo, gėrimų, odų,

krakmolo, pašarų, vaistų, kosmetikos, popieriaus,

cukraus gamybos atliekos

Žaliavų naudojamų biodujų išgavimo proceso balanse didžiausiąją dalį sudaro kiaulių,

galvijų bei paukščių mėšlas. ES jis sudaro labai didelę biodujų jėgainėse perdirbamos

biomasės dalį. Tai nulėmė didelis gyvulininkystės ūkių skaičius bei juose susidarančių atliekų

kiekiai. Šiuo metu yra labai paplitęs anaerobinis nuotekų dumblo, maisto atliekų, bei

skerdyklų, odų, aliejaus, margarino, žuvų, vaisių (pramoninių) organinių atliekų apdorojimas

bioreaktoriuose.

Nuo perdirbamos žaliavos prigimties ir sudėties priklauso technologinio proceso

schema. Pašalinės atliekos žaliavoje turi būti pašalintos. Tam tikro tipo žaliavas būtina

susmulkinti bei praskiesti. Norint naudoti kelių rūšių biomasės žaliavas yra reikalinga įrengti

kelias atskiras talpyklas bei biomasės paruošimo ir sumaišymo įrangą. Naudojamos biomasės

sudėtis įtakoja biologinės degradacijos trukmę, proceso intensyvumą bei efektyvumą. Nuo

naudojamos žaliavos sudėties priklauso išgautų biodujų cheminė sudėtis, o tuo pačiu

kaloringumas vertė. Pagrindinės biodujų gamybai naudojamas medžiagos pateiktos 1.3

lentelėje.

Bioreaktoriuje perdirbamų žaliavų prigimtis bei sudėtis nulemia likusios o anaerobinio

proceso - atlieknės masės išnaudojimo galimybes (pvz. panaudoti tręšimui). Mikrobiologiškai

užterštas atliekas likusias po anaerobinio proceso būtina prieš tolimesnį panaudojimą

nukenksminti.

13

1.3 lentelė. Stechiometrinių dujų gamybos pajėgumai iš neazotinių organinių junginių [10]

Substratas Litrai/kg Metano kiekis,

% Metanas Biodujos

Angliavandeniai

Gliukozės monomerai 355 709 50,0

Gliukozės polimerai 373 746 50,0

Glukozės polimerai 394 788 50,0

Medienos cukraus polimerai 403 806 50,0

Cukraus rūgšties polimerai 364 784 46,4

Fermentavimo rūgštys

Pieno rūgštis 355 709 50,0

Acto rūgštis 355 709 50,0

Propioninė rūgštis 503 862 58,3

Sviesto rūgštis 604 967 62,5

Alkoholiai

Metanolis 498 664 75,0

Etanolis 693 924 75,0

Propanolis 797 1063 75,0

Butanolis 862 1149 75,0

Propandiolis 559 839 66,7

Butandiolis 650 945 68,8

Įvairūs būdai žaliavai paruošti bei nukenksminti brangina biodujų išgavimo

technologiją ir biodujų jėgainės projektas patampa ekonomiškai nepatraukliu objektu.

Įprastiniai cukriniai runkeliai yra patys efektyviausi pasėliai biodujų gamybai. Kukurūzai yra

pasėliai, kurie dažniausiai pasirenkami biodujų gamybos gerinimui (proceso efektyvinimui).

Mikroorganizmai gyvendami tam tikrame substrate, minta jame esančiomis

mineralinėmis bei organinėmis medžiagomis. Dėl to substrate ir keičiasi maisto medžiagų

kiekis. Kita vertus, tie patys mikroorganizmai į aplinką išskiria tų medžiagų, kuriomis jie

minta apykaitos produktus, tuo pačiu keičiasi substrato sudėtis ir jame esančių atskirų

medžiagų koncentracijos. Yra žinoma, kad atskiroms mikroorganizmų grupėms yra būdinga

minimali, optimali ir maksimali maisto medžiagų koncentracija. Todėl trūkstant kurios nors,

kad ir vienos būtinos maisto medžiagos, mikroorganizmai nebegali daugintis. Didinti maisto

medžiagų koncentraciją virš maksimalios nerekomenduojama, nes tokiu atveju

mikroorganizmų dauginimasis lėtėja ir pagaliau visai sustoja [1, 24].

1.4 lentelė. Biodujų komponentų charakteristikos

Parametras CH4 CO2 H2S Gamtinės

dujos

Biodujos

(CH4 65%)

Kaloringumas, kWh/m3 10 – 6,3 10 6

Užsidegimo temperatūra, C 650 – 270 650 700

Kritinis slėgis, bar 47 75 90 – 75-89

Kritinė temperatūra, C -82,25 31 100 – -82,5

Tankis, kg/m3 0,72 1,98 1,54 0,7 1,2

Tankio santykis, dujos/oras 0,55 1,5 1,2 0,54 0,9

Liepsnos greitis, cm/s laminarinis 47 – 73 39 25

14

Celiuliozė yra atspari enzimų ar rūgščių hidrolizei dėl jų struktūros ir lignino užtvaros.

Angliavandeniliai yra paverčiami į lygius kiekius metano ir anglies dioksido, metanolio ir

lipidų siekiant gauti daugiau metano nei anglies dioksido, skruzdžių ir oksalo rūgšties

siekiant gauti daugiau anglies dioksido nei metano [27].

Biodujų išeiga kinta priklausomai nuo substrato, pvz. riebalų (1200-1000 NL / kg

OTS), angliavandenių (700-800 NL / kg OTS), baltymų (600-700 NL / kg OTS), biologinių

atliekų (350-500 NL / kg OTS), ir lignino (apie 0 Nl / kg OTS) [17].

1.3. Cukrinių runkelių silosas

Silosas tai yra anaerobinėse (be deguonies) sąlygose fermentuoti žali augalai, kai

mikroorganizmų pagalba augaluose esantis cukrus yra fermentuojamas į organines rūgštis

(svarbiausią iš jų yra pieno rūgštis). Tinkamam fermentacijos procesui užtikrinti ir geram

silosui pagaminti reikia palaikyti tokius parametrus [12, 13]:

tinkamą silosuojamos masės drėgmė;

pakankamą cukraus kiekį augaluose;

greitą anaerobinių sąlygų sudarymą, gerai suslegiant ir sandariai uždengiant.

Nepriklausomai nuo siloso saugyklų ar taikomos silosavimo technologijos, silosavimo

principai yra tie patys. Siloso tranšėjos - tai labiausiai pasaulyje paplitusios siloso saugyklos.

Smulkesniems ūkiams rekomenduojami plastikiniai siloso kaupai. Paplito ritininio (ryšulinio)

siloso gamybos technologija [12, 13].

Yra žinoma, kad silosas gali būti gaminamas ne tik iš žolės, bet ir iš kitų žaliųjų

augalų - kukurūzų vegetacinės masės, varpinių arba ankštinių grūdinių vegetacinės masės ir

kt. Taip pat gali būti silosuojami ir nepilnai pribrendę varpinių ir ankštinių

augalų grūdai. Cukrinių runkelių gręžinių, kukurūzų tarkių ir kitų perdirbamosios pramonės

šalutinių produktų silosavimas yra geras jų konservavimo būdas [12, 13].

Tam, kad konkretaus siloso fermentacija būtų žymiai geresnė, yra naudojami

silosavimo priedai (organinės rūgštys (dažniausiai skruzdžių rūgštis, propiono rūgštis, jų

mišiniai bei druskos); bakteriniai inokuliantai (dažniausiai įvairių štamų pieno rūgšties

bakterijos bei propiono rūgšties bakterijos). Žymiai rečiau yra panaudojami celulozolitiniai

fermentiniai preparatai ir cukraus šaltiniai (pvz., melasa) [12, 13].

Geros fermentacijos siloso rodikliai yra tokie [12, 13]:

sausų medžiagų (SM) – 25 - 30 %;

žalių baltymų (nuo SM) – 15 - 18 %;

žalios ląstelienos (nuo SM) – 24 - 27 % ;

pH - 3,7—4,5;

15

pieno rūgšties – 35 - 100 g/kg SM;

acto rūgšties - 30 g/kg SM;

sviesto rūgšties - 0,1 g/kg SM;

laisvų rūgščių – 20 - 60 g/kg SM;

cukraus - daugiau 30 g/kg SM;

amoniakas + aminai (NH3-N) - ne daugiau 33 % (nuo tirpių proteinų).

1.4. Anaerobinio ir aerobinio proceso skirtumai

Biologinio valymo (medžiagų skaidymo) procesai organinės kilmės medžiagoms gali

būti suskirstyti į dvi pagrindines grupes:

anaerobinis;

aerobinis.

Anaerobinė fermentacija gali būti apibrėžiama kaip biologinių procesų medžiagų

skaidymui neesant deguonies naudojimui, paverčiant šias medžiagas į metaną, anglies

dioksidą, fiksuotus kitų dujų tokių kaip vandenilis, anglies monoksidas, azotas, deguonis ir

vandenilio sulfido lygius ir beveik stabilias liekanas.

Organinė frakcija beveik visada biomasės pavidalo, įskaitant nuotekų dumblą,

gyvūninių atliekų ir pramonės nuotekų, gali būti išskaidyta bioreaktoriuje anaerobinio proceso

metu. Reikšmingas skirtumas tarp aerobinio ir anaerobinio proceso yra tas, kad pirmasis

procesas yra vykdomas su deguonimi, o antrasis – bedeguonėje aplinkoje. [18]

Deguonies buvimas nusako, koks būdas bus panaudojamas fermentacijai, ir šiuo

atveju aerobinis procesas naudoja deguonį, energijai gaminti su vandeniu ir anglies dioksidu

kaip šalutiniais produktais. Jei deguonies skaidymas vis tiek vyksta, šiuo atveju vyksta

anaerobinis procesas [18]. Aerobinio proceso metu, deguonis (O2) reaguoja su cukrumi ar

gliukoze (C6H12O6), pasigamina anglies dioksida (CO2), vanduo (H2O), ir energija (ATP).

Cheminė aerobinio proceso reakcija atrodo taip [18]:

𝐶6𝐻12𝑂6 + 6𝑂2 → 6𝐶𝑂2 + 6𝐻2𝑂 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑗𝑎 (𝐴𝑇𝑃)

Anaerobinio proceso metu, kai reaktoriuje yra nepakankamas deguonies kiekis, skaido

gliukozę (C6H12O6) į pieno rūgštį (C3H6O3) ir energiją (ATP). Anaerobinio proceso metu

išsiskiria mažiau energijos nei aerobinio proceso metu. Cheminė anaerobinio proceso reakcija

atrodo taip [18]:

𝐶6𝐻12𝑂6 → 2𝐶3𝐻6𝑂3 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑗𝑎 (𝐴𝑇𝑃)

16

Aerobinio proceso metu pasigamina šalutiniai produktai tai: vanduo ir anglies

dioksidas, kurie yra lengvai šalinami bioreaktoriaus.

1.5. Anaerobinis procesas

Anaerobinis organinių medžiagų skaidymas metano gamybai remiasi kelių skirtingų

grupių bakterijų sąveika. Efektyvus anaerobinis biologinis organinių medžiagų skaidymas

gali būti pasiektas palaikant optimalias sąlygas šioms bakterijoms. Kita vertus, bakterijų

prisitaikymas prie substrato yra labai svarbus faktorius proceso analizei.

Anaerobinio pūdymo proceso metu aplinkoje (rektoriuje), kurioje nėra deguonies

substrate esantys mikroorganizmai suskaido biologiškai skaidžias medžiagas (1.1 pav.). Tokia

technologija yra labai plačiai panaudojama ne tik nuotekų dumblui, bet ir organinėms (kitaip

sakant biologiškai skaidžioms) atliekoms apdoroti. Anaerobinis procesas yra naudingas tuo,

kad proceso metu yra ne tik sumažinamas apdorojamų atliekų tūris ir masė, bet ir išgaunamos

energetiniu ir aplinkosauginiu požiūriu vertingos metano, anglies dvideginio biodujos, kurios

pilnai pakeičia iškastinį - importuojamą kurą. Reikia pažymėti tai, kad anaerobinio pūdymo

technologija, tinkamai įdiegta į atliekų tvarkymo sistemą sąvartynuose, ženkliai mažina

šiltnamio efektą sukeliančių dujų išsiskyrimą.

1.1 pav. Bioreaktoriuje vykstančių procesų schema

17

Anaerobinis procesas vyksta trimis stadijomis [3, 4]:

pirmoje (hidrolizės) stadijoje substrate esantys organiniai junginiai (riebalai,

baltymai ir angliavandeniai ) bioreaktoriuje yra skaidomi į smulkius molekulinius

organinius junginius;

antroje (acetogenezės) stadijoje, veikiant substrate esančioms rūgštis gaminančioms

(acetogeninėms) bakterijoms, smulkūs molekuliniai organiniai junginiai toliau yra

skaidomi į lakias riebalines rūgštis, vandenilį ir anglies dvideginį;

trečia -baigiamoji (metanogenezės) stadija yra metano gamybos procesas. Šios

stadijos metu veikia metaną gaminančios metanogeninės bakterijos. Dėl šių bakterijų

veiklos iš bioreaktoriuje esančių lakių riebalinių rūgščių, vandenilio ir anglies

dvideginio susidaro metano molekulės.

Bioreaktorius tai yra specialus įrenginys, kuris yra skirtas biodujų išgavimui, bakterijų

pagalba skaidant organines medžiagas anaerobinėse sąlygose. Siekiant užtikrinti anaerobines

sąlygas, būtina užkirsti kelią aplinkos oro priėjimui prie bioreaktoriuje esančio substrato.

