Artur Olesienkiewicz
Biotechnologie oparte o ten proces umożliwiają pozyskiwanie wysokometanowego biogazu, który może stanowić alternatywne źródło energii. Głównie z tego powodu fermentacja metanowa pozostaje w sferze zainteresowań naukowców i firm z branży energetycznej od blisko 140 lat.
Pierwsze, udokumentowane obserwacje naukowe dotyczące tego zjawiska datowane są na 1868 rok. Wówczas to E. Bechamp, prowadząc doświadczenia związane z fermentacją alkoholową sacharozy i skrobi zauważył, że w osadzie hodowli rozwijały się mikroorganizmy i wydzielał się gaz, w skład którego wchodził metan i dwutlenek węgla. Obecnie FERMENTACJA METANOWA definiowana jest jako zespół beztlenowych procesów biochemicznych, w których wielkocząsteczkowe substancje organiczne (głównie węglowodany, białka i tłuszcze oraz ich związki pochodne) są rozkładane do alkoholi lub niższych kwasów organicznych oraz metanu, ditlenku węgla i wody (Rys.1).
Ryc. 1. Schemat przemian biochemicznych podczas fermentacji metanowej biomasy; (1) bakterie fermentacyjne, (2) bakterie wytwarzające wodór i kwas octowy, (3) bakterie metanogenne
[na podst. Buraczewski i Bartoszek 1990]
Procesy te zachodzą przy udziale zespołu mikroorganizmów, które zwykle żyją ze sobą w symbiozie. Część z nich odpowiedzialna jest za hydrolizę związków wielkocząsteczkowych, czyli ich rozkład do cząsteczek mniejszych, o prostej strukturze. Związki te są wykorzystywane przez kolejną grupę mikroorganizmów, które dokonują ich przemiany w tzw. substancje metanogenne. Bakterie zwane metanogennymi z kolei, zużywając te substancje pozyskują energię niezbędną do przeprowadzania procesów życiowych, przy okazji produkując BIOGAZ. Bakterie fermentacji metanowej stanowią najczęściej naturalną mikroflorę biomasy, z której pozyskuje się biogaz. Są bardzo rozpowszechnione w przyrodzie. Występują m.in. w: osadach naturalnych wód, rzek, jezior, mórz i oceanów, w wodach gejzerów, w szczelinach wulkanów, fermentujących osadach ściekowych, treści przewodów pokarmowych zwierząt, odwłokach termitów. Występują również w torfie, wyrobiskach węgla kamiennego, pokładach ropo- i gazonośnych, a nawet w pniach niektórych amerykańskich drzew.
Biotechnologia produkcji biogazu dotyczy na ogół fermentacji metanowej różnego pochodzenia odpadów organicznych i ścieków z przemysłu spożywczego, osadów ściekowych, odchodów zwierzęcych, lub organicznej frakcji odpadów komunalnych, itp. W niektórych krajach fermentacji metanowej poddaje się specjalnie dla tego celu uprawiane rośliny, np. kukurydzę (kiszonkę kukurydzianą). Fermentacji podlegają związki organiczne obecne w wymienionych surowcach – głównie cukry, białka i tłuszcze, a więc substancje, których podstawowe składniki to węgiel, tlen, wodór i azot.
Główne składniki biogazu to metan (40-70%) i ditlenek węgla (30-70%). Występują w nim również śladowe ilości: azotu (amoniak), siarkowodoru i wodoru. Metan jest najcenniejszym składnikiem biogazu. Jego wartość opałowa to 9470 kcal/m3 (39,7 MJ/m3), co oznacza, że biogaz o średniej zawartości metanu na poziomie 62% ma wartość opałową: 22,1 MJ/m3. Dzięki temu biogaz może być wykorzystywany do produkcji energii cieplnej i elektrycznej. Można nim również napędzać pojazdy. Zanim jednak trafi do instalacji gazowej musi być osuszony oraz oczyszczony z siarkowodoru. Produkcja energii elektrycznej z biogazu odbywa się w gazowych generatorach prądu lub w skojarzeniu z produkcją ciepła (KOGENERACJA).
Efektywna produkcja biogazu wymaga utrzymania ściśle określonych warunków fizyko-chemicznych. Proces zachodzi tylko w warunkach beztlenowych w pH 6,5-7,5. Optymalna temperatura fermentującej biomasy zależy od gatunków mikroorganizmów, które uczestniczą w fermentacji. Tak zwane – psychrofile produkuja biogaz w temperaturach 8-20oC. Częściej proces prowadzi się w temperaturach z przedziału 20-40oC, w którym zawiera się optimum (33-37oC) dla gatunków mezofilnych. Wśród metanogenów są również termofile, które funkcjonują w temperaturach 55-65oC. Produkują one biogaz wydajnie, ale są bardziej wrażliwe na fluktuacje środowiska w którym żyją.
Oprócz wymienionych, na wydajność produkcji biogazu mają również wpływ takie czynniki jak:
1) czas fermentacji;
2) stężenie substancji organicznych w fermentowanej masie;
3) sposób dozowania biomasy;
4) sposób mieszania biomasy;
5) obecność i proporcje składników mineralnych tj: azot, fosfor i potas;
6) obecność czynników przyspieszających;
7) obecność czynników toksycznych.
Właściwy dobór warunków fermentacji metanowej określonego substratu lub mieszaniny substratów dobrze jest wykonać w laboratorium. Pozwala to określić warunki brzegowe, przy których proces jest stabilny, a produkcja biogazu jest jeszcze opłacalna. Ponadto, minimalizuje to ryzyko niepowodzenia w skali biogazowni, co generowałoby wysokie koszty związane z wyłączeniem z użytkowania komory fermentacyjnej i koniecznością czasochłonnego stabilizowania dość labilnej równowagi biologicznej jaka tam panuje.
Przed rozpoczęciem badań nad fermentacją konieczne jest prawidłowe oznaczenie parametów fizyko-chemicznych biomasy, takich jak:
1) sucha masa (s.m.) nazywana suchą pozostałością;
2) sucha masa organiczna (s.m.o.);
3) chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT);
4) biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT);
5) oleje i tłuszcze;
6) lotne kwasy tłuszczowe;
7) azot ogólny w tym azot amonowy;
8) węgiel (i stosunek węgla do azotu);
9) oznaczenia składników mineralnych tj. np. sód, postas, wapń, fosforany oznaczane w zmineralizowanej próbie i wyrażone w przeliczeniu na: K2O, Na2O, CaO, P2O5. Wyniki analiz są podawane mg/dm3 lub mg/kg s.m. lub kg s.m.o.
10) oznaczenia metali ciężkich, np. nikiel, ołów, kadm, kobalt, chrom itp.
Wszystkie wymienione analizy oraz dobór optymalnych warunków fermentacji metanowej można dokonać w Laboratorium Biotechnologicznym BIOGAZ ZENERIS.