Projektování modifikovatelných extrudérů k bioplynovým stanicím

• Foto

Mokrý proces představují nejčastěji soustavy kruhových, nezřídka vyhřívaných, železobetonových reaktorů opatřených míchadly, mezi kterými je provozní hmota kontinuálně přečerpávána. Sušina se tak pohybuje v rozmezí 4 až 9 %. Suché procesy manipulují s nemíchatelnou hmotou a představují nejčastěji soustavu garáží, do kterých lze materiál pouze mechanicky naskladnit a pak vyvézt. Mokré procesy odbourají díky většímu vystavení biomasy mikrobiálnímu průměrně 34 %, suché 27 % sušiny.

Mnoho energie, kterou rostliny během svého života ukládaly do energeticky náročných vazeb při syntézách biopolymerů vysoké molekulové hmotnosti (celulóza), však zůstává anaerobní digescí nevyužito. Důvodem je zřejmě evolučně opodstatněná vysoká rezistence rostlinné hmoty vůči různým mechanickým způsobům dezintegrace, která má enormní vliv na hloubku hydrolýzy a tím celý navazující proces tvorby bioplynu.

Dezintegraci rostlinné hmoty lze provádět konvenčními způsoby, mezi které lze zařadit různé drtiče a mlýny. Obtíž nastává v momentě, kdy biomasa není suchá, což lze u běžných vstupů (siláže, senáže) s vysokou pravděpodobností očekávat. Alternativou je drtící zařízení, které zmiňuje Bliničev (2008), či Stuart (1994). Tato zařízení se skládají z tvarovaných pevných a rotujících disků, na jejichž pracovní ploše jsou umístěny otvory různých geometrických tvarů. Podstata rozmělnění spočívá v tom, že materiál je přiváděn ke středu rotujícího disku a odstředivou silou je vytlačován do mezery mezi statorem a rotorem, kde vlivem působení vysokých smykových a tlakových sil dochází k dezintegraci suroviny. Otvory v rotoru způsobí díky vysoké frekvenci otáčení vznik lokálního kolísání tlaků, jejich pulsaci a kavitaci (Krátký, Jirout, 2010). Společným problémem je však energetická náročnost takovéto úpravy rostlinné hmoty (Schell, 1994), zvláště pokud je vlhká.

Zajímavou alternativou dezintegrace se jeví extruze. Sice se při ní natolik nesníží průměrná velikost částic, ale dezintegrace je osahováno "zevnitř". Tento jev lze externě detekovat například snížením viskozity. Když jsou parametry nastaveny opravdu optimálně (pro každý druh fytomasy je optimální nejen jiný tlak a doba zdržení, ale i hydromodul) dojde až k buněčné kavitaci. Tu lze uvnitř rostlinné buňky popsat vytvořením bublinek vakua, či plynu z okolního prostředí a následnou implozí způsobenou náhlým poklesem tlaku. Síla vakua způsobí, že do prostoru difundují ve formě par plyny z okolní kapalné fáze. Při vymizení podtlaku, který kavitaci vytvořil, bublina plynů imploduje za vzniku tlakové vlny s destruktivním účinkem na okolní materiál (obr. 2 a 3).

Při konstrukci extrudéru je třeba kalkulovat s tím, zdali není efektivnější sestrojit rovnou víceúčelové zařízení, které by dokázalo kontinuálně zpracovávat rostlinnou hmotu nejen procesem extruze, ale rovnou i hydrolýzou. Vysokotlaká hydrolýza je samozřejmě efektivnější, avšak náročnější nejen z konstrukčního hlediska.

Pokud budeme uvažovat o projektování reaktoru s modifikací na kyselou hydrolýzu, musíme brát v potaz, že při vysokých tlacích (obvykle 0,4 až 5 MPa) a teplotách (120 až 240 °C) jsou projevy kyselin i násobně silnější než za standardních podmínek. Dávkování (armatura výhradně z plastu) se obvykle pohybuje do 5 % (hmotnostně) kyseliny. Z materiálového hlediska je nezbytně nutné se procesního inženýra dotázat, jaká kyselina se bude užívat. Nejčastěji se jedná o kyselinu sírovou (H2SO4), dusičnou (HNO3), příležitostně i chlorovodíkovou (HCl), přičemž každá z podstaty věci vyžaduje jiné konstrukční materiály. S hydrolyzérem, který by užíval mix kyselin, nebo umožňoval jejich střídání, se doposud nebylo možné v praxi setkat. Riziko, že i po důkladném vymytí vznikne směs blízká lučavce královské, je v návaznosti na možné důsledky, až příliš vysoké.

