ODRŽIVE TEHNOLOGIJE-BIOGORIVA

- SUSTAINABLE TECHNOLOGIES--BIOFUELLS

MILORAD CAKIĆ, Olivera Stamenković, UNiverzitet u Nišu, TEHNOLOŠKI FAKULTET Leskov

Tempus 158989-Tempus-1-2009-1-BE-Tempus-JPHESCreation of university-enterprise cooperation for education

on suistainable technologies

Biogoriva – definicija i podelaBiofuels - the definition and classification

Biogoriva predstavljaju goriva koja se dobijaju izbiomase, a u odnosu na fosilna koja sadrže uglavnomugljovodonike sadrže više ili manje kiseonika pa senazivaju i oksinogena ili oksigenatori.

PODELA BIOGORIVA

ČVRSTA TEČNA GASOVITAotpaci drveta biljna ulja biogasbiljne stabiljke biodizel zemni gaszrnevlje, koštice bioetanolbaštenski otpad sintetička biogoriva

PRIMENA- proizvodnja toplotne energije (grejanje ili električna energija)- pogonska goriva (saobraćaj, transport) Prva generacija biogoriva su etanol,biodizel i biogas, dok drugu generaciju čine; biohidrogen, bio-DME, biometanol, DMF, HTUdizel, Fišer-Tropš dizel i Mešavine alkohola

Prednosti korišćenja bioenergijeAdvantages of using bioenergy

• obnovljivi su izvor energije• zamenjuju klasična (fosilna) goriva• ekonomski su pogodnija (pozitivni

neto devizni efekat, razvoj ruralnih područja, povećanje industrijske proizvodnje, nova radna mesta, stimulacije i ulaganja u poljoprivredu),

• ekološki prihvatljivija• skladištenje i čuvanje biogoriva je

manje opasno po ljude i okolinu (u slučaju akcidenta brže odlaze u biosferu i razlažu se).

Stanje i perspektiveStatus and Prospects

• Svetska potrošnja energije po tipu u periodu od 1980 do 2030

(British Thermal Unit (btu).1 btu je energija potrebna da se 1 pound (1 pound = 0,4536 kg) vode zagreje zajedan stepen Farenheit (1 F = 0,5556 C). 1 btu odgovara 1055,8 J

• stalni porast potrošnje energije i ograničeni resursi fosilnih energenata posebno u delu transporta

Stanje i perspektiveStatus and Prospects

• stalni rast cena sirove nafte

• i dalje će dominirati fosilna goriva (nafta) , ali se povećava udeo obnovljivih izvora, pa i bioenergije (biogoriva)

• politička nestabilnost u zemljama proizvođačima sirove nafte

• dominantna primena motora sa unutrašnjim sagorevanjem

• kompatibilnost biogoriva sa distributivnom mrežom

Stanje i perspektive

• ekološki razlozi: smanjenje emisije gasova sa efektom staklene bašte)

• koncept održivog razvoja koji poštuje ekonomske i ekološke parametre favorizuje obnovljive izvore

Zakonodavstvo EU u pogledu korišćenja biogoriva

EU legislation regarding the use of biofuels• Direktiva 2009/28/EU. Savet Evrope i Parlament su

doneli ovu direktivu 26. 03.2009 , kao i izmene idopune direktive 2003/30/Eu i ukidanju 2001/77/EU,koja promoviše energiju iz obnovljivih izvora.

Ciljevi do 2020 godine:• Smanjenje emisije gasova efekta staklene bašte i to

za 35% računato na njihov životni ciklus, a od 1.1.2017 ukupno smanjenje mora biti 50% s tim da sepovećava za 60% za objekte koji počinju sa radomod ovog datuma,

• Povećanje udela iz obnovljivih izvora na 20% i udelaenergije iz biogoriva na 10% u ukupnomenergetskom miksu; predviđen udeo bioetanola do2010 je oko 11 miliona tona.

Tehnologija bioetanolabioethanol technology

Upotreba• u industriji (FKI, PI, boje, lakovi) kao sirovina ili rastvarač• u industriji alkoholnih pića• kao gorivo, min. 99% (motori sa unutrašnjim sagorevanjem)

Dobijanje:

1. hemijski postupci 2. biotehnološki postupci

- prerada sirovina bogatih šećerima, skrobom ili lignoceluloznih kultura

Bioetanol kao gorivo – oznakeBioethanol as a fuel - mark

Smeše sa niskim udelom bioetanolaE5-E22G (bez modifikacija motora),E10D i E15D (oksidizel, dodatak aditiva),

Smeše sa visokim udelom bioetanolaE85G, modifikovan motor, (flexible-Fuel-

Vehicles)

