Anaerobní digesce rostlinné biomasy

Miloslav Imlauf

Bachelor's thesis

Anaerobic fermentation of plant biomass

Abstract:

Anaerobní digesce rostlinné biomasy je proces, který využívá anaerobní mikroorganismy k přeměně degradovatelných organických substrátů na energeticky bohatý bioplyn. V posledních letech došlo v České republice ke zvýšení počtu bioplynových stanic, zejména zemědělského zaměření, jejichž hlavním substrátem je kejda hospodářských zvířat spolu s kukuřičnou siláží, která je snadno rozložitelná anaerobní digescí na bioplyn. V našem zájmu je hledat alternativní plodiny, které by na rozdíl od kukuřice zlepšovaly půdní strukturu a bránily půdní erozi. Každá zemědělská plodina má ale jiné složení rostlinné biomasy a to přímo ovlivňuje účinnost anaerobní digesce, zejména při přítomnosti obtížně degradovatelných látek jako celulóza a lignin. Je známo, že metody předúpravy lignocelulózových materiálů mohou přispět k vyšší produkci bioplynu. Mezi další faktory patří způsob pěstování a termín sklizně. Tato bakalářská práce se v literární části zbývá obecnou charakterizací procesu anaerobní digesce rostlinné biomasy, vymezením její účinnosti pod vlivem určitých podmínek a za použití daných substrátů. Rostlinné substráty jsou rozděleny a charakterizovány dle vhodnosti a aktuálního používání v praxi, přičemž u každého substrátu je určen jeho bioplynový a methanový potenciál s ohledem na složení rostlinné biomasy. V experimentální části se tato práce zabývá hodnocením produkce bioplynu z rostlin technického konopí (Cannabis sativa L.) v závislosti na použitém hnojivu a termínu sklizně biomasy rostlin. Rostliny technického konopí byly hnojeny produkty anaerobní digesce (digestát, separát, fugát a kontrolní NPK) ze zemědělské bioplynové stanice a odebírány v průběhu vegetace od 4. týdne od vysetí po plnou zralost - 12. týden od vysetí. Při sledování kumulativní produkce bioplynu byly použity jednorázové vsázkové (batch) testy, a za účelem zjištění kvalitativního složení bioplynu byl měřen obsah methanu v bioplynu pomocí plynového chromatografu. Nejlepších výsledků kumulativní produkce bioplynu bylo dosaženo u rostlin v plné zralosti (12. týdnů od vysetí), o výšce přibližně 4 m, bez ohledu na typ použitého hnojiva, neboť vypočítané dávky dusíku potřebného pro výživu rostlin se neměnily.

Abstract:

Anaerobic digestion is a process utilizing anaerobic microorganisms to convert degradable organic substrates into energy-rich biogas. There is an increaseing number of biogas plants in the Czech Republic, especially agricultural biogas plants, where is slurry and maize silage used as a subtrate. Maize silage is easilly degradable to biogas through anaerobic digestion process. It is in our interest to look for alternative plants, which would, unlike maize, improve soil structure and lower the risks of erosion. Every crop has different composition of plant biomass, which directly influences the digestion efficiency, in particular in the presence of low degradable substrates, such as cellulose and lignin. It is widely known that pretreatment methods used on lignocellulotic materials can contribute in boosting the biogas yield. However, other factors include the methods of cultivation and harvest date. The objectives of this thesis are focused on literature review of anaerorobic digestion of plant biomass, its characterization under the influence of certain conditions and given substrates. Plant substrates are arranged and characterized by their suitability and current implementation in practice. Biogas and methane potential is identified for each substrate. The experimental part determines the biogas yield from industrial hemp (Cannabis sativa L.) under the influence of fertilisation and harvest time. Hemp plants were fertillised with products of anaerobic digestion (digestate, separate, fugate and NPK as a reference sample) and were regularly sampled during vegetation from 4th week from sowing to their full ripeness -- 12th week from sowing. For monitoring the cummulative biogas yields were used batch tests, and for qualitative measurment of methane content in biogas, a gas chromatograph was used. The highest biogas yields were achieved in plants at full maturity (12th week from sowing) with approximately 4 meters of height. Irrespective of the type of used fertiliser no difference was found, due to the same nitrogen doses used in the field experiment.

Keywords

Bioplyn, methan, rostlinná biomasa, konopí, batch test, anaerobní digesce

Keywords

Biogas, methane, plant biomass, organic matter, batch test, anaerobic digestion

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 4. 2015

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Pavel Tlustoš, CSc.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Bachelor programme / field:
Organic Farming / Organic Farming