Ugrás a tartalomhoz

Fermentációs biotechnológia

Dr. Kutasi József (2007)

Glia Kft.

4. fejezet - Bioenergia források

4. fejezet - Bioenergia források

Biogáz termelés

Az első biogáz fermentor 1859-ben épült bombay-ben egy lepratelepen. Európában az első fermentor 1895-ben épült Angliában, Exterben, ahol a biogázt egy szennnyvízkezelő üzemben állították elő, és az utcai lámpákban használták világításra. A mikrobiológia fejlődése az 1930-as évekre lehetővé tette, hogy Buswell és munkatársai meghatározzák az anaerob baktériumokat és körülményeket, amelyek szükségesek a metán képződéséhez.

A biogáz a szerves hulladékok (akár állati biomassza) metanogén baktériumok által nedves közegben véghezvitt anaerob rothadásának (fermentáció) eredménye. Összetételét tekintve 60-70%-ban metánt (CH4), és 30-40%-ban CO2-t tartalmaz. Ez a technológia több szempontból is előnyös: a metán jó hatásfokkal konvertálható energiává, ugyanakkor környezetkímélő. A biogáz-fejlesztés kapcsolható a szennyvízkezeléshez a szennyvizek vagy hígtrágya felhasználásával. A szennyvíz és szerves hulladékok kezelésének környezetvédelmi szempontból és az energiatermelés miatt is kedvezőbb megoldása az, hogy a levegőtől elzárva tovább erjesztik a szennyvíziszapot, hulladékot, így olyan mikrobák szaporodnak el, amelyek biogázt termelnek. Az így keletkezett gázanyag megfelel egy gyengébb minőségű földgáznak, míg a kierjedt maradék szilárd anyag kórokozó mikroorganizmusokat nem tartalmaz, szaga a komposzthoz hasonló, így minden további nélkül a mezőgazdasági talajokra kijuttatható, trágyaként alkalmazható.

Biogáz alapanyagok

Az ázsiai országokban főként állati trágya az alapanyag, de sokféle szerves anyagból lehet biogázt előállítani. Biogáz előállításra valamennyi szervesanyag (kivéve a szerves vegyipar termékeit) alkalmas, így a trágya, az élelmiszeripari melléktermékek és hulladékok, minden zöld növényi rész, háztartási zöldhulladékok, lejárt szavatosságú élelmiszerek, éttermi hulladék, kommunális szennyvíziszapok, stb. Az eddigi gyakorlatnak megfelelően a nedves biogáz-gyártás alapanyaga általában hígtrágya, vagy élelmiszeripari szervesanyag-tartalmú folyadék. A keletkező gáz felhasználása a leghatékonyabb és leggazdaságosabb, ha az könnyen és szinte korlátlanul értékesíthető „zöld” villamosenergia termelésére fordítódik, de ún. kapcsolt rendszerben a keletkező hőt is hasznosítják. A legalkalmasabbnak látszik a hígtrágya-szerves hulladék keverékkel megvalósult (kofermentáció) biogáz előállítás.

Európában Dánia és Németország rendelkezik a legnagyobb tapasztalattal a nagyléptékű biogáz fermentáció terén. Sok esetben kofermentáció zajlik, ahol a szerves trágya és a kommunális és ipari szennyvíz együtt kerül felhasználásra. Dániában 2000-re a 90-es évektől kezdve megduplázták az ország biogáz termelését, annak köszönhetően, hogy bevezették a „zöld” áram rendszert, ami azt jelenti, hogy a megújuló energiaforrásból előállított áramot az áramszolgáltató a szokásos árnál magasabb összegért veszi meg.

Ipari szennyvizeket is lehetséges anaerob fermentációba vonni, de a telepített anaerob fermentáló rendszerektöbbsége kisméretű farmergazdaságokban működő üzem. Ilyenek elterjedtek az USA-ban, Ausztriában, Franciaországban, az ázsiai országokban.

A bioenergia az elsődleges termelő szervezetek (elsősorban növények) biomasszájából, anyagcsere termékeiből kinyerhető kémiai energia, amely a Nap sugárzó energiájából a fotoszintézis folyamatában (illetve kemoszintézis során) képződik. A növényi biomassza az élő növényi és növényi eredetű szerves anyag tömegegységben kifejezett mennyisége, amely a megkötött kémiai energia jelentős részét a sejtek falában elsősorban lignocellulóz formájában raktározza. A növényi biomassza felhasználása energianyerésre világszerte az érdeklődés középpontjában áll. Több nemzetközi folyóirat elsősorban vagy kizárólag ezzel a kérdéskörrel foglalkozik. Ilyen folyóiratok pl. a Biomass and Bioenergy, Bioresource Technology, Crop Science, Aspects of Applied Biology, Biomass and Energy Crops stb.

