Znaczenie monitoringu biotechnologicznego
Transkrypt
Znaczenie monitoringu biotechnologicznego
Znaczenie monitoringu biotechnologicznego podczas uruchamiania i eksploatacji biogazowni dr inż. Artur Olesienkiewicz Laboratorium Biotechnologiczne firmy Monitoring biotechnologiczny biogazowni Kiedy może być potrzebny ? 1. Podczas uruchamiania procesu biologicznego; 2. Podczas bieżącej eksploatacji biogazowni; Z uwagi na zmienność warunków w jakich odbywa się fermentacja, tzn. np.: - dozowanie nowych partii substatu(-ów) o zróżnicowanych właściwościach fizykochemicznych; - możliwości wystąpienia anomalii i awarii w funkcjonowaniu urządzeń trzymujących biogazownię w ruchu (np. termostatów, mieszadeł, systemów dozowania substratu, pH-metrów i analizatorów biogazu, rozdrabniaczy i higienizatorów i in.); Produkacja biogazu [% wydajności] Z uwagi na bardzo dużą wrażliwość mikroorganizmów uczestniczących w fermentacji metanowej na błędy we właściwym doborze składu i dawek substratów w początkowych etapach rozruchu procesu biologicznego; 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 czas pod kontrolą laboratorium bez kontroli laboratorium Monitoring biotechnologiczny biogazowni Kiedy może być potrzebny ? 1. Podczas uruchamiania procesu biologicznego; 2. Podczas bieżącej eksploatacji biogazowni; Dlaczego jest potrzebny ? 1. 2. 3. 4. 5. Aby utrzymać stabilną i wydajną produkcję biogazu o wysokiej zawartości metanu oraz zapobiec niekontrolowanemu przeciążeniu lub niedociążeniu fermentora (-ów) w biogazowni; Umożliwia stworzenie systemu wczesnego ostrzegania przed przeciążeniem poprzez analizę i śledzenie tendencji zmian wartości kilku parametrów procesu; Umożliwia weryfikację wskazań urządzeń pomiarowych zainstalowanych w biogazowni; Ułatwia regulację systemu oczyszczania (np. odsiarczania) biogazu; Umożliwia wdrożenie, walidację i monitorowanie CCP, należących do systemu HACCP, co jest wymagane w biogazowniach, w których substratem są odpady kategorii K2 i/lub K3, np. odpady poubojowe, odpady gastronomiczne, itp. Monitoring biotechnologiczny biogazowni 1. Analizy substratów 2. Analizy fizyko-chemiczne masy fermentującej i biogazu 3. Analizy masy pofermentacyjnej oraz dodatkowo 4. Analizy oleju silnikowego i spalin Monitoring biotechnologiczny biogazowni 1. Analizy substratów • • • • • • • • • Ocena wizualna – makro- i mikroskopowa; pH; Analiza suchej masy [%] i suchej masy organicznej [% s.m.]; Azot ogólny Kjeldahla [% s.m.]; TOC [% s.m.] i/lub ChZT; Oznaczenia makro- i mikroelementów: P, K, Ca, Mg, S, Fe, Zn, Mn, Mo, Ni, Cu; Oznaczenia metali: Co, Cd, Cr, Hg, Pb; Oznaczenia detergentów, antybiotyków i in. potencjalnych inhibitorów; Oznaczenia biogazodochodowości; Monitoring biotechnologiczny biogazowni 1. Analizy substratów BIOMASA (100%) Monitoring biotechnologiczny biogazowni 1. Analizy substratów H2O BIOMASA (100%) SUCHA MASA (s.m.); [% BIOMASY] WODA [% BIOMASY] SUCHA MASA (s.m.) Suszenie BIOMASY metodą zgodną z PN-EN 12880 Monitoring biotechnologiczny biogazowni 1. Analizy substratów H2O POPIÓŁ [% s.m.] SUCHA MASA s.m.o. [% s.m.] (s.m.) SUCHA MASA (s.m.); [% BIOMASY] WODA [% BIOMASY] SUCHA MASA ORGANICZNA (s.m.o.); [% s.m.] POPIÓŁ [% s.m.] s.m.