Bio-ETBE 10-15% bez modifikacije motora(etil-tercijalni butil etar,oksigenator)

Svetska proizvodnja etanolaGlobal production of ethanol

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 20100

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000M

iliona

litar

a

Gorivo Industrija Alkoholna pica

• izražen trend rasta proizvodnje kao goriva

Razlozi• pozitivan neto energetski bilans (sadrži

više energije od one potrebne za proizvodnju, 21,2 MJ/l, ili 67% energije benzina, 58% energije dizela)

• raspoloživost biomase kao sirovine• ekološki i ekonomski prihvatlljiv

Perspektive i prednosti bioetanola kao goriva

Perspectives and advantages of bioethanol as a fue

Perspektive i prednosti bioetanola kao goriva

• CO2-neutralan, smanjujeemisiju za oko 50% u odnosu na benzin,

• Povećava oktanski broj benzina• Sagoreva bez otrovnih supstanci, SOx, NOx i

čestica• Meša se sa benzinom do 10% bez tehničkih

promena benzinskih motora, a do 85% kod FFVs (flexible-Fuel-Vehicles)

• Efikasnije sagorevanje i bolje podmazivanje

Proizvodnja bioetanolaproduction of bioethanol

1. Mono- i disaharide: fermentabilne šećere koje kvasac iliproizvodni mikroorganizam (amilaze) metaboliše doetanola

- pentoze C5 (ksiloza, arabinoza)- heksoze C6 (glukoza, fruktoza, galaktoza, manoza)- disaharidi (saharoza, maltoza, laktoza)

2. Polisaharide: koji se hemijskim ili enzimskim postupcimarazgrađuju do fermentabilnih šećera

- skrobnog (dekstrin, skrob, inulin), ili - lignoceluloznog tipa ( hemiceluloza, celuloza)

Sirovine; biomasa koja sadrži:

Glavne sirovine za proizvodnju bioetanola

The main raw material for bioethanol productionšećeri skrob lignocelulozešećerna repa (saharoza) žita (pšenica, raž,

ječam, kukuruz, sirak, tritikale)

drvo

šećerna trska krtolasti usevi (krompir, sladak krompir, kasava)

gradski otpad (stara hartija, karton)

topinambur (fruktoza) otpadne vode (ind. celuloze, surutka)

melasa (kao nus proizvod prerade repe i trske)

poljoprivredni viškovi; otpadni usevi(slama, kukuruzovina i sl.)

Izbor sirovina

prosečni prinosi i iskorišćenje na etanol poljoprivrednih sirovina≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅

sirovina prinos t/ha specifično iskorišćenje etanola na sirovinu hl/t

iskorišćenje etanola na površinu hl/ha

šećerna trska 100 0,68 50šećerna repa 66-78 0,80 50-60sirak šećerac 25 0,68 17kukuruz (SAD) 7-8 3,5 2pšenica (raž) 2-5 3,7 7,4-18,5sirak 1-6 3,4 3,4-20,4krompir 17-20 1 17-20batata 10-15 1,3 13-19,5manioka 12-25 1,7 20-42,5topinambur 20-50 0,77 15,4-30,8

Mogućnost industrijske proizvodnje određuje; iskorišćenje na etanol, cena i dostupnost sirovina, cena tehnološkog postupka sa održivom sirovinom

Tehnologija proizvodnje bioetanolaTechnology of production of bioethanol

Faze:• priprema sirovine (prethodna obrada supstrata)• fermentacija supstrata• izdvajanje proizvoda (striping, rektifikacija,

obezvodnjavanje, izdvajanje nus proizvoda)

BLOK ŠEMA

zavisi od vrste sirovine

Tehnologija proizvodnje bioetanola

šema postupka; Agrana Austrija

Priprema sirovinaPreparation of raw materials

Biomasa sa fermentabilnim šećerima (repa, trska, melasa)

Cilj: dobijanje fermentabilnih šećera

se prvo moraju hidrolizovati do fermentabilnih C5 ili C6 šećera kiselom ili enzimskom hidrolizom a-amilaza,glukoamilaze, recimo, skrob koji se sastoji od:amiloze 20% ; poliglukan, α-D-(1-4) vezamaamilopektin 80%; razgranati polimer saα-D-(1-4) iα-D-(1-6) vezama. Lignocelulozne: prethodno uklanjanje lignina

RAZLIKE U POSTUPCIMA PRIPREMEne zahteva prethodnu hidrolizu, već se posle usitnjavanja radi bolje ekstrakcije šećera, razblažuje prema potrebi kvasca ili mikroorganizma i direktno vodi na mikrobiološku fermentaciju do etanola, konc. šećera 14 do 18% i pH 4-5, dodatak stimulativnih materija koje postiču metabolizam kvasca i fermentaciju.

