Процес гідролізу дозволяє досягти економічного оптимуму експлуатації біогазової станції. Як правило, двоетапний процес ферментації забезпечує ідеальне середовище для життєдіяльності метаногенних мікроорганізмів, що відповідають за утворення біогазу. Пропонуємо розібратися в підході до оптимізації біогазового виробництва.
У 2018 році загальна кількість встановлених біогазових станцій в Європі склала 18 000. Лідером, вочевидь, залишається Німеччина, з її 11 000 біогазовими станціями (European Biogas Association, 2020). Переважна більшість біогазових установок експлуатується із застосуванням відновлюваних енергетичних культур, що вирощуються, в основному, в логістично привабливій зоні, а також гною.
Незважаючи на широке поширення біогазових технологій в Європі, енергетики і технологи продовжують працювати над завданням максимально ефективного виробництва біогазу зі зброджуваної біомаси.
Основною причиною називають можливі коливання складу сировинної бази, через що штами мікроорганізмів не завжди можуть забезпечити повноцінне розщеплення органічною складової субстратів у ферментері біогазової установки. Оптимальним рішенням на сьогодні вважається збільшення часу перебування субстрату у ферментері, що особливо актуально для волокнистих матеріалів, як трава.
Дослідження, спрямовані на визначення необхідних заходів з метою оптимізації біогазового виробництва, як правило, проводяться в лабораторних умовах з подальшою апробацією на діючих біогазових установках потужністю 250-450 кВт*год.
Багаторічні дослідження підтверджують доцільність реалізації двоетапного виробничого процесу: попередній гідроліз сприяє генерації максимальних обсягів енергії зі зброджуваної сировини. Таким чином вдається досягти оптимального співвідношення між використовуваними ресурсами, енергоспоживанням і фактичним виходом енергії з біомаси.
Двоступенева ферментація
На прикладі діючої біогазової станції, пояснимо, як відбувається оптимізація біогазового виробництва.
Щоденний «раціон» біогазової станції виглядає наступним чином:
– 1 т зерна
– 2 т трави
– 14 т силосу кукурудзи
– 10 м3 гноївки ВРХ
Основою високої ефективності біогазової станції є практично відсутність втрат виходу біогазу. Щоб досягти подібного результату, незважаючи на неоднорідну суміш субстратів, крім основного ферментера був встановлений резервуар для гідролізу, тобто, реалізований двоетапний виробничий процес.
На етапі гідролізу бактерії працюють в слабо-кислому середовищі на рівні pH 5,2 – 6,3 і в температурному режимі 350С. Дані умови є оптимальними для реалізації процесу підкислення, який фактично дозволяє мікроорганізмам перевести структуру субстратів у більш доступну для розщеплення форму і за набагато більш короткий проміжок часу. В результаті гідролізу довгі ланцюги вуглеводів, жирів і білків розщеплюються до цукрів, жирних кислот та олігопептидів.
Застосування рециркуляції з основного ферментеру на стадії гідролізу дозволяє отримати вміст сухої речовини у зброджуваній суміші на рівні 10 – 15%. В результаті, неоднорідний матеріал краще змішується, зменшується тенденція до утворення плаваючих шарів. При цьому, герметичне виконання резервуару для гідролізу перешкоджає витоку біогазу на даному етапі виробничого процесу.