[g] – popiół[g] = s.m.o. [g] Spalanie SUCHEJ MASY metodą zgodną z PN-EN 12879 Monitoring biotechnologiczny biogazowni 1. Analizy substratów H2O POPIÓŁ [% s.m.] s.m.o. [% s.m.] BIOMASA (100%) SUCHA MASA (s.m.); [% BIOMASY] WODA [% BIOMASY] SUCHA MASA ORGANICZNA (s.m.o.); [% s.m.] POPIÓŁ [% s.m.] KONWERSJA W BIOGAZ BIOGAZ Mieszanina: CH4, CO2, O2, H2, NH3, H2S; Odfermentowanie 60-90% s.m.o. i jej konwersja w BIOGAZ Monitoring biotechnologiczny biogazowni Uzyskane wartości suchej masy prób kiszonek kukurydzianych badanych w laboratorium firmy Biogaz Zeneris Sp. z o.o. w latach 2006 - 2011 45,0% 40,0% 35,0% 30,0% 25,0% 20,0% 15,0% 10,0% 5,0% 58 55 52 49 46 43 40 37 34 31 28 25 22 19 16 13 10 7 4 1 0,0% Monitoring biotechnologiczny biogazowni Wartości podstawowych parametrów fizykochemicznych dla wybranych substratów stosowanych do zasilania biogazowniach Lp. 1 2 3 4 5 6 ODPAD Wywar gorzelniany Kiszonka kukurydziana Wycierka ziemniaczana – odpad z produkcji skrobi Odpady poubojowe – tkanki miękkie Wysłodki buraka cukrowego (kiszonka) Gnojowica bydlęca pH ChZT Azot s.m.o. Popiół s.m. [%] [g O2/g ogólny [% s.m.] [% s.m.] s.m.] [% s.m.] 3,2-4,5 4-22 68-98 2-32 1,0-1,7 3,5-5,6 3,4-4,7 22-42 82-97 3-18 1,1-1,7 1,16-1,65 3,5-4,5 9-11 96-98 2-4 1,2-1,7 ~0,01 6,5-7,0 13-38 87-97 3-13 1,5-2,5 5-9,5 3,2-5,4 15-28 93-96 4-7 1,0-1,3 1,2-1,7 2-11 2-8 50-80 20-50 0,7-1,5 1-8 Monitoring biotechnologiczny biogazowni Ważny jest prawidłowy dobór i kontrola obciążenia fermentora podczas startu procesu i bieżącej produkcji biogazu Obciążenie fermentora substratem wyraża się najczęściej w: [kg s.m.o./m3*d] Przykład dla fermentora o pojemności roboczej 3500 m3 Sucha masa 40% 38% 35% 33% 31% 28% 26% Obciążenie Sucha masa Dawka Dawka organiczna dobowa [t] [kg s.m.o./m3*d] roczna [t] 96% 96% 96% 96% 96% 96% 96% 32 34 36 39 41 45 49 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 11680 12410 13140 14235 14965 16425 17885 Różnica w dawce rocznej [t] -2555 -1825 -1095 0 730 2190 3650 Monitoring biotechnologiczny biogazowni Konieczne - dla zachowania stałego obciążenia fermentora i stabilnej produkcji biogazu - regulacje w dawce substratu w zależności o jego suchej masy 30,00% 25,00% Korekta dawki substratu 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00% -5,00% 26,0% 28,0% 31,0% 33,0% 35,0% 38,0% 40,0% Sucha masa substratu -10,00% -15,00% -20,00% Założenie – 33% s.m. jest wartością zbliżoną do średniej s.m. dla danego substratu; parametr – udział s.m.o. w s.m. pozostaje niezmienny, tak jak pozostałe czynniki wpływające na wydajność produkcji biogazu Monitoring biotechnologiczny biogazowni Ważny jest prawidłowy dobór i kontrola obciążenia fermentora