Методи підготовки біомаси до ефективного біогазового виробництва - AgroBiogas

Під підготовкою органічної сировини до безкисневого зброджування мається на увазі ряд заходів, що дозволяють поліпшити структуру біомаси та позитивно вплинути безпосередньо на ефективність біогазового виробництва. До підготовчих заходів відносять передусім, подрібнення та гомогенізацію, тобто створення однорідної текстури органіки.

Інститутом сільського господарства в Саксонії (ФРН) встановлено, що ефект подрібнення біомаси позитивно впливає на вихід метану при її зброджуванні. З подрібненого матеріалу одержують на 14-26% більше метану, ніж з непідготовленої біомаси. Подрібнена органічна сировина зброджується швидше. Так, у силосу кукурудзи на 12 день, а у сінажу на 8 день вихід метану був таким, як у необробленого субстрату після 30 днів анаеробної ферментації.

Подрібнення призводить до збільшення площі поверхні субстрату і покращує доступ метаногенним бактеріям до поживних речовин. За рахунок подрібнення вихід метану може збільшитись до 14% у силосу кукурудзи, та до 26% у сінажу.

Гомогенізація субстрату важлива для підтримання стабільності процесу зброджування та уникнення нагромадження свіжої біомаси на поверхні рідини із утворенням газонепроникної оболонки, яка здатна призвести до пошкоджень ємності зброджування та систем відводу газу.

Гомогенізацію субстрату можна проводити перед подачею до ферментаційного резервуару або у самій ємності зброджування. Гомогенізація перед подачею до ферментеру має перевагу, зокрема взимку, коли холодна органічна сировина підігрівається у ємності для змішування. Ефективність змішування у цьому разі покращується, а витрати електричної енергії для змішування біомаси зменшуються. Гомогенізація біомаси також може проводитись за допомогою шнекових насосів та екструдерів різноманітної конструкції.

Важливим шляхом розвитку технологій підготовки органічних відходів та решток до зброджування є зміна їх структури термічним, хімічним та біологічним методами. Термічний гідроліз під тиском дозволяє досягти (за рахунок розщеплення біомаси під впливом температури і тиску) відокремлення лігніну від клітковини, яка здебільшого складається з целюлози та геміцелюлози, та дозволяє перетворити ці складові у цукри і збільшити таким чином вихід метану. Термічна обробка органічної сировини повинно проводитись перед її силосуванням.

Лабораторні дослідження свідчать, що обробка температурою під тиском призводить до виділення цукру і перетворення соломи у пастоподібний стан. Для соломи озимої пшениці вміст цукру збільшується у результаті обробки при 1400С у сім разів, а при температурі 1800С  – у сорок разів. Ця ситуація пояснюється руйнуванням лігніно-целюлозної решітки біомаси та поліпшенням доступу до поживних речовин з перетворенням целюлози у прості цукри. При цьому рідка частина субстрату зберігає у собі основну масу поживних речовин.

При обробці соломи паром під тиском приріст виходу метану після ферментації складає до 48% у порівнянні із необробленою соломою. Крім того, час зброджування скорочується з 18 до 12 діб. Скорочення необхідного для ферментації часу обумовлене поліпшеною змішуваністю підготовленої соломи з рідиною у ферментаційній ємності. Погані змішувальні властивості біомаси можуть призвести до підвищення енергетичних витрат.

Гідроліз біомаси за допомогою ультразвукової деструкції дозволяє, при опроміненні матеріалів з високим вмістом вологи ультразвуком з частотою 20 кГц, провести розщеплення органічної сировини за рахунок ефекту кавітації. Залежно від інтенсивності ультразвуку і часу опромінення субстрату можна досягти різного стану подрібнення клітин біомаси. Нижча частота ультразвуку прияє кращому розщепленню органіки. За допомогою розщеплення сировини під дією ультразвуку вихід біогазу збільшується на 40,4%, а необхідний час ферментації значно скорочується. Внаслідок ультразвукової обробки збільшується також відсотковий вміст метану у біогазі.

За допомогою біологічної деструкції біомаси ферментами, які є біокаталізаторами, підвищують швидкість проходження біохімічної реакції. Ферменти відбирають як в органах травлення тварин, так і в спеціальних ферментаційних установках. За оцінками експертів у світі існує приблизно 50 млн ферментів, з них вивченими вважаються лише 2000. За допомогою цільового додавання ферментів до органічної сировини можливо прискорити процеси зброджування та збільшити вихід метану на одиницю біомаси. Багато ферментів діють лише на окремі види субстратів. Тому для різних видів біомаси потрібно підбирати особливий склад ферментів.

Проведені дослідження з обробкою біомаси ферментами засвідчили збільшення виходу метану з кукурудзи на 5-18%, з лугових трав – на 14-67%.