Naslov
Razvoj procesa proizvodnje bioplina anaerobnom digestijom pivske komine kao monosupstrata
(Process development of biogas production through anaerobic digestion of brewery spent grain as a mono substrate)

Autori
Panjičko, Mario

Vrsta, podvrsta i kategorija rada
Ocjenski radovi, doktorska disertacija

Fakultet
Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije

Mjesto
Zagreb

Datum
23.12

Godina
2015

Stranica
164

Mentor
Zelić, Bruno ; Zupančič, Gregor Drago

Ključne riječi
bioplin; pivska komina; p-krezol; anaerobna razgradnja čvrstih tvari; termokemijska predobrada
(biogas; brewery spent grain; p-cresol; solid state anaerobic digestion; thermo-chemical pretreatment)

Sažetak
U ovom doktorskom radu proučavan je i razvijen stabilan i u ciklusima ponovljiv proces anaerobne obrade pivske komine kao monosupstrata. U dostupnoj literaturi, ovakav proces do danas nije opisan, niti je instaliran u industrijskom mjerilu. Razlog tome je što pivska komina kao supstrat nije pogodna za anaerobnu obradu zbog visokog udjela dušika i lignoceluloznih materijala (lignina) u svom sastavu. Razgradnjom lignina nastaju intermedijarni produkti kao što je p-krezol koji inhibira anaerobne mikroorganizme, pa oni nisu učinkoviti pri anaerobnoj razgradnji pivske komine. Predloženi rad obuhvaća istraživanje anaerobne razgradnje pivske komine od bioplinskog potencijala do stabilnog dvostupnjevitog procesa, u kojemu je anaerobni proces proveden u reaktoru za anaerobnu razgradnju čvrstih tvari (SS-AD) (engl. SS-AD – Solid State Anaerobic Digestion) u kojem se pretežito odvija hidroliza i u reaktoru s granuliranom biomasom (GBR) (engl. GBR-Granular Biomass Reactor) u kojem se pretežito odvija proizvodnja bioplina. Dugoročno stabilan proces postignut je sa 80, 4 % -tnom učinkovitošću razgradnje suhe tvari i prinosom bioplina od 107, 1 L/kg sirove pivske komine. Doktorski rad je podijeljen na više dijelova, u kojima su proučavane mogućnosti uspješne anaerobne razgradnje pivske komine kao monosupstrata. U prvom dijelu proučavana je termokemijska hidroliza komine, pri čemu je zaključeno da se komina može dobro predobraditi termokemijskom hidrolizom i da se samom termokemijskom hidrolizom dobro razgradi lignocelulozna struktura komine. Prema dobivenim rezultima, pokazano je da se kiselinskom hidrolizom (HCl) kod pH = 2 i T = 140 °C u trajanju od 2 sata može ekstrahirati maksimalno 55 % TOC-a iz čvrste u kapljevitu fazu. U drugom dijelu rada određen je bioplinski potencijal pivske komine. Iz sirove komine je moguće dobiti 105 L/kg bioplina. Upotrebom komine koja je termokemijski predobrađena s kiselinom pri T = 70 °C moguće je proizvesti oko 115 L/kg, a s kominom obrađenom pri 140 °C moguće je proizvesti oko 120 L/kg bioplina, što potvrđuje bolju razgradnju predobrađene komine. U trećem dijelu proučavana je anaerobna razgradnja pivske komine u jednostupnjevitom procesu (SS-AD reaktor) i u dvostupnjevitim procesima. U dvostupnjevitom procesu je istraživan proces proizvodnje bioplina u dvije reaktorske konfiguracije. Prvi proces je istraživan u konfiguraciji dvaju reaktora i to sa SS-AD reaktorom u kojem je provedena hidroliza i reaktorom s granuliranom biomasom (GBR) koji je bio namjenjen za proizvodnju bioplina. Drugi dvostupnjeviti proces je razvijan u konfiguraciji dvaju reaktora s miješanjem, prvog reaktora s klasičnom mokrom hidrolizom (SDR) i drugog, reaktora s granuliranom biomasom (GBR). Zaključeno je da pri provedbi jednostupnjevitog procesa nema bitnih razlika u prinosu bioplina između eksperimenata provedenih sa sirovom i predobrađenom kominom. Postotak biorazgradivosti sirove komine je iznosio 62, 0 %, a predobrađene komine 62, 2 %. Iz sirove komine proizvedeno je 87, 4 L/kg, a iz predobrađene 89, 1 L/kg bioplina. Usporedbom ovih rezultata s rezultatima mjerenja bioplinskog potencijala može se zaključiti da je ostvareno 75 % vrijednosti bioplinskog potencijala sirovine. U dvostupnjevitom procesu (konfiguracija serijski povezanih SS-AD i GBR reaktora) razlika je očitija. Prilikom upotrebe sirove