Med obnovljive vire energije spada tudi bioplin, po katerem povpraševanje doma in po svetu (ponovno) pospešeno narašča. Od leta 2004 tudi slovenska zakonodaja neposredno in izdatneje spodbuja proizvodnjo bioplina in postavlja odkupno ceno za tako proizvedeno električno energijo na potencialno dobičkonosno raven.

Zato so se v Sloveniji začeli pojavljati investitorji in nastale so prve resne integrirane bioplinske naprave, ki kot vhodni substrat uporabljajo mešane organske odpadke oziroma substrat rastlinskega in živalskega izvora.

Meritve in analiziranje substrata s potencialnim bioplinskim donosom pred načrtovanjem gospodarske bioplinske naprave ni le smiselno, ampak je nujno. Z meritvami, ki jih izvedemo pred, med in po fermentaciji dobimo podatke o tehnoloških parametrih, ki vplivajo na izbiro tehnološkega procesa in tehnično izvedbo, posledično pa na sprejetje poslovnih odločitev, saj celotno investicijo postavijo v realnejši okvir, tako glede z vidika okoljskega kot poslovnega tveganja. Izvajanje meritev na pilotnih napravah predstavlja najcenejši način pridobitve podatkov o robnih pogojih, ki jih potem upoštevamo pri načrtovanju in optimiziranju vodenja fermentacijskega procesa.

V družbi KG Rakičan Ekoteh (Skupina Panvita), ki trenutno proizvede največ bioplina v Sloveniji (nekaj več kot 10 milijonov kWh električne energije), smo skupaj z Biotehnično fakulteto Univerze v Ljubljani spomladi 2006 ustanovili raziskovalno enoto Pan-Bioteh, da bi skupaj razvili pilotni reaktor za spremljanje fermentacijskih procesov iz različnih mešanic organskih odpadkov. Pilotni reaktor smo postavili jeseni 2006, konec prejšnjega leta pa smo ga tudi uspešno preizkusili s fermentiranjem svinjske gnojevke.

S tem reaktorjem lahko na razmeroma enostaven način določimo bioplinski donos kateregakoli organskega substrata ob znanih robnih pogojih, pri katerih se proces odvija. Sestavljen je iz valjaste jeklene posode, prostornine 2,5 m³ z vgrajenimi ogrevalnimi cevmi, vertikalnim mešalom s frekvenčnim regulatorjem, po višini nameščenimi pipami za odvzem vzorcev, iztočno odprtino, praznilnim ventilom in revizijsko odprtino za vizualni nadzor nad procesom. Zgornji del posode predstavlja plinohran, od koder se bioplin preko peščenega filtra vodi na zgorevanje. Regulacija sistema je vodena preko mikrokontrolerja, ki je povezan z merilnimi instrumenti nameščenimi na reaktorju, z merilno sondo za merjenje pH in temperature, merilnikom pretoka za bioplin in plinskim analizatorjem, ki meri kakovost proizvedenega bioplina. Sproti se beleži tudi poraba električne in toplotne energije na proizvedeno enoto bioplina. Izmerjene vrednosti parametrov se med delovanjem reaktorja samodejno prenašajo in shranjujejo na računalniku za nadaljnje analitično delo.

S pomočjo pilotnega reaktorja je mogoče simulirati praktično vse vrste digestorijev, tako proizvodnjo bioplina z mokro kot suho fermentacijo. Primerjamo lahko obratovanje kontinuiranega z diskontinuirnim reaktorjem, v mezofilnih ali termofilnih temperaturnih pogojih. Vsak substrat, ki se preizkuša, se predhodno analizira v laboratoriju, da se pridobijo osnovni kemijski parametri, kot je vsebnost organskega deleža v sušini (VSS), vsebnost ogljika, dušika in fosforja, opravi se še CNS. Pred fermentiranjem se določijo obratovalni pogoji, v katerih se bo substrat preizkušal. Pogoja, kot sta na primer temperatura v reaktorju in način vnosa substrata (zvezen ali cikličen), že predstavljata obratovalni režim določene vrste digestorija. Za vsak substrat se določi še začetni zadrževalni čas (HRT) in prostorninska obremenitev reaktorja (kgVSS/m³).

Da bi fermentacija stekla čim hitreje, se reaktor pred začetkom obremenjevanja napolni z aktivno biomaso. Bioplin se začne proizvajati v manj kot 24 urah, v naslednjih nekaj dneh pa se fermentacija razvije do stopnje, ko je potrebno spremljati koncentracijo maščobnih kislin (VFA), s pomočjo titracije v laboratoriju pa se sproti izračunava alkaliteta substrata (TAL). Vrednost teh dveh parametrov je za proces ključnega pomena, saj govori o njegovi stabilnosti in (ne)popolni razgradnji substrata.

