VDI
VDI
4630
4630
SS
ZERVES ANYAGOK FERMENTÁLÁSAZERVES ANYAGOK FERMENTÁLÁSA–
– A
A
SZUBSZTRÁTUM JELLEMZÉSE SZUBSZTRÁTUM JELLEMZÉSE,,
MINTAVÉTELEZÉS MINTAVÉTELEZÉS,,
LÉNYEGES ADATOK GYŰJLÉNYEGES ADATOK GYŰJTÉSETÉSE
,,
FERMENTÁCIÓS TESZTEK FERMENTÁCIÓS TESZTEKT
T
ARTALOMJEGYZÉKARTALOMJEGYZÉK00 ElőszóElőszó ... ... ... 33
11 Célkitűzések Célkitűzések ... ... ... 44
22 Alkalmazási Alkalmazási terület ...terület ... 4... 4
33 Definíciók ...Definíciók ... ... 44
44 Szubsztrátum Szubsztrátum jellemzése ...jellemzése ... ... 99
4.1 4.1 Alapelvek...Alapelvek... ... 99
4.2 4.2 Jellemző tulajdonságok leírásaJellemző tulajdonságok leírása ... ... ... 99
4.2.1 4.2.1 Konzisztencia ...Konzisztencia ... .. 99
4.2.2 4.2.2 Összetétel ...Összetétel ... ... 99
4.2.3 4.2.3 Interferáló Interferáló anyagok anyagok ... 10... 10
4.2.4 4.2.4 Szennyezők Szennyezők ... ... ... 1010 4.2.5 4.2.5 Higiénia ...Higiénia ... ... 1111 4.2.6 4.2.6 Fermentálhatóság ...Fermentálhatóság ... ... 1111 4.2.7 4.2.7 BiogBiogáz hozam és minőségáz hozam és minőség ... 11 ... 11
4.2.8 4.2.8 Jogi Jogi osztályozás ...osztályozás ... 12... 12
4.3 4.3 Szilárd Szilárd szubsztrátumok szubsztrátumok ... 12... 12
4.3.1 4.3.1 Homogén Homogén szilárd szilárd szubsztrátumok szubsztrátumok ... 12... 12
4.3.2 4.3.2 Inhomogén szilárd Inhomogén szilárd szubsztrátumok ...szubsztrátumok ... 12... 12
4.3.3 4.3.3 ElőkészítésElőkészítés ... ... ... 1313 4.4 4.4 Paszta-Paszta-szerű és „spadeszerű és „spade--able” szubsztrátumok able” szubsztrátumok ... 13 ... 13
4.5 4.5 Folyékony Folyékony szubsztrátumok ...szubsztrátumok ... ... 1313 55 Mintavételezés és minta előkészítésMintavételezés és minta előkészítés ... 15 ... 15
5.1 5.1 Az Az alkalmazás alkalmazás tartománya tartománya ... 15... 15
5.2 5.2 Mintavételezés ...Mintavételezés ... ... 1515 5.2.1 5.2.1 Tervezés ...Tervezés ... ... 1616 5.2.2 5.2.2 Végrehajtás ...Végrehajtás ... ... 1717 5.3 5.3 Megőrzés éMegőrzés és s szállítás ...szállítás ... 20... 20 5.4 5.4 Minta előkészítésMinta előkészítés ... ... ... 2020 66 Lényeges adatok gyűjtéseLényeges adatok gyűjtése ... ... ... 2222 77 Fermentációs vizsgálatok: Fermentációs vizsgálatok: szakaszos eljárások ... 22szakaszos eljárások ... 22
7.1 7.1 Anyag éAnyag és s módszerek módszerek ... 23... 23
7.1.1
7.1.1 Fermentációs vizsgáló Fermentációs vizsgáló berendezés...berendezés... 23... 23 7.1.2
7.1.2 Visszaoltott iszap „Seeding sludge”Visszaoltott iszap „Seeding sludge” ... ... ... 2727 7.1.3
7.1.3 Mintamennyiség ...Mintamennyiség ... ... 2828 7.1.4
7.1.4 Referencia Referencia minta használata ...minta használata ... 29... 29 7.2
7.2 Vizsgálati eVizsgálati eljárás ...ljárás ... 29... 29 7.3
7.3 Becslés ...Becslés ... ... 3030 7.4
7.4 Elemzési jelentés vagy vizsgálati jegyzőkönyvElemzési jelentés vagy vizsgálati jegyzőkönyv... 33... 33 88 Fermentációs vizsgálatok: folyamatos Fermentációs vizsgálatok: folyamatos eljárások ...eljárások ... 34... 34
8.1
8.1 Módszertan ...Módszertan ... ... 3434 8.1.1
8.1.1 Célok Célok ... 34... 34 8.1.2
8.1.2 Speciális Speciális aspektusok aspektusok ... 35... 35 8.2
8.2 Kísérleti Kísérleti módszerek módszerek ... 36... 36 8.2.1
8.2.1 Egyszerű folyamatos fermentációs vizsgálatEgyszerű folyamatos fermentációs vizsgálat ... ... ... 3737 8.2.2
8.2.2 Komplex Komplex folyamatos fermentációs folyamatos fermentációs vizsgálat vizsgálat ... 39... 39 8.2.3
8.2.3 Vizsgálati Vizsgálati eredmények interpretálása ...eredmények interpretálása ... 40... 40 99 Függelékek ...Függelékek ... ... 4444
9.1
9.1 „A” függelék – „A” függelék – Mintavételezési jegyzőkönyvMintavételezési jegyzőkönyv ... ... ... 4444 9.2
9.2 „B” függelék – „B” függelék – Minták listája a mintavételezési jeMinták listája a mintavételezési jegyzőkönyvhözgyzőkönyvhöz ... ... ... 4545 9.3
7.1.1
7.1.1 Fermentációs vizsgáló Fermentációs vizsgáló berendezés...berendezés... 23... 23 7.1.2
7.1.2 Visszaoltott iszap „Seeding sludge”Visszaoltott iszap „Seeding sludge” ... ... ... 2727 7.1.3
7.1.3 Mintamennyiség ...Mintamennyiség ... ... 2828 7.1.4
7.1.4 Referencia Referencia minta használata ...minta használata ... 29... 29 7.2
7.2 Vizsgálati eVizsgálati eljárás ...ljárás ... 29... 29 7.3
7.3 Becslés ...Becslés ... ... 3030 7.4
7.4 Elemzési jelentés vagy vizsgálati jegyzőkönyvElemzési jelentés vagy vizsgálati jegyzőkönyv... 33... 33 88 Fermentációs vizsgálatok: folyamatos Fermentációs vizsgálatok: folyamatos eljárások ...eljárások ... 34... 34
8.1
8.1 Módszertan ...Módszertan ... ... 3434 8.1.1
8.1.1 Célok Célok ... 34... 34 8.1.2
8.1.2 Speciális Speciális aspektusok aspektusok ... 35... 35 8.2
8.2 Kísérleti Kísérleti módszerek módszerek ... 36... 36 8.2.1
8.2.1 Egyszerű folyamatos fermentációs vizsgálatEgyszerű folyamatos fermentációs vizsgálat ... ... ... 3737 8.2.2
8.2.2 Komplex Komplex folyamatos fermentációs folyamatos fermentációs vizsgálat vizsgálat ... 39... 39 8.2.3
8.2.3 Vizsgálati Vizsgálati eredmények interpretálása ...eredmények interpretálása ... 40... 40 99 Függelékek ...Függelékek ... ... 4444
9.1
9.1 „A” függelék – „A” függelék – Mintavételezési jegyzőkönyvMintavételezési jegyzőkönyv ... ... ... 4444 9.2
9.2 „B” függelék – „B” függelék – Minták listája a mintavételezési jeMinták listája a mintavételezési jegyzőkönyvhözgyzőkönyvhöz ... ... ... 4545 9.3
0
0
E
E
LŐSZÓLŐSZÓA Megújuló Energiaforrás Törvény (EEG) ere
A Megújuló Energiaforrás Törvény (EEG) eredményeként észrevehető mértékűdményeként észrevehető mértékű növekedést láthatunk növekedést láthatunk a biogáz termelésében és használatában. Ezen törvény foglalkozik mind a
ko-a biogáz termelésében és hko-asználko-atábko-an. Ezen törvény foglko-alkozik mind ko-a ko-fermentálást (különbözőfermentálást (különböző eredetű anyag
eredetű anyag-áramok szimultán fermentálása) tartalmazó berendezésekkel, mind pedig különleges-áramok szimultán fermentálása) tartalmazó berendezésekkel, mind pedig különleges anyag-áramok (pl. félig-nedves hígtrágya) monofermentálásának rendszereivel. Ilyen típusú anyag-áramok (pl. félig-nedves hígtrágya) monofermentálásának rendszereivel. Ilyen típusú berendezések
berendezések tervezése és működési optimalizálása sorántervezése és működési optimalizálása során a referenciát általában úgy kapjuk, hogya referenciát általában úgy kapjuk, hogy hasonló fermentációk és egyéb vizsgálatok eredményeit használjuk fel
hasonló fermentációk és egyéb vizsgálatok eredményeit használjuk fel – – létező üzemekből származólétező üzemekből származó adatokkal és információkkal együtt ezekből kinyert tapasztalatok
adatokkal és információkkal együtt ezekből kinyert tapasztalatok ként.ként.