A biomassza energetikai hasznosításának több lehetősége van:

  • legegyszerűbb esetben a biomasszát közvetlenül elégetik

  • más esetekben a biomassza fizikokémiai, biológiai transzformációjával alkoholt, metánt állítanak elő energetikai célú felhasználásra

  • a legutóbbi években pedig intenzív kutatás indult a biológiai H2 termelés hatékony megoldására

Ismert, hogy a Földre jutó napenergia (évi 1,3 kW/m2) hasznosulása kémiai energia nyerésére fotoszintézissel csupán 5% (200 billió tonna széndioxid megkötése évente), a mezőgazdasági gyakorlatban ez csupán 0,5-1,0%. A közeljövő kutatásaival ennek növelése a fő cél. Hosszútávon a földterületek szűkössége miatt új, magas biomassza-hozamú növényfajták kifejlesztése a cél, valamint új biomassza-források, így vízinövények és mikroalgák hasznosítási lehetőségeinek kidolgozása. A mezőgazdasági (gabonaszalma, kukoricacsutka – és szár, gyümölcsnyesedék) és erdészeti melléktermékek és egyéb szerves hulladékok hőenergia termelésre (tüzelésre) hasznosíthatók. A biogáz-termelésre hasznosítható növényi alapanyagok több csoportra oszthatók. A jelenleg is élelmiszer és takarmány céljából termesztett növények közül a silókukorica és cukorrépa nagy nedvességtartalmuk miatt jól hasznosíthatók biogáz céljára, de csak a felhasználható növényi rész szeparálását vagy feldolgozását követően.

A kifejezetten energia előállítás céljából termesztett lágyszárú növények közül a leghatékonyabb C4-es fotoszintézist folytató nádfélék és fűfélék emelhetők ki, melyek betakarítási állapotban használhatók fel. Előnyük, hogy energiatartalmuk a legmagasabb a termesztett fajták közül (a fafajtákhoz viszonyítva is), egységnyi energiára eső termesztési költségük pedig a legalacsonyabb. Biomassza termeléséhez leginkább olyan növény alkalmas, amely igen gyorsan nő és sejtfal anyagai között az energiában gazdag lignocellulóz prominensen megjelenik. Speciálisan energetikai célra termesztett (magas energiatartalmú) fásszárú növények az akác, nyár, fűz, gyertyán vagy éger (energiaerdők). Magas energiatartalmú biomasszát képző lágyszárúak az energianád (Miscanthus sp.), a már hazánkban is nagy területen termelt energiafű (Agropyron elongatum), illetve egyes olajos magvú növények, így a repce vagy a napraforgó.

A szerző energiafűben

Az energiafű embermagasságúra tud nőni és ugyanakkor kiemelkedő szárazság-, só- és fagytűrési képességgel rendelkezik. Nem érzékeny a talaj minőségére és egy helyben 10-15 évig is termeszthető. Biogáz-termelési tulajdonságai kiválóak, erjedési ideje nagyon rövid, ugyanakkor gáztermelése is kiváló.

Energiafű (Szarvas-1) Agropyron elongatum

Magas energiatartalmú biomasszát képző lágyszárúak a már hazánkban is nagy területen termelt energiafű.

A rosszabb minőségű területeken (zagytér, meddőhányó, alacsonyabb termőképességű talajok) is termeszthetőek (pl. rekultivációs céllal), ezért jóval nagyobb terület hasznosítható általuk. Az eltüzelendő növényi anyagot brikettálással tömöríthetik (biobrikett előállítás). A cukor-, keményítő-, lipid- vagy cellulóz tartalmú növényi anyagokból (pl. cukorrépa, burgonya, kukorica, repce) fizikai előkezeléssel (aprítás, hidrolitikus enzimatikus előemésztés stb.) és fermentálással nyerhető bioetanol, amely tüzelésre és hajtóanyagként is hasznosítható. Az évelő nádfélék alkalmasak ültetvények létrehozására, de vízigényük általában magasabb. Hozamuk 250-400 GJ/ha/év. Telepítést követően a betakarítás sokszor ismételhető, a téli mezőgazdasági holtidényben elvégezhető. Az egynyári vagy évelő fűfélék szintén alkalmasak ültetvények létrehozására, hozamuk 200-350 GJ/ha/év. Az évelő fűfélék előnyösebbek, mert nem igényelnek évenkénti talajelőkészítést. Legismertebb képviselőjük a „Szarvasi-1” energiafű (Agropyron elongatum), amely a Szarvasi Mezőgazdasági Kutatóintézet terméke, de említhető a szudánifű (Sorghum vulgare p.v. sudanense), a nádképű csenkesz (Festuca arundinacea), az óriás keserűfű (Polygonum sachalinensis), a cukorcirok (Sorghum bicolor), az olasznád (Arundo donax) és a zöld pántlikafű (Phalaris arundinacea) is. Az energiafű kiemelkedő szárazság-, só- és fagytűrési képességgel rendelkezik, nem érzékeny a talaj minőségére és egy helyben 10-15 évig is termeszthető. Biogáz-termelési tulajdonságai kiválóak, erjedési ideje nagyon rövid, ugyanakkor gáztermelése is kiváló.