Todėl bioreaktoriaus talpos korpusas turi būti sandarus, nes ir nedidelis deguonies kiekis yra

labai kenksmingas metaną gaminančioms bakterijoms [1, 5, 6].

1.6. Temperatūros įtaka anaerobinio proceso efektyvumui

Reakcijose dalyvaujantys mikroorganizmai visiškai neturi šilumos reguliavimo

mechanizmų, todėl aplinkos temperatūra jiems yra svarbiausias veiksnys, nuo kurio labai

priklauso jų dauginimosi greitis ir biocheminių reakcijų vykimo intensyvumas [1, 11, 16].

Vienos grupės mikroorganizmams palankiausia yra palankiausia žemesnė temperatūra, kitos

grupės – aukštesnė. Pagal šią temperatūrą jie yra skirstomi taip [1, 11, 16]:

psichrofilinius (graikiškai psychros – šaltas, philio – myliu);

mezofilinius (gr. mesos – vidutinis);

termofilinius (gr. Thermos – šiltas).

Psichrofiliniams mikroorganizmams optimali temperatūra yra 10 - 20C,

mezofiliniams – 25 - 37C ir termofiliniams – 50 - 60C [1, 11, 16].

Tie patys reakcijose dalyvaujantys mikroorganizmai yra skirtingai atsparūs aukštos ir

žemos temperatūros poveikiams. Kaip yra žinoma žemesnėje nei minimali temperatūroje

esantys mikroorganizmai pereina į anabiozės būklę. Šioje būklėje labai stipriai sulėtėja visi

gyvybiniai procesai, todėl mikroorganizmai nustoja daugintis ir tampa neveiklūs to pasekoje

18

procesas sustoja. Šiuo poveikiu ir yra pagrįstas maisto produktų laikymas vėsiai -

šaldytuvuose siekiant apsaugoti maisto produktus nuo gedimo [1, 11, 16].

Mikroorganizmų temperatūrai pakilus aukščiau nustatytos minimalios ribos ir šiai

temperatūrai išsilaikant ne daugiau kaip dvi valandas, dažnu atveju mikroorganizmų veikla

grįžta į pradinę būklę – pradeda daugintis ir procesas pradeda vykti, kai temperatūra atsistato

[11, 16].

Mikroorganizmai aukštai aplinkos temperatūrai yra žymiai jautresni, nei žemai, nes

kai temperatūra pakyla aukščiau už maksimalią leistiną, jie labai greitai žūva. Jei aplinkos

temperatūra tik trumpam ir tik labai nedaug viršija maksimalią leistiną temperatūrą, tai toks

procesas mikroorganizmams sukelia „šiluminį šoką”. Yra žinoma, kad mikroorganizmai

trumpai pabuvę “šiluminio šoko” temperatūroje, dažniausiai sugeba atsigauti ir toliau gali

normaliai funkcionuoti. Tačiau reikia nepamiršti, kad ilgesnis mikroorganizmų buvimas

aukštesnėje nei leistina temperatūroje jiems yra pražūtingas [1, 11].

Apdirbimo aukštoje temperatūroje yra pagrįstas produktų terminio apdribimo procesas

- pasterizavimas, kai maisto produktuose yra sunaikinamos sporų nesudarančios bakterijos

(yra žinoma, kad tam tikra dalis bakterijų, esant joms nepalankiomis gyvavimo sąlygomis

sudaro sporas, kurios kaip ne keista yra žymiai atsparesnės karščiui, šalčiui, džiovinimui, o

taip pat daugelio cheminių medžiagų poveikiui). Sterilizavimo proceso metu yra sunaikinami

visi medžiagoje esantys mikroorganizmai [1, 11].

Jei maisto medžiagos substrate yra kietų dalelių pavidale, tai didelę įtaką bakterijų

veiklai turi dalelių dydis. Kuo dalelės mažesnės, tuo didesnis to paties medžiagos kiekio

paviršiaus plotas, tuo lengviau bakterijoms sueiti į kontaktą su medžiaga ir ją įsisavinti [24].

Anaerobinė fermentacija gali vykti trimis temperatūriniais rėžimais [17]:

psichrofilinio 10 – 20 C

mezofilinio 33 – 37 C

termofilinio 50 – 55 C

Dabar naudojamuose bioreaktoriuose yra laikoma temperatūra, atitinkanti optimalias

sąlygas mezofiliniams arba termofiliniams mikrorganizmams vystytis (1.2 pav.). Kad būtų

galima palaikyti reikiamą substrato temperatūrą nepatiriant didelių nuostolių į aplinką,

bioreaktorius turi būti izoliacija ir turėti efektyvią šildymo sistemą.

19

1.2 pav. Laiko, per kurį suskaidoma organinė medžiaga priklausomybė nuo temperatūros [1,

24]

Tarpusavyje lyginant termofilinį ir mezofilinį biodujų išgavimo režimus, galima

išskirti šiuos termofilinio režimo pliusus:

didesnis medžiagų skaidymo greitis;

iš to paties substrato kiekio gaunama didesnė biodujų išeiga;

proceso metu sterelizuojamas didesnis patogeninių- ligas sukeliančių mikrobų ir

piktžolių sėklų skaičius;

mažesnio tūrio bioreaktoriuje (tuo pačiu ir pigesniame) galima apdoroti tą patį

žaliavos kiekį.

Tačiau termofilinis procesas turi tokius minusus:

naudojamas didesnis energijos kiekis nes reikia palaikyti aukštesnę substrato

temperatūrą;

procesas mažiau stabilus;

mažesnį metano koncentracija išgaunamose biodujose (tuo pačiu ir biodujų šiluminė

vertė).

Antrasis paminėtas trūkumas reiškia, kad bioreaktorius, dirbantis termofiliniu režimu,

(lyginant su reaktoriumi dirbančiu mezofiliniu režimu), yra kur kas jautresnis temperatūros,

substrato sudėties, rūgštingumo pokyčiams, taip pat ir inhibitorių poveikiui. Todėl gali

greičiau sutrikti termofilinių bakterijų veikla. Todėl, termofiliniu režimu dirbančiam

bioreaktoriui reikia daugiau ir aukštesnės kvalifikacijos priežiūros. Dėl visų aukščiau

paminėtų priežasčių mažesnio tūrio, mėšlą perdirbantys bioreaktoriai daugiausia dirba

mezofiliniu režimu [4, 6].

Substrato maišymas leidžia sumažinti kenksmingų medžiagų, jeigu tokių papuola

poveikį mikroorganizmams jas išsklaidant per visą bioreaktoriaus tūrį, nes sumažėja jų

20

koncentracija. Maišymas taip leidžia palaikyti vienodesnę substrato temperatūrą visame

tūryje, taip pat užtikrina gerą kontaktą tarp organinių medžiagų ir jas apdorojančių

mikroorganizmų bei neleidžia susidaryti putai substrato viršuje, kuri trukdo biodujos pašalinti

iš substrato.

Kiekvienas bioreaktorius turi būti aprūpintas tinkama substrato įkrovimo ir iškrovimo

į bioreaktorių sistemą, kuri kaip galima mažiau trikdytų bioreaktoriuje esančių

mikroorganizmų veiklą, t.y. koncentracijos ir temperatūros pokyčiai būtų kaip galima

mažesni. Tradiciniai metantankai yra suprojektuoti daugiausiai dirbti mezofiliniu ar

termofiliniu rėžimu. Procesas spartėja kai didėja temperatūra. Termofiliniame rėžime,

skilimas ir biodujų gamyba vyksta žymiai greičiau nei mezofiliniame rėžime. Tačiau procesas

vis tiek yra labai jautrus sutrikimams, kurie gali būti tiekiamų medžiagų ar temperatūros

pasikeitimas [17].

Nors visi anaerobiniai reaktoriai sumažina piktžolių sėklų ir ligas sukeliančius

(patogeninius) organizmus, aukštesnė termofilinio rėžimo temperatūra sukelia žymiai

aktyvesnį sunaikinimą [17]. Kita vertus dauguma biodujų jėgainių žemės ūkio sektoriuje dirba

mezofiliniu rėžimu, tam, kad sumažinti didelius nuostolius šildymui, kurios yra pačios

didžiausios biodujų jėgainės išlaidos [17].

Visos reaktoriuje esančios bakterijų populiacijos yra gana atsparios trumpalaikiams iki

dviejų valandų temperatūros sutrikimams, ir greitai pradeda gaminti normalius biodujų

kiekius, kai tik temperatūra atsistato. Tačiau per didelis ar per ilgai užsitęsęs temperatūros

kritimas gali išbalansuoti populiacijas ir gali sukelti žemo pH problemas [16].

1.7. Technologinių procesų parametrai ir jų kontrolė

Technologinio proceso veiksniai yra skirstomi į:

abiotinius (fiziniai ir cheminiai aplinkos veiksniai, pvz., drėgmė, šiluma, šviesa);

biotinius (įvairus vienų mikroorganizmų poveikis kitiems).

Technologinio proceso veiklai tinkamiausia tam tikro veiksnio reikšmė vadinama

optimalia. Riba kai mikroorganizmas - bakterija nebegali egzistuoti vadinama minimalia.

Intervalas tarp žemutinės ir aukštutinės ribų yra vadinamas tolerancijos arba pakantumo

intervalu (1.3 pav.).

21

1.3 pav. Organizmų priklausomybė nuo aplinkos veiksnių [8]

Yra žinoma, kad kiekvieną mikroorganizmų rūšį nuolat, periodiškai ar atsitiktinai

veikia labai daug ir įvairių proceso pirmaeilių ir/ar antraeilių veiksnių. Pagrindinio proceso

veiksnio reikšmei pasikeitus už tolerancijos ribų, mikroorganizmams iškyla realus pavojus –

jie gali žūti, nors visos kitos aplinkos sąlygos yra palankios. Kiekvienas proceso veiksnys gali

būti apibūdintas taip:

konkrečiais požymiais;

poveikiu;

kitimo intervalu.

Kuo kitimo intervalas yra platesnis, tuo procesas labiau veikia mikroorganizmus.

Proceso tam tikro veiksnio poveikio maksimali arba minimali reikšmė stelbia

mikroorganizmus ir šie gali nustoti progresuoti, nes:

silpnai auga;

nesivysto;

nesidaugina.

Tokios sąlygos kai organizmai gali tik egzistuoti (nustoja progresuoti) yra vadinamos

slopinimo zona. O mikroorganizmų galimybė prisitaikyti prie aplinkos sąlygų yra vadinamas

valentingumu.

Tokie organizmai, kurie turi mažą valentingumą (siaurą tolerancijos intervalą,) t.y.

tokie kurie gali egzistuoti tada, kai proceso parametrai kinta mažai yra vadinami

22

stenobiontais. O organizmų rūšys, kurios gali egzistuoti plačiame aplinkos poveikių kitimo

intervale yra vadinamos euribiontais [8].

Technologiniai proceso parametrai, gali būti tokie:

aplinkos parametrus (pH, šarmingumas, organinių ir neorganinių junginių

koncentracijos ir pobūdis, redokso potencialas);

darbinius parametrus (temperatūra, organinė apkrova ir maišymas, išlaikymo trukmė,).

Nuo sistemos konfigūracijos ir konstrukcijos priklauso didelė dalis darbinių

parametrų. Kontrolės parametrai yra naudingi stebėjimui ir proceso našumo kontrolei, siekiant

palaikyti kuo optimalesnes ir pastovesnes darbines sąlygas bioreaktoriuje. Proceso stabilumas

yra ypač svarbus anaerobinio proceso rodiklis, nes šis procesas yra gana jautrus cheminiams

ir/ar fizikiniams - cheminiams bioreaktoriaus pokyčiams. Lėtas procesas anaerobinėje terpėje

yra kietų dalelių organinės medžiagos degradacija [31].

Aplinkos parametrai.

Metanogeninių mikroorganizmų veikla yra intensyviausia kai substrato rūgštingumas

yra neutralus ar lengvai šarminis (pH yra tarp 7 ir 8,5). Kai norima gauti daugiau biodujų

optimalus pH turi būti 7 - 7,2, tačiau yra žinoma, kad fermentacija gerai vyksta kai pH yra

intervale 6,6-7,6 [32].

Pastovus rūgštingumo (pH) lygio matavimas įgalina laiku sureagavus išvengti rimtų

proceso sutrikimų. Proceso kontroliavimui neužtenka žinoti tik šį vieną dydį. Bioreaktoriuose,

perdirbančiuose ypač daug žaliavų, yra didelė organinių rūgščių koncentracija, todėl substrato

pH būna aukštesnis, bet tai nestabdo biodujų gamybos proceso [33].

Anaerobiniu rėžimu dirbančiame bioreaktoriuje pH lygiui viršijus intervalo 6-8 ribas

susidaro metanogezei nepalankios sąlygos ir procesas išsibalansuoja [34].

Tarpinis organinių medžiagų skaidymo produktas anaerobinio proceso metu yra

lakiosios riebiosios rūgštys (LRR). Daryti išvadas apie metanogeninių mikroorganizmų veiklą

anaerobinio topo reaktoriuje galima žinant lakiųjų riebiųjų rūgščių koncentracijas.

Bioreaktoriuje rūgštiniai ir metaniniai mikroorganizmai veikia pusiausvyrai ir vykstant

anaerobiniam procesui nusistovi konkreti lakiųjų organinių rūgščių koncentracija.

Metanogeninių bakterijų veiklą slopina aukšta lakiųjų riebiųjų rūgščių koncentracija.

Temperatūra turi ženklią įtaką lakiosioms riebiosios rūgštims. Esant aukštesnei kaip 56C

temperatūra anaerobinio tipo bioreaktoriuje yra labai didelė tikimybė, kad lakiųjų riebiųjų

rūgščių koncentracija bus per aukšta [39]. Aukšta lakiųjų riebiųjų rūgščių koncentracija

anaerobinio tipo bioreaktoriuje indikuoja, kad nepilnai vyksta metanogenezės procesas.

