Proizvodnja bioplina Prof. dr. sc. Bruno Zelić

Transcription

1 Proizvodnja bioplina Prof. dr. sc. Bruno Zelić Broj ugovora: HR Naziv projekta: Inovativna škola za zelenu budućnost Završna konferencija EU projekta Inovativna škola za zelenu budućnost, 13. travanj 2016., Osijek

2 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

3 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

4 Proizvodnja bioplina proces anaerobne razgradnje biorazgradivi organski supstrat ugljikohidrati proteini lipidi hidroliza fakultativne anaerobne bakterije šećeri aminokiseline dugolančane masne kiseline acidogeneza acidogene bakterije propionska, maslačna, valerijanska i mliječna kiselina, alkoholi octena kiselina acetogeneza homo-acetogeneza vodik i ugljikov dioksid acetogene bakterije metanogeneza na octenoj kiselini metan i ugljikov dioksid metanogeneza na vodiku metanogene arheobakterije

5 Proizvodnja bioplina podjela procesa anaerobne razgradnje podjela procesa prema vrsti reaktora prema temperaturi prema udjelu suhe tvari prema broju stupnjeva procesa prema vrsti miješanja kotlasti reaktori psihrofilni w(st) < 20% (mokra digestija) jednostupnjeviti perkolacija protočni kotlasti reaktori mezofilni w(st) > 20% (suha digestija) višestupnjeviti potpuno miješanje cijevni reaktori termofilni protjecanje

6 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

7 Proizvodnja bioplina korištenje bioplina i digestata anaerobna razgradnja agro-industrijskog otpada bioplin digestat toplina kogeneracija pročišćavanje kompostiranje gnojidba odlaganje električna energija gorive ćelije biogorivo utiskivanje u plinsku mrežu toplina

8 B. Zelić, Đ. Vasić-Rački, Kem. Ind., 54 (2005) Intenzifikacija procesa modeliranje, simulacije i optimiranje

9 Intenzifikacija procesa anaerobna razgradnja (kodigestija) sirutke i goveđe gnojovke Šaržni laboratorijski reaktori 5 bioplin A. Hublin, T. Ignjatić Zokić, B. Zelić, Biotechnol. Bioproc. Eng., 17 (2012)

10 Intenzifikacija procesa anaerobna razgradnja (kodigestija) sirutke i goveđe gnojovke Optimizacija A V' (dm³ dm ³) C V' (dm³ dm ³) B V' (dm³ dm ³) 0.0 t (d) D 14.0 V' (dm³ dm ³) t (d) (A) mezofilni uvjeti (B) termofilni uvjeti (C) mezofilni uvjeti uz dodatak NaHCO 3 (D) termofilni uvjeti uz dodatak NaHCO t (d) t (d) A. Hublin, T. Ignjatić Zokić, B. Zelić, Biotechnol. Bioproc. Eng., 17 (2012)

11 Intenzifikacija procesa anaerobna razgradnja (kodigestija) sirutke i goveđe gnojovke Modeliranje Pojednostavljena reakcijska shema 1. razgradive čestice organskog supstrata ugljikohidrati proteini lipidi šećeri i aminokiseline masne kiseline 2. intermedijarni produkti 3. propionska kiselina hidroliza 2. fermentacija 3. anaerobna oksidacija 4. acetogeneza 5. metanogeneza na octenoj kiselini 6. metanogeneza na vodiku 4. octena kiselina vodik 5. metan 6.

12 Intenzifikacija procesa anaerobna razgradnja (kodigestija) sirutke i goveđe gnojovke Modeliranje Bilance tvari Kinetički model

13 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)

14 Intenzifikacija procesa predobrada lignoceluloznog materijala Metode predobrade - fizikalne - termičke - kemijske - biološke - fizikalno-kemijske - termokemijske Predobrada mješavine pivske komine i anaerobne otpadne vode

15 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)

16 Intenzifikacija procesa predobrada lignoceluloznog materijala Razgradnja otpadne šećerne repe nako 30 dana uzgoja na čvrstoj podlozi P. chrysosporium - 19,62 % gubitak mase - 35 % konverzija llignina C : N = 36,8 : 1 t=0 T. versicolor - 29,33 % gubitak mase - 55 % konverzija lignina