Bár a laboratóriumban korábban végrehajtott fermentációs vizsgálatok eredményeit nem lehet Bár a laboratóriumban korábban végrehajtott fermentációs vizsgálatok eredményeit nem lehet könnyen interpretálni, mivel ezen vizsgálatok gyakran különféle körülmények között történnek és könnyen interpretálni, mivel ezen vizsgálatok gyakran különféle körülmények között történnek és néhány esetben bizonyos feltételeket nem lehet tisztán elkülöníteni egymástól. Másrészt különféle néhány esetben bizonyos feltételeket nem lehet tisztán elkülöníteni egymástól. Másrészt különféle szervezetektől kapható
szervezetektől kapható eredményeket (amelyek némelyike publikálásra került), amelyek aeredményeket (amelyek némelyike publikálásra került), amelyek a szubsztrátumok fermentációs tulajdonságainak bizonyos paramétereit írják le, a legtöbb esetben nem szubsztrátumok fermentációs tulajdonságainak bizonyos paramétereit írják le, a legtöbb esetben nem lehet direkt módon összehasonlítani
lehet direkt módon összehasonlítani – – ugyanazon paramétereket gyakran különféle módszerekkel és ugyanazon paramétereket gyakran különféle módszerekkel és eljárásokkal határozzák meg. Ráadásul meg kell említeni, hogy a biogáz szubsztrátumokat a eljárásokkal határozzák meg. Ráadásul meg kell említeni, hogy a biogáz szubsztrátumokat a különböző emberek gyakran különféleképpen írják le, ezáltal
különböző emberek gyakran különféleképpen írják le, ezáltal nehezítve a hatékony kommunikációt nehezítve a hatékony kommunikációt ezen anyagok
ezen anyagokról a feldoról a feldolgozó lgozó és a és a szállítmányozó között. szállítmányozó között. Másik proMásik problématerület, hogy blématerület, hogy nemnem lehetséges összehasonlítható eredményeket kapni, hacsak nem standard irányelvek alapján definiált lehetséges összehasonlítható eredményeket kapni, hacsak nem standard irányelvek alapján definiált reprezentatív mintákat használunk.
reprezentatív mintákat használunk.
Mindezen hiányosságok és a gyakori, nem-összehasonlítható eredmények kényszerítették ki az Mindezen hiányosságok és a gyakori, nem-összehasonlítható eredmények kényszerítették ki az átfogóbb biogáz termelést és felhasználást, és egyben gátolják ezen szektor piacainak további átfogóbb biogáz termelést és felhasználást, és egyben gátolják ezen szektor piacainak további növekedését. Ezen szerencsétlen helyzet megoldására ez az irányelv gyakorlati használatra vonatkozó növekedését. Ezen szerencsétlen helyzet megoldására ez az irányelv gyakorlati használatra vonatkozó szabályokat és útmutatásokat ír elő, amely lehetséges megoldásokat kínál az eddig megválaszolatlan szabályokat és útmutatásokat ír elő, amely lehetséges megoldásokat kínál az eddig megválaszolatlan kérdésekre. … Ez az irányelv mindezen c
kérdésekre. … Ez az irányelv mindezen célok eléréséhez nyújt segítséget.élok eléréséhez nyújt segítséget. Ezúton fejezzük ki köszönetünket az irányelv
1
1
C
C
ÉLKITŰZÉSEKÉLKITŰZÉSEKA VDI 4630 Irányelv szabályokat ad szerves anyagok fermentálhatóságának megbecslésére és a A VDI 4630 Irányelv szabályokat ad szerves anyagok fermentálhatóságának megbecslésére és a megfelelő vizsgálati összeállításokhoz szükséges készülékek és berendezések kiválasztására. Mielőtt megfelelő vizsgálati összeállításokhoz szükséges készülékek és berendezések kiválasztására. Mielőtt ee területet érintenénk, a fontos kifejezések definícióit tárgyaljuk. Továbbá ezen irányelv információkat területet érintenénk, a fontos kifejezések definícióit tárgyaljuk. Továbbá ezen irányelv információkat tartalmaz a szubsztrátumok jellemzésére
tartalmaz a szubsztrátumok jellemzésére – – ezáltal leírására -, és meghatározza azon követelményeket, ezáltal leírására -, és meghatározza azon követelményeket, hogyan kell a szubsztrátumok bizonyos jellemzőit mérni, hogy az jelen tudásunknak megfelelően hogyan kell a szubsztrátumok bizonyos jellemzőit mérni, hogy az jelen tudásunknak megfelelően történjen, valamint ha szükséges az összehasonlíthatóság. Továbbá útmutatásokat találunk arra, történjen, valamint ha szükséges az összehasonlíthatóság. Továbbá útmutatásokat találunk arra, hogyan kell
hogyan kell a különböző anyaga különböző anyag--áramokból reprezentatív mintát venni. Összefoglalva a következőáramokból reprezentatív mintát venni. Összefoglalva a következő pontokkal foglalkozik jelen irányelv
pontokkal foglalkozik jelen irányelv::
MeghatározásokMeghatározások
Szubsztrátumok jellemzéseSzubsztrátumok jellemzése
Mintavételezés és a minták előkészítéseMintavételezés és a minták előkészítése Lényeges adatok meghatározásaLényeges adatok meghatározása
Szakaszos és folyamatos fermentációs vizsgálatokSzakaszos és folyamatos fermentációs vizsgálatok
Ezen irányelvet ajánljuk azon biogáz berendezésekkel
Ezen irányelvet ajánljuk azon biogáz berendezésekkel foglalkozó laboratóriumoknak, tervezőknek,foglalkozó laboratóriumoknak, tervezőknek, gyár építőknek és szakembereknek, akik szerves anyagok használatát kívánják vizsgálni.
gyár építőknek és szakembereknek, akik szerves anyagok használatát kívánják vizsgálni.
2
2
A
A
LKALMAZÁSI TERÜLETLKALMAZÁSI TERÜLETEzen irányelv alkalmazható olyan esetekben, ahol fermentált szerves anyagok vizsgálata történik. A Ezen irányelv alkalmazható olyan esetekben, ahol fermentált szerves anyagok vizsgálata történik. A használat pontos körülményei az irányelv vonatkozó fejezeteinél talá
használat pontos körülményei az irányelv vonatkozó fejezeteinél találhatóak.lhatóak.
3
3
D
D
EFINÍCIÓKEFINÍCIÓKDegradáció mértéke %-ban (degree of
Degradáció mértéke %-ban (degree of degradation)degradation)
Az anaerob degradálás következtében létrejött szerves anyag koncentráció csökkenése az eredeti Az anaerob degradálás következtében létrejött szerves anyag koncentráció csökkenése az eredeti szubsztrátum tartalomhoz viszonyítva.
szubsztrátum tartalomhoz viszonyítva. Hulladék (waste)
Hulladék (waste)
Változó tulajdonság, amelyet a KrwBbfG törvény 1. melléklete tartalmaz,
Változó tulajdonság, amelyet a KrwBbfG törvény 1. melléklete tartalmaz, és amelytől a tulajdonosés amelytől a tulajdonos meg kíván szabadulni.
meg kíván szabadulni.
Keletkezett koncentráció (Effluent concentration) Keletkezett koncentráció (Effluent concentration) Például, kg
Például, kgoTSoTS/m/m33-ben vagy kg-ben vagy kgTSTS/m/m33-ben *-ben *
Keletkezett anyag koncentrációja (például szerves szárazanyagtartalom kg
Keletkezett anyag koncentrációja (például szerves szárazanyagtartalom kgoTSoTS/m/m33-ben).-ben).
Keletkezett tömegáram (Effluent load) Keletkezett tömegáram (Effluent load) Például, kg
Például, kgoTSoTS/d-ben vagy kg/d-ben vagy kgTSTS/d-ben/d-ben
Fermentációs
Fermentációs berendezésben egy berendezésben egységnyi idő alatt lerakódott tömeg.ségnyi idő alatt lerakódott tömeg. Anaerob kezelés
Anaerob kezelés
Levegő (oxigén) kizárásával történő biotechnológiai folyamat, amelynek célja a szerves anyagok Levegő (oxigén) kizárásával történő biotechnológiai folyamat, amelynek célja a szerves anyagok lebontása és eközben biogáz kinyerése.
lebontása és eközben biogáz kinyerése. Anaerob degradálódás
Anaerob degradálódás
A szubsztrátumok vagy ko-szubsztrátumok mikrobiológiai lebomlásának mértéke, általában biogáz A szubsztrátumok vagy ko-szubsztrátumok mikrobiológiai lebomlásának mértéke, általában biogáz képződési potenciálként kifejezve.
képződési potenciálként kifejezve. Szakaszos vizsgálat
Szakaszos vizsgálat
Nem folytonos vizsgálatok, amelyekben szerves szubsztrátumokat és koszubsztrátumokat fermentálnak meghatározott anaerob körülmények között, és melyben információt kapunk a fermentációról, inhibícióról, valamint a gázhozamról.
Biohulladék
Aerob vagy anaerob körülmények között lebontott hulladékok, például étel és kerti hulladék, mezőgazdasági és háztartási szerves hulladék.