Bioreaktoriaus apkrovimo lygiui įvertinti ir palaikyti konkrečią perdirbamos žaliavos

koncentraciją substrate yra naudojamas sausų (SM) ar sausų organinių (SOM) medžiagų

23

kiekis. Normaliu atveju bioreaktoriai veikia kai SM koncentracija yra 8-10 %, o specialiais

atvejais kai SM koncentracija yra didesnė kaip 20 %. Biodujų jėgainės darbas labai priklauso

nuo sausų organinių medžiagų koncentracijos. Perkovimo tikimybė atsiranda jei ji yra per

didelė (pvz., > 3 kg SOM/(m3∙d)). Tam, kad panaikinti perkrovimą turi būti mažinamas

tiekiamos žaliavos kiekis [35].

Bioreaktoriuje naudojamų medžiagų oksidacijos arba redukcijos laipsnį nusako

redukcijos - oksidacijos potencialas. Biodujų išgavimas yra efektyvus tik tokiu atveju, kai

redukcijos - oksidacijos potencialas yra žemesnis nei 300 mV. Deguonies, sulfatų ir/ar nitrito

grupių turintis substratas, gali stipriai keisti redukcijos – oksidacijos potencialą ir pH. Dėl

substrato keitimosi, irgi gali atsirasti žalingas poveikis. Esant nepakitusiam pH bioreaktoriuje

galima kontroliuoti degradacijos procesą pastoviai atliekant redukcijos - oksidacijos

potencialo matavimus [35].

Hidrolizės metu siekiant suaktyvinti anaerobinį procesą yra būtina tam tikra vandenyje

tirpių angliavandenių koncentracija. Anaerobinės bakterijos gerai cukrų ir/arba vandenyje

tirpius angliavandenilius fermentuoja ir pilnai pasisavina. Šios medžiagos turi laibai svarią

įtaką biomasės anaerobinės fermentacijos proceso kokybei bei greičiui. Vandeny tirpstančių

angliavandenių kiekis yra tolygus greitai gaunamos energijos kiekiui mikrofloros veiklai

sustiprinti [36].

Azoto jonus išskiria anaerobiniu būdu perdirbami baltymai. Yra žinoma, kad didelės

azoto koncentracijos yra toksiškos metanogeniniams mikroorganizmams, dėl šios priežasties

yra slopinamas biodujų išgavimo procesas. Derinant žaliavoje esančio anglies ir azoto santykį

galima reguliuoti azoto koncentracija substrate (1.5 lentelė). Siekiant palaikyti tinkamą azoto

koncentraciją daug baltymų turinčias atliekas iš maisto pramonės patariama sumaišyti su

žemės ūkio atliekomis ir/arba daugiau anglies turinčia specialiai auginama biomase.

1.5 lentelė. C:N sausoje organinėje medžiagoje [37]

Organinė medžiaga Anglies kiekis, % Azoto kiekis, % C/N santykis

Kviečių šiaudai 46 0,53 87

Miežiai 42 0,75 56

Paprastoji šunažolė 15 0,6 25

Medžių lapai 41 1,0 41

Bulvių stiebai 40 1,2 22

Vištų mėšlas 45 3,0 15

Kiaulių mėšlas 7,8 0,65 13

Karvių mėšlas 7,3 0,29 25

Žliaugtai 3,75 0,42 9

Anglies ir azoto optimalus santykis biodujų išgavimui iš žolių ar kitų žemės ūkio

atliekų biomasės yra intervale nuo 20:1 iki 30:1 [40]. Anglies ir azoto santykiui esant

24

didesniam kaip 30:1, anaerobiniai mikroorganizmai suskaido azotines medžiagas, taip

tenkindamos baltyminių medžiagų poreikius, o per tą laiką anglis nespėja degraduoti. Esant

anglies ir azoto santykiui žemesniam kaip 20:1, suaktyvinamas amoniako kaupimasis ir

biomasės rūgštingumas didėja iki 8,5, tokiu būdu yra slopindamas anaerobinių

mikroorganizmų aktyvumas ir stabdoma anaerobinio proceso pradžia [38].

Skirtingų rūšių medžiagose azoto ir anglies santykis yra skirtingas ir nevienodas. Pvz.,

žolinių augalų šis santykis paprastai būna palyginti didelis, tačiau įvykus anaerobinio

fermentavimo procesui anglies ir azoto santykis nukrinta apytiksliai iki 20:1. Todėl siekiant

sukurti geresnę aplinką metanogenezei atliekos, turinčios didesnį azoto kiekį, gali būti

sumaišomos su augalinėmis atliekomis.

Substrato maišymo intensyvumas palaiko greitą procesų vyksmą bei aktyvią medžiagų

apykaitą galima gauti tik palaikant bei pastoviai naujinant maksimaliai galimą sąveikos

paviršiaus plotą tarp kietos ir skystos bioreaktoriaus substrato fazių. Tam tikslui kietos

medžiagos, ypač augalinės, turi būti tinkamai paruoštos, kad dalelės būtų kuo mažesnių

geometrinių matmenų [32; 34].

Intensyviai maišant mikroorganizmai gali laisvai patekti prie substrato dalelių

paviršiaus. Maišymo metu taip pat yra tolygiau visame rektoriaus tūryje paskleidžiamos

organinės medžiagos, nesusidaro nuosėdoms ir paviršiuje plaukiojanti pluta bei lengvinamas

biodujų kilimas iš substrato skysčio tūrio į paviršių, po bioreaktoriaus tūrį yra geriau

paskleidžiamos patekusios medžiagos. Substrato maišymas bioreaktoriuje dažniausiai yra

atliekamas periodiškai – nuo kelių kartų per valandą iki kelių kartų per parą [42]. Yra žinoma,

kad tokios biodujų jėgainės, kuriose biodujų išgavimui yra panaudojamas 100 % energetinių

augalų substratą, dažniausiai naudoja mažų greičių maišykles (1.5 pav.). Visų tipų maišykles

galima naudoti, tokiose jėgainėse, kuriose biodujų išgavimui yra naudojamas substratas,

kuriame yra daugiau kaip 50 % energetinių augalų [45].

25

1.4 pav. Skirtingų maišyklių maišymo dažnumo priklausomybė nuo substrato sudėties

Mikroorganizmų gyvybingumą ir biodujų išgavimo intensyvumą nulemia pakankamas

maistinių medžiagų kiekis. Jis gali būti išreikštas organinės medžiagos kiekiu, tenkančiu

bioreaktoriaus darbinio tūrio vienetui per laiko vienetą (organine apkrova) (2,5 iki 5,0 kg/m3

per parą) [46]. Daugiamečių žolių ir kukurūzų siloso organinė apkrova yra palaikoma nuo 0,5

iki 4 kg/m3 per parą. Moksliškai pastebėta, kad energetinių daugiamečių augalų silosas gali

būti sumaišomas su kitomis žemės ūkio organinėmis žaliavomis ir atliekomis, pvz. tokiomis

kaip žlaugtai [43]. Dauguma biodujų jėgainių Vokietijoje kai apkrova kinta nuo 1,0 iki 3,5

kg/m3 per parą, o Austrijoje yra 3,5 kg/m

3 per parą [44]. Biodujų išgavimą mažina

perdirbamoje biomasėje esantis didesnis nei 12 % sausųjų medžiagų kiekis [44].

Biodujų jėgainės rentabilumą ir biodujų išgavimo intensyvumą mažina maža

organinės medžiagos apkrova. Stebint tiekiamos žaliavos organinės medžiagos koncentraciją

ir bioreaktoriaus dienos įkrovos srautą reguliuojama organinės medžiagos apkrova. Yra

žinoma, kad jei bioreaktoriaus apkrova yra maža, tai mikroorganizmams trūksta maisto, todėl

jų veikla yra mažiau intensyvi ir išgaunamas mažesnis biodujų kiekis, tačiau geriau skaidoma

į bioreaktorių tiekiama organinė medžiaga. Organinių medžiagų degradacijos laipsnis

padidinamas mažinant organinę apkrovą taip pasiekiamas ilgas išlaikymo laikas

bioreaktoriuje [46].

Perdirbant žlaugtus ir daugiamečių žolių silosą anaerobinio tipo bioreaktoriuje reikia

palaikyti nuo 1,0 iki 2,0 kg/m3/parą bioreaktoriaus organinę apkrovą [34].

26

1.8. Biodujų gamybos proceso pagrindiniai parametrai

Medžiagų skaidymo bioreaktoriaus darbą nusako tokie pagrindiniai parametrai [7]:

temperatūra;

išlaikymo trukmė;

bioreaktoriaus apkrova.

Substrato išlaikymo trukmė tai yra substrato buvimo bioreaktoriuje laikas, matuojamas

paromis. Nepertraukiamo veikimo bioreaktoriuose išlaikymo trukmė (sutrumpintai IT),

gaunama dalinant bioreaktoriaus darbinį tūrį (t.y. tūrį užpildytą substratu) iš įkrovos kiekio,

paduodamo į reaktorių per parą. Išlaikymo trukmė yra svarbus dydis. Jis priklauso nuo

apdorojamos žaliavos savybių.

Biomasė bioreaktoriuje būna nustatytą laiką (išlaikymo trukmę), per šį laiką didesnė

jos dalis suyra ir pavirsta biodujomis. Bioreaktoriuose su nuolatine įkrova biomasė yra

laikoma dvigubai ilgiau, nei užtrunka metanogeninių mikroorganizmų atsinaujinimas.

Išbuvimo laikotarpis priklauso ir nuo biomasės sudėties ir prigimties. Ilgiausiai užtrunka

biomasės rišamųjų medžiagų – hemiceliuliozės ir celiuliozės suirimas. Gerokai lengviau suyra

riebalai, angliavandeniai ir baltymai. Kadangi ilgesnis biomasės perdirbimo laikotarpis yra

susijęs su žymiai didesnėmis energetinėmis sąnaudomis, todėl bioreaktoriui parenkant

žaliavas biodujų išgavimui ir sustatant biodujų išgavimo programą rekomenduojama atlikti

energetinio efektyvumo įvertinimą (1.6 pav.).

1.6 pav. Biodujų išeigos priklausomybė nuo substrato išlaikymo laiko mezofiliniame

ir termofiliniame rėžimuose [41]

Paprastai kiaulių mėšlo IT≈12 – 15 parų, o karvių ir paukščių mėšlo IT≈18 – 25 paros.

Žinant žaliavos kiekį m3/parą, kuris bus įkraunamas kasdien į bioreaktorių ir IT, galima rasti

bioreaktoriaus darbinį tūrį VD, sudauginus šiuos skaičius. Visas bioreaktoriaus tūris V

dažniausiai priimamas 10 % didesnis už darbinį tūrį, t.y. V = 1,1 VD [3].

27

Ne mažiau svarbus dydis, nusakantis bioreaktoriaus darbą, yra tūrinė organinė

apkrova. Apkrova nusako per parą įkraunamų į bioreaktorių sausų organinių medžiagų kiekį,

tenkantį vienam bioreaktoriaus darbinio tūrio kubiniam metrui. Jei apkrova maža, tai

bakterijoms trūksta maisto, jų veikla yra nelabai intensyvi ir pagaminamas mažesnis biodujų

kiekis, tačiau labiau suskaidoma į bioreaktorių įkrauta organinė medžiaga. Jei apkrova yra

pernelyg didelė, bioreaktoriuje pradeda kauptis daug lakių riebalinių rūgščių. Mažėja

pagaminamų biodujų kiekis ir didėja jose anglies dvideginio koncentracija. Padidėja substrato

rūgštingumas virš leistinų ribų, t.y. pH reikšmė pasidaro mažesnė už 6. Tai stabdo

metanogeninių bakterijų veiklą. Jos sugeba perdirbti vis mažiau rūgščių į metaną.

Rūgštingumas toliau auga, metanogeninės bakterijos apnuodijamos ir bioreaktoriaus darbas

galutinai sutrikdomas. Tokia padėtis vadinama organine reaktoriaus perkrova. Laiku nustačius

organinę perkrovą, bioreaktoriaus veikimą pavyksta atstatyti sumažinus apkrovą. Tai

atliekama mažinant paduodamos į bioreaktorių žaliavos kiekį arba įkraunant tą patį kiekį prieš

tai atskiedus, t.y. sumažinus jame organinių medžiagų koncentraciją [9].

Substrato išlaikymo trukmė bioreaktoriuje ir bioreaktoriaus apkrova yra tarpusavyje

labai susiję dydžiai. Didinant substrato išlaikymo trukmę bioreaktoriaus apkrova mažėja. O

mažinant substrato išlaikymo trukmę apkrova didėja.

Maišymas yra labai svarbus anaerobinėje fermentacijoje, siekiant užtikrinti reikiamą

sąlytį tarp substrato ir bakterijų, taip tam, kad padėtų pašalinti dujas iš skysčio. Kita maišymo

priežastis yra putų susidarymo sumažinimas, kurios mažina bioreaktoriaus pajėgumą. Yra

žinoma, kad maišymas su pertrūkiais, padidino biodujų išgavimą ir padidino cheminį

deguonies suvartojimą bei kietų medžiagų redukciją lyginant su nepertraukiamu maišymu.

Minimaliai maišomas rektorius turi stabilesnį procesą, negu pastoviai ar energingai

maišomas reaktorius. Energingas ar nebetraukiamas maišymas slopina bakterijų veiklą.

Maišymas paprastai atliekamas mechaniškai sujudinant, bioreaktoriaus substratą

recikuliuojant arba recirkuliuojant biodujas.

