Produkce bioplynu z kukuřice

Procházka J.1, Dohányos M.1, Kajan M.2, Diviš J.3

1 – Vysoká škola chemicko technologická v Praze, Fakulta technologie ochrany prostředí, prochazj@vscht.cz; 2 – Enki o.p.s., Třeboň; 3 – Jihočeská univerzita, Zemědělská fakulta

Úvod

Se stále stoupajícím počtem bioplynových stanic stoupá i poptávka po vhodných substrátech. Z analýzy padesáti plánovaných bioplynových stanic vyplývá, že dominovat bude kukuřičná siláž. Měla by tvořit 34 % z celkového množství používaných substrátů [1]. Kukuřičné siláže se však mohou lišit ve složení, obsahu sušiny a především v anaerobní rozložitelnosti. Tyto rozdíly vyplývají z různých podmínek při pěstování a skladování. Důležitý je i druh použité kukuřice. Tato práce porovnává produkci bioplynu ze vzorků dvou hybridů kukuřice: tradiční Limagrain LG2280 a „energetický hybrid“ Atletico (fy KWS).

graf

Obrázek 1 – Zastoupení substrátů u plánovaných BPS (KS – kukuřičná siláž, HK – hovězí kejda, PK – prasečí kejda, TS – travní siláž, CŘ – cukrová řepa)

Popis substrátů

Pokus proběhl se dvěma hybridy:

  • KWS Atletico
  • Limagrain LG 2280

Oba vzorky byly vypěstovány na stanovišti České Budějovice (výsev 100 000 zrn/ha, sklizeň 10. 9. 2007). U substrátů získaných z ostatních stanovišť nebyly provedeny testy anaerobní rozložitelnosti a níže uváděné údaje (tabulka 2) o produkci bioplynu vztažené na osetou plochu jsou pouze orientační.

Vzorky byly dodány jako zmražená siláž, která ovšem obsahovala příliš velké částice (obrázek 2) a bylo nutné je před vlastním experimentem zhomogenizovat (obrázek 3). Všechny analýzy proběhly s takto upraveným substrátem.

Obrázek 2 - Dodaná kukuřičná siláž Obrázek 3 - Zhomogenizovaný vzorek
Obrázek 2 - Dodaná kukuřičná siláž Obrázek 3 - Zhomogenizovaný vzorek

Uspořádání experimentu

Anaerobní fermentace probíhala v sérových lahvích uzavřených septem. Celkový objem lahví byl 120 ml, z toho 80 ml zaujímala kapalná fáze, tedy substrát a vlastní inokulum. Zbylých 40 ml pak připadalo na plynový prostor. Pro každé zatížení bylo paralelně nasazeno 5 lahviček, další 3 lahvičky sloužily ke zjištění produkce bioplynu ze samotného kalu. Množství vyprodukovaného bioplynu bylo měřeno pomocí plynoměrné byrety (obrázek 4). Experiment probíhal při 35°C. Každý substrát byl nasazen ve dvou zatíženích – 0,3 g/g (CHSK substrátu/organická sušina inokula) a 0,5 g/g. Dále bude značeno pouze jako 0,3 a 0,5. Inokulum pochází z bioplynové stanice v Třeboni.

Obrázek 4 - Schéma aparatury (1 - sérová lahev, 2 - kapalná fáze, 3 - plynový prostor, 4 - jehla, 5 - trojcestný ventil, 6 - plynoměrná byreta, 7 nádobka s uzavírací kapalinou)

Obrázek 4 - Schéma aparatury (1 - sérová lahev, 2 - kapalná fáze, 3 - plynový prostor, 4 - jehla, 5 - trojcestný ventil, 6 - plynoměrná byreta, 7 nádobka s uzavírací kapalinou)

Chemická analýza

Elementární analýza neodhalila žádné významné rozdíly mezi substráty. Její výsledky jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1 - Chemická analýza

parametr jednotky Atletico LG 2280
CHSK mg/g 290 270
sušina % 28 29
org.sušina % sušiny 90 90
C mg/g
(v sušině)
439 441
N 11 11
P 3,9 3,1
H 68 66
K 61 62
Ca 26 22
Mg 3,1 2,3
S 2,4 2,0
Si 11,6 12,7

Poměr CHSK : N : P je dostatečný a při provozu bioplynové stanice pouze na kukuřičnou siláž by bakterie podílející se na procesu vzniku bioplynu neměly být omezeny nedostatkem nutrientů. Doporučovaný poměr CHSK : N : P je 300 : 6,7 : 1 [2].

Z hodnot CHSK lze usuzovat, že specifická produkce bioplynu bude u Atletica pravděpodobně vyšší.

Křemík, obsažený v obou vzorcích, by mohl způsobovat problémy při spalování bioplynu [3]. V této chvíli však není jasné, v jaké formě se vyskytuje a zda bude podléhat biochemické transformaci a přecházet do bioplynu.

Testy anaerobní fermentace

Průběh kumulativní produkce bioplynu byl u obou substrátů velmi podobný a je zachycen na obrázku 5. Po 48 dnech fermentace bylo dosaženo nejvyššího výtěžku u substrátu Atletico a to při zatížení 0,5 téměř 600 m3/t (bioplyn/sušina). Produkce z Atletica při zatížení 0,3 a LG 2280 u obou zatížení jsou prakticky stejné, a sice 530 – 550 m3/t.

