Anaerobní digesce

Související články obsahuje
Portál Fytoenergetika a kompostárenství

Anaerobní digesce označuje kontrolovanou mikrobiální přeměnu organických látek bez přístupu vzduchu za vzniku bioplynu a digestátu. Produktem digesce je digestát, který splňuje kvalitativní požadavky vyhlášky o biologických metodách zpracování biologicky rozložitelných odpadů.

Termín anaerobní digesce má několik synonym, která se zcela nebo zčásti překrývají: anaerobní fermentace, anaerobní stabilizace a anaerobní vyhnívání.

Bakteriální produkce metanu

Rozšíření

Bakteriální produkce metanu se vyskytuje v přirozených anaerobních prostředích, jež vznikají v sedimentech, zamokřených půdách, rýžových polích, trávících systémech apod. Bakterie zodpovědné za produkci metanu patří do unikátní genealogické skupiny, o které panuje přesvědčení, že se vytvořila dávno před tím, než se v zemské atmosféře objevil kyslík.

Popis

Pro popis anaerobního metabolismu byly vytvořeny postupem času tři modely.

Nejstarší model předpokládal dvoufázový proces, který zahrnoval acidogenní fázi, během které jsou produkovány mastné kyseliny a metanogenní fázi, v jejímž průběhu metanogeni přeměňují tyto kyseliny na CO2 a CH4, ale mohou také k produkci metanu využít CO2 a H2.

Třífázový model, popsaný Mackiem a Bryantem (1981), začíná fermentační fází, ve které jsou komplexní organické materiály (např. uhlovodíky, proteiny a lipidy) konvertovány na mastné kyseliny, alkoholy, CO2 a čpavek. Ve druhé fázi vodík produkující acetogenní baktérie štěpí tyto produkty na H2, CO2, acetát a nižší mastné kyseliny. Ve třetí fázi využívají metanogeni H2, CO2 a acetát pro produkci metanu a mikrobiální biomasy.

Dnes je uznáván nejnovější čtyřfázový model.

Průběh čtyřfázové anaerobní fermentace načrtnul Nordberg (1996).

Tento model zahrnuje čtyři hlavní skupiny mikroorganismů:

  1. Hydrolytické bakterie, které rozkládají organické polymery na kyselinu octovou, H2, CO2, jiné jednouhlíkaté látky, organické kyseliny vyšší než kyselina octová a alkoholy vyšší než metanol;
  2. Vodík produkující acetogenické baktérie (obligátní a fakultativní anaeroby), jež mohou fermentovat organické kyseliny vyšší než kyselina octová a alkoholy vyšší než metanol na H2 a CO2;
  3. Homoacetogenické bakterie, které mohou přeměňovat široké spektrum jedno a víceuhlíkatých látek na kyselinu octovou;
  4. Metanogeni, které mohou z acetátu, H2, CO2 a některých dalších jednouhlíkatých organických látek vytvářet metan.

Klíčovým momentem produkce metanu je přenos vodíku mezi acetogenními a metanogenními bakteriemi.

Meziprodukty

Za nejdůležitější meziprodukt anaerobní digesce jsou považovány mastné kyseliny, zejména kyselina propionová. Průběh fermentace může být měněn inokulací: např. Lactobacillus spp. bude produkovat pouze laktát, zatímco Propionibacterium spp. by většinu substrátu konvertoval na kyselinu propionovou.

Technologické aplikace

Při interpretaci vícefázových modelů anaerobní konverze organických substrátů do reálných technologií je nutné si uvědomit, že acidogenní a metanogenní bakterie mají nejen rozdílné nutriční požadavky, ale i rozdílnou kinetiku růstu, odlišné požadavky na optimální pH a teplotu a odlišnou úroveň redox potenciálu prostředí. Metanogenní mikroorganismy ve srovnání s acidogenními vyžadují striktně anaerobní prostředí, jejich růst a množení je pomalejší a požadované optimum pH 7-7,5 je vyšší než pro acidogeny (6-6,5). Rovněž odolnost vůči různým stresovým faktorům je u těchto skupin mikroorganismů odlišná.

Proto byly vyvinuty technologie s dvoustupňovou anaerobní digescí umožňující lepší regulaci, rychlejší nastartování procesu, větší efektivitu a stabilitu fermentace. K oddělení fází je použitelná metoda kinetické separace s využitím rozdílné rychlosti růstu acidogenů a metanogenů. Použitelná je rovněž membránová separace, pomocí níž se nízkomolekulární meziprodukty z acidogenní fáze oddělují do fáze metanogenní.

Vícestupňová technologie anaerobní fermentace vyžaduje vyšší investiční náklady a je náročnější na regulaci, ale zabezpečuje mnohem stabilnější proces. Na přetížení bioreaktoru je možno reagovat již v acidogenní fázi, takže nemusí dojít k poklesu produkce bioplynu. Navíc jsou toxické produkty z acidogenní fáze kontinuálně odváděny, což zamezuje jejich akumulaci.

Přetížení bioreaktoru vzniká při nadměrném přídavku substrátu do bioreaktoru. Známé je zejména při anaerobní digesci, kde je častou příčinou snížení produkce bioplynu.

Methanogeneze je proces enzymatické anaerobní přeměny organických látek na methan a oxid uhličitý.

Materiály pro anaerobní digesci

Reference

  1. Vzájemné srovnání těchto termínů provedli Slejška a Váňa (2002)
  2. (Zehnder, Svensson, 1986)
  3. (Howgrave-Graham et al., 1991)
  4. (Sam-Soon et al., 1987)
  5. (Sahm, 1981)
  6. (Boone et al., 1993)
  7. (Verstraete et al., 1981)
  8. (Zauner, 1985)
  9. (Schlegel, 1995)
  10. (Massey, Pohland, 1978)
  11. (Pohland, Gosh, 1971)
  12. (Weiland, Rozzi, 1991)
  13. (Fox, Pohland, 1994)
  14. (Ormstead et al., 1980)
  15. (Nordberg et al., 1996)
  16. (Chynoweth et al., 1985)

Zpravodajství
díky, wikipedie! podporujeme stroke.cz podporujeme google.cz