podczas startu procesu i bieżącej produkcji biogazu Obciążenie fermentora substratem wyraża się najczęściej w: [kg s.m.o./m3*d] Przykład dla fermentora o pojemności roboczej 3500 m3 Sucha masa 40% 38% 35% 33% 31% 28% 26% Obciążenie Sucha masa Dawka Dawka organiczna dobowa [t] [kg s.m.o./m3*d] roczna [t] 96% 96% 96% 96% 96% 96% 96% 39 39 39 39 39 39 39 4,3 4,1 3,7 3,5 3,3 3,0 2,8 14235 14235 14235 14235 14235 14235 14235 Monitoring biotechnologiczny biogazowni Analizy fizyko-chemiczne masy fermentującej i biogazu Wysokie stężenia azotu amonowego mogą być przyczyną zahamowania konwersji kwasów tłuszczowych do metanu, co powoduje ich kumulację i obniżenie wydajności produkcji biogazu Monitoring biotechnologiczny biogazowni Analizy fizyko-chemiczne masy fermentującej i biogazu Wyniki oznaczeń wybranych parametrów w układzie doświadczalnym, w którym do fermentora trafia substrat bogaty w azot (białka) Data 18-10-2011 25-10-2011 03-11-2011 09-11-2011 15-11-2011 22-11-2011 Stężenie Stężenie LKT N-NH4+ [mg CH3COOH/l] [mg/l] 565 653 600 1386 5489 5780 879 2411 3415 3950 4437 5225 pH 7,78 7,69 7,98 7,79 7,68 7,34 Objętość produkowane Stężenie go biogazu CH4 [%] 3 [dm /d] 1,61 69,9 1,84 72,8 2,15 73,3 0,85 73,5 0,50 67,9 0,39 59,9 Monitoring biotechnologiczny biogazowni Badanie BIOGAZODOCHODOWOŚCI Metoda wg normy DIN 38 414 (8) lub DIN 11 734 Biogazodochodowość, KISZONKA TRAWY 120,0 500,0 100,0 400,0 350,0 80,0 300,0 60,0 250,0 200,0 40,0 150,0 100,0 20,0 50,0 0,0 0,0 0 10 20 30 40 czas fermentacji [doby] CH4 – 59%; CO2 – 29%; O2 – 1%; H2S - 30 ppm; H2 - 457 ppm; NH3 - 7 ppm Ilość biogazu [Ndm 3/kg suchej masy organicznej] ( krzywa czewona ) 450,0 Ilość biogazu [Ndm 3/kg śweżej masy] (krzywa niebieska ) Test polega na pomiarze ilości wytworzonego biogazu z jednorazowo dodanej do fermentora porcji substratu. Wraz z substratem w fermentorze umieszcza się tzw. INOKULAT zawierający bakterie fermentacji metanowej. Analizie podlegają dobowe przyrosty objętości biogazu oraz jego skład, przy czym oznacza się % udział: CH4, CO2, O2 i opcjonalnie H2S, NH3, H2 [ppm]; Monitoring biotechnologiczny biogazowni Wydajność produkcji biogazu w [Ndm3/kg s.m.o.] Badanie BIOGAZODOCHODOWOŚCI Gdy istnieje podejrzenie I N H I B I C J I wykonuje się badania przy różnych początkowych obciążeniach fermentora CZAS [dni] a – normalny przebieg krzywej; b – opóźniony przyrost objętości biogazu; c – inhibicja powstawania biogazu; d – inhibicja i opóźnienie powstawania biogazu; Monitoring biotechnologiczny biogazowni Kiedy należy robić badania podstawowe substratów i BIOGAZODOCHODOWOŚCI ? 