Biogáz
A fermentálás gázterméke, amely t elsődlegesen metánt és szén-dioxidot tartalmaz, és tartalmazhat szubsztráttól függően ammóniát, hidrogén-szulfidot, vízgőzt és más gázt vagy illékony komponenst. Biogáz hozam (yield)
Például, ℓ N/kgoTS- ben vagy ℓ N/kgFM-ben†‡
Biogáz mennyisége egységnyi mennyiségű szubsztrátum betáplálása esetén. Biogáz keletkezési potenciál (Biogas formation potential)
Például ℓ N/kgoTS-ben
A lehetséges maximális biogáz hozam, amely egy meghatározott mennyiségű szubsztrátumból ered. Biogáz mennyiség
Például ℓ N-ben.
Egységnyi térfogatban kialakult biogáz mennyisége. Biogáz szint (rate)
Például ℓ N/d-ben.
Időegység alatt gyártott biogáz mennyisége.
Biogáz szint, specifikus (biogáz termelékenység) ℓ N/(ℓ∙d)-ben
A biogáz szint és a fermentor aktív fermetációs térfogatának aránya. Kémiai oxigénigény (KOI) (chemical oxygen demand, CSB; COD) Oxidálható elegy tartalmának mérése a szubsztrátumban.
Ko-fermentálás
(Itt) egy anaerob biotechnológiai folyamat, amelyben az (elsődleges) szubsztrátomot fermentálják együttesen egy vagy több további szubsztrátumokkal (koszubsztrátumok).
Koszubsztrátum
Fermentálás alapanyaga, amely nem a legnagyobb mennyiséget képezi a fermentálandó összes anyagból.
Részminta
Egyszeri mintavételezéssel történő mintamennyiség; időben és térben szorosan határolt egy mintavételi ponthoz.
Energianövények (Energy plants)
Kizárólag energetikai céllal termesztett növények.
†ℓ
N: standard liter, liter normál körülmények között ‡ FM=nedves anyag mennyisége (fresh mass)
Szennyvíz fermentálása (digestion)
Fermentálásra egy kifejezés (gyakran használják szennyvízek kezelésével kapcsolatban).„rothasztás: anaerob digestion”
Fermentált szennyvíz-iszap (digested sludge) Fermentált szennyvíz iszap = digested sewage sludge Fermentálás
Termék előállítására egy biotechnológiai folyamat. Fermentor térfogata (Fermenter volume)
A fermentor (reaktor) térfogata, amelyben a fermentálás történik. Nedves anyag tömeg (Fresh mass, FM)
Anyag vagy szubsztrátum tömege eredeti állapotában, természetes víztartalmával együtt. Fermentációs maradék (residue)
Fermentálás után maradó szilárd vagy folyékony anyag. Fermentációs termékek
Fermentálás eredményeként kapott gáz-, folyékony vagy szilárd halmazállapotú anyagok, amelyeket további újrahasznosításra felhasználhatjuk.
Fermentációs vizsgálat (test)
Szakaszos vizsgálat; a DIN 38414-8 ajánlásainak megfelelő vizsgálat, vagy nagyon precízen dokumentált eljárás.
Fermentációs viselkedés (behaviour)
Az a mód, amely során a biogáz (szennyvíz kezelések esetén „digester” vagy „sewage gas”) keletkezik, és tartalmazza az olyan anyagokat a szubsztrátumban, mint üledék, maradék vagy melléktermékek (mivel a fermentálható anyagot és más anyagokat azonosítani kell az analízis során). Fermentációs kísérlet (trial)
Szerves anyag fermentálására vonatkozó vizsgálat. Gáz hozam (gas yield)
ld. biogáz hozam
Gázképződés (formation of gas, GF 21)
Például ℓ N/kgoTS-ben (21 nap alatt)
A gázhozam értéke egy specifikus szakaszos vizsgálat során egy rögzített idő alatt (pl. GB21 gázképződés 21 nap alatt; ld. AbfAb1V törvényt).
Alapmennyiség
Az anyag aktuális mennyisége, amely elérhető vizsgálatok céljából, és térben, időben lehet korlátozott. Inhibíció
Fermentálás meggátolása azáltal, hogy az aktív mikroorganizmusokat károsítják vagy az enzimek hatékonyságát (aktivitását) csökkentik.
Homogenitás és inhomogenitás
Egy anyag vagy jellemző homogén vagy inhomogén eloszlásának mértéke; egy anyag lehet homogén egy komponensre és lehet inhomogén egy másikra.
Például, napban.
Az az átlagos idő, ameddig a szubsztrátum a fermentorban marad. (A betáplált szubsztrátum térfogatának és a fermentor térfogatának a hányadosa naponta.)
Visszaoltott iszap (seeding sludge, inoculum)
A mikrobiológiai biomassza, amelyet a fermetálás elején adnak hozzá, vagy a fermentálás során a folyamatok gyorsítására; a DIN 38414-8 „digested sludge”-ként hivatkozik; ha ettől különböző, akkor szigorúan dokumentálni kell.
Metán produktivitás, specifikus ℓ N;CH4/(ℓ∙d)-ben
Egységidő alatt termelt metán mennyiségének és a fermentor aktív működési térfogatának aránya. Kompozit minta (composite sample)
Az alapmennyiségből származó részminták keveréséből és kombinálásából készített minta. Megújuló alapanyagok (NAWARO)
Energiatermelési céllal termesztett növények és/vagy alapanyagként használva. Vakminta (vakvizsgálat, zero sample, zero teszt)
Szubsztrátum nélküli tisztán visszaoltott iszappal történő fermentálás. Szerves szárazanyag-tartalom
goTS/kgFM – ben vagy goTS/ ℓFM-ben
A minta térfogatának vagy tömegének súlyvesztesége, amelyet azalatt érünk el, amíg kontans tömeget nem kapunk, 550 oC hőmérsékleten hamuvá alak ítva. A súlyveszteség túlnyomóan de nem teljesen a
szerves alkotók miatt történik. Az illékony szerves komponensek, amelyek 105oC-on elillanak, ezzel a módszerrel nem regisztrálhatók, külön szükséges a meghatározásuk.
Organoleptikus (érzékszervi) minta vizsgálat
Minta tulajdonságainak leírása érzékeléssel, pl. illat, szín, zavarosság vagy sűrűség emberi érzékszervek segítségével.
Mintavételezés (sampling)
Olyan módszer, amely során a szubsztrátum vagy a fermentor tartalmának részeit kiveszik és előkészítik , hogy lényeges és reprezentatív megállapításokat tegyenek a teljes mennyiség kémiai vagy biológiai paramétereiről.
Minta előkészítés (sample preparation)
A reprezentatív mintához vagy a fermentációs kísérlethez szükséges minta előállítása elválasztás, méret csökkentés, osztályozás (szitával), stb. által.
Minta tárolás (sample storage)
Az a dolog, amely során a mintavételi és a mintaelőkészítési idő közötti, valamint a kémiai vagy biológiai analízisekben használt minta ideje közötti periódust áthidaljuk.
Referencia szubsztrátum és referencia minta
Szubsztrátum ismert biogáz potenciállal. (pl. mikrokristályos cellulóz) Reprezentatív minta
Egy minta, amely a vizsgálandó anyag alapmennyisége átlagos tulajdonságához lehető legközelebbi tulajdonsággal rendelkezik.
kgoTS/(m3∙d) – ben
A fermentor térfogatára vonatkozó napi „load” aránya. Összegzett minta
ld. komposit minta.
Szennyezők
Olyan anyagok, amelyek a fermentációs folyamatot gátolják vagy a fermentált termék felhasználását rontják.
Iszap„load”
kgoTS/( kgoTS∙d) - ben
A fermentorban levő száraz anyag és a napi „load” (kgoTS/d) aránya.
Háztartási hulladék (residental waste)
Háztartásokból származó hulladék és más típusú hulladékok, amelyek hasonlóak a természetükben és az összetételükben a háztartásihoz.
Interferenciák
Anyagok, amelyek befolyásolják a folyamatot, a technológiát vagy a termék minőségét (pl. műanyag, üveg vagy fém darabok, és a homok).
Szubsztrátum
A fermentálás nyersanyaga.
Napi „load”
Például kgoTS/d-ben vagy kgTS/d vagy kgCSB/d
A napi betáplált szubsztrátum mennyisége a fermentációs berendezésbe. Összes szilárd anyag szárazanyag tartalma (TS)
g/kg-ban, magas víztartalom esetén g/ℓ vagy a teljes mennyiség %-ban.
A víz termikus úton történő eltávolítása után megmaradt anyagok mennyisége – olyan, mint a 105 o C-on 24 órán át történő szárítás vagy kC-onstans tömeg eléréséig történő szárítás.
Fermentálás
Egy anaerob folyamat, amely során mikroorganizmusok közreműködésével vagy enzimeik hatásaival gyártunk egy terméket – esetünkben metánt tartalmazó biogázt.
Bejövő koncentráció
Például, kgoTS/m3-ben vagy kgTS/m3-ben
Egy anyag koncentrációja az bejövő áramban.
Bejövő „load”
Például kgoTS/d-ben vagy kgTS/d
4 S
ZUBSZTRÁTUM JELLEMZÉSEA fermentációt mint egy biotechnológiai folyamatot a legváltozatosabb szubsztrátumokkal lehet használni. A szubsztrátumok palettája széles körű, kezdődik a gőz kondenzátumoktól a biodízel gyártásban levő szilárd anyagokat nem tartalmazó folyékony glicerin hulladékon át (amely energia szempontból nagyon nagy minőségű), egészen a szilárd anyagok inhomogén keverékéig, mint amilyenek például a háztartási hulladékok szegregált típusai.