Užití organických kyselin k hydrolýze rostlinné hmoty za vysokých tlaků je méně probádané. V praxi se s touto technologií zatím setkat nelze. Z konstrukčního hlediska lze očekávat, že by tato aplikace přinášela méně problémů, než výše uvedené silné anorganické kyseliny.

Zásaditá hydrolýza je stejně problematická, jako užití silných anorganických kyselin. Plášť reaktoru musí ve většině případů odolávat hydroxidu sodnému (NaOH) a čpavku (technologie AFEX, amonium fiber explosion). Lze se však setkat i s užitím dalších silných hydroxidů, například aplikace hydroxidu draselného (KOH), či lithného (LiOH).

Nejjednodušší modifikace extruzního zařízení je provázání na enzymatickou hydrolýzu, která prakticky vyžaduje pouze konstrukci velkých reaktorů. Koroze samotnými enzymy se není třeba obávat, ale nutno mít na paměti, že každý enzym potřebuje nejen biologicky opodstatněnou optimální teplotu, ale také pH.

Každá bioplynová stanice je jedinečná nejen z pohledu technologického řešení, ale i co do palety vstupů. Při zavádění extrudéru, či hydrolyzéru před bioplynovou stanici čeká operátory série provozních experimentů. Mezi kritické parametry patří nalezení optimálního hydromodulu. Hmota musí být dostatečně řídká, aby mohla přívodem do extrudéru kontinuálně procházet, avšak obsah vody nesmí být natolik vysoký, aby ohrožoval ekonomiku provozu. Nižší sušina je příznivější z hlediska hloubky procesu, avšak příliš vody může způsobovat problémy s udržením konstantního tlaku díky pohybu vnitřního šneku.

Stejně tak je třeba nalézt experimentálně optimální dobu zdržení. Při příliš krátkém zdržení uvnitř reaktoru nedojde k proniknutí efektu tlaku až hluboko do vnitřních struktur a proces pak nemůže být efektivní. Jakákoli zbytečná prodleva v extrudéru se naopak negativně promítne do energetické náročnosti procesu.

Samostatným problémem řízení procesu, který je úzce propojený již s návrhem zařízení je nalezení ideálního extruzního/hydrolyzačního tlaku. Rostlinná hmota je totiž působení tlaku odolná skokově, tudíž v některých intervalech zvyšování tlaku nepřináší hmatatelný účinek. Při nízkém tlaku je efekt minimální. Jakékoli zvýšení tlaku efekt zvyšuje, ale je energeticky náročné a přináší vyšší nároky na konstrukci. Překročení kritického tlaku způsobuje biochemické procesy, které zvyšují přítomnost inhibitorů. Ty se mohou negativně promítnout v navazujícím procesu tvorby bioplynu. Největší dovedností je tak nalezení optimálních parametrů, které jsou pro každý vstupující materiál různé.

Vzhledem k tomu, že rostlinná hmota se díky krizi v živočišné produkci povaluje již několikátý rok volně po polích a teplo k provozu extrudéru lze zajistit rekuperací z kogenerační jednotky, ekonomické analýzy investice do extrudéru vypadají velmi příznivě.

Zdroje informací:

• Bliničev, et el.: High-effective machines of rotor type with developed cavitation
• Czasopismo techniczne 2-M/2008, ISSN 0011-4561
• Krátký, Lukáš; Jirout, Tomáš: Studie a teoretické návrhy technických řešení metod zpracování v oblasti mletí, drcení a rozmělňování biomasy; Praha: České vysoké učení technické v Praze Fakulta strojní – Ústav procesní a zpracovatelské techniky, 2010; 52 s.
• Schell, D. J., Hardwood, Ch.: Milling of lignocellulosic biomass; Applied Biochemistry and Biotechnology 45/46, 1994, str. 159–168
• Stuart, D. E .: Treatment of fibrous lignocellulosic biomass by high shear forces in a turbulent Couette flow to maket he biomass more susceptible to hydrolysis; Int. Cl. C12P 19/14, US 005370999A, 6. 12. 1994

Designing of Modified Extruders for Biogas Stations
Controversial changes of legislation in the area of solar panels turn the interest of the farmers back to the construction of biogas power stations where so far the redemption price for 1 MWel is more certain. Agricultural biogas stations may be divided to dry and wet process from the point of view of technology. The article deals with the issue of designing biogas extruders depending on the planned process of disintegration of vegetable matter.

Autor

• Ing. Maroušek Josef Ph.D.