Výroba bioplynu v procesu anaerobní digesce (AD) je průmyslovým postupem využívaným řadu desetiletí především k likvidaci organického znečištění odpadních vod. V současnosti je ale AD především procesem, který nalezl významné uplatnění při výrobě zelené elektřiny ze zemědělských surovin a dnes zastává silné postavení v celkovém mixu obnovitelných energií. Ekonomicky efektivní a dlouhodobě udržitelná produkce bioplynu musí být konkurenceschopná v porovnání s alternativním využitím vstupních surovin, které jsou nejen v hledáčku klasické zemědělské výroby ale stále častěji i jiných technologií produkce obnovitelné energie. Detailní optimalizace produkce bioplynu je pak klíčem k ekonomickému úspěchu investice.
Přestože se poměr a druh vstupních substrátů bioplynových stanic může značně lišit, vždy je možné zaznamenat shodné prvky, založené na chemickém složení zpracovávané biomasy. Obecně lze říci, že dominantním vstupem naprosté většiny zemědělských bioplynových stanic zpracovávajících cíleně pěstované rostliny, odpady zemědělské prvovýroby, nebo komunální biologicky rozložitelné odpady budou látky na bázi polysacharidů (Obr. 1). U klasické zemědělské bioplynové stanice, využívající pouze rostlinné substráty, můžeme říci, že polysacharidy tvoří téměř 90% její „krmné dávky“. Mezi nejvíce zastoupené patří především škrob a vláknina. Vláknina je pak tvořena zejména celulózou, lignocelulózou a jejich deriváty. Účinný rozklad vlákniny a její využití v procesu tvorby bioplynu je velice žádoucí především z důvodu efektivního využití tohoto převládajícího podílu vstupující organické hmoty. Druhý důvod vyplývá z nezastupitelné úlohy vlákniny při tvorbě rostlinných pletiv a mechanické opory rostlinných buněk. Tím totiž účinně brání ve využití jinak lehce odbouratelných substrátů které jsou uvnitř (tzv. „cage effect“).
Uvnitř fermentoru bioplynové stanice jsou nerozpustné polysacharidy hydrolyticky štěpeny pomocí enzymů, tj. biologických katalyzátorů, které urychlují biochemické reakce, aniž by samy do reakce vstoupily. Tímto štěpením vznikají rozpustné mono- a oligosacharidy, které jsou okamžitě k dispozici přítomným mikroorganismům. Tento klíčový hydrolytický krok je ovšem velice pomalý, a tím jednoznačně limituje využití polysacharidů. Důvodem je skutečnost, že k této hydrolytické reakci dochází pouze na povrchu bakteriální stěny příslušných mikroorganismů, kde jsou příslušné enzymy pevně lokalizovány. Biologická aktivita mikroorganismů se tak stává určujícím parametrem a limitujícím faktorem celé hydrolýzy. Logickým řešením tohoto problému je přídavek externě produkovaných enzymů, a tím přenesení hydrolýzy do celého objemu fermentoru. Tím získáváme možnost znovu plně určovat stupeň využití polysacharidů v procesu tvorby bioplynu.
Výsledky laboratorních zkoušek se sérií účinných průmyslových hydrolytických enzymů byly využity k posouzení jejich využitelnosti při aplikaci v bioplynových stanicích. Zatímco referenční pokus hydrolýzy filtračního papíru (tj. chemicky čisté celulózy) ukázal relativně vyrovnané výsledky, aplikace na praktických substrátech ukázala již značné rozdíly (Obr. 2).
K provozním pokusům na bioplynových stanicích byla vybrána nejvýkonnější hydrolázová formulace MethaPlus® L 100. MethaPlus® L 100 je komplexní směs enzymů vyvinutá firmou Biopract GmbH přímo pro použití v procesu AD. Tento výrobek patří do balíčku produktů a služeb MethaConcept®, který byl představen na nedávné výstavě BioEnergy Europe (11.-14. 11. 2008) v německém Hannoveru.
Bylo vybráno 30 bioplynových stanic, kde byly provedeny dlouhodobé pokusy s aplikací enzymové formulace MethaPlus® L 100. Během zkušební doby byly všechny provozy detailně sledovány a všechny procesní údaje byly statisticky zpracovány. Byla vypracována jednotná metodika srovnání zjištěných údajů a výpočtu celkového efektu na tvorbu bioplynu. Výsledky celkového nárůstu produkce bioplynu jsou shrnuty v grafu (Obr. 3). Naměřené hodnoty se pohybovaly v rozmezí navýšení produkce bioplynu o 4% – 35%, v průměru pak o 19%. Kromě navýšení produkce bioplynu byly pozorovány další pozitivní efekty na celou technologii, mezi které patří především výrazné snížení viskozity obsahu fermentorů. Nižší viskozita obecně vede k lepší homogenitě a tím i vyšší biologické stabilitě procesu, omezení či odbourání tvorby plovoucích vrstev a k nižšímu zatížení míchadel v reaktoru. Současně byla vyhodnocena i ekonomická stránka provozních pokusů. Hranice rentability aplikace přípravku MethaPlus® L 100 byla na úrovni odpovídající navýšení produkce bioplynu o pouhé 3%. Ekonomický přínos tak byl zaznamenám ve všech sledovaných případech.
Aplikace celulázových enzymů je důležitým krokem k výraznému navýšení produktivity bioplynových stanic. Dlouhodobě udržitelná produkce elektrické energie a tepla z bioplynu, stejně jako produkce biomethanu jako náhrady zemního plynu, nebude možná bez kvalitní procesní optimalizace a intenzifikace anaerobní digesce. Zvláště po příchodu dalších technologií zpracovávajících lignocelulózové substráty bude nasazení polysacharidových hydroláz v bioplynových stanicích nutnou podmínkou ekonomického úspěchu.
 |
 |
| Obr. 1: Typické složení sušiny kukuřičné siláže | Obr. 2: Porovnání aktivity komerčních enzymů na různých substrátech |
 |
|
| Obr. 3: Praktické navýšení produkce bioplynu |
Literatura
[1] M. Gerhardt, V. Pelenc, M. Bäuml: „ Application of hydrolytic enzymes in the agricul-tural biogas production: Results from practical applications in Germany“; Biotechnology Journal, Vol. 2 (12), 2007, p. 1481-1484
[2] C. Diguta, S. Jurcoane, F. Israel-Roming, M. Brule, M. Mukengele, A. Lemmer, H. Oechsner: „Studies concerning enzymatic hydrolysis of energy crops“; University of Bu-charest; Received: 15th Feb. 2007 / Accepted: 20th April 2007 (2007)
[3] M. Gollackner: „Projekt: Graskraftwerk Reitbach. Biogas aus Wiesengras – Energie ohne Ende“; energiewerkstatt; 11.08.2006, S 1-8 (2006)
Autor: Jan Štambaský
FT Sun