A fermentációs szubsztrátumok jellemezhetőek a fermentálásra való alkalmasságukkal és a lényeges anyag-specifikus tulajdonságaikkal. Első közelítésként ezen jellemzéssel már lehetséges lenne megbecsülni, mekkora mennyiségű szubsztrátumot lehet használni a fermentáláshoz és milyen előkészítés és mintavételi technikák szükségesek a további gyakorlatokhoz a fermentációs vizsgálatokban vagy a szubsztrátum ipari méretű fermentációja során. Nagyszámú szubsztrátumok megfelelőségére készült egy felmérés, például a VDMA 24435 standard előírásainál.
4.1 A
LAPELVEKA fermentációs szubsztrátumok jellemzésére használatos paraméterekre, amelyek a biotechnológia alkalmazhatóságból erednek, előkészítési munka szükséges, és a fermentációs szubsztrátum megfelelőségéből – akár általános jogi vonatkozásokat, akár hulladék kezeléssek kapcsolatos szabályozásokat figyelembe véve.
Előkészítés szükséges, ha a szubsztrátumok például tartalmaznak interferenciákat vagy szennyezőket vagy olyan konzisztenciákat, amelyek alkalmatlanná teszik ezeket a fermentálási folyamatra. Ezek az olyan tulajdonságokat eredményezik, mint konzisztencia, szerkezet, homogenitás és a szubsztrátum interferencia vagy szennyező tartalma.
Másik jellemző tulajdonság a szubsztrátum kémiai összetétele. Ebből nem csupán a fermentálhatóságra vonható le következtetés, hanem a várható gáz kihozatalra vonatkozóan is.
A technikai és biotechnológiai paramétereken túl a jogi követelményeket is figyelembe kell venni a szunsztrátum jellemzésénél a fermentálásnál. A szubsztrátum jogi osztályozásánál pl. mint hulladék vagy egy állati eredetű melléktermék esetén jellemző tulajdonság a higiéniai állapot vagy hasznosítás. A fermentációs szubsztrátumok jellemzésénél különbséget kell tenni a magasabb szintű jellemző tulajdonságok és a jellemző paraméterek között, mely utóbbi egy egyedi esetre vonatkozó jellemző tulajdonságként írható le.
4.2 J
ELLEMZŐ TULAJDONSÁGOK LEÍRÁSA 4.2.1 KONZISZTENCIAFermentáláskor
folyékony vagy önthető
pasztaszerű-től a „spadeable-darabolható”-ig szilárd
szubsztrátumok az elérhetőek. Ráadásul a szubsztrátumok lehetnek homogén és inhomogén formában. Ezen tulajdonságok meghatározzák a mintavételhez szükséges tevékenységeket, a szubsztrátum előkészítését és megőrzését, valamint a fermentálási eljárás alkalmazhatóságát a szubsztrátum folyamatában.
4.2.2 ÖSSZETÉTEL
A szubsztrátum összetétele alatt a kémiai összetételt értjük. A használatos alap paraméterek a leíráshoz:
kémiai oxigénigény (KOI; angolul COD; németül CSB) víztartalom vagy egy alternatívaként
Szárazanyagtartalom (TS) és
A szerves anyag a továbbiakban a következőkre bontható:
Zsírok Protein
Szénhidrátok Lignin
A jellemzés egy másik megközelítésében az alábbi paramétereket tartalmazhatja:
Széntartalom (C) (pl. TOC-ként mérve) Nitrogén tartalom (N)
Kén tartalom (S) Foszfor tartalom (P)
Magnézium tartalom (Mg) Kálium tartalom (K)
Az első megállapításokat a szubsztrátum szükséges fermentálhatóságára, az inhibíciós hatásokra és a biogáz hozamra e paraméterek segítségével tehetjük meg. A szubsztrátum C:N aránya és a C:S aránya
lehetőséget ad olyan következtetések levonására például, mint a az ammónia vagy a hidrogén-szulfid mennyiségétől függő lehetséges termék inhibíció a biogáz folyamatban.
A N, P, K és Mg paramétereket használjuk a szubsztrátum fermentálhatóságának jellemzésére és a fermentációs terméket műtrágya gyanánt történő értékelésére ugyanúgy, mint a Fertilizer Ordinance (Műtrágya Rendelet)-nek megfelelő osztályozás során.
4.2.3 INTERFERÁLÓ ANYAGOK
A fermentáció során használt szubsztrátumban levő interferáló anyagok azok, amelyek interferálnak a folyamattal, technológiával vagy a fermentált termék minőségével. Az interferáló anyagok azon szilárd keverékekben fordulnak elő túlnyomóan, amelyeket szubsztrátumként használunk a fermentálás során. Az interferáló anyagok tartalmaznak például:
nehéz anyagokat, mint homok, kövek, üveg, fémdarabok, csontok könnyű anyagokat, mint műanyag, fa és bőr.
A fermentációs szubsztrátumban az interferáló anyagok típusa és mennyisége alapvető faktor a fermentálási eljárás és az előkészítési módszer kiválasztásában.
4.2.4 SZENNYEZŐK
A szennyező anyagok gátolják a fermentálás folyamatát és a következő biotoxikus anyagokat tartalmazzák:
fertőtlenítőszer csíraölők antibiotikumok
A biotoxikus anyagok komolyan gátolják a fermentációs folyamatot és elég magas mennyiség jelenlétében akár meg is állíthatják. Például ha a fertőtlenítőszereket nem használják megfelelően, akkor a szennyezők belekerülhetnek az élelmiszerekből és a kozmetikai iparból. Antibiotikumokat találhatunk fermentációs maradékként az antibiotikus gyáraknál és a „animal excretory” termékeknél. A fermentálás termékeinek felhasználását csökkentő szennyezők:
nehézfémek
szerves szennyezők
A biogáz folyamatra a nehézfémek általában nem hatnak ártalmasan. A szárazanyag tartalomra vonatkozó nehézfém koncentráció olyan arányban növekszik, mint a szárazanyag lebomlása a fermentációs folyamat a szárazanyag biológiai lebomlása miatt. Ugyanez vonatkozik a szerves szennyezőkre.
Például ha a fermentálás termékeit műtrágyaként használjuk a mezőgazdaságban, akkor a fermentációs termékben levő nehézfém tartalom lényeges lehet. A nehézfémekre vonatkozó határértékeket a Biohulladék és Szennyvíz törvény írja elő.
4.2.5 HIGIÉNIA
Van néhány higiéniával kapcsolatos megfontolás, amely érinti a fermentálási szubsztrátumok egy részét. Ezek az állati melléktermékek, mint félnedves trágya vagy ganaj, vágóhídi hulladék és éttermek, büfék ételmaradékai. Ezen fermentációs szubsztrátumok tartalmazhatnak parazitákat, vírusokat és más patogén anyagokat.
A szubsztrátum lehetséges patogén tartalmát figyelembe kell venni a mintavételezés, a minták szállítása, megőrzése, előkészítése során és a fermentációs vizsgálatok végrahajtása alatt.
Maga a fermentációs folyamat észrevehetően csökkenti a patogén tartalmat a szubsztrátumban. Ez jelentős a termofil fermentálás esetében (kb. 55 oC). Amikor a szubsztrátumnak egészségügyi vonatkozásai lehetnek, akkor speciális előkészületek szükségesek ahhoz, hogy megakadályozzuk a patogén anyagok terjedését vagy távozását. Ezen előkészületeket érinti az biogáz berendezés építésére és felépítésére vonatkozó méréseket ugyanúgy, mint a folyamat szabályozását és a folyamat dokumentálását.
4.2.6 FERMENTÁLHATÓSÁG
A szubsztrátumok fermentálhatósága függ a konzisztenciától és a szubsztrátum összetételétől ugyanúgy, mint a biotoxikus anyagoktól, amelyek tartalmazhatnak csíraölőket és antibiotikumokat. Megkülönböztethetünk:
Képesítetlenül fermentálható szubsztrátumok, pl. alkoholok vagy glicerin
Mechanikai előkészítést és homogenizálást követően fermentálható szubsztrátumok, pl.
háztartási biohulladék
Kémiai vagy fizikai előkészítés után fermentálható szubsztrátumok, pl. a toxikus elemet pH
változtatásával lehet eltávolítani vagy a szubsztrátum mindaddig nem fermentálható, amíg kémiailag vagy biológiailag nem pépesítették
Feltételekkel fermentálható szubsztrátumok, például össze kell keverni vagy oldatni más
szubsztrátumokkal a fermetálás előtt. Ez lehetséges pl. magas nitrogén vagy kén tartalom esetén és inhibíció visszacsatoláskor, amely a mono-fermentáláskor várható.
Számos szubsztrátum fermentálhatóságáról a KTBL Working Paper No. 249-ben találhatnak információt.
4.2.7 BIOGÁZ HOZAM ÉS MINŐS ÉG
A biogáz hozam a biogáz mennyisége, amelyet standard körülmények között vizsgálnak. (273 K, 1013 hPa; ld. 7.3 fejezet), amelyet pl. a szubsztrátum nedves tömegének kg-jára határoznak meg. A szubsztrátum biogáz hozama alapvetően az anaerob körülmények között biológiailag lebontható szerves anyagok (zsírok, protein, szénhidrátok) összetételétől függ.