Skrobne, polifruktozne ili celulozne sirovine

FERMENTACIJA fermentation

Prinos: 0,51 kg etanola/1kg glukoze; praktičan 90 do 95% od teoretskog(zavisno od mikroorganizma i uslova).enzim glukoamilaza producenata

kvasci: Saccaromyces cerevisae, ali i Saccaromyces uvarum, Schizosacharomyces pombe, Klyveromyces vrste,

bakterije: Zymomonas mobilis, Clostridium sporogenes, Thermoanaerobacterethanolicus (termofilan, pH 5,5-8,5, 69 0C, kvantitativan prinos, i može da koristi

supstrat kao skrob, celulozu, laktozu i razne pentoze).Sa termofilnim mikroorganizmima se smanjuje vreme fermentacije i rastvorljivost

kiseonika, izlaznost etanola u gasnoj fazi je veća , oslobađa se veća količina toploteFaze:•hlađenje reakcione smeše posle likvefacije do optimalne T 30 - 32 0C,•podešavanje pH oko 3 i viskoznosti•dodavanje enzima i drugih izvora supstratu neophodnih za metabolizamproizvodnog mikroorganizmai sl..

Mehanizam:

1. Diskontinualni (šaržni postupak); trajanje 36-38 sati, prinos 90-95%etanola,

• prednosti: niske investicije, mali zahtevi u pogledu sterilizacije i kontrolepostupka i infekcije, mali rizik, fleksibilnost upotrebom fermentora zarazne specifičnosti produkata, za manje kapacitete.

• nedostaci; neproduktivno vreme za pripremu uredjaja, česte sterilizacijei pripreme inokuluma, rizici po osoblje od kontakta sa patogenimmikroorganizmima,

2. Dolivni (feed-batch) kombinacija diskontinualnog i kontinualnog; supstrat se dodaje onom brzinom kojom se troši

3. Semikontinualni; deo sadržaja fermentora sa proizvodnim mikroorganizmom se izvodi iz fermentora i dodaje ista zapremina sveže podloge

4. Kontinualni postupak; najinteresantniji jer se proizvodni mikroorganizamnalazi u eksponencijalnoj fazi rasta, pa produktivnost etanola je velika,a zbog bolje ekonomičnosti razvijeni su integrisani procesi:

SSF proces, (simultano ošećerenje i fermentacija) i SSYPF, (simultanoošećerenje, umnožavanje kvasca i fermentacija)

Metode fermentacije

Anhidrovan etanol anhydrous ethanolDestilacione metode• Azeotropna destilacija i rektifikacija mešanje sa 3 komponetom 70% –

benzenom, heptan ili ciklohekan, anhidrovan etanol ostaje na dnu, dok tercijalni azeotrop napusta kolonu na vrhu posle čega se razdvaja na organsku fazu i vodu u dekanteru

Nedestilacione metode• Apsorpcija Mariller-Granger proces, koji koristi glicerin za

obezvodnjavanje rektifikovanih para etanola. Suština je u prolazu para etanola kroz čist glicerin, pri čemu se izdvaja etanol čistoće 99,2 %vol. Efikasnost procesa se može povećati na izdvajanje 99,8 %vol. etanola dodatkom K2CO3 u rastvor glicerina.

• Adsorpcija dehidratacija pomoću molekulskih sita, sintetički i prirodni zeoliti ili drugi polimeri

• Pervaporacija semipermeabilnih membrana (poliviniletanol) u pervaporatorima koji sadrže više modula sa ovim membranama (voda isparava)

Bilans i sporedni proizvodi Balance and by-products

BIODIZELBIODIESEL

Hemijski sastav: smešaestara viših masnihkiselina i nižih alkoholado C-8 (metanol, etanol)

Gorivo koje se dobijapostupkom alkoholizebiljnih ulja i životinjskihmasti

BIODIZELBiljna ulja

(sirova, rafinisna, korišćena)

Životinjske masti

Otpadna ulja

Alkoholiza

ima veći cetanski broj

biodegradabilan

nije toksičan

proizvodi manje dima i prašine pri sagorevanju

proizvodi manje ugljenik(II) i (IV) oksida i ugljovodonika

16,6 %

2009(9,1 miliona tona)

60 %

Proizvodnja u 2009. (u milionima tona)Nemačka – 2,54Francuska – 1,96Španija – 0,86

2008(7,8 miliona tona)

2007(5,7 miliona tona)

Prva fabrika biodizela u Srbiji„Victoria oil – Victoria group“, ŠidKapacitet: 100.000 t/god biodizela

