proizvodnja bioplina prof. dr. sc. bruno zelić
TRANSCRIPT
Proizvodnja bioplina Prof. dr. sc. Bruno Zelić
Završna konferencija EU projekta “Inovativna škola za zelenu budućnost”, 13. travanj 2016., Osijek
Broj ugovora: HR.3.1.14-0014 Naziv projekta: Inovativna škola za zelenu budućnost
Sadržaj
Proizvodnja bioplina
Intenzifikacija procesa – proizvodnja bioplina
- modeliranje, simulacije i optimiranje
- predobrada otpadnog lignoceluloznog materijala
- uvećanje procesa – mobilno polu-industrijsko postrojenje (Mobile Pilot Plant)
Intenzifikacija procesa – proizvodnja biodizela
Proizvodnja bioplina – osnovni pojmovi
Anaerobna razgradnja (digestija)
- biokemijski proces u kojem se biorazgradivi organski supstrati razgrađuju mikrobiološkim procesima bez prisutnosti kisika, uz proizvodnju bioplina i digestata
Bioplin
- gorivi plin koji se primarno sastoji od metana i ugljikovog dioksida
Digestat
- procesirani ostatak supstrata nastao tijekom proizvodnje bioplina, bogat makro- i mikro-nutrijentima
Proizvodnja bioplina – proces anaerobne razgradnje
propionska, maslačna, valerijanska i mliječna
kiselina, alkoholi
octena kiselina vodik i ugljikov dioksid
metan i ugljikov dioksid
hidroliza
acidogeneza
acetogeneza
homo-acetogeneza
metanogeneza na octenoj kiselini
metanogenezana vodiku
šećeri aminokiseline dugolančane masne kiseline
biorazgradivi organski supstratugljikohidrati proteini lipidi
fakultativne anaerobne bakterije
acidogene bakterije
acetogene bakterije
metanogene arheobakterije
Proizvodnja bioplina – podjela procesa anaerobne razgradnje
podjela procesa
prema vrsti miješanja
prema vrsti reaktora
kotlasti reaktori
prema temperaturi prema broju stupnjeva procesa
prema udjelu suhe tvari
protjecanjetermofilni
mezofilni
psihrofilni
cijevni reaktori
protočni kotlasti reaktori višestupnjeviti
jednostupnjevitiw(ST) < 20% (mokra digestija)
potpuno miješanje
perkolacija
w(ST) > 20% (suha digestija)
Proizvodnja bioplina – podjela procesa anaerobne razgradnje
veličine koje utječu na proces anaerobne razgradnje:
- tip i sastav supstrata - temperatura - pH-vrijednost - raspoloživost hranjivih tvari - toksične i inhibirajuće komponente - miješanje - hidrauličko vrijeme zadržavanja - brzina unosa organske tvari u reaktor
Proizvodnja bioplina – korištenje bioplina i digestata
anaerobna razgradnja agro-industrijskog otpada
električna energija
bioplin digestat
toplina kogeneracija pročišćavanje
toplina
gorive ćelije biogorivo utiskivanje u plinsku mrežu
kompostiranje gnojidba odlaganje
Intenzifikacija procesa – modeliranje, simulacije i optimiranje
B. Zelić, Đ. Vasić-Rački, Kem. Ind., 54 (2005) 241-254
Intenzifikacija procesa – anaerobna razgradnja (kodigestija) sirutke i goveđe gnojovke
A. Hublin, T. Ignjatić Zokić, B. Zelić, Biotechnol. Bioproc. Eng., 17 (2012) 1284-1293
bioplin
21
4
35
Šaržni laboratorijski reaktori
Intenzifikacija procesa – anaerobna razgradnja (kodigestija) sirutke i goveđe gnojovke
0.02.04.06.08.0
10.012.014.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
V' (d
m³ d
m¯³
)
t (d)
A
0.02.04.06.08.0
10.012.014.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
V' (d
m³ d
m¯³
)
t (d)
B
0.02.04.06.08.0
10.012.014.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
V' (d
m³ d
m¯³
)
t (d)
C
0.02.04.06.08.0
10.012.014.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
V' (d
m³ d
m¯³
)
t (d)
D
!
Optimizacija
(A) mezofilni uvjeti (B) termofilni uvjeti (C) mezofilni uvjeti uz dodatak NaHCO3 (D) termofilni uvjeti uz dodatak NaHCO3
A. Hublin, T. Ignjatić Zokić, B. Zelić, Biotechnol. Bioproc. Eng., 17 (2012) 1284-1293
Pojednostavljena reakcijska shema
1. hidroliza 2. fermentacija 3. anaerobna oksidacija 4. acetogeneza 5. metanogeneza na octenoj kiselini 6. metanogeneza na vodiku
Modeliranje
Intenzifikacija procesa – anaerobna razgradnja (kodigestija) sirutke i goveđe gnojovke
1.
2. 3.
4.
