Процесс гидролиза позволяет достигнуть экономического оптимума эксплуатации биогазовой станции. Как правило, двухэтапный процесс ферментации обеспечивает идеальную среду для жизнедеятельности метаногенных микроорганизмов, отвечающих за получение биогаза. Предлагаем разобраться в подходе к оптимизации выработки биогаза.
В 2018 году общее количество установленных биогазовых станций в Европе составило 18 000. Лидером, очевидно, остается Германия, с их 11 000 биогазовых станций (European Biogas Association, 2020). Преимущественное большинство биогазовых установок эксплуатируется с применением возобновляемых энергетических культур, выращиваемых, в основном, в логистически привлекательной зоне, а также навоза.
Несмотря на широкое распространение биогазовых технологий в Европе, энергетики и технологи продолжают работать над задачей максимально эффективного производства биогаза из сбраживаемой биомассы.
Основной причиной называют возможные колебания состава сырьевой базы, ввиду чего штаммы микроорганизмов не всегда могут обеспечить полноценное расщепление органической составляющей субстратов в ферментере биогазовой установки. Оптимальным решением на сегодня считается увеличение время пребывания субстрата в ферментере, что особенно актуально для волокнистых материалов, как трава.
Исследования, направленные на определение необходимых мер с целью оптимизации биогазового производства, как правило, проводятся в лабораторных условиях с дальнейшей апробацией на действующих биогазовых установках мощностью 250-450 кВт*час.
Многолетние исследования подтверждают целесообразность реализации двухэтапного производственного процесса, а именно: предварительный гидролиз способствует генерации максимальных объемов энергии из сбраживаемого сырья. Таким образом получается добиться оптимального соотношения между используемыми ресурсами, энергопотреблением и фактическим выходом энергии из биомассы.
Двухступенчатая ферментация
На примере действующей биогазовой станции, объясним, как происходит оптимизация биогазового производства.
Ежедневный «рацион» биогазовой станции выглядит следующим образом:
— 1 т зерна
— 2 т травы
— 14 т силоса кукурузы
— 10 м3 жидкого навоза КРС
Основой высокой эффективности биогазовой станции является практически отсутствие потерь выхода биогаза. Чтобы достичь подобного результата, несмотря на неоднородную смесь субстратов, кроме основного ферментера был установлен резервуар для гидролиза, то есть, реализован двухэтапный производственный процесс.
На этапе гидролиза бактерии работают в слабокислой среде на уровне pH 5,2 – 6,3 и в температурном режиме 350С. Данные условия являются оптимальными для реализации процесса подкисления, который фактически позволяет микроорганизмам перевести структуру субстратов в более доступную для расщепления форму и за гораздо более короткий промежуток времени. В результате гидролиза длинные цепи углеводов, жиров и белков расщепляются на сахара, жирные кислоты и олигопептиды.
Применение рециркулята из основного ферментера на стадии гидролиза позволяет получить содержание сухого вещества в сбраживаемой смеси на уровне 10 – 15%. В результате, неоднородный материал лучше смешивается, уменьшается тенденция к образованию плавающих слоев. При этом, герметичное выполнение резервуара для гидролиза препятствует утечке биогаза на данном этапе производственного процесса.