DOBIJANJE BIODIZELA – REAKCIJA

METANOLIZE BIODIESEL - REACTION

povratna reakcija višak metanola u odnosu na gliceride prisustvo katalizatora (bazni ili kiseli; homogeni ili heterogeni;

enzimi) na niskim i umerenim temperaturama Bez katalizatora u natkritičnim uslovima za alkohol

CH2-O-C-R3

CH -O-C-R2 + 3 CH3OHO

CH2-O-C-R1

O

O

katalizatorCH3-O-C-R2 + CH-OH

OCH3 -O-C-R1

O

CH3-O-C-R3

O

CH2-OH

CH2-OH

Biljno uljeSmeša metilestara

(biodizel)Glicerol

SIROVINE: raw materials :Biljna ulja: jestiva biljna ulja• ulje uljane repice • ulje suncokreta• ulje soje• ulje kokosove palme nejestiva biljna ulja• ulje semena Jatropha curcas• ulje semena Pongamia glabra• ulje semena Mesua ferrea• ulje semena indijskog jorgovana i

ricinusa (Brazil)• ulje semena duvana i paradajza

(Srbija)

korišćena i otpadna ulja

nus-proizvodi industrije jestivih ulja

• aktivna zemlja za obezbojenje ulja

• sapunske smeše • deodorisani destilat

iz procesa rafinacije

Alkoholi:

Metanol

Etanol

METANOLIZA ULJA

Homogeno katalizovana

Heterogeno katalizovana

Natkritična

Enzimski katalizovana

Konvencionalni način

Dalji pravci razvoja

POSTUPCI DOBIJANJA BIODIZELA

HOMOGENO-KATALIZOVANA METANOLIZA-najčešće upotrebljavan način dobijanja biodizela u industrijskim uslovima

Prednosti Nedostaci umereni reakcioni uslovi, relativno

kratko vreme; velika brzina reakcije manje korozivni od kiselih; alkohol prisutan u manjoj količini; mnogo manja ulaganja u

industrijsko dobijanje biodizela.

Osetljivost na prisustvo Slobodne masne

kiseline (SMK) Vode

dobijanja biodizela iz uljnih sirovina sa visokim sadržajem SMK (ulja semena duvana, kaučuka, mahue i pirinčanih mekinja)

Osetljivost naprisustvo vode

Nastajanje neželjenih sekundarnih proizvoda

Baz

eK

isel

ine

BazeKiseline

Lurgi tehnologija: šematski prikaz

UMERENO MEHANIČKO MEŠANJE

Rekuperacija metanola

Katalizator

Natrijum metilat

Metanol

Ulje

Kolona za ispiranje

Reaktor 1 Reaktor 2Separator 1 Separator 2

Biodizel

Uparavanje glicerola

Sirovi glicerol

Glicerolno-metanolna faza

Glicerolno- vodena faza

INTENZIVNO MEŠANJE

30 oCpa

30 oCpa

Reaktor sa vibracinom mešalicomTehnološki fakultet Leskovac

Niska temperatura reakcijeKraće vreme kontakta

METANOLIZA ULJA

Homogeno katalizovana

Heterogeno katalizovana

Natkritična

Enzimski katalizovana

HETEROGENO-KATALIZOVANA METANOLIZA

Prednosti:• Katalizator se lako odvaja od proizvoda reakcije• Proces prečišćavanja proizvoda mnogo jednostavniji• Nema otpadnih produkata• Veća čistoća biodizela i glicerola• Povoljan ekonomski efekat

oksidi, hidroksidi, alkoksidi i soli metala i metali, zeoliti, jonoizmenjivačke smole, Mg-Al hidrotalciti, impregnirane soli alkalnih metala, alkilguanidini.

Katalizatori: CaOCa(OH)2

Primena heterogenih katalizatorau industrijskim postupcima dobijanja biodizela

Esterfip-H postupak

katalizator: mešavina oksida cinka i aluminijumavisok prinos biodizela (99%) glicerol sa čistoćom 98%, bez tragova neorganskih soli jednostavan postupak (nema ispiranja estara vodom) manja potrošnja katalizatora po toni proizvedenog biodizela

METANOLIZA ULJA

Homogeno katalizovana

Heterogeno katalizovana

Natkritična

Enzimski katalizovana

Prednosti nije potreban metanol u višku

istovremeno se odigravaju i metanoliza triglicerida i esterifikacija SMK

blagi reakcioni uslovi

razdvajanje proizvoda reakcijejednostavno

prečišćavanje metil estara i glicerola nepotrebno

nema otpadnih voda

ENZIMSKI KATALIZOVANA METANOLIZA

Nedostaci

inhibicija lipaza metanolom

male brzine reakcija

visoka cena enzima

Moguća rešenja: Dodavanje organskog

rastvarača Preinkubacija imobilisanih

enzima Stupnjevito dodavanje

metanola Primena drugih acil-akceptora

Industrijska primena:1. Kompanija Lvming Co. Ltd. u Šangaju i2. Hainabaichuan Co. Ltd., provincija Hunan