A szubsztrátum biogáz hozama változhat a néhány litertől az 1000 liternél is több mennyiségig a szubsztrátum 1 kg mennyiségére vonatkoztatva. Specifikusan nagyon nagy biogáz hozamot érhetünk el, ha például biodízel gyártásból származó koncentrált „flotate” zsírokat vagy glicerineket használunk szubsztrátumként. Különleges figyelmet érdemel a várható biogáz hozamra az, ha adagoljuk a szubsztrátumot a fermentációs kísérletekben.
A biogáz összetétele a szubsztrátum anyagainak összetételétől és a fermentálási folyamatparaméterektől függ. A metántartalom általában 50 és 80 térfogat% között mérhető. Ha a fermentálási közegben magas a pH értéke, akkor a szén-dioxid aránya relatíve magas és a hidrogén-szulfid nem lesz oldott a fermentációs közegben. Emiatt magas pH esetén magas metán tartalmat mérünk a biogázban.
Az elsődleges metán és másodlagos szén-dioxid gázon kívül a biogáz egyéb másodlagos gázokat is tartalmaz különböző koncentrációban. A biogáz reaktorban uralkodó körülmények között a biogáz
tartalmaz észrevehető mennyiségű vízgőzt. A gáz hőmérsékletét és különösen a vízgőz tartalmat figyelembe kell venni akkor, amikor például a biogáz berendezés csővezetékeit méretezzük.
A másodlagos gázok alacsony koncentrációban tartalmaznak hidrogént, hidrogén-szulfidot, ammóniát és különféle nyomgázokat. A káros gázok (hidrogén-szulfid és ammónia) a protein lebomlás során keletkeznek, és különös figyelmet kell fordítani rájuk. A motorokban levő biogáz növelheti a problémákat, ha például a szubsztrátum illékony sziliciumorganikus anyagot tartalmaz. Ezek a motorok károsodásához vezethetnek. A szubsztrátumban jelen levő sziliciumorganikus vegyületek a kozmetikai iparból származnak vagy olyan folyamatok mellékeként, mint „defoaming agent” .
4.2.8 JOGI OSZTÁLYOZÁS
A fermentációs szubsztrátumok jogi vonatkozásban az alábbiak szerint csoportosíthatóak:
hulladék szennyvíz istállótrágya
megújuló nyersanyagok
A hulladék alá van vetve a hulladékszabályozásnak, amely széles körű követelményeket fektet le a fermentációs technológiának, a fermentációs hulladékokkal dolgozó cégek szervezetének és a fermentációs termékek és berendezések minőségi vizsgálatának az alkalmazhatóságára. Ezen követelményeket az alábbi szabályozások tartalmazzák:
EC rendelet EGV 1774/02 Biohulladék rendelet Szennyvíziszap rendelet Műtrágya rendelet
A szennyvíz alá van rendelve a vízszabályozásnak, a szennyvizes fermentálás biogáz beredezései általában részét képezi a szennyvíz kezelő gyáraknak. A biogáz beredezésekben előkezelt szennyvízre nem vonatkoznak semilyen speciális szubsztrátumra vonatkozó szabályozások, mint például a vízfeldolgozó szektor esetében.
A speciálisan fejlesztett megújuló nyersanyagok biogáz termelése és az átalakítása elektromos energiává a Megújuló Energia Törvény (EEC) hatálya alá esik, és egyre inkább fontosabbá válik. Mára léteznek nem szubsztrátum – specifikus szabályozások a megújuló nyersanyagokra és hasznosításukra a biogáz bevezetésénél.
4.3 S
ZILÁRD SZUBSZTRÁTUMOKAzokat nevezzük szilárd szubsztrátumoknak, amelyeket egy halomban lehet tárolni. Szabályként elmondható, hogy ezen szilárd szubsztrátumok átlagos víztartalma kevesebb mint a tömegének 70%-a. A szilárd szubsztrátumok homogén és heterogén összetételűek lehetnek.
A szerves anyag biológiai lebontása csökkenést okoz a szubsztrátum szárazanyag mennyiségében. Következtetésképpen a szilárd szubsztrátum kisebb méretűvé és homogénebbé válik a fermentálás miatt.
4.3.1 HOMOGÉN SZILÁRD SZUBSZTRÁTUMOK
A homogén szilárd szubsztrátumok például a megújuló nyersanyagok, silózott takarmány, mezőgazdasági takarmány hulladék, vagy élelmiszergyártás előválogatott hulladéka. A homogén szilárd szubsztrátumokat jellemezni lehet az egységes anyag összetételével, egy definiált és leginkább homogén szemcseméret eloszlással és az interferáló anyagok szinte hiányával.
4.3.2 INHOMOGÉN SZILÁRD SZUBSZTRÁTUMOK
Az inhomogén szilárd szubsztrátumok például a háztartási biohulladék, bevásárlóközpontok szerves hulladékai, háztartási hulladék szerves része, és akár a lótrágya. Mindezek jellemezhetőek a heterogén anyag összetétellel, egy nemdefiniált szemcseméret eloszlással és néhány esetben az észlelhető mennyiségű interferáló anyagok mennyiségével.
4.3.3 ELŐKÉSZÍTÉS
A következőkben a szilárd szubsztrátumok előkészítésének alapelveivel foglalkozunk. Részletesebb információkat lehet találni pl. az ATV-DVWK M 372-ben.
4.3.3.1 Interferáló anyagok szétválasztása
A fermentációs szubsztrátumokan levő interferáló anyagokat kinyerik a fermentálás előtt a szubsztrátumból, ha szükséges, manuálisan, mechanikusan vagy hidromechanikus módon. A fermentációs berendezésekben az inert interferáló anyagok a tartályokban és a reaktorokban elhomokosodnak, a csöveket eltorlaszolja és megnövekedett terhelés van az aprító egységekben, keverőknél, pumpáknál. Nehéz anyagokat el lehet választani a szubsztrátumtól például ülepítéssel. A tartályokban és reaktorokban a könnyű anyagok nemkívánt salakréteget, „rags” (rongyokat) a keverőkben és csődugulást eredményeznek. Könnyű anyagokat el lehet választani a fermentálási szubsztrátumtól válogatással vagy automatikusan, szitás nedves mechanikai előkészítéssel.
4.3.3.2 Szennyezők elválasztása
Eddig nem volt kipróbált és megvizsgált eljárás a szubsztrátumok szennyezőinek elválasztására. Ezért ha fermentálási termékekben a magas arányú szennyező mennyiségét korlátozták, akkor csak arról kellett meggyőződni, hogy kizárólag alacsony szennyező-tartalmú szubsztrátumot használnak.
Figyelembe kell venni a szubsztrátumok kiválasztásánál szabályként, hogy a szerves anyagok lebontása a fermentáció alatt nem fogja befolyásolni a szennyezők abszolút mennyiségét – más szavakkal a szárazanyagra vonatkozó koncentrációk növekednek a szerves anyag lebontási folyamata során. Különleges figyelmet kell fordítani a nehézfémtartalomra.
4.3.3.3 Homogenizálás és péppé őrlés
Az interferáló anyagok elválasztásán felül a szilárd szubsztrátumok sokkal alaposabb előkészítést kívánnak, mint maga a fermentációs folyamat. Egy előkészítési folyamatnak az a célja, hogy a szubsztrátum homogén, optimális bio-elérhetőségi állapotba legyen, így technikai problámák nélkül fermentálható. A megfelelő eljárás nagy mennyiségű labort és energiát kíván, tehát költségelemzést kell elsőként végezni. Az előkészítés például az alábbi lépésekből állhat:
Méretcsökkentés Homogenizálás
Mechanikus szétesés vagy szuszpenzió Oldás, például egy fermetációs termékkel Kémiai, biokémiai vagy termikus pépesítés
4.4 P
ASZTA-
SZERŰ ÉS„
SPADE-
ABLE”
SZUBSZTRÁTUMOKA pasztaszerű és a „spade-able” szubsztrátumok olyanok, amelyek konzisztenciája (tömörsége) a pasztaszerűtől a „spadeable”-ig tart. Általában ezen szubsztrátumok homogének és mentesek az interferáló anyagoktól. A pasztaszerű szubsztrátumokat megfelelő technológiával szivattyúzhatják, de szükséges az előkészítés a fermentálásra, a legtöbb esetben mégis feloldják. A pasztaszerű szubsztrátumok például termelési hulladékok az élelmiszeriparból (pl. majonéz), bőrfeldolgozásból (pl. bőrhulladék) vagy kozmetikai iparból (pl. arckrém), gyakran csomagolt formában.
A pasztaszerű és a „spadeable” szubsztrátumokat szükséges feloldani a fermentációs közegben, hogy homogén módon elkeveredjen a fermetációs szuszpenzióban. A zsírokat tartalmazó pasztaszerű szubsztrátumok vegyülhetnek rostos szubsztrátumokkal vagy fermentációs közeggel úgy, hogy egy nagyon tömör salakréteget képeznek.
A pasztaszerű és a „spadeable” szubsztrátumokat a kofermentációs berendezésekben használják kiegészítő szubsztrátumként. A szerves anyag lebomlása a fermentáció alatt okoz pasztaszerű és „spadeable” szubsztrátumokat, hogy szabad folyású legyen.