5. 6.
razgradive čestice organskog supstrataugljikohidrati proteini lipidi
šećeri i aminokiseline masne kiseline
intermedijarni produktipropionska kiselina ...
octena kiselina vodik
metan
Kinetički model
Bilance tvari Modeliranje
Intenzifikacija procesa – anaerobna razgradnja (kodigestija) sirutke i goveđe gnojovke
Simulacija i ocjena valjanosti matematičkog modela procesa
A. Hublin, B. Zelić, Waste Manage. Res., 31 (2013) 353-360
Intenzifikacija procesa – anaerobna razgradnja (kodigestija) sirutke i goveđe gnojovke
Intenzifikacija procesa – predobrada lignoceluloznog materijala
Metode predobrade
- fizikalne
- termičke
- kemijske
- biološke
- fizikalno-kemijske
- termokemijske
Predobrada mješavine pivske komine i anaerobne otpadne vode
Intenzifikacija procesa – predobrada lignoceluloznog materijala
Degradacija lignina iz otpadne šećerne repe upotrebom gljiva bijelog truljenja Trametes versicolor i Phanerochaete chrysosporium uzgojenim na čvrstoj podlozi (eng. solid state culture)
Intenzifikacija procesa – predobrada lignoceluloznog materijala
Razgradnja otpadne šećerne repe nako 30 dana uzgoja na čvrstoj podlozi
P. chrysosporium
T. versicolor
- 19,62 % gubitak mase - 35 % konverzija llignina
- 29,33 % gubitak mase - 55 % konverzija lignina
C : N = 36,8 : 1 t = 0
Intenzifikacija procesa – uzgoj biomase na čvrstim nosačima u bioreaktorima
Fermentacije na čvrstim nosačima u bioreaktorima (eng. Solid State Bioreactors)
Air inlet
Gas outlet
Solid substrate
SterilizationHumidification
Water inlet
Temperature control
Air inlet
Gas outlet
Solid substrate
SterilizationHumidification
Water inlet
Air
inle
t
Gas
out
let
Solid substrateTray
reaktor s pliticama
Air
inle
t
Gas
out
let
Solid substrate Rotating drum
Stirred drum
horizontalni rotirajući bioreaktor reaktor s fluidiziranim slojem
reaktor s punilima
Intenzifikacija procesa – bioreaktori
Laboratorijski Polu-industrijski
Designed by:
Anaerobni bioreaktori Aerobni biorekatori
Intenzifikacija procesa - bioreaktori
Mobilno postrojenje (polu-industrijsko) - daljinsko vođenje procesa putem Interneta i odgovarajućeg programskog paketa
Designed by:
Bioreaktor s pliticama - čvrsti otpad - a(na)erobni uvjeti - V = 200 dm3
Anaerobni reaktor - tekući otpad - a(na)erobna obrada otpadnih voda - regulacija mješanja i pH - V = 300 dm3
UASB reaktor - protustrujni reaktor sa slojem mulja - anaerobna obrada otpadne biomase - V = 40 dm3
Intenzifikacija procesa - bioreaktori
Biogas Production from Brewery Spent Grain
Pivovara Laško Kapacitet: 100.000.000 L piva godišnje Zadatak: obrada otpadnih struja industrije piva
Otpadna voda Kvasac Pivski trop
Pivski trop: • lignocelulozni materijal koji sadrži približno 17 % celuloze, 28 % ne-celuloznih polisaharida, pretežito arabinoksilana, 28 % lignina i 27 % vode • 0,6-1,2 m3/kg suhe organske tvari → 120-130 m3
bioplina/t • ukupni korisni bioplinski potencijal:
bioplin 1.600.000-2.000.000 m3
50-55 % obnovljive u ukupnoj energiji (do 1.500.000 € godišnjih ušteda)
Razvoj procesa – Proizvodnja bioplina anaerobnom razgradnjom pivskog tropa
Određivanje bioplinskog potencijala
Razvoj procesa – Proizvodnja bioplina anaerobnom razgradnjom pivskog tropa
reaktor za anaerobnu razgradnju čvrstih tvari - hidroliza reaktor za anaerobnu razgradnju čvrstih tvari - hidroliza
+ reaktor s granuliranom biomasom - proizvodnja bioplina
PREDOBRADA
Razvoj procesa – Proizvodnja bioplina anaerobnom razgradnjom pivskog tropa
Anaerobic digestion
UASBR
Hydrolysis
HCl
Brewery wastewater
Brewery spent grain
Solid phase
Liquid phase
Wastewater
Solid residue less than 10 %
Biogas
Biogas
Integrirani proces proizvodnje bioplina
Razvoj procesa – Proizvodnja bioplina anaerobnom razgradnjom pivskog tropa
reaktor za anaerobnu razgradnju čvrstih tvari - hidroliza +
reaktor s granuliranom biomasom - proizvodnja bioplina
200 dana kontinuirane proizvodnje bioplina
Razvoj i intenzifikacija procesa – Uvećanje procesa proizvodnje bioplina
Tikvica (10-1 dm3) Poluindustrijski
bioreaktor (103 dm3) Laboratorijski
bioreaktor (101 dm3)
Industrijski bioreaktor (>105 dm3)
Intenzifikacija procesa – Proizvodnja biodizela – Umanjenje procesa (Scale-down)
Mikroreaktori (10-5 dm3)
- reaktorski sustavi izvedeni u mikroskopskom mjerilu dimenzija 10-500 µm - prednosti
- veliki omjer međufazne površine i volumena reaktora - učinkovit prijenos tvari i energije - kratak difuzijski put molekula - male količine katalizatora i otpadnih tokova - laminarni tok
- nedostatci - prevelik volumen za odvijanje reakcija na molekularnoj
razini - problemi u radu s viskoznim kapljevinama i smjesama s
čvrstim česticama
Intenzifikacija procesa – Proizvodnja biodizela – Umanjenje procesa (Scale-down)
Mikroreaktori (10-5 dm3)
metanol + enzim lipaza otpadno ulje
biodizel + glicerol
Znanstveno-stručni skup Proizvodnja bioplina
Pokrovitelji: Kontakt:
Ministarstvo gospodarstva e-mail: [email protected]
Ministarstvo poljoprivrede http://www.hatz.hr/bp2016/
Ministarstvo zaštite okoliša i prirode
Grad Osijek
Zahvala
31
Naslov prezentacije
§ Kliknite za upis teksta - 1. veličina teksta
– 2. veličina teksta
• 3. veličina teksta
– 4. veličina teksta
» 5. veličina teksta