Lipaze Candida sp. 99–125 i Novozyme 435

korišćeno ulje, šaržni reaktor sa mešanjem, prinos MEMK 90 %

METANOLIZA ULJA

Homogeno katalizovana

Heterogeno katalizovana

Natkritična

Enzimski katalizovana

NATKRITIČNA METANOLIZA

Velika brzina reakcije – mali reaktor Lako razdvajanje produkata Nema dodatnog prečišćavanja MEMK Jednostavna obrada glicerinske faze Mogućnost obrade ulja sa prisutnim

slobodnim masnim kiselinama i vodom

Prednosti Nedostaci Visoka temperatura Visok pritisak Metanol u velikom višku

VELIKI UTROŠAK ENERGIJE

Postupak u razvojuReakcioni uslovi: ≥ 239 oC i ≥ 8,09 MPaTip reaktora: autoklavi

UPOREDNA ANALIZA POSTUPAKA DOBIJANJA BIODIZELACOMPARATIVE ANALYSIS OF BIODIESELprodution

Parametar Homogeno katalizovana Heterogeno katalizovana (CaO)

Enzimski katalizovana

Nekatalizovana

Bazno Kiselo

Reakcioni uslovi 0,1 MPa60–70 oC

0,1 MPa55–80 oC

0,1–24 MPa60–252 oC

0,1 MPa30–50 oC

>8,09 MPa, >239,4 oC

SMK u sirovinama Proizvodi saponifikacije

Metil estri Zavisi od reakcionih uslova

Metil estri Metil estri

Voda u sirovinama Ometa reakciju

Ometa reakciju

Do određene količine pozitivno utiče na prinos

Zavisi od vrste i oblika lipaze i prisustva rastvarača

Nema uticaja na prinos

Količina metanola U višku U višku U višku U stehiometrijskoj količini

U velikom višku

Prinos metilestara Visok Visok Visok Visok Visok

Izdvajanje glicerola Teško Teško Lako Lako Lako

Prečišćavanje metilestara

Višestruko ispiranje

Višestruko ispiranje

Lako Nepotrebno Nepotrebno

Cena katalizatora Niska Niska Niska Relativno visoka

-

Vreme trajanja reakcije

1–4 h 1–8 h 0,1–3 h >10 h 120–240 s

PERSPEKTIVE PRIMENE BIODIZELA KAO GORIVAPERSPECTIVES OF APPLICATION AS BIODIESEL FUEL

1. TEHNOEKONOMSKE

2. AGROEKONOMSKE

3. EKOLOŠKE

4. POLITIČKE

Razvoj novih procesa transesterifikacije (heterogeni katalizatori, novi reaktorski sistemi i dr.) sa

1. mogućnošću smanjenja sporednih proizvoda

2. smanjenim troškovima separacije i prečišćavanja biodizela Poboljšanje stabilnost proizvoda

dodatkom aditiva Optimizacija industrijskog postrojenja u

kome se realizuje kontinualni proces Istraživanje novih načina primene

glicerola Postizanje kontrole kvaliteta izduvnih

gasova iz motora

Planiranje gajenja i gajenje uljarica uz poštovanje principa održivograzvoja Obezbeđenje proizvodnje uljarica sa

minimalnitroškovima proizvođača Obezbeđenje finansijske pomoći

proizvođačima uljarica da bi se povećala proizvodnja Razvoj novih sorti i sistema gajenja sa

malim uticajem na životnu sredinu Korišćenje sačme kao stočne hrane

Smanjenje emisije štetnih proizvoda

Postavljenje jasne dijagnoze o uticaju upotrebe biodizela na životnu sredinu Suprostavljeni interesi razvijenih i nerazvijenih: energenti ili hrana?