komine postignut je prinos bioplina 89, 1 L/kg, a upotrebom predobrađene komine ova vrijednost iznosila je 103, 2 L/kg. Postignuto je 63, 5 % razgradnje suhe tvari sirove, a 73, 6 % razgradnje suhe tvari predobrađene komine. Dvostupnjeviti proces proveden u reaktorima s miješanjem (konfiguracija serijski povezanih SDR i GBR reaktora), je još očitije prikazao razliku u razgradnji sirove i predobrađene komine. Razgradnjom sirove komine postignut je prinos bioplina od 106, 4 L/kg, a kod predobrađene 105, 5 L/ kg. Proces anaerobne razgradnje bio je značajno brži u slučaju kada je kao supstrat korištena predobrađena komina, jer je završio u periodu od 15 dana, što je dvostruko brže od 30 dana trajanja procesa kod sirove komine. Postotak razgradnje sirove komine u ovom slučaju iznosio je 83, 1 %, dok je postotak razgradnje predobrađene komine iznosio 87, 4 % suhe tvari. U ovom trećem dijelu rada pokazalo se, da je predobrada pozitivno utjecala na proces anaerobne razgradnje. Iz tog razloga u četvrtom dijelu doktorskog rada, istraživano je ponavljanje dvostupnjevitih procesa u ciklusima, pri čemu je upotrebljavana isključivo predobrađena komina. U ovom dijelu doktorskog rada, obzirom na pojavu intermedijarnih produkata kao inhibitora tijekom procesa i njihove akumulacije u reakcijskoj smjesi, istraživana je mogućnost izbjegavanja inhibicije procesa prilagodbom biomase. U tu svrhu u ciklusima su ponavljani dvostupnjeviti procesi razvijeni u prethodnom dijelu doktorskog rada (procesi u reaktorima bez miješanja i s miješanjem). Proces bez miješanja (konfiguracija serijski povezanih SS-AD i GBR reaktora) je bio vrlo uspješan u dogoročnom ponavljanju procesa u ciklusima. Uspješno je provođen 198 dana, što je ujedno i dokaz postizanja stabilnog procesa anaerobne obrade pivske komine kao monosupstrata, koji je unatoč inhibiciji s međuproduktima razgradnje lignocelulozne strukture supstrata, ponovljiv u ciklusima. Oko 100-og do 120-og dana provedbe procesa pojavile su se očekivane poteškoće s prilagodbom biomase na razgradnju intermedijarnih produkata, koje su uspješno savladane i proces je uspješno nastavljen. Dostignuta je razgradnja suhe tvari između 75, 5 % i 80, 4 % i prinos bioplina između 90, 4 i 107 L/kg sirove pivske komine. Dvostupnjeviti proces u reaktorima s miješanjem (konfiguracija serijski povezanih SDR i GBR reaktora) je u prvom planu pokazao i bolju razgradivost supstrata. Postignuta je razgradnja suhe tvare između 88, 6 % i 95, 7 %, a proizvedeno je i više bioplina u odnosu na prethodni proces (između 83, 1 L/kg i 119, 8 L/kg sirove pivske komine), čime je gotovo dostignuta teoretska vrijednost bioplinskog potencijala. Međutim, problemi u kontinuiranoj provedbi procesa ustanovljeni su već oko 90-og dana trajanja procesa, kada se proces počeo usporavati. Intervencijom na proces oko 160-og dana, isti je spašen od zastoja, ali usporavanje se nastavilo do 290-og dana, kad je proces zaustavljen. Proces nije bio dovoljno stabilan za praktičnu primjenu i daljnji razvoj do industrijskog mjerila. Razlog za to je najvjerojatnije preintenzivno miješanje u reaktorima, uslijed čega su se u granuliranom reaktoru granule dezintegrirale, odnosno deaktivirale i nisu više bile u stanju uspješno razgrađivati intermedijarne fenolne produkte. U završnom dijelu rada analiziran je ostatak (digestat) anaerobne obrade komine za upotrebu u poljoprivredi kao gnojivo. Ostatak je zadovoljio sve parametre za upotrebu osim u pogledu izmjerene koncentracije antracena, koja je bila nešto povišena u odnosu na zakonski propisanu vrijednost. Pretpostavka je da bi sazrijevanjem ostatka (digestata) na isti način kako se ono odvija kod kompostiranja, bilo moguće zadovoljiti zahtjeve za njegovom upotrebom na poljoprivrednom zemljištu. Na taj način bi se krug upotrebe pivske komine kao monosupstrata zatvorio. Na temelju svega iznesenog, može se zaključiti da je proizvodnja bioplina iz pivske komine kao monosupstrata održiva i moguća.

Izvorni jezik
Hrvatski

Znanstvena područja
Kemijsko inženjerstvo

POVEZANOST RADA