Obrázek 5 - Kumulativní specifická produkce bioplynu

Obrázek 5 - Kumulativní specifická produkce bioplynu

Z těchto výsledků lze usuzovat na pozitivní vliv zatížení na množství vznikajícího bioplynu a teoreticky by dalším zvýšením zatížení bylo možné dosáhnout i vyšších produkcí bioplynu. Tento předpoklad ale nebyl ověřen experimentem. Pro Atletico, jako lepší substrát, hovoří i průběh křivky kumulativní produkce bioplynu. Ačkoli bylo nakonec dosaženo podobných hodnot výtěžku bioplynu jako u LG 2280, rozklad probíhal rychleji a například po třiceti dnech fermentace činil rozdíl mezi substráty přibližně 10 % u zatížení 0,3 a u zatížení 0,5 to bylo dokonce přes 20 %. Takový průběh ukazuje na lepší anaerobní rozložitelnost Atletica. Totéž je vidět i na obrázcích 6 a 7, které zachycují denní specifickou produkci bioplynu.

Obrázek 6 - Denní specifické produkce u Atletica

Obrázek 6 - Denní specifické produkce u Atletica

Obrázek 7 - Denní specifické produkce u LG 2280

Obrázek 7 - Denní specifické produkce u LG 2280

Průběh s dvěma maximy (obrázky 6 a 7) naznačuje nestejnou rozložitelnost složek použité fytomasy. První maximum pravděpodobně odpovídá rozpuštěným a snadno hydrolyzovatelným látkám, jako jsou mastné kyseliny, jednoduché cukry nebo škrob. Tyto látky byly ze substrátu vyčerpány během prvních sedmi dnů. V dalším období již mikroorganismy musely spotřebovávat složitější látky, jako je například celulóza. Rozfázování rozkladu si lze vysvětlit nedostatečnou enzymatickou vybaveností inokula, které nebylo adaptováno na substrát obsahující celulózu. Při dlouhodobém kontinuálním provozu by ale mikroorganismy upravily svůj enzymatický aparát danému substrátu a rozklad všech rozložitelných složek by probíhal současně.

Výnosy bioplynu z oseté plochy

Výnos kukuřice je silně závislý na stanovišti a průběhu počasí, zejména množství srážek. Z tohoto pohledu se jeví nejlépe stanoviště Lukavec, kde díky vyššímu úhrnu srážek a nižší teplotě v měsíci červnu bylo dosaženo o více jak 100 % vyššího výtěžku než na stanovišti České Budějovice. Stanoviště Sokolov – výsypka se ukázalo jako nevhodné pro pěstování kukuřice k energetickým účelům. Celkově lze říci, že na nepříznivé podmínky reagoval lépe hybrid Atletico.

Protože testy anaerobního rozkladu probíhaly pouze se vzorky ze stanoviště České Budějovice, je nutné hodnoty produkce bioplynu pro ostatní lokality považovat pouze za orientační. Pro oba hybridy je v dalších výpočtech použita hodnota určená jako průměr obou zatížení.

Tabulka 2 - Výnosy bioplynu

  LG 2280 Atletico
parametr výnos obsah sušiny výnos sušiny produkce bioplynu výnos obsah sušiny výnos sušiny produkce bioplynu
jednotky t/ha % t/ha m3/ha t/ha % t/ha m3/ha
stanoviště České Budějovice 29,8 30,5 9,1 3640 37,2 31,9 11,9 6010
Lukavec 64,4 26,8 17,2 6880 76,3 25 15,9 8030
Sokolov - výsypka 9,5 21,9 2,1 840 30,8 23,8 7 3540

I ze srovnání výnosu bioplynu z oseté plochy vyšel lépe hybrid Atletico a to o 45 % oproti LG 2280 na stanovišti České Budějovice (tabulka 2). Hlavními důvody jsou větší výnos kukuřice a vyšší specifická produkce bioplynu ze siláže získané z této rostliny.

Závěr

Kukuřičná siláž je substrát s velkým potenciálem pro výrobu bioplynu, avšak rozdíly mezi výtěžky v různých lokalitách a mezi různými hybridy mohou být značné. Z provedeného srovnání vychází lépe kukuřice Atletico. Větší výtěžek biomasy spolu s lepší anaerobní rozložitelností jsou faktory, které z tohoto hybridu dělají velmi dobrý substrát pro bioplynové stanice.

Anaerobní rozklad kukuřičné siláže pravděpodobně probíhá ve dvou fázích, kdy se přednostně rozkládají snadno rozložitelné látky. Při kontinuálním provozu by nejspíš probíhaly obě fáze současně a na produkci bioplynu by toto nemělo mít vliv.

Použitá literatura

1. Kajan M., Štindl P., Procházka J.: Experiences with anaerobic digestion in the Czech Republic, příspěvek na konferenci: The future for Anaerobic Digestion of Organic Waste in Europe, Norimberk, 16. – 17. 1. 2008
2. Dohányos M. a kolektiv: Anaerobní čistírenské technologie, NOEL, Brno, 2000.
3. Straka F. a kolektiv: Bioplyn, GAS s.r.o., Praha, 2006

Tento příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu VaV MŽP ČR č. SP/3g4/129/07 „Intenzifikace produkce bioplynu“

 
 

Newsletter

Hlavní partneři

Inzerce