2. AGROEKONOMSKE

3. EKOLOŠKE

4. POLITIČKE

Dobijanje biogasa Biogas Production

• Biogas se proizvodi procesom anaerobnedigestije, ili fermentacije a to je biološkiproces u kome se organski ugljenikprevodi oksido-redukcionim procesima unajviši stepen oksidacije (CO2) i najvišistepen redukcije (CH4). Ovaj proces seodigrava u odsustvu kiseonika, akatalizovan je velikim brojemmikroorganizama.

prednosti u odnosu na ostale oblike tretmana otpada

advantages over other forms of waste treatment: :• Proizvodi manje mulja u odnosu na tehnike koje koriste

aerobne procese,• Uspešno se tretiraju i otpadi koji sadrže manje od 40%

suve materije,• Efikasniji je u otklanjanju patogena,• Minimalna emisija neprijatnih mirisa jer se 99% isparljivih

komponenti oksidativno razlaže pri sagorevanju, npr., H2S formira SO2,

• Visok stepen slaganja sa nacionalnim strategijama za smanjenje biorazgradivog otpada,

• Mulj koji se dobija koristi se kao đubrivo za poboljšanje plodnosti zemljišta.

Tipovi digestijeMezofilna digestija. Digestor se zagreva na 30-35 C i

smeša ostaje u digestoru obično 15-30 dana. Mezofilna digestija je tolerantnija u odnosu na termofilnu, ali produkcija gasa manja, potrebni su veći tankovi i ukoliko je potrebno vršiti dezinfekciju ona se mora obaviti kao posebna faza u procesu.

Šematski prikaz mezofilnog procesa sa dva reaktora, razmenjivačima toplote (RT) i termofilnom post-dezinfekcijom

• Termofilna digestija. Digestor se zagreva na 55 C iproces obično traje 12-14 dana. U ovom procesu je produkcijametana veća, uništavanje patogena i virusa efikasnije, ali zahtevaskuplju tehnologiju, veću potrošnju energije i veći stepenmonitoringa. Tokom ovog procesa 30 – 60% digestibilnih čvrstihmaterija se prevodi u biogas.

Šematski prikaz termofilnog procesa sa dva reaktora i razmenjivačima toplote (RT)

Sirovine• Sirovine: poljoprivredni otpad (u fazi raspada), ili sveža biljna

sirovina (ove daju veći prinos) različite vrste industrijskih otpadnihmaterija, stajski otpad, kultivisana biomasa nastala prečišćavanjemotpadnih voda, kanalizaciona voda i td. Sastav i prinos biogasavarira u zavisnosti od upotrebljenih sirovina. Tako naprimer, sadržajmetana u biogasu dobijenom iz kokošjeg đubriva i otpadnih voda safarmi i kanalizacionih otpadnih voda dostiže 70 % i više, dok izslame i drugog biljnog materijala iznosi oko 55 %. Kombinovanjemrazličitih vrsta otpada, naprimer stajnjaka i organskog industrijskogotpada, može se povećati prinos biogasa. Pored toga, mešanjeotpada može stabilizovati proces anaerobne digestije čvrstihsirovina zbog povećanja sadržaja lakše razgradivih materija.Poljoprivredni otpad (slama, seno, kukuruz, trska itd.) potrebno je dabude u fazi raspadanja kako bi se olakšao protok kroz digestor ipovećala efikasnost bakterijskog delovanja.

Faze u procesu anaerobne digestije.

1.Hidroliza. U prvoj fazi se organske materije razlažu pod dejstvomekstracelularnih enzima. Bakterije raskidaju duge lance složenih ugljenihhidrata, proteina i lipida na manje molekule. Na primer polisaharidi seprevode u monosaharide, a proteini u peptide i aminokiseline.

• 2 faza: Kiselinska faza. Kiselinske bakterije, koje suuključene u drugu fazu, prevode intermedijere iz prvefaze u sirćetnu kiselinu, vodonik i ugljen-dioksid. Ovebakterije su fakultativni anaerobi i mogu rasti poduslovima niske pH vrednosti. Za proizvodnju kiselineneophodan je kiseonik i ugljenik tako da ove bakterijetroše rastvoreni ili vezani kiseonik i na taj načinstvaraju anaerobne uslove neophodne za odvijanjetreće faze. Takođe, one dovode i do stvaranjaalkohola, organskih kiselina, aminokiselina, ugljen-dioksida, vodonik-sulfida i tragova metana. Sahemijske tačke gledišta ovaj proces je moguć samo uzdovođenje energije pošto bakterije nisu sposobne dapodrže takav tip reakcije.

• 3 faza: Metanska faza. U ovu fazu su uključenemetanogene bakterije koje dalje razlažu jedinjenjamale molekulske mase. Na primer: one koristevodonik, ugljen-dioksid i sirćetnu kiselinu kako biprodukovale metan i ugljen-dioksid. Metanogenebakterije su obligatni anaerobi i veoma su osetljive napromene u okolini. Za razliku od acidogenih iacetogenih bakterija, metanogene bakterije pripadajurodu Archaebacter, grupi bakterija sa veomaheterogenom morfologijom i određenim biohemijskim ibiološkim svojstvima po kojima se razlikuju od ostalihbakterijskih rodova.