A mono-fermentálás legfontosabb folyékony szubsztrátumai – az istállótrágyától eltekintve – a szennyezett vizek és a szennyvizek. Mint a kofermentálás folyékony kiegészítő szubsztrátumai, a zsirsavak, biodízel gyártásból származó glicerin és alkoholok fontosak. A folyékony szubsztrátumok nem tartalmaznak interferáló anyagokat. A szilárd és a pasztaszerű vagy „spadeable” szubsztrátumokhoz képest egyszerűbb kezelni a folyékony szubsztrátumokat.
Szabályként elmondható, hogy a folyékony szubsztrátumok nem igényelnek előkészítést. Egyedi esetekben, különösen folyékony szubsztrátumok monofermentálásakor, szükséges lehet további tápanyagokat és nyomelemeket betáplálni.
A folyékony szubsztrátumokat, különösen a félnedves trágyát, gyakran használják keverő-tartályos reaktorokban mint a ko-fermentálás elsődleges szubsztrátumát. Speciális folyékony szubsztrátumokat használnak a kofermentálásnál és a szennyvíz feldolgozás során azért, hogy növeljék a biogáz hozamot (glicerin, zsírsavak). Speciális reaktorrendszereket biomassza visszatartással alkalmaznak szennyezett vizek fermentálására.
Sewage: szennyvíz, vizeletet is tartalmaz
5 M
INTAVÉTELEZÉS ÉS MIN TA ELŐKÉSZÍTÉSA mintavételezés, a minta szállítása és megőrzése, valamint a minta előkészítése szerves részét képezi a szerves anyagok fermentálási vizsgálatának és meghatározó része az eredmények minőségének. Nem lehetséges meghatározni egy átfogó, részletes, standard eljárást, amely minden típusú vizsgálati anyagot tartalmaz – helyette gyakorlatias megközelítést kell alkalmazni, amely a vizsgálati anyag tulajdonságaitól és a fermentációs vizsgálatra kitűzött céloktól függ.
A továbbiakban bemutatjuk a különböző anyagok mintavételezésére vonatkozó fő alapszabályokat, a megfelelő mintavételezéshez szükséges technikai eszközöket és a mintavételezés dokumentálásának alapelveit. Továbbá leírjuk a megőrzés során alkalmazandó szabályokat és a minták szállításának módját a vizsgálat helyszínére. Végül foglalkozunk a szükséges előkészítési eljárásokkal és berendezésekkel, valamint az előkészítési fázis dokumentálásával.
A mintavételezés célja az, hogy az alapmennyiség tulajdonságainak meghatározására reprezentatív mintát nyerjünk ki, amely jellemzők a fermentálás vonatkozásában lényegesek, valamint átlagos összetétellel és fizikai paraméterekkel rendelkeznek.
Az alábbiakban leírt eljárás kielégíti a megfelelő információtartalom és a la boratóriumon kívüli telepítéshez szükséges fermentációs vizsgálatok összehasonlíthatóságának követelményeit. A tudományosabban megközelített kérdések sokkal drágább és komplexebb mintavételezési stratégiát követelnek meg – például abban az esetben, amikor a fermentáció teljessége és az egyensúlyi állapotok szigorúbb megbízhatósági és hitelességi követelményekkel rendelkeznek.
Elsőként javaslatokat adunk a mintavételezési stratégiára és eljárásokra, valamint a részminták, kevert ömlesztett minták és az alapmennyiségre vonatkozó kumulatív minták méretére és számára, konzisztencia és homogenitás vizsgálatára, továbbá a keresett szerves anyag keveredésétől függő részecske- és darab-méret eloszlások előállítására vonatkozó ajánlásokat fogalmazunk meg.
A minták megőrzésének és szállításának biztosítania kell, hogy a fermentációs kísérlet kezdetéig a minta aktivitásában történő csökkenés a lehető legkisebb legyen.
A fermentációs kísérletben a szubsztrátumként való használatra való minta előkészítésének biztosítania kell, hogy a lehető legkevesebb előkészítési munkával egy optimum érhető el a gyakorlatban használatos bioreaktor körülményei között és a vizsgálati berendezés lehetőségei között.
5.1 A
Z ALKALMAZÁS TARTOMÁNYAAz alkalmazás tartománya felöleli a mintavételezés, megőrzés, szállítás és előkészítés fermentációs lépéseit a
folyékony
pasztaszerűtől a „spadeable”-ig szilárd
anyagokra (Ld. 4. fejezet), amelyeket a biogáz berendezésekben használnak szubsztrátumként, különösen energia újrahasznosítás céljából. Ezen anyagok fermentációs aspektusainak részeként – sok más dolog közt – mintákat az alábbiakból vesznek:
tartályok csövek
halmozott anyagok töltések
Az alkalmazás tartománya nem terjed ki a bioreaktorokból vagy fermentációs maradékokból történő mintavételezésre a mezőgazdasági továbbhasznosítás tekintetében.
Figyelembe véve a szubsztrátumok változékonyságát általánosan feltételezhetjük, hogy a tulajdonságaik különbözhetnek anyagában, térben és időben. Mindezek tükrözik a homogén/inhomogén vagy heterogén szerkezetüket, a mintavételezés minőségének fontosságát.
Bár relatíve egyszerű dolog a „repr ezentativitás” követelményeinek megfelelni folyékony vagy néhány homogén komponenst tartalmazó szilárd anyag esetén, a növekvő heterogenitású és inhomogenitású szilárd anyagok magasabb szintű technikai felkészültséget igényel, hogy reprezentatív mintát tudjunk venni. Emiatt a mintavételezésnek tervezettnek kell lennie, valamint megbízható, felkészült szakemberek segítségével kell végrehajtani, akik megfelelő gyakorlati tapasztalattal rendelkeznek és a probléma természetét ismerik. A szakember a szükséges tudását megfelelő képzéseken kell megszereznie. A megőrzéshez és szállításhoz szükséges méréseket a korai szakaszban (a mintavételezés kezdetétől a fermentációs kísérletig) meg kell határozni és a mintavételi tervben található megfelelő fermentációs laboratórium biztosítja a munka minőség-biztosított teljesítményét. Az alap eljárást az 1.ábrán látható.
1. ábra: Mintavételezési sorrend
5.2.1 TERVEZÉS
A mintavételezést megelőzően a következő kérdéseket kell átgondolni: Átadás előkészítésre/fermentálásra
Tárolás Szállítás
Mintavételezési jegyzőkönyv Mintavételezés végrehajtása
Pl. organoleptikus vizsgálat, legnagyobb szemcsenagyság és komponensek meghatározása, mintavételi terv specifikálása, részminták vétele, kompozit minták és kumulatív minták,
azonnali minta csökkentés Alapmennyiségek jellemzése
Pl. mintavételi csoport meghatározása, alapmennyiség mérete és típusa, mintavételi térfogat meghatározása, mintavételi technológia
Mintavételezési terv
Cél, ok, anyagok eredete, mintavételi helyszín, várható anyagok spektruma, munkahelyi egészség és biztonság, mintavételi eljárások és berendezések
a vizsgálatok célja és indítéka az anyag eredete
a várható anyagok spektruma
az alapanyag eloszlásában levő térbeli és időbeli fluktuációk meghatározandó paraméterek
szükséges munkahelyi egészségügyi és biztonsági mérések
Az újabb mintavételezések és az „azonnali” mintavételi jegyzetek készítése miatt – amennyire csak lehetséges – szükséges meghatározni a szempontokat a típusra, területre és teljesítményre vonatkozóan még a mintavételezés megkezdése előtt:
helyi feltételek a mintavételezéshez (pl. tartályok, csövek, halmok) a térfogat/tömeg meghatározása
szemcseméret vagy komponens méret, tömörség (alak) (ha alkalmazható, méret csökkentés) a becsülni kívánt alapmennyiség definiálása
részminták, kevert ömlesztett minták és kumulatív minták számának meghatározása ha szükséges, a mintavételezési stratégiához kapcsolódó módosítások
mintavételezési eljárás
mintavételezési módszerek (pl. rendszeres, rétegzett, véletlenszerű) mintavételi berendezés
paraméterek kiválasztásának megerősítése vagy továbbgondolása laboratóriumi mintává történő csökkentés
megőrzés
csomagolás és szállítás
A mintavételezés során figyelni kell a munkahelyi egészség és biztonsági szabályokat. Mivel a munka során szennyezők szabadulnak fel, ezért technikai, szervezeti és személyre vonatkozó védelmi méréseket kell végrehajtani, hogy minimalizáljuk az egészségügyi és baleseti kockázatokat. A megfelelő munkahelyi egészségügyi és biztonsági szabályokat és baleset megelőző szabályozásokat be kell tartani.
Minden esetben a mintavételezést megfelelően dokumentálni kell a mintavételi jegyzőkönyvben. A dokumentálást végre lehet hajtani standardizált módon – más szavakkal ugyanazokat a jellemzőket ugyanúgy kell leírni, csak különböző személyek által. A mintavételi jegyzőkönyv segíti a mintavételezőt mintavételi dokumentumként, ellenőrző listaként és a pontos tevékenységek dokumentálásaként.
Csupán tiszta mintavételi berendezést és szállító tárolókat lehet használni, amelyek olyan anyagból készülnek, hogy nincsenek hatással a fermentációs közegre (pl. polietilén, üveg, rozsdamentes acél). Egy vízálló címkét kell a töltött mintatárolóra rögzíteni, amely egyedi azonosítót tartalmaz, mint projekt száma, minta típusa, mintavételezés helye és ideje, mintavételező neve, ügyfél neve.