Bioplin se proizvaja v treh osnovnih korakih. Najprej gre za hidrolizo večjih v manjše molekule, nato nastopi kislinska faza, ko se iz maščob, beljakovin in ogljikovih hidratov proizvajajo organske kisline (ocetna, propionska, buterična itd), in končna metanska faza. Končna produkta, poenostavljeno gledano, sta plina metan in ogljikov dioksid. Če je akumulacija produktov kislinske faze prevelika, se to odraža na prekomernem povečanju vrednosti parametra VFA (angl. Volatile Fat Acids). Ta po izkušnjah naj ne bi presegla 1800 mg/l. Alkaliteta substrata je ugodna, v kolikor je nad 13.000 mg/l. Do ovirane razgradnje lahko pride, ko ima substrat neugodno razmerje med ogljikovimi (enostavno dostopnimi) in dušikovimi spojinami, tako imenovani C/N količnik. Empirično dognano je, da je substrat katerega C/N količnik je manjši kot 8, neugoden za pretvorbo v bioplin in ga je potrebno mešati z drugim materialom, ki ima ta količnik višji. Optimalen C/N količnik je med 25 in 40. Problem nizkega C/N količnika je, da je ogljika, katerega bakterije mnogo hitreje porabljajo kot dušik, premalo, preostali dušik pa se veže v amoniak, ki zavira biokemijske reakcije.

Substrati so različnih kemijskih sestav in posledično temu tudi različno biokemijsko razgradljivi. Imajo kratko oziroma dolgo razpolovno dobo. Najhitreje se razkrajajo substrati z veliko maščobami, še posebej če je takšen material nekoliko postaran. Beljakovine in ogljikovi hidrati načeloma predstavljajo manj kvaliteten material, vendar imajo druge pomembne lastnosti, ki so nujno potrebne za metabolizem bakterij. Če zaviralnih vplivov na substrat ni, se fermentacija stabilizira v nekaj tednih. V stabilnih in stacionarnih pogojih lahko določimo za substrat navaden (lbioplin/kgVSS.dni) in kumulativni bioplinski donos (lbioplin/kgVSS). Določimo kvaliteto bioplina (%CH4, %CO2, %H2S). Testiranje se nadaljuje s spreminjanjem robnih pogojev, da se ugotovi konvergentnost procesa, želeno v smeri povečevanja bioplinskega donosa ob zmanjšanju energetskega vložka.

Zelo pomembno je, da že na začetku preizkušanja določimo take začetne pogoje, za katere lahko z veliko verjetnostjo napovemo, da so blizu tistih optimalnih, in s tem privarčujemo na času izvajanja poskusov in pridobitvi končnih ugotovitev. Da bi izbrani začetni obratovalni režim ustrezal optimalnemu reaktorju za preizkušani substrat, so neprecenljivi vir podatkov empirična dognanja na digestorijih bioplinarne Nemščak in podatki, ki jih operaterji raznih bioplinarn po svetu izmenjujejo med seboj. Eden takšnih virov predstavlja sicer institucionalni forum programa NaWaRo.

Bioplin je kakovosten in bogat energent, ni pa najcenejši. Zaradi tega je ustrezno planiranje tehnološkega procesa bioplinarne še toliko bolj pomembno. Smiselno je, da substrat, ki ga želimo pretvarjati v bioplin, predhodno preizkusimo in analiziramo na pilotni napravi in to v zadostnem času, da lahko ugotovimo vse parametre, ki so pomembni za proizvodnjo bioplina.

Bioplinski donos substratov je zelo različen. Če samo primerjamo podatke, ki jih navajajo različni avtorji v tovrstni literaturi, lahko ugotovimo velika odstopanja, včasih tudi za red velikosti. Zato je predhoden preizkus oziroma preveritev lastnega substrata, ki praviloma ni enak nobenemu drugemu, na bioplinski pilotni napravi edini pravilen pristop k načrtovanju tehnološkega procesa in tehnične izvedbe za gospodarski reaktor. Iz laboratorijskih analiz dobimo tudi podatke o presnovljenem substratu, na podlagi katerih se lahko odločimo o potrebni obdelavi tega blata pred izpustom v okolje; na primer dehidracija blata, načrtovanje ustrezne tehnologije za čiščenje centrata, način in obseg odlaganja suhih pogač itd.. Načrtovanje proizvodnje bioplina zahteva poleg optimalne izbire digestorija tudi ustrezno predvsem pa pravilno ovrednotenje vseh okoljskih učinkov.

Pilotni reaktor za proizvodnjo bioplina Ekoteh je edini v Sloveniji in eden redkih v Evropi. Z nadgradnjo ga je mogoče uporabiti tudi za najnovejše raziskave na področju proizvodnje bioplina, kot je fermentacija s fiksirno biomaso, anaerobno eliminacijo dušikovih spojin itd. Reaktor je namenjen vodenju (optimiranju) procesa bioplinarne Nemščak in bioplinarne Motvarjevci ter za potrebe slovenskega in tujega gospodarstva.

Besedilo: Roland Tušar, univ. dipl. inž. grad.
Medij: Delo, www.delo.si