Faktori koji utiču na poces proizvodnje biogasa

Temperatura• Temperatura je jedan od glavnih faktora okoline koji utiču na

bakterijski rast. Brzina rasta se često povećava sa povećanjem temperature do određene granice nakon čega dolazi do naglog opadanja rasta bakterija

• pH vrednost• Svaka grupa mikroorganizama ima različiti optimum pH

vrednosti. Metanogene bakterije su veoma osetljive na pH vrednost sredine i optimum im je između 6,5 i 7,2. Ukoliko pH padne ispod 6,2 sredina će imati toksičan efekat na metanogene bakterije. Fermentativni mikroorganizmi su manje osetljivi i funkcionišu u opsegu pH između 4,0 i 8,5, pri čemu na nižim vrednostima pH uglavnom proizvode sirćetnu i buternu kiselinu, a pri pH 8 proizvode sirćetnu i propionsku kiselinu.

Nutritivni sastav Za rast bakterija neophodne su ne samo organskematerije već i mineralni nutritijenti. Osim ugljenika, kiseonika ivodonika produkcija biogasa zahteva i odgovarajuće snabdevanjeazotom, sumporom, fosforom, kalijumom, kalcijumom,magnezijumom i elementima u tragovima kao što su gvožđe,mangan, molibden, cink, selen, nikl.

Mešanje Mešanje pri procesu anaerobne digestije ima za cilj daobezbedi prenos organskih materijala do aktivne mikrobne biomase,omogući homogenizaciju fermentacione tečnosti i uniformnosttemperature, da oslobodi mehurove gasa iz medijuma i sprečitaloženje materijala veće gustine. Usled podizanja gasnih mehurovai toplotne konvekcije uvek postoji određeni stepen prirodnogmešanja u digestoru. Međutim ovo mešanje je nedovoljno tako da jeneophodno eksterno mešanje. Mešanje može biti neprekidno iliperiodično, što je određeno sadržajem čvrstih materija u napojnojsmeši, tipom reaktora i mešača (Appels i sar., 2008). Najčešći tipovimešanja su spoljašnja recirkulacija tečnosti, unutrašnje mehaničkomešanje i unutrašnje pneumatsko mešanje (slika 4.33).

Vreme trajanja procesa Vreme trajanja procesa anaerobne digestijezavisi u prvom redu od vrste i sastava sirovina i temperaturefermentacije. Tako na primer, za fermentaciju tečnog kravljegstajnjak potrebno je 20-30 dana, za tečni svinjski stajnjak 15-20dana, a za životinjski stajnjak u kombinaciji sa biljnim materijalom50-80 dana. Sa povećanjem temperature, brzina bio-digestije sepovećava, a vreme trajanja procesa skraćuje (http:/www.gtz.de).

Predtretman napojne smeše Primena anaerobne digestije na čvrstematerijale biološkog porekla često je ograničena zbog dugogvremena trajanja procesa (20-30 dana) i niske efikasnostirazgradnje čvrstih organskih materija (30-50 %). Ovi limitirajućifaktori su uglavnom povezani sa fazom hidrolize. Tokom hidrolizećelijski zid se razara pri čemu se oslobađaju egzopolisaharidi koji nataj način postaju dostupni acidogenim mikroorganizmima.Predtretmani napojnih smeša mogu povećati proizvodnju biogasa,smanjiti sadržaj isparljivih supstanci i povećati rastvorljivost čvrstihjedinjenja. Predtretman napojne smeše je naročito poželjan uslučaju sirovina sa visokim sadržajem celuloze ili lignina. U tom ciljunapojna smeša se podvrgava mehaničkim, toplotnim, hemijskim ilibiološkim procesima (Appels i sar., 2008).

Termički predtretman obuhvata podvrgavanje sirovina visokim temperaturama ipritiscima, čime se stvaraju uslovi za kidanje hemijskih veza ćelijskog zida imembrane olakšavajući rastvaranje ćelijskih komponenti. Optimalni uslovi ovogprocesa u prvom redu zavise od tipa otpada - teža hidroliza bioloških materijazahteva jači intenzitet predtretmana

Mehanički predtretman uključuje procese fizičke dezintegracije ćelija i delimičnorastvaranje njihovog sadržaja. Najčešće se koriste različite vrste mlinova kao što jenaprimer mlin sa kuglama, kao i homogenizacija pod visokim pritiskom (60 MPa).Pritisak komprimovane suspenzije se smanjuje propuštanjem kroz ventil pri čemu sućelije izložene turbulenciji, kavitaciji i naponu smicanja što dovodi do njihovedezintegracije. Povećanje efikasnosti anaerobne digestije primenom ovih metoda jerelativno nisko u poređenju sa ostalim načinima predtretmana sirovina (Appels i sar.,2008).

