Ugrás a tartalomhoz

Mezőgazdasági (növénytermesztés, állattartás, erdészeti) hulladékok kezelése és hasznosítása

Dr. Czupy Imre, Vágvölgyi Andrea (2011)

A fermentációs folyamatot befolyásoló tényezők

A fermentációs folyamatot befolyásoló tényezők

A fermentációs folyamatot számos tényező befolyásolja. A kritikus környezeti tényezők a hőmérséklet, pH, tápanyag-ellátottság, toxikus anyagok jelenléte. A 4.6. táblázat a maximális metántermeléshez szükséges optimális feltételeket, valamint a rendszer által még tolerálható tartományt mutatja be. (Malina és Pohland, 1992.; Kárpáti, 2002.)

4.5. táblázat - Az anaerob iszaprothasztás optimális körülményei és tolerálható tartományai (Forrás: Malina és Pohland, 1992.; Kárpáti, 2002.)

Paraméterek Optimum Tartomány
pH 6,8 - 7,4 6,3 - 7,9
Oxidációs redukciós potenciál (ORP), mV (-520) - (530) (-490) - (-550)
Illósavak, mmól/l 0,8 - 8,0 ≺ 35,0
Alkalinitás, mg CaCO3/l 1300 - 3000 1000 - 5000
Szerves anyag terhelés
Mezofil tartományban, kg/m3 d 0,8 - 2,0 0,4 - 6,4
Termofil tartományban, kg/m3 d 1,5 - 5,0 1,0 - 7,5
Hőmérséklet
Mezofil tartományban, °C 32 - 37 20 - 42
Termofil tartományban °C 50 - 56 45 - 65
Hidraulikus tartózkodási idő, d 12 - 18 7 - 30
Biogáz összetétel
Metán, v % 65 - 70 60 - 75
Széndioxid, v % 30 - 35 25 - 40

Hőmérséklet

A kémiai és biokémiai átalakítások és a mikroorganizmusok növekedési sebessége a mikroorganizmusok által tolerált tartományban a hőmérséklettel nő. Mindenféle mikroorganizmus optimális növekedést és lebontási sebességet mutat egy szűk hőmérséklet-tartományban, amely minden mikroorganizmus fajra jellemző, különösen annak felső határán károsodhatnak. Ennek megfelelően az egyenletes hőmérséklet fenntartása az anaerob rothasztásnál sokkal fontosabb, mint a maximális bontási sebességre történő törekvés.

Az anaerob rothasztás megvalósítására két vagy három hőmérséklet-tartomány jöhet szóba pszikrofil, és/vagy a mezofil, és a termofil. A pszikrofil mikroorganizmus törzsek 20 °C-os, vagy az alatti optimumon dolgoznak leghatásosabban, a mezofil optimum 30-40 °C, a termofil pedig 50-65 °C körül van. (Olessák és Szabó; 1984.; Kissné, 1983.; Schulz és Eder 2005.; Bai 2007.)

A hőmérséklet kismértékű változása (pl.: 35°C-ról 30°C-ra, illetve 30°C-ról 32°C-re) a biogáz termelődés csökkenését eredményezi. (Chae et al, 2008.)

A termofil anaerob iszaprothasztás számos előnyt biztosít a mezofil folyamattal szemben. Nagyobb a metántermelés sebessége, 10-20%-kal több biogáz nyerhető ki (Olessák és Szabó, 1984.), kisebb a folyadék viszkozitása, jobb a szerves anyag átalakítási hatékonyság, rövidebb a lefutási idő (Schulz és Eder, 2005.) és lényegesen jobb a patogének termikus inaktiválása. (Rimkus et. al., 1982.)

A mezofil hőmérsékletű rendszert a kóros véglényekben szegény, viszonylag egyöntetű alapanyagból, nagyobb hely-és gázfelhasználási lehetőség estén célszerű alkalmazni. A termofil fermentációt ott érdemes használni, ahol az alapanyagban a későbbi trágyafelhasználásnál káros kórokozók fordulhatnak elő, az erjesztést nagyobb energiaveszteségek árán is gyorsan kell megvalósítani. (Kacz és Neményi, 1998.) A hőmérséklet függvényében változik a szerves anyagok lebontásának időtartalma, átlagosan 5-180 napot vehet igénybe a folyamat.

pH

A metanogenezis optimális pH tartomány 7,0 a hidrolízis, illetve acetogenezisé pedig pH 5,5-6,5. (Kim et al, 2003.; Yu and Fang, 2002.) Ez a két különböző pH optimum az oka annak, hogy sokszor két lépcsős fermentációt alkalmaznak (hidrolízis/savtermelődés, acetogenezis/metanogenezis). 6-os pH alatt a metanogenezis folyamatának aktivitása jelentősen csökken (Mosey és Fernandes, 1989.), a túlzottan lúgos pH pedig a mikrobiológiai szemcsék széteséséhez és a folyamat leállásához vezet. (Sandberg és Ahring, 1992.) Az alapanyag betáplálás arányának módosításával egy állandó pH biztosítható. (Gunaseelan, 1995.)

Tápanyagok

Az alapanyag jellemzőiként az összetétel függvényében a C/N arányt is figyelembe kell venni. A mikroszervezetek sejtfehérjéinek felépítéséhez nitrogénre van szükség. A kis nitrogén tartalom akadályozza a nagy szénmennyiség feldolgozását, a nagy nitrogéntartalom viszont ammónia felhalmozódáshoz vezet. Ideális arányuk: 30:1. Hasonló szerepe van a foszfortartalomnak is. Az optimális C/P arány 150:1. (Olessák és Szabó, 1984.)

Nedvesség (Víz)

A víz szükséges a mikroszervezetek anyagcseréjéhez és a biokémiai folyamatok közege is. A tápanyag nedvességtartalma is fontos tényező. A mikroorganizmusok tevékenységéhez szükséges nedvességtartalom tág határok között mozoghat, különböző kísérletek azt mutatják, hogy 0,1-60% lehet a szárazanyag tartalom. (Barótfi, 2000.) Olessák és Szabó (1984.) szerint az optimális szárazanyag-tartalom 5-20%.

Nehézfémek

A nehézfémek legtöbb anaerob mikroorganizmus fajtára már kis koncentrációjuknál is toxikusak.

Illó savak

A kis molekulatömegű illó szerves savak hatása az anaerob rothasztó rendszer mikroorganizmusaira összetett, mivel azok savassága egyidejűleg a közeg kémhatását is változtatja. Amikor a pH-t a semleges tartományban tartják, az illó savaknak nincs számottevő toxikus hatása a metanogén baktériumokra 10000 mg/l koncentráció alatt. Az illó savak összes koncentrációja a rothadó iszapban rendszerint 8-300 mmól/l között alakul.

Ammónia

Az ammónia a rothasztóban a fehérjék deaminálása révén gyorsan keletkezik. Az ammónia toxicitása is a rendszer kémhatásának függvénye. 7 fölötti pH-nál jelentkezhet ez a gyakorlatban. A szabad ammónia koncentrációját 100-700 mg/l-ig változhat (Hansen et. al., 1998), ugyanakkor az ammónium ionok jelenlétét 1500 mg/l értékig is tolerálni tudja a mikroorganizmus együttes.

Szulfid

A szulfidok az anaerob rothasztóban részben az oda bekerülő szulfátok redukciójából, részben a fehérjék bomlásának eredményeként keletkeznek. Ha az oldott szulfidok koncentrációja meghaladja a 200 mg/l értéket, a metanogén baktériumok tevékenysége jelentősen lelassul, és a folyamat gyakorlatilag leállhat (Lawrence és McCarty, 1964.).