Egy mintavételezési jegyzőkönyv minta és a megfelelő minták listája található az A és a B függelékben.
5.2.2 VÉGREHAJTÁS
A mintázandó anyagok alapmennyiségei különböző tömörségűek lehetnek és elérhetőek homogén, inhomogén vagy heterogén formában. A mintavételi stratégiát és eljárásokat úgy kell adaptálni, hogy az anyag összetételének megfelelő legyen. A normális mintavételi módszereket, technikákat és költségeket illetően a következő mintavételi csoportokat hozhatjuk létre:
Folyékony anyagok (1. csoport) o tárolókban, silókban o csövekben
Pasztaszerűtől a „spadeable” anyagokig (2. csoport) o ülepítő tartályokban
o üledékként
Szilárd anyagok (3. csoport) o halmokként
o töltésként
o mint anyagáram szállítószalagon o üledékként
Inhomogén anyagok (leginkább ismeretlen összetétellel) (4. csoport)
Azért, hogy az egyik mintavételi csoportba tudjuk sorolni az ismeretlen anyagokat (miközben a munkahelyi egészségügyi és biztonsági szabályokat betartjuk), megfelelő számú azonos méretű részmintát kell venni különböző helyekről vagy különböző időben. A tulajdonságokat, mint a
tömörség és az ebben történő változások színbeli változás
szemcse vagy darab alak eloszlásának változása szemcse vagy darab méret eloszlásának változása szag, gázfejlődés
érzékszervi vizsgálatok eredményeinek átlagával határozzuk meg. Átfedések esetén az anyagot az alkalmas csoportba besorolhatjuk, amelyik a legmegfelelőbbnek tűnik.
Azon anyagok, amelyek a vizuális ellenőrzések során makroszkópikusan homogén benyomást keltenek és amelyek kis mennyiségű idegen anyagot tartalmaznak (de az eredetük dokumentált) – pl. folyékony és pasztaszerű anyagok, por, szabad folyású és ömleszthető anyagok, mezőgazdaságilag előállított ko-szubsztrátumok és „culm”-szerű anyagok, de gyártás-specifikus tételek azonos eredettel – a mintavételezés szempontjából homogén anyagnak tekinthetők.
A vegyíthetetlen folyamatok miatt az anyagok lehetnek heterogén keverékek vagy halomra rakott anyagok formájában úgy, hogy a komponensei változnak összetételében, eloszlásában, alakjában és méretében. Ez esetben a fermentáció szempontjából meghatározó, jellemző paraméterek eloszlása lehet inhomogén és a homogenitás foka független lehet az anyagtól és a tulajdonságoktól. Ennek eredményekélppen előfordulhat, hogy egy adott anyagra az egyik tulajdonság értéke homogén eloszlású, míg egy másik tulajdonságé inhomogén.
Ha a tulajdonságokat homogénként vagy folyékony és keverhetőként határozták meg, akkor lehetséges, hogy kumulatív mintákat vegyünk elsőre. Ha ellenőrizzük a megjelenő tulajdonságokat, amelyek az alapmennyiségben található minták között vannak, pl. megmutatjuk az észrevehető hasonlóságokat méretben, alakban, összetételben, etc., akkor mindezek elválasztandók. Ekkor minden rész-mennyiségre szükséges külön részmintákat vagy kevert ömlesztett mintákat venni, külön-külön jellemezni ezeket, és az alapmennyiséghez viszonyított arányuknak megfelelően vagy a fermentációs kísérlet céljainak megfelelően egyesíteni kell egy kumulatív mintává. Ha nem lehetséges a rész-mennyiségek elkülönítése, akkro egy racionális, tudományosan igazolt eljárással kell mintát venni az alapmennyiség különböző helyeiről.
A 3. csoport és a 4. csoport eészmintáit egy megfelelő, tiszta felületre kell kigyűjteni, és alaposan öszekeverni. A mintázott mennyiséget le kell csökkenteni a fermentációs kísérlethez szükséges mennyiségre a „negyedelő” alapelvet használva. Ennek megfelelően a kumulatív mintát alaposan összekeverik és egyenletes magasságú, négyzet alakúra szétszórják. A derékszögeket elfelezve két átlóval négy, egyenlő területre osszuk szét a mintát. A két, diagonálisan ellentétesen elhelyezkető részeket kidobjuk, a maradék két részt pedig alaposan összekeverjük. Ezt az eljárást minadding ismételjük, amí a kívánt végső mintanagyság nem áll rendelkezésre.
5.2.2.1 Folyadékok
A tartályokból történő mintavételezés előtt szükséges nagyon alaposan összekeverni akár egy keverő segítségével vagy újraszivattyúzás által. A kavarást és keverést addig kell folytatni, amíg a hab eltűnik a tartály teljes felszínéről és nem található üledék a tartály fenekén. Néhány részmintát kell venni, ha lehetséges a keverés vége előtt, a tartály néhány pontján, különböző mélységekben. Ezen mintákat
később össze lehet önteni, ezáltal kumulatív mintát adva. A legjobb módszer a mintavételezésre ez esetben, ha üvegeket, merítőkanalat vagy merőkanalat használunk manuálisan.
Ha a folyadékokat csövekből mintázzuk, figyelni kell arra, hogy a vizsgált anyag azonos a csövekben szállított anyaggal. Ezért a mintavételi csöveket alaposan át kell öblíteni a mintavételezés előtt, és ha szükséges különböző időpontokban részmintákat kell venni.
Minden egyes 1 ℓ - ből kell venni részmintákat addig, amíg a teljes mennyiség megfelel a teszt reaktor kapacitásának, de nem kevesebb mint 10 ℓ. Azon fermentációs kísérletek esetén, mikor a használt reaktor kapacitása kevesebb, mint 10 ℓ, ezt a kumulatív mintát össze kell keverni alaposan még egyszer, és adott mennyiséget kell kivenni mintaként, amely megfelel a vizsgálati edény méretének – ez lesz a végső minta.
5.2.2.2 Pasztaszer űtől a „s pa de-able” anyagok i g
Ha a minta anyaga homogén, akkor nem számít a mintavételi eszköz típusa és a mintavétel sebessége, sem a mintavétel mélysége. Bár ha az összetételben detektálunk eltéréseket (pl. rétegződés tartályban, változás ülepítő tartályban), akkor meg kell győződni arról, hogy nem történt nemkívánt keveredés a mintavétel során. Ahhoz, hogy reprezentatív mintát kapjunk egy rétegződőtt mintavételi anyagból (pl. lerakódott lótrágya) szükséges, hogy részmintákat vegyünk különböző mélységekből és helyekről. Ezért szükséges, hogy a mintavételi eszközt lassan és óvatosan helyezzük be az iszapba, amíg a kívánt mélységet el nem éri. Csupán a merőkanalak és az iszapfúrók alkalmasak az ilyen mintavételre. Szükséges lehet a felületi réteg eltávolítása vagy hasonlók, hogy a részmintáknak megfelelő helyeket elérjük.
5.2.2.3 Szilárd anyagok
Ezen csoport azon anyagokat tartalmazza a porszerűtől a szemcsés és „culm”-szerű anyagokig, amelyek vizuális ellenőrzés alatt makroszkópikusan homogénnek látszanak és azonos anyagokból állnak kis mennyiségű ismert eredetű, idegen anyagot is tartalmazva.
Óvatosan kell a mintavételt végrehajtani, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy a vizsgálandó paraméterek homogén eloszlásúan vagy ezen eloszlás szerinti mintavétel történik; másszóval a teljes mennyiség bármilyen ismerhető szegregációja, amely a szállítás vagy tárolás során jött létre (szemcseméret változása, szennyezőtartalom, stb.) szelektív mintavétellel korrigálható. Ha a szegregáció nem ismert vagy nem lehet megfelelően azonosítani érzékszervi vizsgálatokkal vagy nem lhet korrigálni a mintavétel során, akkor az anyagot inhomogénnek kell tekinteni, és inhomogén anyagként kell osztályozni (másszóval 4. csoport). Mintákat vehetünk mozgó anyagáramokból különböző időpillanatokban vagy halmozott anyagokból nem csupán a következő mintavételi eszközökkel, mint a „kimagozó eszköz”, „trier”, „drivepipe”, mintavételi cső és csiga, hanem még lapáttal is.
Szilárd anyagok mintavételi eszközeiről bővebben az alábbi könyvben kaphatnak információkat. (the methodology handbook issued by the Federal Quality Association for Compost [8].)
5.2.2.4 Inhomogén anyagok
Minden anyagot ide sorolunk, amelyek összetétele és eloszlása leginkább nem ismert és nem lehet érzékszervi vizsgálatok alapján a fentebb található három csoport egyikébe sem osztályozni. Ezen anyagok lehetnek például újrahasznosításra váró biológiai hulladékok vagy olyan anyagok, amelyek makroszkópikusan nem tehető homogénné a fenti mintavételi eljárásokkal ( pl. friss lótrágya vagy kevert termelési hulladék).
Ezen csoportba tartozó anyagokból különösen nehéz a reprezentatív mintavétel megoldása és az anyagtól és a vizsgálat okától függően az egyedi esetre vonatkozó megközelítés szükséges, amely általában statisztikai módszereken alapszik, valamint különösen alapos mintavételi stratégiát és jegyzőkönyvezést követel. Előzetes kezelések és vizsgálatok nélkül nem lehetséges, hogy megfelelő információt kapjunk az anyag valódi természetéről. A mintavételezésre minta-hasító (sample-splitting) technikákat, és ha lehetséges, ellentétes irányú válogatást és előkészítést használjunk, és ezért itt
ajánljuk azon eljárásokat, egyensúlyokat, dokumnetációt a LAGA PN 98 szerint, amelyben a különböző eljárásokat leírták (anyagtól függően).