• Hemijski predtretman obuhvata hemijske procese tretiranja sirovina sa ciljem hidrolize ćelijskog zida i membrane i povećavanja rastvorljivosti organskih supstanci prisutnih u ćelijama. Najznačajnije metode hemijskog predtretmana su:

• Kisela i alkalna hidroliza: Ova metoda obuhvata dodavanje kiseline ili baze u cilju rastvaranja čvrstih sastojaka napojne smeše,

Oksidacija: .U procesu oksidativne razgradnje koristi sekiseonik ili vazduh visokih temperatura (260 C) ipritisaka (10 MPa). Međutim ovakav način predtretmanaotvara problem neprijatnih mirisa, korozije i visokihenergetskih troškova

Ultrazvučni pretretman se najčešće koristi zarazgradnju kompleksnih polimera u tretiranju otpadnogmulja. Ovo je bez sumnje najefikasniji način razgradnjećelija. Iako se primenom veće snage može postićigotovo potpuna dezintegracije ćelija, energetskaulaganja u tom slučaju postaju značajan nadostatakprimene ovog postupka

• 2 Prečišćavanje biogasaGlavni razlozi prerade biogasa leže u ispunjavanju zahteva

koji su vezani za njegovu upotrebu, povećanje toplotnevrednosti ili standardizaciji kvaliteta biogasa. Željenikvalitet zavisi prvom redu od primene što se može videtiu tabeli IV.7

Industrijski procesi proizvodnje biogasa

. Valorga proces: spada u polusuve procese. Razvijen je u Francuskoj i sastojise u mešanju otpada nakon predtretmana sa recikliranom procesnom vodom.Reaktor radi u mezofilnom režimu i sa potpunim mešanjem koje se ostvarujepomoću komprimovanog biogasa. Valorga postupak ima široku primenu uprocesima dobijanja biogasa, a postrojenja velikog kapaciteta su Amiens (85 000tona/god) i Grenoble (16 000 tona/god) u Francuskoj, Tilburg u Holandiji (52 000tona/god) i Papeete na Tahitiju (90 000 tona/god).

Dranco proces je suvi proces digestije za tretiranje organske frakcije gradskogotpada, (preporučuje se mešanje gradskog otpada sa nerecikliranim papirom ibaštenskim otpadom). Dranco proces je termofilni proces. Ulazni otpad se najprepodvgava predtretmanu i sortiranju, a nakon toga meša sa recirkulirajućim digestatomiz reaktora. Mešanje otpada sa velikom količinom digestata (3/4 sadržaja reaktora serecirkuliše) obezbeđuje inokulaciju ulaznog materijala. Nakon toga se smeša pomoćuklipnih pumpi uvodi u cevni reaktor. Digestovana biomasa koja recirkuliše se izvodi sadna, a biogas sa vrha reakora. Poznata Dranco postrojenja za proizvodnju biogasa suBrecht u Belgiji (12 000 tona/god.), Salzburg u Austriji (20 000 tona/god), Bassum (13 500tona/god) i Kaiserslautern (20 000 tona/god) u Nemačkoj.

BTA proces, Napojna smeša se najpre podvgava predtretmanu u ciljusitnjenja krupnih čestica i meša sa recirkulisanom vodom iz procesa. Na ovajnačin obezbeđuje se stvaranje pulpe sa oko 10 % čvrstih materija. Pulpa seuvodi u puferski tank u kome dolazi do acidifikacije. Sadržaj reaktora zaacidifikaciju se nakon toga centrifugira, pri čemu se vodena i čvrsta frakcijarazdvajaju. Tečna frakcija se prebacuje u reaktor sa biofilmom, a čvrstafrakcija sa nerastvorenim materijalom se meša sa procesnom vodom i uvodiu kontinualni reaktor sa mešanjem gde se odigrava dalja hidroliza iacidifikacija. Izlazna smeša iz reaktora sa mešanjem se ponovo centrifugirakako bi se izdvojila vodena faza koja se uvodi u biofilm reaktor nametanizaciju pod mezofilnim uslovima.

Prednosti i nedostaci upotrebe biogasa Benefits and disadvantages

for Biogas usersProizvodnja biogasa se neprestano povećava iz

sledećih razloga:• Cene goriva se sve više povećavaju• Ograničene rezerve fosilnih goriva• Čine se značajni napori za povećanje upotrebe

obnovljivih izvora energije• Proizvodnja je moguća i u postrojenjima malih

razmera i veoma jednostavne konstrukcije.• Širok spektar primene biogasa.