Biodujų drėgnumas priklauso nuo surenkamų biodujų temperatūros. Biodujų sudėtis

priklauso nuo žaliavos tipo ir medžiagų skaidymo būdo [17]. Anaerobinio proceso metu

naudojamos skirtingos žaliavos labai skiriasi savo sudėtimi, homogeniškumu ir biologiniu

skaidumo.

Toksiškų junginių poveikyje skaidymo procese lėtėja medžiagų apykaitos norma prie

mažų koncentracijų. O prie didelių koncentracijų mikroroganizmai apsinuodija ar miršta. Per

dideli organinių ir neorganinių medžiagų, įskaitant lakiųjų riebalų rūgščių, amoniako, metalo

jonų ir antibiotikų kiekiai gali sukelti anaerobinių medžiagų toksiškumą. Nors visos skaidymo

28

procese dalyvaujančios bakterijos yra paveikiamos, tačiau pačios jautriausios metano

skaidymo bakterijos.

Esant amoniakinio azoto koncentracijoms tarp 1500 ir 3000 mg/l ir pH koncentracijai

didesnei kaip 7,4, amoniako koncentracija gali slopinti metano gamybą [28]. Esant

amoniakinio azoto koncentracijai žemiau 3000 mg/l amoniakas tampa toksišku

nepriklausomai nuo pH. Yra rekomenduojama, kad bendra amoniakinio azoto koncentracija

būtų palaikome žemiau 2000 mg/l. Amoniako toksiškumas yra dažna pramonės žaliavų

turinčių didelį baltymų kiekį problema.

Antibiotikai taip pat gali slopinti arba visiškai sustabdyti metano gamybą. Be to,

mažas deguonies kiekis (> 0,1 mg / l O2) veikti toksiškos ant fermentacijos proceso [30].

1.9. Organinės apkrovos išlaikymo trukmė ir įkrovos dažnumas

Išlaikymo trukmė (gyvavimo laikas) tai yra laikas, kurio reikia, likusio rektoriuje

substrato pamaitinimui po reikiamos reakcijos. Išlaikymo laikas yra apskaičiuojamas dalinant

bendrą bioreaktoriaus talpą iš organinių medžiagų pamaitinimo dažnumo jame. Jeigu

išlaikymo laikas yra per trumpas, tokiu atveju bioreaktoriuje esančios bakterijos yra

išplaunamos greičiau negu jos gali atsigaminti, todėl fermentacija praktiškai sustoja. Kuo

ilgiau substratas yra išlaikomas bioreaktoriuje tinkamomis sąlygomis, tuo geriau įvyksta

degradacija. Bet reakcijos greitis sumažės didėjant išlaikymo laikui. Ilgesnio išlaikymo

trūkumas yra tas, kad tokiu atveju yra reikalingas didesnio tūrio bioreaktorius, tam pačiam

substrato kiekiui išskaidyti.

Substrato išlaikymo bioreaktoriuje laikas yra matuojamas paromis. Nepertraukiamo

veikimo bioreaktoriuose išlaikymo trukmė (sutrumpintai IT) yra gaunama dalinant

bioreaktoriaus darbinį tūrį (t.y. tūrį, užpildytą substratu) iš įkrovos kiekio, paduodamo į

reaktorių per parą:

𝐼𝑇 =𝑉

𝑚𝑝 (1.1)

čia: IT – substrato išlaikymo trukmė, paromis;

V - reaktoriaus tūris, m3;

mp – substrato paros įkrova (m3/parą).

Yra žinoma, kad kiaulių mėšlo išlaikymo trukmė yra 12 - 15 parų, o karvių ir paukščių -

18-25 paros. Sudauginus žinomus žaliavos kiekio m3/parą, kuris bus įkraunamas kasdien į

29

bioreaktorių, ir IT skaičius, galima rasti bioreaktoriaus darbinį tūrį VD. Visas bioreaktoriaus tūris

V dažniausiai priimamas 10% didesnis už darbinį tūrį, t.y. V = 1,1 VD [32].

1.10. Organinės apkrovos norma

Organinės apkrova yra vienas iš svarbiausių bioreaktoriaus parametrų.

Apibūdinimas pakrovimo dažnumas yra naudojamas nurodyti paros organinių

medžiagų kiekį paduodamą į bioreaktorių santykį su bioreaktoriaus tūriu. Jeigu pakrovimo

dažnumas yra per mažas, bakterijos rodys mažą medžiagų apykaitos aktyvumą ir labai maži

biodujų kiekiai bus išgaunami. Jeigu pakrovimo dažnumas yra per didelis, bioreaktorius bus

perkrautas ir pradės gamintis lakiosios riebiosios rūgštys (LRR), biodujų išgavimas sumažės

ir anglies dioksido santykis padidėja. Pakrovimo dažnumas keičiasi priklausomai nuo

substrato rūšies.

Organine reaktoriaus apkrova yra nusakomas biodujų gamybos proceso efektyvumas.

Kitaip sakant apkrova nusako per vieną parą į reaktorių įkraunamų sausų organinių medžiagų

kiekį, kuris tenka vienam bioreaktoriaus darbinio tūrio kubiniam metrui [4]:

𝑣𝑆𝑂𝑀 =𝑚𝑆𝑂𝑀

𝑉 (1.2)

čia: mSOM – sausų organinių medžiagų masė esanti bioreaktoriaus substrate, kg;

V – bioreaktoriaus darbinis tūris, m3.

Bakterijoms trūksta maisto kai bioreaktoriaus organinė apkrova yra maža, tokiu metu

jų veikla yra ne tokia intensyvi ir išgaunamas mažesnis biodujų kiekis, o bioreaktoriuje esanti

(įkrauta) organinė medžiaga yra geriau skaidoma.

Jei bioreaktoriaus apkrova yra per didelė, tokiu atveju bioreaktoriuje pradeda kauptis

daug lakiųjų riebalų rūgščių, išgaunamų biodujų kiekis sumažėja, biodujose didėja anglies

dioksido koncentracija.

Normalia bioreaktoriaus organine apkrova yra laikoma, kai bioreaktoriaus vienam

kubiniam metrui per parą tenka (įkraunama) apie tris kilogramus sausųjų medžiagų.

Anaerobinės fermentacijos metu didžioji dalis organinio azoto bus paversta amoniniu

azotu. Amonis (NH4+

) yra svarbus anaerobinio proceso parametras. Yra laikoma, kad azotas

yra bakterijų augimo šaltinis, tačiau per didelė azoto koncentracija gali sutrikdyti bakterijų

augimo procesą. Amoninio azoto koncentraciją gali paskaičiuoti pasinaudojant tokia formule:

𝑁𝐻4−𝑁 =𝐻2𝑆𝑂4𝑠𝑢𝑛𝑎𝑢𝑑𝑜𝑗𝑖𝑚𝑎𝑠∗1,4

𝑝𝑎𝑠𝑣𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠 𝑚ė𝑔𝑖𝑛𝑦𝑠 (𝑔)= 𝑔

𝑁𝐻4−𝑁

𝑘𝑔𝑏𝑎𝑛𝑑𝑖𝑛𝑖𝑜 (1.3)

30

1.11. pH ir šarmingumas

pH yra vienas iš pagrindinių parametrų, kuris yra kontroliuojamas anaerobiniuose

reaktoriuose. Bet koks pH nuokrypis nuo leistino intervalo yra nestabilių anaerobinio proceso

sąlygų požymis. Nes jeigu pH nukrypsta nuo leistinų ribų, tokiu atveju yra slopinamas

anaerobinis procesas. pH reikšmė paprastai yra matuojami pH matavimo prietaisu. Būtina

periodiškai matuoti pH reikšmę, kad efektyviai (tinkamai) vyktų anaerobinis procesas. Kitu

atveju gali būti mažiau sulėtėti arba visai sustoti biodujų gavimo.

Normaliu atveju pH reikšmė turi būti intervale tarp 7 – 8 [19]. Žemas pH rodiklis kaip

pvz. gali reikšti, kad procesas yra išsibalansavęs ir tinkamai nevyksta anaerobinis procesas.

Kai lakių organinių junginių koncentracija padidėja, pH reikšmė bioreaktoriuje pradeda

mažėti. Kaip pH lygis yra žemesnis kaip 6, gali susidaryti rūgštinės sąlygos, kurios gali tapti

nuodingos metano bakterijoms. Tačiau aukštas pH lygis taip pat gali būti problema jeigu

generuojamas aukštas amonio lygis esant aukštoms organinio apkrovimo normoms.

1.12. C:N santykis

Svarbiu biodujų gamybai rodikliu yra anglies (C) ir azoto (N) santykis (C:N)

biomasėje. Mikroorganizmai yra sudaryti iš anglies (C), vandenilio (H), deguonies (O) ir

azoto (N). Pvz., anglis sudaro ~50% mikroorganizmų sausosios masės. Todėl yra labai

svarbu, kad šių elementų bioreaktoriuje esančiame substrate būtų užtektinai ir tam tikru

reikalingu santykiu. Ypatingai tai svarbu dviem elementams: angliai ir azotui [1, 24].

Yra laikoma, kad azoto šaltinis skatina bakterijų augimą, tačiau didelės jo

koncentracijos gali slopinti medžiagų skaidymo procesą. Esant azoto trūkumui, bioreaktoriuje

esančios bakterijos negali pagaminti reikiamo kiekio fermentų, kurie yra būtini anglies

įsisavinimui. Tačiau per didelis azoto kiekis bioreaktoriuje slopina bakterijų augimą [1]. Yra

laikoma, kad optimalus anglies ir azoto santykis biodujų gamyboje turi būti 25 : 1 [1, 24].

Substrato sudėtis yra pagrindinis faktorius įtakojantis anaerobinio proceso metano

kiekį ir biodujų kiekį. Mikrobiologinės populiacijos esančios anaerobiniame bioreaktoriuje

reikalauja maistingų medžiagų tam, kad galėtų augti ir daugintis. C:N:P:S santykis 600:15:5:3

yra pakankamas, tol kol maistinių medžiagų poreikis yra mažas dėl mažo biomasės

formavimosi [17]. Tuo pačiu metu anglies ir azoto balansas tiekiamame substrate yra svarbus.

Dažnai rašoma kad optimalus C:N santykis yra tarp 20:1 ir 30:1. Reikia žinoti, kad jeigu yra

per daug azoto, tai gali slopinti bakterijų augimą per nuodingą NH3 koncentraciją [28].

31

1.13. Anaerobinį procesą stimuliuojančios ir slopinančios medžiagos

Yra labai daug organinės ir neorganinės kilmės medžiagų, kurios daro labai didelį

poveikį anaerobiniam procesui. Ar stimuliuoja ar slopina anaerobinį procesą medžiaga,

priklauso nuo šios medžiagos koncentracijos [1, 24].

Pačios aktyviausios medžiagos yra [1, 24]:

Sunkieji metalai;

Amoniakas;

Nitratai;

Sulfidai.

Amoniakas veikia kaip stiprus metano formavimo iš H2 ir CO2 lėtiklis.

Anaerobiniam procesui taip pat stiprų neigiamą poveikį sukelia [1, 24]:

Detergentai;

Organiniai tirpikliai;

Antibiotikai;

Per didelis azoto kiekis.

Literatūroje tikslių duomenų apie šių medžiagų ribines koncentracijas aptikti

nepavyko, tačiau yra nurodoma, kad ir mažas šių medžiagų kiekis neigiamai veikia anaerobinį

biodujų gamybos procesą [1, 24].

Didelės lakiųjų rūgščių koncentracijos, tokių kaip acetato, propionato ar butirato yra

susijusios toksišku poveikiu. Nors mažos metalų jonų tokių kaip vario, cinko ir chromo

koncentracijos stimuliuoja bakterijų aktyvumą, tačiau didelės šių medžiagų koncentracijos

gali sukelti sutrikimus [29]. Antibiotikai taip gali slopinti arba visiškai sustabdyti metano

gamybą. Maži deguonies kiekiai (> 0,1 mg / l O2) toksisškai veikia fermentacijos procesą

[30].

Siekiant taip kontroliuoti ir reguliuoti procesą, kad toksišką poveikį sumažinti iki

minimumo, svarbu nustatyti procesą slopinančias medžiagas ankstyvoje stadijoje. Du

pagrindiniai slopinančių medžiagų rodikliai yra: metano gamybos sumažėjimas ir lakiųjų

rūgščių koncentracijos padidėjimas, gaunamas kai bendra lakiųjų rūgščių išreikšta kaip acto

rūgštis koncentracija viršija 250-500 ppm (mg/l) ribą.

1.16. Informacijos šaltinių analizės apibendrinimas

Anaerobinio proceso metu biodujas galima gauti iš visų organinių medžiagų. Tačiau iš

vienos organinės medžiagos yra sunkiai skaidomos, todėl iš jų gaunama mažiau biodujų, kitos

32

– lengviau, todėl iš jų gaunamas žymiai didesnis biodujų kiekis, kuriose yra žymiai didesnė

metano koncentracija.

Pagrindiniai biodujų gamybos technologinio proceso parametrai yra šie: temperatūra,

išlaikymo trukmė, organinė apkrova, maišymo intensyvumas, anglies ir azoto santykis,

substrato rūgštingumas, lakiosios riebiosios rūgštis, sausų ir sausų organinių medžiagų

kiekiai.