17 Intenzifikacija procesa uzgoj biomase na čvrstim nosačima u bioreaktorima Fermentacije na čvrstim nosačima u bioreaktorima (eng. Solid Gas outlet State Bioreactors) Air inlet Gas outlet Solid substrate Temperature control Solid substrate Tray reaktor s pliticama Sterilization Humidification Air inlet Water inlet reaktor s punilima Gas outlet Air inlet Solid substrate Rotating drum Gas outlet Solid substrate Stirred drum horizontalni rotirajući bioreaktor Sterilization Humidification Air inlet Water inlet reaktor s fluidiziranim slojem

18 Intenzifikacija procesa bioreaktori Anaerobni bioreaktori Aerobni biorekatori Laboratorijski Polu-industrijski Designed by:

19 Intenzifikacija procesa - bioreaktori Mobilno postrojenje (polu-industrijsko) - daljinsko vođenje procesa putem Interneta i odgovarajućeg programskog paketa Designed by:

20 Intenzifikacija procesa - bioreaktori Bioreaktor s pliticama - čvrsti otpad - a(na)erobni uvjeti - V = 200 dm 3 Anaerobni reaktor - tekući otpad - a(na)erobna obrada otpadnih voda - regulacija mješanja i ph - V = 300 dm 3 UASB reaktor - protustrujni reaktor sa slojem mulja - anaerobna obrada otpadne biomase - V = 40 dm 3

21 Biogas Production from Brewery Spent Grain Pivovara Laško Kapacitet: 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 m 3 /kg suhe organske tvari m 3 bioplina/t ukupni korisni bioplinski potencijal: bioplin m % obnovljive u ukupnoj energiji (do godišnjih ušteda)

22 Razvoj procesa Proizvodnja bioplina anaerobnom razgradnjom pivskog tropa Određivanje bioplinskog potencijala

23 Razvoj procesa Proizvodnja bioplina anaerobnom razgradnjom pivskog tropa reaktor za anaerobnu razgradnju čvrstih tvari - hidroliza P R E D O B R A D A reaktor za anaerobnu razgradnju čvrstih tvari - hidroliza + reaktor s granuliranom biomasom - proizvodnja bioplina

24 Razvoj procesa Proizvodnja bioplina anaerobnom razgradnjom pivskog tropa Integrirani proces proizvodnje bioplina HCl Brewery wastewater Biogas Brewery spent grain Hydrolysis Liquid phase Anaerobic digestion Solid phase Wastewater Biogas UASBR Solid residue less than 10 %

25 Razvoj procesa Proizvodnja bioplina anaerobnom razgradnjom pivskog tropa 200 dana kontinuirane proizvodnje bioplina reaktor za anaerobnu razgradnju čvrstih tvari - hidroliza + reaktor s granuliranom biomasom - proizvodnja bioplina

26 Razvoj i intenzifikacija procesa Uvećanje procesa proizvodnje bioplina Tikvica (10-1 dm 3 ) Laboratorijski bioreaktor (10 1 dm 3 ) Poluindustrijski bioreaktor (10 3 dm 3 ) Industrijski bioreaktor (>10 5 dm 3 )

27 Mikroreaktori (10-5 dm 3 ) Intenzifikacija procesa Proizvodnja biodizela Umanjenje procesa (Scale-down) - reaktorski sustavi izvedeni u mikroskopskom mjerilu dimenzija 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

28 Mikroreaktori (10-5 dm 3 ) Intenzifikacija procesa Proizvodnja biodizela Umanjenje procesa (Scale-down) metanol + enzim lipaza otpadno ulje biodizel + glicerol

29 Znanstveno-stručni skup Proizvodnja bioplina Pokrovitelji: Kontakt: Ministarstvo gospodarstva Ministarstvo poljoprivrede Ministarstvo zaštite okoliša i prirode Grad Osijek

30 Zahvala

31 Naslov prezentacije Kliknite za upis teksta - 1. veličina teksta 2. veličina teksta 3. veličina teksta 4. veličina teksta» 5. veličina teksta 31