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, [email protected];
Povilas Brazys – ASU Energetikos ir biotechnologijų inžinerijos instituto magistrantas, tel. +370 623 67146, el.
Kęstutis Venslauskas – ASU, Energetikos ir biotechnologijų inžinerijos institutas, docentas daktaras, tel. +370
37 752219, [email protected].
Top Related