Reakcijose dalyvaujantys mikroorganizmai visiškai neturi šilumos reguliavimo

mechanizmų, todėl aplinkos temperatūra jiems yra svarbiausias veiksnys, nuo kurio labai

priklauso jų dauginimosi greitis ir biocheminių reakcijų vykimo intensyvumas

Normaliai fermentacijai reikalinga stabili darbo temperatūra. Anaerobinėje aplinkoje

bakterijos yra jautrios temperatūros pokyčiams. Didesni temperatūros pokyčiai gali sutrikdyti

biodujų gamybą. Rekomenduojama, kad temperatūros kitimo sparta nebūtų didesnė kaip ± 0,5

- 1 oC/h. Vienos grupės mikroorganizmams palankiausia yra žemesnė temperatūra, kitos

grupės – aukštesnė. Pagal šią temperatūrą jie yra skirstomi taip - psichrofiliniame režime (18–

22 oC) – mezofiliniame (35–39 oC) - termofiliniame (52–55

oC).

Technologinio proceso tyrimų metodologijos apžvalgą parodė, kad stabilus procesas

yra laikomas tada, kai lakiųjų riebiųjų rūgščių kiekis, biodujų išeiga, substrato rūgštingumas

nekinta daugiau negu 3% ilgiau nei 3 dienas, tačiau proceso pokyčius galima daryti tik tada,

kai gauti duomenys rodo, kad nėra jokių požymių apie galimą proceso išbalansavimą ne

trumpiau nei vieną pilną išlaikymo trukmę.

Energijos sąnaudos biodujų jėgainėje kinta priklausomai nuo perdirbamos žaliavos

sudėties, pasirinktos perdirbimo technologijos, anaerobinio proceso valdymo ir kt. Kintant

technologinio proceso parametrui - temperatūrai, galima gauti nevienodus galutinės

naudingos energijos kiekio rezultatus.

33

2. TYRIMŲ TIKSLAS IR UŽDAVINIAI

Tyrimų tikslas: ištirti temperatūros įtaką silosuotų cukrinių runkelių anaerobinio

perdirbimo į biodujas procesui.

Tyrimo uždaviniai:

1. ištirti dujų išeigą, iš silosuotų cukrinių runkelių, esant skirtingoms temperatūroms;

2. parengti teorinių ir eksperimentinių tyrimų metodiką;

3. įvertinti, silosuotų cukrinių runkelių prie skirtingų temperatūrų, anaerobinio

perdirbimo į biodujas energijos sąnaudas;

4. sudaryti energijos balansą anaerobinio perdirbimo procesui esant skirtingoms

temperatūroms;

5. nustatyti biodujų gamybos, iš silosuotų cukrinių runkelių prie skirtingų temperatūrų,

energinį efektyvumą;

6. atlikti gautų rezultatų vertinimą.

Mokslinė hipotezė: Norint gauti didžiausią energinę naudą su mažiausiomis energijos

sąnaudomis yra tikslinga parinkti tinkamą temperatūrą išgaunant biodujas.

34

3. TYRIMŲ METODIKA

3.1 Stendo konstrukcija

Pagrindinis tyrimo tikslas yra išanalizuoti energijos sąnaudas ir sunaudojamos

energijos kiekius biodujų jėgainėje, prie skirtingų temperatūrų, palaikant stabilius proceso

parametrus visą eksperimento eigą. Taip rasti optimaliausią temperatūrinį režimą. Energijos

sąnaudos biodujų jėgainėje, perdirbančioje cukrinių runkelių silosą, nėra galutinai ištirtos, o ir

energinis potencialas nėra žinomas. Šiame darbe nuspręsta ištirti cukrinių runkelių siloso

perdirbimą į biodujas, energinį efektyvumą esant skirtingoms temperatūroms. Tai yra

nustatyti temperatūrą prie kurios būtų galima išgauti daugiausiai biodujų, su mažiausiomis

energijos sąnaudomis.

Atliekant tyrimus buvo naudojamas, vertikalus modifikuotas anaerobinis biodujų

reaktorius „Armfield W8” su valdymo ir biodujų parametrų matavimo sistema. (3.1 pav.).

3.1 pav. Vertikalus anaerobinis biodujų reaktorius: 1 – reaktorius,

2 – maišyklės pavara, 3 – biodujų kiekio matuoklis, 4 – biodujų kaupimo maišas,

5 – programuojamas registratorius, 6 – maišyklė, 7 – temperatūros valdiklis.

Eksperimentiniai tyrimai atlikti Aleksandro Stulginskio universiteto Biodujų

laboratorijoje. Tyrimui naudotas nuotekų dumblas atsivežtas iš „UAB Kauno vandenys“

esančios biodujų jėgainės. Anaerobiniam cukrinių runkelių siloso perdirbimui pasirinktos

mezofilinio rėžimo temperatūros 34, 36, 38, 40 °C. Reaktorius yra užpildytas nuotekų

dumblu, kuris yra paimtas, iš veikiančio nuotekų dumblo reaktoriaus, valykloje. Surinktos

biodujos, buvo kaupiamos specialiuose dujų laikymo maišuose ir po to analizuojamos.

35

Biodujų išeigos iš perdirbamos žaliavos masės, sausosios medžiagos ir sausosios

organinės medžiagos masės vieneto bM, bSM, bSOM, nustatomos pagal šias išraiškas [6]:

,m

bb dt

M (3.1)

,SM

dtSM

m

bb (3.2)

,SOM

dt

SOMm

bb (3.3)

čia bdt – pagamintų biodujų kiekis per laikotarpį dt, l;

m – perdirbamos biomasės masė, kg;

mSM – sausųjų medžiagų masė perdirbamoje biomasėje, kg;

mSOM – sausųjų organinių medžiagų mesė perdirbamoje biomasėje, kg.

Biodujų išeigos iš vienos įkrovos biomasės, sausosios medžiagos bei sausosios

organinės medžiagos masės vieneto bM, bSM, bSOM, nustatomos pagal sekančias lygtis [6]:

iMM bb, (3.4)

iSMSM bb , (3.5)

iSOMSOM bb, (3.6)

Biomasės energetinės konversijos faktoriai per ti laikotarpį eMi, eSMi, eSOMi, nustatomi

pagal šias išraiškas [6]:

biiMiM ebe , (3.7)

biiSMiSM ebe , (3.8)

biiSOMiSOM ebe , (3.9)

čia ebi – per laiko intervalą ti išgautų biodujų energetinė vertė MJ/l.

Biodujų energetinė vertė dE [MJ] apskaičiuojama pagal formulę [6]:

1003,35 m

d

CE

, (3.10)

čia mC - metano koncentracija biodujose, %.

3.2. Vertikalaus biodujų reaktoriaus schema

Tyrimai buvo atlikti naudojant vertikalų reaktorių (3.2 pav.). Biodujų laboratorinį

reaktorių sudaro 4,5 l darbinio tūrio reaktorius - 1, maišyklė - 5 su elektros pavara -2, biodujų

36

kiekio matuoklis - 3, biodujų kaupimo maišas - 4, šildymo sistemos darbą valdo ir reikiamą

temperatūrą palaiko temperatūros valdiklis - 6.

3.2 pav. Laboratorinis vertikalus biodujų reaktoriaus stendas: 1 – reaktorius,

2 – maišyklės pavara, 3 – biodujų kiekio matuoklis, 4 – biodujų kaupimo maišas, 5 –

maišyklė, 6 – temperatūros valdiklis

Substrato temperatūra reaktoriuje yra pastoviai matuojama, įmontuotu temperatūros

jutikliu, kuris pastoviai seka ir temperatūros valdiklio pagalba palaiko vienodą temperatūrą.

Išgautos biodujos kaupiasi viršutinėje reaktoriaus dalyje ir žarnele patenka į biodujų

skaitiklį Ritter MilliGas. Skaitiklyje susidarius 0,5 mbar slėgiui yra užfiksuojamas impulsas

ir biodujos patenka į plastikinį maišą, kur jos surenkamos. Reaktorius yra pagamintas iš

skaidraus organinio stiklo, per kurį galima vizualiai stebėti substrato maišymą ir putojimą.

Cukrinių runkelių siloso įkrova į reaktorių atliekama per viršuje įrengtą užpylimo

atvamzdį. Perdirbtas substratas išleidžiamas per reaktoriaus dugne įrengtą sklendę. Apsaugai

nuo persipylimo bei kvapų nuotėkio sumontuotas vandeniu užpildytas sifonas. Reaktoriuje

biomasės pasiskirstymas palaikomas maišykle. Maišyklė sukama nustatytais intervalais 60

aps/min sukimosi dažniu. Darbo režime maišyklė dirba 20 sekundžių su 2 minučių

pertraukom. Maišyklės pavarą sudaro elektros variklis su reduktoriumi. Maišyklė pagaminta

37

iš nerūdijančio plieno, mentės įrengtos taip, kad substratas ir paviršius yra išmaišomas. Tokia

konstrukcija leidžia geriau sumaišyti substrato paviršiuje susidarančią plutą.

Laboratorinis biodujų reaktorius buvo šildomas kilimėliu su integruotomis

elektrinėmis plokštėmis. Reaktorius užpildomas iki 90 % jo tūrio, o likusi dalis paliekama

biodujoms susikaupti, todėl šildoma yra tik ta korpuso dalis, kuri yra apsemta substrato.

Procesai reaktoriuje yra dinaminiai, todėl norint užtikrinti tokio proceso kontrolę,

būtina fiksuoti matuojamų dydžių kitimą per visą proceso eigą. Rankiniu būdu fiksuoti

matuojamus dydžius trumpais intervalais fiziškai yra neįmanoma.

Pagaminamas biodujų kiekis, matuojamas skaitikliu. Tikslūs duomenys gaunami kai

pro jutiklį dujos teka pastoviu srautu, dujų temperatūra yra pastovi ir į matuojamų dujų srautą

nepatenka oras [6]. Gautos dujos nukreipiamos į 25 l talpos plastikinį Tedlar dujų kaupimo

maišą. Biodujos buvo analizuojamos SSM 6000 biodujų analizatoriumi (3.3 pav.). Biodujų

analizatorius gali matuoti metano, anglies dioksido, vandenilio sulfido ir deguonies kiekį

biodujose.

3.3 pav. Biodujų analizatorius SSM 6000

Atliekant tyrimus buvo matuojamos CH4 ir H2S koncentracijos. CH4 matavimo ribos:

0–100 %, tikslumas ± 2 %, skiriamoji geba 0,1 %; H2S matavimo ribos: 0–5000 ppm,

tikslumas ± 2%, skiriamoji geba 1 ppm. Atliekant tyrimą buvo matuojamas išleisto substrato

pH prietaisu Hanna pH 211 (3.4 pav.) [29].

3.4 pav. temperatūros ir pH 3.5 pav. Elektroninės svarstyklės KERN

nustatymo prietaisas Hanna pH 211 440

38

Rūgštingumo matavimo ribos 2–16 pH, tikslumas ±1 %, skiriamoji geba 0,01 pH.

Įkrovos temperatūros matavimo ribos -9.9 – 120 °C, jutiklio skiriamoji geba 0,1 °C.

Nustatant organinės medžiagos įkrovos masę, svėrimams naudotos elektroninės svarstyklės

KERN 440 (3.5 pav.) [28]. Svarstyklių svėrimo ribos 0–4200 g, svėrimo tikslumas ±1 %,

skiriamoji geba 0,01 g. Svėrimo nukrypimai neviršija ±0,01 g.

3.3. Teorinių tyrimų metodika

Teoriniuose tyrimuose bus atliktas energinio efektyvumo vertinimas perdirbant

silosuotų cukrinių runkelių biomasę į biodujas esant skirtingoms proceso temperatūroms.

Analizuojamos tik energijos sąnaudos biodujų jėgainėje, nes cukrinių runkelių auginimas

neturės jokios įtakos biodujų išeigai. Pagrindinė įtaka procesui yra tik dėl skirtingų

temperatūrų. Biodujų gamybos metu patiriamos šilumos bei elektros energijos sąnaudos, todėl

biodujų konversijos į energiją energinį efektyvumą ε nusako gautos energijos ir bendrųjų

energijos sąnaudų santykis [6]:

san

BM

E

E= (3.1)

čia: EBM – cukrinių runkelių siloso energinė vertė, MJ/t;

Esan – energijos sąnaudos biodujų gamybai, MJ/t.

Bendrosios energijos sąnaudos biodujų gamybai Esan (MJ/t) nustatomos pagal lygtį:

, šiltechnsan EEE (3.2)

čia: Etechn – energijos sąnaudos technologiniams įrenginiams biodujų jėgainėje, MJ/t;

Ešil – šiluminės energijos sąnaudos biodujų jėgainėje, MJ/t.

Kadangi technologinių įrenginių kiekis bei jų charakteristikos bus identiškos visoms

temperatūrų reikšmėms, todėl lygties narys Etechn neanalizuojamas.

Nagrinėdami šilumos nuostolius į aplinką iš bioreaktoriaus, susiduriame su šilumos

nuostoliais per bioreaktoriaus korpuso sieneles. Dažniausiai bioreaktorių korpusai

konstruojami iš plieninių lakštų ir apšiltinami izoliacinės medžiagos sluoksniu. Izoliacinė

medžiaga iš išorės pusės uždengiama plona apdailos skarda apsaugančia nuo kritulių. Tarpai

tarp reaktoriaus rezervuaro ir apšiltinimo medžiagos bei tarp apšiltinimo medžiagos ir

apdailos skardos yra maži (iki 1 mm) lyginant su apšiltinimo sluoksnio storiu. Skaičiuodami

39

šilumos nuostolius priimame, kad apšiltinimo medžiaga yra priglausta prie pat reaktoriaus

korpuso ir apdailos skardos. Tuomet tarp sluoksnių nėra oro tarpų.

