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