5.3 M
EGŐRZÉS ÉS SZÁLLÍTÁSA mintákat úgy kell megőrizni és szállítani, hogy ne történjen lebomlás a fermentációs vizsgálat kezdetéig. Azért, hogy kizárjuk az időtől függő kémiai és fizikai változásokat a mintában amennyire csak lehetséges, a szállítási dobozokat úgy használjuk, hogy amennyire lehet elkerüljük a mintázott anyag érintkezését a légköri oxigénnel, fénnyel, hővel, párával vagy más közeggel, vagy a tároló saját anyagával.
A folyadék formában levő végső mintákat bele kell önteni egy megfelelő, tiszta, száraz széles-szájú szállító dobozba. A pasztaszerű vagy szilárd/sűrű végső mintákat, amelyet a negyedelő eljárással kaptunk, szintén be kell csomagolni egy jólzáró, tartós műanyag zsákba vagy valami hasonlóba.
A mintákat alacsony hőmérsékleten, 4 oC körül kell szállítani és tárolni, és késedelem nélkül a
fermentációs vizsgálatra vinni. Ha ez nem lehetséges vagy a referencia mintákat néhány héten keresztül veszik, ez esetben a mintát mélyfagyasztani vagy fagyasztva szárítani kell -25oC-on.
Megjegyzés: Növényi anyagok mélyfagyasztása különösen okozhatja az anyag szétbomlását, amely hatással van a fermentáció eredményére. Ráadásul illékony komponenseket veszíthetünk.
5.4 M
INTA ELŐKÉSZÍTÉSA mintákat elő kell készíteni, ha az lapmennyiség tulajdonságai nem teszik lehetőve a fermentációs vizsgálatban való direkt használatát. Általánosságban ez az előkészítés megfelelő szemcseméretet állít elő. A mintavételezés reprezentatív voltának megfelelően figyelni kell a minta előkészítére ha kumulatív mintát vettünk (Ld. 5.2.2.4 fejezet).
Lehetséges a méretcsökkentés végrehajtása a mintavétel helyszínén levő legegyszerűbb eszközzel. Azért, hogy a különböző fermentációs vizsgálatok eredményei összehasonlítható legyen, összehasonlítható méret csökkentési feltételeket kell szabnunk 10 mm-nél kisebb méretre. Szükséges lehet a méretcsökkentő eljárások kis módosítása annak fényében, milyen berendezést használunk vagy ha a fermentációs vizsgálatnak speciális céljai vannak. Meg kell jegyezni, hogy a mintaelőkészítést követő anyagfelszín növekedés felerősítheti az anaerob lebomlást. Ezért a méret-csökkentő eljárás és a szemcseméretek tartománya közvetlenül hatással van a fermentáció eredményére. Ha a fermentációs vizsgálatot azért végezzük, hogy a lebomlás kinetikájáról – más szavakkal a fermentáció alktuális lefolyásáról - szolgáltasson információt, akkor a minta előkészítést olyan formán kell elvégezni, amennyire csak lehetséges közel kerülni a gyakorlatban levő feltételekhez.
Ezért az ezen a módon előkészített mintákat gondosan dokumentálni kell jegyzőkönyv formájában. (C. melléklet) Ha elkészünk a minta, akkor amilyen gyonsan csak lehet a fermentációs vizsgálatra kell vinni vagy az 5.3. fejezetben leírt körülmények között tárolni.
2. ábra: Minta előkészítés eljárása
a) Interferáló anyagok elválasztása
Az interferáló anyagokat óvatosan el kell távolítani válogazással még a további méretcsökkentés előtt. Figyelembe kell venni az interferáló anyagok mennyiségét a vizsgálatok kiértékelése során és a jegyzőkönyvben dokumentálni kell.
b) Osztályozás
Az egész mintát szükséges pl. osztályozni méret szerint 10 mm-es hálós (négyzet lyuk) szita segítségével 10 mm alatti és feletti frakciókra. A 10 mm-nél nagyobb frakciót mégegyszer szükséges az interferáló anyagokra ellenőrizni, az (a) rész szerint, és elválasztani.
c) Méretcsökkentés
A minta méret csökkentésének (pl. zúzás és őrlés) végrehajtása egy 10 mm hálós teszt szitával (DIN ISO 3310-1 szerint) és egy nagyjából 10 mm-től 50 mm átmérőjű keményfa hengerrel történik. A méret csökkenés úgy jön létre, hogy a durva anyagot átnyomjuk a 10 mm-es szitán. Ha az anyag rostos vagy nehéz a méretét csökkenteni, el kell vágni, törni vagy más módon a szemcseméretét 10 mm alá csökkenteni. A méretcsökkentő módszerbek lényeges hatása van a szemcseméretek tartományára. Ha az anyag felmelegszik a méretcsökkentés alatt, okozhatja az illékony komponensek csökkenését.
d) Homogenizálás
A kezdeti vizsgálat anyagát, amely kisebb 10 mm-nél és a (c) részben leírt módon méretcsökkentett anyag, homogenizálni kell egy alkalmaz keverő edényben. A homogenizálási folyamatot úgy kell kivitelezni, hogy további méretcsökkenés ne történjen a minta frakciókban. Folyadék fermentáció során a homogenizálást végre lehet hajtani a fermentációs szuszpenzió folyadékfázisával.
6 L
ÉNYEGES ADATOK GYŰJT ÉSEAz 1-3. táblázat anyag adatok listáit tartalmazza, amelyek az anaerob lebomlás meghatározására szolgáló vizsgálatok leírására használhatóak. A vizsgálati típustól (szakaszos, folyamatos vizsgálatok) és az anyag tulajdonságaitól, a vizsgálat céljától függően a meghatározandó paraméterek kiválasztása változhat széles körben mind típusában és alkalmazási területében; ezért a táblázatok nem törekednek a teljességre. A példa kedvéért alkalmas mérési eljárásokat említ és kiegészíthetők az elemzéssel kapcsolatos gyakorlati tapasztalatokkal és megjegyzésekkel. Ráadásul információt szolgáltat az adatgyűjtés gyakoriságával kapcsolatban. Segítséget ad egyedi, általános és specifikus esetekre egyedi mérési változók leírásával. A meghatározott lényegi elemek évek tapasztalatán alapszik és ajánlásként kell elfogadni.
1-3. táblázat külön file-ként található. A 43. oldalon található szabványok és előírások az eredeti dokumentumban találhatók meg.
Az 1-3. táblázat nem érinti a higiénia témakörét: ehelyett Önnek kell meghatározni a határértékeket és a kísérleti eljárásokat a tárgyhoz tartozó szabályzatokban és direktívákban, ahol mindezek alkalmazhatók a szerves anyag fermentálására.
Az anaerob bomlás folyamataiban résztvevő mikroorganizmusok egyedi fajtáinak meghatározásával foglalkozó mikroszkópikus és genetikai kutatás manapság még kutatási fázisban van. Ezért az ilyen adatok gyűjtését nem tartalmazza az 1.-3. táblázat. Ezen kutatási terület jelen állapotát megtalálhatja a vonatkozó szakirodalomban [3;4;10;15].
7 F
ERMENTÁCIÓS VIZSGÁLATOK:
SZAKASZOS ELJÁRÁSOKItt leírjuk, hogyan kell a szakaszos eljárásban használt fermentációs vizsgálatot elvégezni. A leírt eljárás alkalmazható minden szerves szilárd vagy folyadék anyagra, amelyek reprezentatív vizsgálati anyagként használatosak.
Az ilyen típusú fermentációs vizsgálatok az alábbiakról adnak információt:
A lehetséges biogáz hozam és az anyagok vagy anyagkeverékek anaerob biológiai lebomlásának
alapvető becslése
A vizsgálatba vont anyag anaerob lebomlási sebességének minőségi becslése
A vizsgálat tartományába eső koncentrációkban a vizsgálati anyag inhibíciós hatásának minőségi
meghatározása.
A fermentációs vizsgálatok nem adnak információt:
A reaktorbeli folyamat stabilitásáról, amelyet folyamatosan táplálnak vizsgálati anyaggal vagy
anyagkeverékkel
A lehetséges pozitív vagy negatív szinergikus hatás miatti tényleges körülmények közötti biogáz
hozamról
A folyamat körülményei között a szubsztrátum monofermentálhatóságáról A szerves, térfogategységre eső „loading” arány határairól.
A fermentációs vizsgálat eredménye elsődlegesen függ:
A használt visszaoltott iszap mikrobiológiai aktivitásától (ez függ a környezeti feltételektől, mint
hőmérséklet és szubsztrátum elérhetősége, és a hasnált biológiailag aktív tömeg hatékonyságától)
A készített biogáz mennyiség alapvető adatgyűjtésétől és becslésétől.
Mindez azt jelenti, hogy ha összehasonlítható eredményeket szeretnénk a fermentációs vizsgálatokban, nem csupán a fermentációs tétel előállítását, hanem a gáz adatgyűjtését és becslését amennyire csak lehetséges, pontosan kell definiálni.