Hazánkban az állatlétszám csökkenésének következtében az utóbbi években az állati trágya mennyisége is visszaesett. Ezt a hiányt pótolhatja az energianövény termesztés. Az itt megtermelt magas szénhidráttartalmú (és emellett alacsony lignocellulóz-tartalmú) növényi biomasszát kitűnően lehet hasznosítani biogázüzemekben. Ez a lágyszárú energianövényekre, fűre alapozott biogáztermelés. A biogáz-termelés során visszamaradt (kierjesztett) szerves anyag talajerő-visszapótlásra /biogáz-trágya/ felhasználható a szántóföldi növénytermesztésben.

A fűfélék alkalmazásával fokozható a fajlagosan előállítható metángáz mennyisége (köbméter/ kg), így az energiatermelés foka meghaladja az általánosan alkalmazott szennyvíziszapokból és hígtrágyákból kinyerhetőt (I. Magyar Biogáz Konferencia, 2005).

Előállítható metángáz mennyisége (m3/ kg)

Előállítható metángáz mennyisége (m3/ kg)

Metántermelés

A metán keverékkultúrában való képződésének módja még nem teljesen ismert. A fakultatív anaerob baktériumok a zsírokat, fehérjéket, szénhidrátokat hidrolizálják és monomerek keletkeznek. Ezeknek a mikrobáknak a szaporodása és a biogáz képződése a természeben igen lassan megy végbe. Ott ahol nagy koncentrációban van jelen nedves szerves anyag oxigénmentes környezetben, pl. mocsarakban (lidércfény), tavak üledékében, állatok és ember bélrendszerében. A szarvasmarhák anaerob bendőjében kifejezetten nagy mennyiségben képződik metán, metántermelő állatok.

Hidrolitikus baktériumok bontják a nagy molekulájú szerves vegyületeket, enzimeikkel, melynek eredményeként rövid szénláncú zsírsavak, szén-dioxid és hidrogéngáz keletkezik. A baktériumok második csoportja a zsírsavakat szerves savvá, ecetsavvá alakítja. Újabb szén-dioxid és hidrogéngáz keletkezik. Végül a tulajdonképpeni metántermelés kiindulási anyaga a hidrogén, szén-dioxid, ammónia, ecetsav és metanol. A lebontás során szerves savak, alkoholok és metán szén-dioxiddal együtt keletkezik. Sok esetben a jelenlévő szulfátredukáló baktériumok termékeként kén-hidrogén is képződik, így a biogázban kis mennyiségben hidrogén-szulfid is megtalálható.

A biogáz üzemekben a szerves anyagokat nagy tárolómedencékbe gyűjtik, ezzel biztosítják a folyamatos üzemeltetést. A biogáz reaktor általában gázszigetelt betontartály, amelyeket a jobb hőmérséklettartás miatt a fölbe ásnak. Kisebb telepeken a beton hígtrágya siló célszerűen az istálló alatt van elhelyezve, ahonnan rövid úton pumpa juttatja - légmentesen és hőveszteség nélkül - a trágyalevet az erjesztőtérbe. A tartályban folyamatos lassú keveréssel akadályozzák meg a könnyen leülepedő anyagok rétegződését. Az erjedés és gázfejlődés időtartama hőmérsékletfüggő: 30-40 °C-on 15-25 nap, 50-55 °C-on ennél rövidebb, de csak fokozatosan lehet a rendszert melegíteni (a fermentorokat alulról talpfűtéssel fűtik). A metanogén baktériumok 20-25 °C-on is képesek metánt előállítani, de mivel széles hőmérsékleti tartományt is elviselnek, ezért 15 °C-tól 55 °C-ig 60-99% víztartalom esetén működőképesek.

Szárazanyagból kiindulva 1,0 kg lebontott szerves szárazanyagból mezofil rothasztás esetén (Fair-Moore féle gázfejlődési diagram alapján) 0,75-0,8 m3/d gáz nyerhető. Termofil rothasztás esetén (55 C) a kinyerhető gáz mennyisége 20-25%-al növekszik, ám a rendszer fenntartása az előzőekhez képest ugyanennyivel többet kíván. A biogáz fermentáció során vizsgált paraméterek: oxigénmentes környezet (anaerob), 50 % feletti nedves közeg, semleges kémhatás, optimális szén/nitrogén arány (C/N), fénymentes környezet, megfelelő keverés, a rátáplálás biomassza mennyiségének és idejének megállapítása.

A termelt biogázt tartályokba gyűjtik, elvezetésük szűrőn át megy végbe, majd leggyakrabban gázmotorokban égetik el és termelnek vele villamos energiát. A biogázt természetesen épületek, üvegházak és maga a biogáz fermentor fűtésére is fel lehet használni elégetéssel. A biogáz levegővel keveredve robbanásveszélyes, ezért a földgázzal azonos biztonsági berendezéseket igényel, továbbá a korrozív kén-hidrogént a gázból el kell távolítani!