1) Zanim przystąpimy do projektowania biogazowni w celu weryfikacji założeń ekonomicznych; 2) Gdy chcemy skontrolować nowy substrat dla budowanej, uruchamianej lub działającej już biogazowni; 3) Gdy mamy pewne źródło substratu w danej lokalizacji z gwarancją ograniczonej zmienności jego parametrów fizyko-chemicznych; 4) Gdy chcemy sprawdzić wpływ czasu i warunków przechowywania (sposób konserwacji) substratu na osiąganą biogazodochodowość; 4) Gdy podejrzewamy zanieczyszczenie substratu inhibitorami; 5) Gdy chcemy sprawdzić wpływ kosubstratów na osiągane wydajności produkcji biogazu; Monitoring biotechnologiczny biogazowni Analiza substratów i masy fermentującej Optymalizacja dawek biokatalizatorów i suplementów Na rynku są dostępne preparaty podnoszące wydajność produkcji biogazu z określonych substratów. Są to na ogół mieszanki różnych enzymów i/lub suplementy mikroelementów. W oparciu o wyniki analiz właściwości fizykochemicznych substratów oraz stężeń makro- i mikroelementów – można zoptymalizować ich dawkę. Monitoring biotechnologiczny biogazowni Analizy fizyko-chemiczne masy fermentującej i biogazu W próbach masy fermentującej pobieranych okresowo z każdego fermentora w biogazowni oznaczeniom mogą podlegać parametry, tj.: - pH i potencjał redox; - stężenie i profil LKT; - zasadowość; - współczynnik LKT/OWL (in.FOS/TAC); - stężenie azotu amonowego; - s.m. i s.m.o. osadu pofermentacyjnego; oraz Analizie podlega – skład biogazu w zakresie: CH4, CO2, O2 oraz H2S (opcjonalnie H2 i NH3) W warunkach optymalnych powinna być możliwość analizy prób biogazu – pobieranych niezależnie z każdego fermentora oraz za urządzeniami do odsiarczania biogazu pH i potencjał redoks (RX) oraz stężenie CH4 SP W/ST W/ST PRODUKCJA BIOGAZU SP STĘŻENIE CH4 W/ST STĘŻENIE W – wzrost; ST – stabilny; SP – spadek; SP CH4 SP pH W W pH SP SP pH W W pH SP W RX SP SP RX W W RX SP SP RX W Proces stabilny z tendencją do przeciążenia Proces stabilny z tendencją do redukcji wydajności Proces stabilny z nieznaczną tendencją do redukcji wydajności Proces niestabilny DUŻE RYZYKO CAŁKOWITEGO ZAŁAMANIA FERMENTACJI DUŻE RYZYKO ZNISZCZENIA BIOCENOZY FERMENTORA Proces stabilny z nieznaczną tendencją do redukcji wydajności Proces PRZYPADEK niestabilny SZCZEGÓLNY DUŻE RYZYKO (wyst. przy CAŁKOWITEGO dozowaniu odp. ZAŁAMANIA tłuszczowych) FERMENTACJI Monitoring biotechnologiczny biogazowni Analizy fizyko-chemiczne masy fermentującej i biogazu Współczynnik LKT/OWN (in. FOS/TAC) Miareczkowa metoda oznaczania stężenia lotnych kwasów tłuszczowych (LKT, FOS) i alkaicznej pojemności buforowej (OWN, TAC) Wartości współczynnika 0,3 do 0,8 uznaje się na ogół za normatywne dla stabilnej fermentacji – ale zależy to od specyfiki zastosowanej technologii i składu dozowanych substratów Wartość FOS/TAC służyć może jako wskaźnik wielkości obciążenia (niedociążenia lub przeciążenia) procesu fermentacji metanowej Monitoring biotechnologiczny biogazowni Analizy fizyko-chemiczne masy fermentującej i biogazu Stężenie i profil lotnych kwasów tłuszczowych (LKT) 150 000 100 000 50 000 Kwas heptanowy 200 000 Kwas n-kapronowy 250 000 Kwas izokapronowy Kwas octowy 300 000 Kwas n-walerianowy 400 000 Kwas izowalerianowy 450 000 Kwas butrylowy 500 000 Kwas izobutrylowy 550 000 350 000 Reference = LKT_sdt_0_117.DATA