Energijos sąnaudos šilumos nuostoliams per bioreaktoriaus sieneles padengti:

,10 3 tQkE bšn (3.22)

čia Qb – šilumos nuostoliai į aplinką, W;

Šilumos srautas į aplinką per bioreaktoriaus daugiasluoksnę sienelę apskaičiuojamas

pagal formulę:

n

i

i

ivb

bb

TTSQ

1

, (3.23)

čia: Sb – bioreaktoriaus paviršiaus plotas, m2;

Tvb – bioreaktoriaus vidaus temperatūra (substrato temperatūra), K;

Ti – skaičiuojamoji išorės temperatūra, K;

i – i-tojo sluoksnio storis, m;

i – i-tojo sluoksnio šilumos laidumo koeficientas, W/(mK).

Vertikalaus cilindrinio bioreaktoriaus paviršiaus plotas:

,D

DLSb4

22

(3.24)

čia: L – reaktoriaus aukštis, m;

D – reaktoriaus skersmuo, m.

Įleidus šviežios, šaltesnės nei bioreaktoriuje biomasės, ją reikia įšildyti iki reaktoriaus

darbo temperatūros. Energijos sąnaudos per atitinkamą laikotarpį apskaičiuojamos pagal lygtį:

dšbpšb tEE , (3.25)

čia td – dienų skaičius, vnt.

40

Energijos sąnaudos per parą šviežiai biomasei sušildyti apskaičiuojamos pagal

formulę:

),TT(cME svbušbp 310 (3.26)

čia: cb – biomasės šiluminė talpa, kJ/(kgK);

Mu – biomasės kiekis, kg;

Ts – skaičiuojamoji paduodamo substrato temperatūra, K.

Mezofiliniam biodujų gamybos procesui palaikyti yra reikalingas šiluminės energijos

kiekis Q1 tiekiamo į bioreaktorių substrato temperatūrai pakelti iki bioreaktoriaus vidaus

temperatūros ir bioreaktoriaus šilumos nuostoliams padengti Q2. Skaičiuodami

neatsižvelgsime į šilumos kiekį, išsiskiriantį substrato fermentacijos metu. Skaičiuojami

šiluminiai nuostoliai per bioreaktoriaus atitvaras Q2 (MJ/t):

)·10 t- 86400kF(t =Q -6

lr2 (3.27)

čia: 86400 – sekundžių skaičius per parą, s;

k – apšiltintų bioreaktoriaus sienelių šilumos perdavimo koeficientas, W/(m2 o

C);

F – bioreaktoriaus sienelių paviršiaus plotas, m2;

tl – lauko temperatūra, oC;

tr – bioreaktoriaus vidaus temperatūra, oC.

Lauko temperatūra taip pat priklauso nuo metų laiko. Skaičiavimams atlikti naudojama

vidutinė metinė temperatūra.

41

4. TYRIMŲ REZULTATAI IR JŲ APTARIMAS

4.1. Biodujų gamybos iš cukrinių runkelių siloso analizė

Žemės ūkio bendrovėje ar ūkininko ūkyje, kuriam atliekami skaičiavimai yra 100 ha

dirbamos žemės. Tokiame plote galima užauginti 5000 t cukrinių runkelių, vidutiniškai

gaunant po 50 t/ha [33]. Biodujų jėgainių pagrindiniai žaliavos šaltiniai yra gyvulių mėšlas,

energetiniai augalai, maisto pramonės, kanalizacinių nuotekų dumblas. Tačiau biodujos gali

būti gaminamos vien tik iš monožaliavos, t.y. iš cukrinių runkelių. Silosuoti cukrinius

runkelius būtina, norint užtikrinti biodujų jėgainės apkrovą ištisus metus.

Skaičiuoti pradedama nuo galimo panaudoti biodujų gamybai žaliavų kiekio. Jei

bioreaktoriaus substrato įkrovai naudojamas cukrinių runkelių silosas, tai jo kiekis per parą

bus 13700 kg.

Biodujų gamybai svarbiausi yra sausosios ir sausosios organinės medžiagos kiekis.

Remiantis eksperimentiniais tyrimais, nustatyta, kad tirtų silosuotų cukrinių runkelių masėje

buvo 16,2 % SM ir 15,3 % SOM. Tuomet sausos medžiagos kiekis (kg) per parą bus:

100

smms

SMM = 13700 * 16,2 /100 = 2220 kg/para;

čia Mm – cukrinių runkelių kiekis per parą, kg;

Ssm – sausos medžiagos koncentracija runkeliuose, %.

Tada apskaičiuojamas organinės medžiagos kiekis per parą:

100

sommsom

SMM = 13700 * 15,3/100 = 2096 kg/para

čia Ssom – sausos organinės medžiagos koncentracija runkeliuose, %.

Reaktoriaus tūrinė organinė apkrova yra 2,0 kg/(m3 d), todėl bioreaktoriaus tūris (m

3)

apskaičiuojamas pagal lygtį:

ov

somr

mK

MV = 2096 / (0,9*2) = 1165 m

3.

čia Kv – bioreaktoriaus užpildymo koeficientas (Kv 0,85-0,95);

mo - reaktoriaus tūrinė organinė apkrova, kg/(m3 d).

42

Pasirenkame biodujų reaktoriaus tūrį 1200 m3.

Apskaičiuojame iš bioreaktoriaus gaunamų biodujų kiekį pagal formulę:

Vb =Mm b = 13700 * 0,165 = 2260,5 m3/para

čia b – biodujų išeiga iš vieno kg medžiagos, m3/kg. Biodujų išeiga nustatyta

eksperimentiniais tyrimais. Esant 34 oC temperatūrai vidutinė biodujų išeiga buvo 0,165

m3/kg žaliavos.

Biodujose eksperimentiniais tyrimais nustatyta vidutinė 59,1 % metano koncentracija

(esant 34 oC temperatūrai). Tuomet jei biodujų sudėtyje metano (CH4) koncentracija pagal tūrį

sudaro 59,1 %, tai, esant gryno metano šilumingumui 38 MJ/m3, gaunamų biodujų

šilumingumas bus:

q= 38 59,1 / 100=22,5 MJ/m3.

Gaunamų iš bioreaktoriaus per parą biodujų potenciali šiluminė vertė (MJ):

Q =Vb q =2260,5 * 22,5 = 50861 MJ/para.

čia q – biodujų šilumingumas, MJ/m3.

Energiniai skaičiavimai ir rezultatai esant kitoms temperatūroms (36, 38, 40 oC) pateikti

2.2 lentelėje.

Mezofiliniam biodujų gamybos procesui palaikyti yra reikalingas šiluminės energijos

kiekis Q1 tiekiamo į bioreaktorių substrato temperatūrai pakelti iki bioreaktoriaus vidaus

temperatūros ir bioreaktoriaus šilumos nuostoliams padengti Q2.

Jei pasirinktume, kad substrato tankis s = 1000 kg/m3, o jo specifinė šiluma

cs =0,0041 MJ/(kg oC), tai šiluminės energijos kiekis tiekiamo substrato temperatūrai pakelti

iki bioreaktoriaus temperatūros:

Q1 = Mm s cs (tr – ts) = 13,7 * 1000*0,0041*(34-10) = 1348,1 MJ/para

čia: tr – bioreaktoriaus vidaus temperatūra, oC, (Tr = 34

oC);

ts – tiekiamo į bioreaktorių substrato temperatūra, oC. Ji priklauso nuo metų laiko.

Skaičiavimams galima pasirinkti ts =10 oC.

43

Bioreaktoriaus šilumos nuostoliai per parą Q2 (MJ/parą) sudarys:

Q2 = 86400 k F (tr –tl ) 10-6

= 86400*0,37*251*29/1000000= 233,2 MJ/parą

čia: 86400 – sekundžių skaičius per parą, s;

k – apšiltintų bioreaktoriaus sienelių šilumos perdavimo koeficientas, W/(m2 o

C);

mineralinės vatos k = 0,37 W/(m2 o

C).

F – bioreaktoriaus išorinių sienelių plotas, m2; Apskaičiuotas plotas 251 m

2.

tl – lauko temperatūra, oC. Lauko temperatūra taip pat priklauso nuo metų laiko,

tačiau vidutinė metinė temperatūra tl 5 oC.

Koeficientas k skaičiuojamas šiluminės technikos metodais, įvertinant tai, kad

bioreaktoriaus sienelės paprastai apšiltinamos 0,1-0,2 m storio mineralinės vatos sluoksniu.

Priimta 20 cm storio mineralinės vatos sluoksnis.

Vertikalaus cilindrinio bioreaktoriaus paviršiaus plotas (Bioreaktoriaus tūris 1200 m3,

skersmuo 8 m, aukštis 6 m):

2514

8268

42

22

D

LDSh m

2 (3.17)

čia D – reaktoriaus skersmuo, m;

L – reaktoriaus aukštis, m.

Biodujų gamybos procesui palaikyti (t.y. saviems jėgainės poreikiams) reikės šiluminės

energijos kiekio per parą Qs (MJ/parą)

Qs =Q1f +Q2 = 1348,1 + 233,2 = 1581,3 MJ/parą.

4.1. lentelė. Energijos sąnaudų suvestinė

Proceso

temperatūra, oC

Energijos sąnaudos

šviežios biomasės

sušildymui, MJ/parą

Energijos sąnaudos

šilumos nuostoliams į

aplinką padengti, MJ/parą

Bendrosios

energijos

sąnaudos, MJ/t

34 1581,3 233,2 132,4

36 1713,1 249,3 143,2

38 1844,9 265,4 154,0

40 1975,6 281,5 164,8

44

Atlikus skaičiavimus nustatytos energijos sąnaudos 34 - 40 oC temperatūrai reaktoriuje

palaikyti (4.1 pav.) esant vienam 1200 m3 talpos reaktoriui. Gauti duomenys rodo, kad

mezofiliniam režimui palaikyti, bendrosios šiluminės energijos sąnaudos siekia 132,4 – 164,8

MJ/t.

4.1. pav. Energijos sąnaudų priklausomybė nuo biodujų gamybos proceso temperatūros.

Palyginus skirtingų temperatūrų šiluminės energijos poreikius, bei gaunamą energijos

kiekį iš tonos žaliavos, nustatytas energinis balansas (4.2 lent.).

4.2. lentelė. Skirtingų temperatūrų šiluminės energijos poreikių ir anaerobinio

perdirbimo proceso energetinis balansas

Proceso

temperatūra, oC

Biodujų

išeiga, l/kg

žaliavos

Cukrinių

runkelių

siloso

energinė

vertė, MJ/t

Šiluminės

energijos

sąnaudos

biodujų

jėgainėje, MJ/t

Galutinė

naudinga

šiluminė

energija,

MJ/t

Biodujų

konversijos į

energiją energinis

efektyvumas

34 163,4 3712,5 132,4 3580,1 28,0

36 155,8 3521,1 143,2 3377,9 24,6

38 199,0 4559,9 154,0 4405,9 29,6

40 151,9 3509,5 164,8 3344,7 21,3

Cukrinių runkelių silosą perdirbant į biodujas skirtingose temperatūrose veikiančiuose

reaktoriuose nustatyta, kad efektyviau naudoti 38 oC temperatūrą. Tyrimo metu gautas

šiluminės energijos sąnaudų skirtumas tarp 34 oC ir 40

oC siekia 32,4 MJ/t. Galutinės

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

33 34 35 36 37 38 39 40 41

En

erg

ijo

s są

na

ud

os,

MJ

/t

Proceso temperatūra, oC

45

naudingos energijos kiekis esant 38 oC siekia 4405,9 MJ/t, nes tokiai temperatūrai palaikyti

reikia 154,0 MJ/t šiluminės energijos, o biodujų išgaunama net 199,0 l/kg biomasės. Cukrinių

runkelių siloso konversijos į biodujas šiluminis energinis efektyvumas kinta nuo 21,3 (esant

40 oC) iki 29,6 (esant 38

oC).

Eksperimentinių tyrimų metu gauti rezultatai, kurie pateikti 4.3 lentelėje.

4.3 lentelė. Cukrinių runkelių siloso biodujų išeigos prie skirtingų temperatūrų gautų

rezultatų palyginimas

Rodiklis Temperatūra, °C

34 °C 36 °C 38 °C 40 °C

bM 163,4 l/kg 155,8 l/kg 199,0 l/kg 151,9 l/kg

bSM 1012,9 l/kg 958,0 l/kg 1229,5 l/kg 626,0 l/kg

bSOM 1070,8 l/kg 1014,4 l/kg 1228,5 l/kg 937,6 l/kg

CH4 59,0 % 58,5 % 60,4 % 60,8 %

eM 3,71 MJ/kg 3,52 MJ/kg 4,60 MJ/kg 3,51 MJ/kg

Iš gautų tyrimų rezultatų galima teigti, kad biodujų jėgainėje naudojant cukrinių

runkelių silosą, 38 °C temperatūra yra optimali, biodujų gamybos procesas yra stabilesnis ir

gaunami geresni rezultatai lyginant su kitomis temperatūromis.

4.2. Silosuotų cukrinių runkelių energinio potencialo nustatymas

Ištyrus silosuotų cukrinių runkelių biomasę Agrocheminių tyrimų laboratorijoje

nustatyta SM ir pH. Sausoje medžiagoje nustatyta SOM, N, P, K, C koncentracijos (4.4 lent.).

4.4 lentelė. Tiriamo mėginio cheminė sudėtis.

Tyrimų parametras Tyrimo rezultatai Tyrimo metodai (žymuo)

Rūgštingumas, pH 3,7 LST EN 12176:2000

Sausos medžiagos, % 16,20 LST EN 12880:2002

Sausoje medžiagoje:

Organinė medžiaga, % 94,59 LST EN 15169:2007

Bendras azotas (N) % 12,22 LST EN 13342:2002

Bendras fosforas (P)

mg/kg

1766 LST EN 13650:2006, LST EN

ISO 6878:2004

Bendras kalis (K) mg/kg 13503 LST EN 13650:2006, ISO 9964-

3:1993

Organine anglis (C) % 43,77 ISO 10694-1995 (sauso deginimo)

Silosuotų cukrinių runkelių mėginyje sausosios medžiagos koncentracija buvo 16,20 %,

o sausosios organinės medžiagos – 15,32 % (94,59 % sausoje medžiagoje).

