Biomasa z hmyzu jako alternativní substrát pro výrobu bioplynu a jeho následné čištění pomocí kondenzující vodní membrány

Petra Wojnarová

Doctoral thesis

Biomass from insects as an alternative substrate for the production of biogas and its subsequent purification using a condensing water membrane

Abstract:

Disertační práce je rozdělena do dvou částí. V první části se zabývá posouzením možnosti zpracování biomasy hmyzu a odpadu z chovu hmyzu pomocí anaerobní digesce, zatímco v druhé části separací složek bioplynu. V rámci první části práce byly provedeny testy biochemického methanového potenciálů (BMP) zmíněných materiálů, včetně zkoumání vlivu jejich organického zatížení na celkovou produkci bioplynu. V průběhu 40denních vsádkových BMP testů produkce bioplynu z larev hmyzu potemníka moučného a mouchy bráněnky bylo potvrzeno, že se jedná o materiály s poměrně vysokými výtěžky bioplynu i CH4. Vsádkové testy produkce bioplynu obou typů larev probíhaly při počátečním organickém zatížení v rozsahu 1,9-15,3 kgVS m-3. Bylo zjištěno, že nejvyšší měrné produkce bioplynu i CH4 byly získány z testu larev potemníka moučného. V testovaných larvách hmyzu bylo nejvyšších měrných produkcí dosaženo vždy při nejnižším zatížení, což je v souladu s teoretickým předpokladem nejnižších koncentrací z hlediska inhibice či toxicity problematických látek. V průběhu 35denních testů mezofilní vsádkové anaerobní digesce byla dále měřena produkce bioplynu a CH4 čtyř druhů bioodpadů vznikajících při chovu hmyzu. Celkově nejvyšší měrná produkce bioplynu byla získána anaerobní digescí potemníka brazilského a celkově nejvyšší produkce CH4 byla naměřena při digesci odpadu z chovu mouchy bráněnky. Na základě výsledků provedených testů byl substrát s nejvyšším rizikem vzniku inhibice anaerobního procesu – larvy moučných červů podroben dlouhodobému testu semikontinuální kofermentace s kukuřičnou siláží. Semikontinuální test poskytl základní informace o průběhu kofermentace larev potemníka moučného s kukuřičnou siláží. Ukázalo se, že zpracovávání tohoto substrátu (do 5 hm. % ve směsi) může procesu v bioplynovém reaktoru prospívat a být dlouhodobě udržitelné. Druhá část disertační práce je zaměřená na proces čištění, respektive úpravu surového bioplynu na úroveň zemního plynu pomocí technologie separace vodou zbotnalou kompozitní membránou. Provedeny byly experimenty separace složek bioplynu za různých teplot a tlaků a na základě výsledků objemových bilancí byla posouzena využitelnost vybraného komerčního svitkového filtračního modulu pro úpravu bioplynu v poloprovozním měřítku. Při jednostupňové separaci složek syntézního bioplynu jedním filtračním modulem se při tlaku vstupního plynu 300 kPa podařilo přiblížit k ustálenému stavu po 120 min. Výsledkem separace byl retentát (biomethan) s 98 obj. % CH4 a výtěžností CH4 okolo 48 %. Při opakování separace s použitím reálného zemědělského bioplynu bylo dosaženo téměř stejných výsledků, a navíc bylo potvrzeno, že H2S je velmi účinně separován do permeátu, tedy vznikající retentát je značně odsířen. Jednostupňová separace byla dále rozšířena o experimenty se dvěma paralelními moduly. I v tomto případě bylo dosaženo potřebné kvality biomethanu > 95 obj. % se zvýšenou výtěžností CH4 na 50 %. Při dvoustupňové separaci pravděpodobně nedošlo ke vhodnému tlakovému vybalancování 1. a 2. stupně, neboť obsah CH4 v retentátu R1 a v retentátu R2 měly spíše parabolický průběh. Ke konci experimentu obsah CH4 ve směsném retentátu stále vzrůstal, ale nepřesáhl 80 obj. %. Kvalitou biomethanu tedy toto zapojení nevyhovělo, avšak výtěžnost CH4 vzrostla k 86 %. Z objemových bilancí laboratorních experimentů byly v programu MS Excel sestaveny jednoduché výpočtové modely pro jednostupňové a složitější zapojení modulů.

Abstract:

The dissertation thesis focuses on assessing the possibility of processing insect biomass and waste from insect farming using anaerobic digestion, followed by designing equipment for biogas treatment to biomethane. Several tests of the biochemical methane potential (BMP) of the mentioned materials were conducted, including influence examination of their organic loading on the overall biogas production, specifically CH4. During 40-day batch BMP tests of biogas production from mealworm larvae and black soldier fly larvae it was confirmed that these materials have relatively high biogas and CH4 yields. It was found that the highest specific biogas production and CH4 production was obtained from the mealworm larvae test. In both tested insect larvae, the highest specific productions were achieved at the lowest loading, consistent with the theoretical expectation of the lowest concentrations regarding inhibition or toxicity of problematic substances. During thirty five-day tests of mesophilic batch anaerobic digestion, biogas and CH4 production was measured for 4 types of insect farming waste. The tested samples showed that waste from these 4 most commonly produced insect species are relatively easily degradable materials with moderately high biogas and CH4 production. Based on the results of the tests, the substrate with the highest risk of anaerobic process inhibition - mealworm larvae - was subjected to a long-term semicontinuous co-fermentation test with corn silage. The semicontinuous test provided basic information about the co-fermentation of mealworm larvae with corn silage. The second part of the dissertation focuses on the purification of raw biogas to natural gas level using a new technology of water separation with a water swollen composite membrane. The experiments were conducted to separate biogas components at different temperatures and pressures, and based on the results of volumetric balances, the usability of the selected roll-filtration module for biogas upgrade in operational scale was assessed. In a single-stage separation of synthetic biogas components with one filtration module, at an input gas pressure of 300 kPa, a steady state was approached after 120 minutes. The result of the separation was a retentate with 98 vol. % CH4 and a CH4 yield of around 48%. Repeating the separation using real agricultural biogas yielded almost the same results, with the additional confirmation that H2S is effectively separated into the permeate, meaning the resulting retentate is significantly desulfurized. Single-stage separation was further expanded with experiments utilizing 2 parallel modules. Similarly in this case, the required quality of the retentate > 95 vol. % was achieved, with slightly increased methane yield of 50%. In the case of two-stage separation proper pressure balancing between 1st and 2nf stage likely did not occur, as the CH4 content in the retentates R1 and R2 had a rather parabolic trend. By the end of the experiment, the CH4 content in the mixed retentate continued to increase, but did not exceed 80 vol. %. Thus, this configuration did not meet the quality requirements for biomethane, although the methane yield increased to 86%. Simple computational models for single-stage and more complex module configurations were assembled in MS Excel based on the volumetric balances of laboratory experiments.

Keywords

biomasa hmyzu, bioodpad z chovu hmyzu, anaerobní digesce, bioplyn, membránová separace, biomethan

Keywords

insect biomass, biowaste from insect farming, anaerobic digestion, biogas, membrane separation, biomethane

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 4. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Lucie Obalová
• Reader: Michal Přibyl, Petr Mikulášek

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doctoral programme / field:
Procesní inženýrství / Procesní inženýrství