Kwas propionowy 600 000 uV 0 RT [min] 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2 5,4 5,6 5,8 6 LKT_sdt_0_110.DATA TI OFF Kwas heptanowy 20 000 Kwas n-kapronowy 40 000 Kwas izokapronowy 60 000 Kwas n-walerianowy 80 000 3,8 Kwas izowalerianowy 100 000 3,6 Kwas butrylowy 120 000 3,4 Kwas izobutrylowy uV 3,2 Kwas propionowy 140 000 3 Kwas octowy 2,8 0 RT [min] 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2 5,4 5,6 5,8 6 6,2 6,4 Monitoring biotechnologiczny biogazowni SYMULACJA FERMENTACJI CIĄGŁYCH lub QUASI-CIĄGŁYCH 1) Badanie, podczas którego symuluje się w skali laboratorium pracę biogazowni. 2) Fermentor jest zasilany - jeden lub kilka razy dziennie określonym substratem lub mieszanką kosubstratów. Jednocześnie odbierany jest biogaz oraz nadmiar osadu fermentującego – dzięki czemu objętość robocza fermentora nie zmienia się. ANALIZA SKŁADU BIOGAZU OPJONALNE DOZOWANIE KWASÓW i ZASAD (regulacja pH) DOZOWANIE SUBSTRATU i ODBIÓR OSADU TERMOSTAT BIOREAKTOR z MIESZADŁEM KOLEKTOR BIOGAZU z POM. OBJĘTOŚCI Monitoring biotechnologiczny biogazowni SYMULACJA FERMENTACJI CIĄGŁYCH lub QUASI-CIĄGŁYCH c.d. 3) Ilość dozowanego substratu w ciągu doby jest ściśle kontrolowana i na ogół wzrasta stopniowo co kilka-kilkanaście dni. 4) Podstawowym parametrem wydajnościowym fermentacji ciągłej jest tzw. MPR (na wykresie PCH4) czyli wskaźnik określający ilość metanu [CH4] jaką otrzymano w ciągu doby z 1 m3 objętości roboczej fermentora; Monitoring biotechnologiczny biogazowni 1,6 Zmiany wartości MPR w czasie pod wpływem zmian: obciążenia fermentora, HRT i rodzaju substratu 1,4 14 12 1,2 10 1,0 8 0,8 6 0,6 4 0,4 2 0,2 0,0 2010-05-02 2010-06-21 2010-08-10 2010-09-29 2010-11-18 2011-01-07 2011-02-26 2011-04-17 Monitoring biotechnologiczny biogazowni Optymalne obciążenie fermentora i HRT Obciążenie fermentora ma wpływ na: - ilość i szybkość powstawania biogazu; - skład biogazu; BIOGAZ - stabilność fermentacji (pH, rozwój bakterii); OSAD PRZEFERMENTOWANY + BAKTERIE SUROWIEC Vr = const. Monitoring biotechnologiczny biogazowni Po zakończeniu badań ciągłych (lub quasi-ciągłych) otrzymujemy następujące wskazówki: 1) 2) 3) Optymalny skład substratu (proporcje kosubstratów); Wyniki analiz podstawowych substratów; Optymalne obciążenie fermentora wyrażone np. w [kg s.m.o./m3*d], (z gwarancją stabilnej fermentacji) oraz optymalne HRT (co umożliwia określenie wymaganej wielkości fermentorów); 4) Wyliczenie – w skali roku niezbędnego zaopatrzenia w substraty oraz możliwe obliczenie wielkości zbiorników pofermentacyjnych; 5) Wydajność produkcji biogazu z 1 kg s.m.o. substratu (wartości najbardziej zbliżone do wartości uzyskiwanych w biogazowni); 6) Wydajność produkcji biogazu i/lub metanu z 1 m3 objętości roboczej fermentora w ciągu doby; 7) Stopień odfermentowania substratu; 8) Optymalną temperaturę procesu i częstotliwość dozowania substratu; 9) Informacje nt. koniecznej lub opcjonalnej SUPLEMENTACJI (dodatek mikroelementów, biokatalizatorów) lub WSTĘPNEJ OBRÓBKI SUBSTRATU a) Optymalizacja dozowania suplementów lub katalizatorów; 10) Opcjonalnie – opis sposobu prowadzenia fermentacji dwuetapowej (z rozdzieleniem fazy hydrolizy i właściwej fermentacji); 11) Można oznaczyć NPK, makro- i mikroelementy w osadzie pofermentacyjnym; Monitoring biotechnologiczny biogazowni Badanie składu biogazu Okresowe analizy składu biogazu umożliwiają: - weryfikację wskazań analizatorów stacjonarnych; - regulację systemów do odsiarczania biogazu; Monitoring biotechnologiczny biogazowni Analizy fizyko-chemiczne masy pofermentacyjnej 1. Analizy s.m. oraz s.m.o. masy pofermentacyjnej umożliwiają obliczenie tzw. stopnia odfermentowania substratu i ewentualne wprowadzenie korekty składu lub dobowej dawki substratów; 2. Oznaczenia wartości nawozowej, w tym: NPK, Mg, Ca oraz pozostałych makro- i mikroelementów oraz metali ciężkich; Ponadto oznaczeniom podlegają: - liczebność bakterii z rodzaju Enterobacteriaceae i Escherichia coli; - obecność bakterii z rodzaju Salmonella; oraz - obecność żywych jaj pasożytów tj.: Ascaris sp., Trichuris sp., Toxocara sp. Monitoring biotechnologiczny biogazowni Monitorowanie CCP w ramach funkcjonującego systemu HACCP System jest wymagany w biogazowniach, które stosują jako substraty odpady kat. K2 i/lub K3, tzn. np. odpady poubojowe, odpady gastronomiczne, i in. Okresowej weryfikacji muszą podlegać: 1) 2) 3) Temperatura higienizacji – minimum 70oC; Czas higienizacji – minimum 60 min; Skuteczność higienizacji – poprzez analizy mikrobiologiczne określające: - liczebność bakterii z rodzaju Enterobacteriaceae i/lub Eschericha coli; - obecność bakterii z rodzaju Salmonella; - obecność żywych jaj pasożytów z rodzaju: Ascaris sp., Trichuris sp., Toxocara sp. Pomiary czasu i temperatury higienizacji – muszą odbywać się za pomocą niezależnych, wzorcowanych termomentrów i czasomierzy; Zdalny monitoring biogazowni w laboratorium K O S Z T Y M O N I T O R I N G U Czy to się opłaci ? Monitoring biotechnologiczny – powinien być elementem zabezpieczenia biogazowni przed stratami finansowymi jakie powstają w przypadku destabilizacji lub całkowitego zahamowania produkcji biogazu. KOSZTY MONITORINGU EWENTUANE STRATY W SKUTEK np. SILNEGO PRZECIĄŻENIA FERMENTACJI K O S Z T Y BIEŻĄCEGO MONITORINGU BIOTECHNOLOGICZNEGO Są indywidualnie negocjowane z właścicielem biogazowni i zależą m.in. od: - Mocy biogazowni; - Ilości monitorowanych fermentorów składających się na obiekt; - Palety substratów stosowanych w biogazowni; - Ustalonego zakresu i częstotliwości analiz wykonywanych przez laboratorium; - Udziału laboratorium w rozruchu biogazowni; - Wykorzystania i zakresu monitoringu zdalnego; DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Laboratorium Biotechnologiczne firmy Biogaz Zeneris Sp. z o.o. ul. Rubież 46, bud.B; 61-612 Poznań Tel.: (61) 822-73-53; GSM: 601-056-137 www.biogaz-zeneris.com.pl