46

Bendrojo azoto (N) koncentracija tiriamame cukrinių runkelių silose siekė 12,22 %, o

organinės anglies (C) – 43,77 %. Anglies ir azoto santykis (C/N) cukrinių runkelių silose yra

3,58.

Eksperimentai buvo atliekami po vieną kartą prie keturių skirtingų temperatūrų 34 °C,

36 °C, 38 °C, 40 °C. Eksperimento metu didžiausias biodujų išsiskyrimas buvo prie 38 °C.

4.2 pav. Biodujų išeiga iš biomasės įkrovos

Pagamintų biodujų kiekis b per laikotarpį pateiktas 4.2 pav. Biodujų išsiskyrimas prie

34 °C temperatūros kito nuo 9,37 l/parą iki 10,64 l/parą, vidurkis 9,94 l/parą. Prie 36 °C

temperatūros pagaminamų biodujų kiekis kito nuo 8,30 l/parą iki 9,80 l/parą, vidurkis 9,10

l/parą. Prie 38 °C laipsnių temperatūros biodujų kiekis kito nuo 11,24 l/parą iki 12,40 l/parą,

vidurkis 11,95 l/parą. Prie 40 °C temperatūros biodujų išsiskyrimas buvo pats mažiausias ir

kito nuo 5,10 l/parą iki 7,7 l/parą, vidurkis 5,93 l/parą. Pats blogiausias rezultatas t.y. išgauta

mažiausiai biodujų ir sunaudota daugiausiai energijos buvo prie 40 °C temperatūros.

Biodujų išeiga iš perdirbamos biomasės vieneto (4.3 pav.), didžiausia buvo prie 38 °C ir

vidutinė biodujų išeiga siekė 194,4 l/parą. Tuo tarpu vidutinė biodujų išeiga prie 34 °C siekė

167,1 l/parą, prie 36 °C – 155,4 l/parą. O prie 40 °C biodujų išeiga buvo mažiausia ir siekė

151,7 l/parą.

0

2

4

6

8

10

12

14

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 26 27 28 29

Dujų išeiga, b l/parą prie 34 °C Dujų išeiga, b l/parą prie 36 °C

Dujų išeiga, b l/parą prie 38 °C Dujų išeiga, b l/parą prie 40 °C

b, l/para

laikas, para

47

4.3 pav. Pagamintų biodujų kiekis iš perdirbamos biomasės

Biodujų išeiga iš perdirbamos biomasės sausosios medžiagos (4.4 pav.) vidutinė išeiga

prie 34 °C siekė 1029,3 l/parą, prie 36 °C siekė 939,8 l/parą, prie 38 °C siekė 1191,6 l/parą,

prie 40 °C išeiga buvo mažiausia ir siekė 586,5 l/parą.

4.4 pav. Pagamintų biodujų kiekis iš perdirbamos biomasės sausosios medžiagos

Biodujų išeiga iš perdirbamos biomasės sausosios organinės medžiagos (4.5 pav.) prie

34 °C svyravo nuo 995,5 l/parą iki 1097,1 l/parą, ir vidutinė išeiga buvo 1045,6 l/parą. Prie 36

°C išeiga svyravo nuo 917,3 l/parą iki 1085,6 l/parą, vidutinė išeiga buvo 1009,7 l/parą. Prie

120,0

130,0

140,0

150,0

160,0

170,0

180,0

190,0

200,0

210,0

220,0

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 26 27 28 29

Dujų išeiga, bm l/kg prie 34 °C Dujų išeiga, bm l/kg prie 36 °C

Dujų išeiga, bm l/kg prie 38 °C Dujų išeiga, bm l/kg prie 40 °Cbm l/parą

laikas, para

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

900,0

1000,0

1100,0

1200,0

1300,0

1400,0

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 26 27 28 29

Dujų išeiga, bsm l/parą prie 34 °C Dujų išeiga, bsm l/parą prie 36 °C

Dujų išeiga, bsm l/parą prie 38 °C Dujų išeiga, bsm l/parą prie 40 °Cbsm l/parą

laikas, para

48

38 °C biodujų išeiga svyravo nuo 1139,2 l/parą iki 1363,4 l/parą, ir vidutinė išeiga 1259,8

l/parą. Prie 40 °C išeiga svyravo nuo 901,4 l/parą iki 987,8 l/parą, vidutinė išeiga 940,5 l/parą.

4.5 pav. Pagamintų biodujų kiekis iš perdirbamos biomasės sausosios organinės

medžiagos

Visais atvejais procesas nusistovėjo po skirtingo laiko. Prie 34 °C temperatūros

nusistovėjo po 18 parų, prie 36 °C temperatūros nusistovėjo po 9 parų, prie 38 °C

temperatūros po 16 parų, o prie 40 °C laipsnių temperatūros po 10 parų. Procesas laikomas

nusistovėjęs kai biodujų išeiga kinta ±3 % [31].

Gauta metano (CH4) koncentracija pavaizduota 4.6 paveiksle.

4.6 pav. Metano (CH4) kiekio kitimas biodujose

Proceso metu kintanti temperatūra turi įtakos metano koncentracijai. Visais atvejais

metano koncentracija buvo daugmaž vienoda. Prie 34 °C laipsnių temperatūros išgautose

biodujose metano koncentracija svyravo nuo 57,4 % iki 62,7 %, o vidurkis 59,5 %. Prie 36

700,0

900,0

1100,0

1300,0

1500,0

1700,0

1900,0

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 26laikas, para

Dujų išeiga, bsom l/kg prie 34 °C Dujų išeiga, bsom l/kg prie 36 °C

Dujų išeiga, bsom l/kg prie 38 °C Dujų išeiga, bsom l/kg prie 40 °Cbsom l/parą

50

55

60

65

70

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 26 27 28 29 30 31

CH4, %, prie 34 °C CH4, %, prie 36 °C

CH4, %, prie 38 °C CH4, %, prie 40 °C

CH4, %

laikas, para

49

°C laipsnių temperatūros metano koncentracija svyravo nuo 58,7 % iki 62,5 %, vidurkis 59,9

%. Prie 38 °C laipsnių temperatūros koncentracija svyravo nuo 59,1 % iki 60,9 %, vidurkis

60,3 %. Prie 40 °C laipsnių temperatūros metano kiekis kito nuo 55,6 % iki 63,8 %, vidurkis

60,8 %.

Eksperimento metu kiekvieną parą buvo nustatinėjamas biodujų reaktoriaus substrato

pH. Reaktoriaus substrato pHsub kito nuo 7,1 iki 7,6 priklausomai nuo pasirinktos

temperatūros (4.7 pav.) ir buvo šiek tiek rūgštinis. Cukrinių runkelių siloso įkrova buvo

rūgštinė, jos pH viso tyrimo metu buvo 3,8 ± 0,17.

4.7 pav. Biodujų reaktoriaus substrato pH kitimas esant skirtingoms temperatūroms.

Gautos sieros vandenilio koncentracijos (H2S, ppm) rezultatai parodė, kad proceso metu

kintanti temperatūra neturi įtakos sieros vandenilio koncentracijai. (4.8 pav).

4.8 pav. Sieros vandenilio koncentracija pagal temperatūrą.

6

7

8

9

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 26 27 28 29 30 31

pHsub, prie 34 °C pHsub, prie 36 °C

pHsub, prie 38 °C pHsub, prie 40 °CpHsub, %

laikas, para

0

1

2

3

4

5

6

7

8

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 26 27 28 29

H2S,ppm prie 34 °CH2S,ppm , prie 36 °CH2S,ppm , prie 38 °C

laikas,

para

H2S, ppm

50

Visais atvejais vandenilio sulfido biodujose praktiškai nebuvo, nes koncentracija buvo

vos pastebima ir buvo apie 7 ppm. Tai yra geras rodiklis, nes projektuojant biodujų jėgainę

nereikia numatyti sieros junginių šalinimo įrenginių.

51

IŠVADOS

1. Atliekant tyrimus nuolatinės įkrovos rėžimu, 34°C – 40°C temperatūrų ribose iš vieno

kilogramo žaliavos vidutiniškai gauta 1202,4 l kg-1

·SOM esant 38 oC temperatūrai, o

esant 40 oC temperatūrai vidutinė išeiga siekė tik 937,6 l kg

-1·SOM.

2. Biodujų sudėtyje nustatyta vidutinė 60 % metano koncentracija, o vandenilio sulfido

biodujose nebuvo, todėl tokios sudėties biodujos yra tinkamos energetinėms reikmėms.

3. Tirtame cukrinių runkelių silose organinės anglies koncentracija siekė 43,77 %, o

bendrojo azoto – 1,22 %. Anglies ir azoto santykis cukriniuose runkeliuose yra 35,9 ir

yra pakankamas biodujų gamybos procesui.

4. Silosuotų cukrinių runkelių energetinė vertė 34°C - 40°C temperatūros ribose svyravo

nuo 3521,1 MJ∙t-1

iki 4559,9 MJ∙t-1

. Didžiausia energetinė vertė buvo pasiekta prie 38 °C

laipsnių temperatūros, o pakėlus temperatūra nuo 38 °C iki 40 °C energetinė vertė

sumažėjo 23,03%.

5. Biodujų konversijos į energiją energinis efektyvumas buvo didžiausias prie 38 °C ir 29,6,

mažiausias energinis efektyvumas buvo prie 40 °C ir siekė 21,3. Todėl galima teigti jog

biodujų jėgainėje naudojant cukrinių runkelių silosą, 38 °C temperatūra yra optimali,

biodujų gamybos procesas stabilesnis, gaunami geresni rezultatai lyginant su kitomis

temperatūromis.

52

INFORMACIJOS ŠALTINIŲ SĄRAŠAS

1. Biodujos. [žiūrėta 2014 12 05]. Prieiga per internetą:

http://www.lei.lt/_img/_up/File/atvir/bioenerlt/index_files/Biodujos_bros-SVVVV.pdf

2. Can microorganizms be a solution to the worlds energy problems. [žiūrėta 2014 12

05]. Prieiga per internetą:

http://www.sciencedaily.com/releases/2008/07/080710094033.htm

3. Bernadišius V., Budrys R., Kriščiūnas J., Liužinas R., Navickas K., Mažunaitienė D.,

Striška V. Skystos atliekos ir nuotekos žemės ūkyje. Tvarkymo techniniai sprendimai.

– Vilnius: VĮ Grunto valymo technologijos, 2005 – 99 p.;

4. Navickas K., Župerka V., Venslauskas K. Gyvūninės kilmės šalutinių produktų

anaerobinis perdirbimas į biodujas. Lietuvos žemės ūkio universiteto žemės ūkio

inžinerijos institutas, mokslo darbai 39(4), Raudondvaris, 2007;

5. Themelis N. J. Anaerobic digestion of biodegradable organics in municipal solid

wastes: Submitted in partial fulfillment of the requirements for Master of Science

Degree in Earth Resources Engineering / SHEFALI VERMA Department of Earth &

Environmental Engineering (Henry Krumb School of Mines), Fu Foundation School

of Engineering & Applied Science Columbia University, 2002 – 56 p.;

6. Navickas K., Liubarskis V. Biodujos – galimybės ir perspektyvos. LŽŪU žemės ūkio

inžinerijos institutas. – Raudondvaris (Kauno r.): Milga, 2007 – 48 p.;

7. Gedvilaitė S. Anaerobinis organinių maisto pramonės atliekų perdribimas: diplominis

projektas / LŽŪU, Akademija, 2008 – 60 p.;

8. Baltrėnas P. Aplinkos apsauga. Technika. 2008. Vilnius 545 p.

9. Šimkus V. Gyvūninės kilmės atliekų perdirbimo į biodujas energijos mainų tyrimas:

magistrantūros studijų baigiamasis darbas / LŽŪU, Akademija, 2008 – 58;

10. Gas production potential of fresh and ensiled sugar beets in biogas production. [žiūrėta

2014 12 05]. Prieiga per internetą: www.nawaro.ag/77

11. Weiland P. Biogas production: current state and perspectives. Appl Microbiol

Biotechnol (2010) 85, p.849–860.

12. Silosas – wikipedia. [žiūrėta 2015 02 05]. Prieiga per internetą

<http://lt.wikipedia.org/wiki/Silosas>

13. Jatkauskas J., Vrotniakienė V., Žukovienė R. Priemonės silosuotų pašarų kokybei

baltymingumui ir ekonomiškumui didinti. Kaunas, LGI, 2002. 29 p.

14. Hobson P. N. And Wheatley A.N. Anaerobic digestion modern theory and practice –

London: Elsvier Applied Science, 1993 – 269 p.;

53

15. Genutis A., Navickas K., Rutkauskas G., Šateikis I. Atsinaujinančios ir

alternatyviosios energijos naudojimas šilumos gamybai. – Kaunas: Technologija, 2003

– 12 p.;

16. Marchaim, U. Biogas processes for sustainable development. Food and Agriculture

Organization of the United Nations (FAO), FAO Agricultural Service Bulletin 95,

1992;

17. Weiland P. (2000): Stand und Perspektiven der Biogasnutzung und -erzeugung in

Deutschland. In: Energetische Nutzung von Biogas: Stand der Technik und

Optimierungspotenzial, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR), Gülzower

Fachgespräche: Band 15. Weimar, Oktober 2000. S. 8-27.

18. Difference-Between-Aerobic-And-Anaerobic-Respiration

http://www.newhealthguide.org/Difference-Between-Aerobic-And-Anaerobic-

Respiration.html

19. Chynoweth, D. P. and Isaacson, R. (1987): Anaerobic digestion of biomass, Elsevier

applied science, London.

20. Kazokiškių sąvartyno biodujos šildo Vievį. [žiūrėta 2015 03 05]. Prieiga per internetą

http://www.lrytas.lt/verslas/rinkos-pulsas/kazokiskiu-savartyno-biodujos-sildo-

vievi.htm

21. New heat biodujų jėgainės. [žiūrėta 2015 02 05]. Prieiga per internetą:

http://newheat.lt/lt/boduju-jegaines-125

22. Klaipėdos pašonėje iš biodujų gaminama elektra. [žiūrėta 2015 02 05]. Prieiga per

internetą: http://www.ve.lt/naujienos/ekonomika/ekonomikos-naujienos/klaipedos-

pasoneje-is-savartyno-duju-gaminama-elektra-522083/

23. Ekspertai: Lietuva neišnaudoja biodujų potencialo. [žiūrėta 2015 02 09]. Prieiga per

internetą: http://www.ateitiesenergija.lt/LT/biodujos/

24. Darni bioenergetika

http://www.lei.lt/_img/_up/File/atvir/bioenerlt/index_files/Darni_bioenergetika-S.pdf

25. Biodujų panaudojimo galimybės Lietuvoje. [žiūrėta 2015 01 05]. Prieiga per internetą

www.spec.lt/get.php?f.26798

26. Stroot P. G., McMahon K. D., Mackie R. I. and Raskin L. (2001): Anaerobic

codigestion of municipal solid waste and biosolids under various mixing conditions: I.

Digester performance. Water Research, 35(7), 1804-1816.

27. Gujer, W. and Zehnder, A.J. (1983): Conversion processes in anaerobic digestion.

Wat.Sc. Tech. 15:127-167.

28. Braun, R. (1982): Biogas-Methangärung organischer Abfallstoffe: Grundlagen und

54

Anwendungsbeispiele. Springer-Verlag, Wien.

29. Seyfried, C.F., et al., (1990): Anaerobe Verfahren zur Behandlung von

Industrieabwässern. Korrespondenz Abwasser 37:1247-1251.

30. Weiland, P (2001): Grundlagen der Methangärung – Biologie und Substrate. In:

Biogas als regenerative Energie – Stand und Perspektiven; Tagung Hannover, 19. Und

20. Juni 2001 / VDI – Gesellschaft Energietechnik. VDI – Berichte 1620. S. 19-32.

31. Chae K.J., Jang A., Yim S.K., Kim I.S. 2008. The effects of digestion temperature and

temperature shock on the biogas yields from the mesophilic anaerobic digestion of

swine manure. Bioresource Technology. Vol. 99, P 1-6.

32. Navickas K., Lukoševičius M., Župerka V. Biodujų jėgainės energinio efektyvumo

įvertinimas. Žemės ūkio inžinerija. LŽUI instituto ir LŽU universiteto mokslo darbai.

Nr. 33(4), 2001. P. 39-48.

33. Manoukis.lt. 2013. Lietuvoje pernai išaugo grūdų, rapsų, cukrinių runkelių derlius.

[žiūrėta 2015 04 06]. Prieiga per internetą: http://manoukis.lt/naujienos/rinka/16446-

lietuvoje-pernai-isaugo-grudu-rapsu-cukriniu-runkeliu-derlius

34. Friedman T. Hot, Flat, and Crowded: Why We Need a Green Revolution. New York ,

2008. 24 p.

35. Kirstukas J., Kilčiauskaitė L. 2010. Biodujų jėgainių įrengimo žemės ūkio įmonėse

ekonominės galimybės. Research papers, 7 p.

55

MOKSLINIO DARBO APROBACIJA

Tyrimų rezultatai paskelbti mokslinėje konferencijoje:

Daniliauskas K., Brazys P. Cukrinių runkelių siloso biodujų potencialo priklausomybė

nuo temperatūros. Studentų mokslinė konferencija “Jaunasis mokslininkas 2015”. Kaunas:

Akademija, 2015 m. balandžio 23 d.

Tyrimų rezultatai paskelbti mokslo leidinyje:

Daniliauskas K., Brazys P. Cukrinių runkelių siloso biodujų potencialo priklausomybė

nuo temperatūros. Agroinžinerija ir energetika. 2015, Nr. 20, P. 88–91.

Mokslinio straipsnio kopija pateikta 1 priede.

56

CUKRINIŲ RUNKELIŲ SILOSO BIODUJŲ POTENCIALO

PRIKLAUSOMYBĖ NUO TEMPERATŪROS

Kostas Daniliauskas, Povilas Brazys, Kęstutis Venslauskas

Įvadas

Augalų biomasė skirta energinėms reikmėms yra viena iš svarbiausių atsinaujinančios

energijos šaltinų (Parawira et al., 2004).

Biodujoms gaminti gali būti naudojami cukriniai runkeliai, kurie užaugina didelį derlių

šakniavaisių (Romaneckas, 2011). Jie skiriasi nuo kitų šakniavaisių savo specifine chemine

sudėtimi, t.y. turi daug lengvai besiskaidančio į biodujas cukraus. Cukriniai runkeliai yra gera

žaliava biodujoms (Böttcher ir kt., 2011; Weissbach, 2009). Augalų biomasę perdirbant į

biodujas mažiau teršiamas aplinkos oras, dirvožemis ir vanduo, o pagamintos biodujos

naudojamos elektros ir šiluminės energijos gamybai. Po biodujų jėgainės perdirbtą substratą

galima naudoti laukų tręšimui (Chan et al., 2009). Mezofilinis biodujų gamybos procesas

taikomas daugelyje biodujų jėgainių, kuriose temperatūra svyruoja nuo 34 iki 41 oC. Tačiau

nėra pakankamai tyrimų susijusių su energijos sąnaudomis ir biodujų gamybos efektyvumu

esant skirtingoms proceso temperatūroms.

Tyrimo tikslas. Ištirti temperatūros įtaką silosuotų cukrinių runkelių anearobinio

perdirbimo į biodujas procesui ir nustatyti biodujų potencialą.

Tyrimo uždaviniai. Ištirti dujų išeigą iš silosuotų cukrinių runkelių ir metano

koncentraciją, esant skirtingoms proceso temperatūroms.

Tyrimų objektas ir metodika

Tyrimams naudoti cukriniai runkeliai užauginti Marijampolės rajone. Jie buvo nukasti

2013 m. spalio mėnesį ir iš karto smulkinti iki 2-5 mm dydžio gabalėlių ir silosuoti

stikliniuose hermetiškuose induose. Iki tyrimo pradžios silosas buvo laikomas +4–+10 oC

temperatūroje ne mažiau kaip 60 dienų. Periodinės įkrovos tyrimas atliktas 4,5 l talpos

vertikaliame laboratoriniame bioreaktoriuje (1 pav.). Į bioreaktorių buvo dedama 59 g

cukrinių runkelių siloso biomasės išlaikant 2 kg·m-3

·d-1

tūrinę organinę apkrovą. Tyrimas

atliktas reaktoriuje palaikant 34 °C, 36 °C, 38 °C ir 40 °C ± 0,5 °C laipsnių temperatūras.

1 PRIEDAS

57

1 pav. Laboratorinis biodujų reaktoriaus stendas: 1 – reaktorius, 2 – maišyklės variklis su pavara, 3 – biodujų

kiekio matuoklis, 4 – biodujų kaupimo maišas, 5 – programuojamas loginis valdiklis, 6 – kompiuteris, 7 –

maišyklė, 8 – temperatūros valdiklis

Išgautų biodujų cheminė sudėtis (CH4 ir H2S) koncentracijos nustatytos analizatoriumi

SSM 6000. CH4 matavimo ribos 0 – 100 %, ± 3 %; H2S matavimo ribos 0 – 5000 ppm ± 3 %,

skiriamoji geba 1 ppm. Kiekvieną dieną matuotas perdirbto substrato rūgštingumas pH.

Cukrinių runkelių siloso mėginyje sausosios medžiagos koncentracija buvo 16,2 %, o

sausosios organinės medžiagos – 15,32 % (94,59 % sausoje medžiagoje) (1 lentelė).

1 lentelė. Tirto mėginio cheminė sudėtis.

Tyrimų parametras Tyrimo rezultatai Tyrimo metodai (žymuo)

pH 3,7 LST EN 12176:2000

Sausosios medžiagos, % 16,20 LST EN 12880:2002

Sausoje medžiagoje:

Organinė medžiaga, % 94,59 LST EN 15169:2007

Organinė anglis (C), % 43,77 ISO 10694-1995 (sauso deginimo)

Bendras azotas (N), % 1,22 Kjeldalio aparatu

Organinės anglies koncentracija tiriamame mėginyje siekė 43,77 %, o bendrojo azoto –

1,22 %. Anglies ir azoto santykis cukriniuose runkeliuose yra 35,9 ir yra pakankamas biodujų

gamybos procesui.

Tyrimų rezultatai

Atlikti 4 eksperimentai prie skirtingų temperatūrų, kiekvienas eksperimentas truko nuo 30

iki 37 dienų, t.y. kol nusistovėjo biodujų išeiga.

Biodujų gamybos procesas stebėtas vidutiniškai 30 dienų kiekvienam temperatūros

pakeitimui. Didžiausia biodujų išeiga buvo pasiekta reaktoriuje palaikant 38 oC temperatūrą, o

vidutinė išeiga siekė 1202,4 l kg-1

·SOM (2 pav). Mažiausia biodujų išeiga buvo pasiekta esant

40 oC temperatūrai, kai išeiga siekė tik 937,6 l kg

-1·SOM. Biodujų išeiga sumažėjo padidinus

temperatūrą nuo 38 iki 40 oC ir skyrėsi 22 %. Tai lėmė nepalankios bakterijų veiklai sąlygos,

t.y. per aukšta temperatūra.

2 pav. Biodujų išeiga iš sausosios organinės medžiagos

Metano koncentracija biodujose svyravo nuo 59,1 % iki 60,7 %. Visais atvejais

vandenilio sulfido biodujose praktiškai nebuvo, nes koncentracija buvo vos pastebima ir buvo

58

apie 10 ppm. Tai yra geras rodiklis, nes projektuojant biodujų jėgainę nereikia numatyti sieros

junginių šalinimo įrenginių.

Kiekvieną dieną matuotas perdirbto substrato rūgštingumas, kuris buvo stabilus (kito nuo

7,2 iki 7,4 ribose) ir nuo temperatūros nepriklausė.

Išvados

6. Tirtuose cukriniuose runkeliuose organinės anglies aptikta 43,77 %, bendrojo azoto –

1,22 %, jų santykis yra 36:1.

7. Iš vieno kilogramo žaliavos vidutiniškai gauta 1202,4 l kg-1

·SOM esant 38 oC

temperatūrai, o esant 40 oC temperatūrai vidutinė išeiga siekė tik 937,6 l kg

-1·SOM.

8. Padidinus temperatūrą nuo 38 iki 40 oC biodujų išeiga sumažėjo 22 %. Vadinasi proceso

optimali temperatūra yra 38 oC.

9. Biodujų sudėtyje nustatyta vidutinė 60 % metano koncentracija, o vandenilio sulfido

biodujose nebuvo, todėl tokios sudėties biodujos yra tinkamos energetinėms reikmėms.

Literatūra

1. Böttcher R., Stollberg C., Gerath H., Sakalauskas A. Efficient biogas production from beet / Žemės ūkio

inžinerija. Mokslo darbai. 2011, 43 (2), 16 – 22.

2. Chan Y. J., Chong M. F., Law C. L., Hassell D. G. A review on anaerobic-aerobic treatment of industrial and

municipal wastewater / Chemical Engineering Journal, 2009, No. 155 (1), P. 1 – 18.

3. Parawira W., Murto M., Zvauya R., Mattiasson B. Anaerobic batch digestion of solid potato waste alone and

in combination with sugar beet leaves / Renewable Energy, 2004, No. 29, P. 1811–1823.

4. Romaneckas K. Žemės dirbimo optimizavimas cukriniams runkeliams / Žemės ūkio mokslai. 2011, t.18 (2).

P. 83–93.

5. Weissbach F. Gas production potential of fresh and ensiled sugar beets in biogas production / Landtechnik.

2009, 64, no.6, p. 394-397.

INFLUENCE OF TEMPERATURE ON BIOGAS POTENTIAL OF SUGAR BEET SILAGE

Summary

The main task of the research is to analyse biogas yield of sugar beet silage under different temperature

conditions. Samples of sugar beet silage have been tested in 4,5 l laboratory scale biogas digester at 34, 36, 38

and 40 °C ± 0,5 °C temperatures. Concentration of total solids (TS) was 16,2 % and organic fraction in TS –

94,59 %. During anaerobic digestion the biogas yield from 1 kg of sugar beet silage was 1202,4 l∙kg-1 of dry

organic matter at 38 oC and 937,6 l∙kg

-1 of dry organic matter at 40

oC. Average methane concentration in biogas

was 60 %.

_________________________________________________________________________

Kostas Daniliauskas – ASU, Energetikos ir biotechnologijų inžinerijos instituto magistrantas, mob. tel. +370-

629-36847, Kdaniliauskas@gmail.com;

Povilas Brazys – ASU Energetikos ir biotechnologijų inžinerijos instituto magistrantas, tel. +370 623 67146, el.

p. Povilas.Brazys@stud.asu.lt;

Kęstutis Venslauskas – ASU, Energetikos ir biotechnologijų inžinerijos institutas, docentas daktaras, tel. +370

37 752219, Kestutis.Venslauskas@asu.lt.