(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (13) (51) T3 Int.Cl. C12P 5/02 ( ) C02F 11/04 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2012/11 EP B1 (54) Tytuł wynalazku: Sposób konwersji biomasy z surowców odnawialnych na biogaz w fermentorach anaerobowych (30) Pierwszeństwo: DE (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2010/19 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 2012/10 (73) Uprawniony z patentu: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.v., München, DE (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 BJÖRN SCHWARZ, Dresden, DE BURKHARDT FASSAUER, Dresden, DE EBERHARD FRIEDRICH, Radebeul, DE HANNELORE FRIEDRICH, Radebeul, DE ALEXANDER MICHAELIS, Dresden, DE (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Mirosława Ważyńska JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY BIURO PATENTÓW I ZNAKÓW TOWAROWYCH ul. Żurawia 47/ Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 14190/12/P-RO/MW/KM EP Sposób konwersji biomasy z surowców odnawialnych na biogaz w fermentorach anaerobowych Opis wynalazku [0001] Przedmiot wynalazku dotyczy dziedzin biochemii i wytwarzania energii, a jest nim sposób konwersji biomasy z surowców odnawialnych na biogaz w anaerobowych fermentorach, który stosuje się w instalacjach do wytwarzania biogazu i którego zastosowanie możliwe jest zarówno przy monofermentacji surowców odnawialnych, jak i przy kofermentacji z użyciem nawozów gospodarczych (np. gnojowicy) w rolniczych biogazowniach lub przy kofermentacji z użyciem osadów ściekowych w komunalnych oczyszczalniach ścieków. [0002] Przekształcanie biomasy w biogaz umożliwiający zastosowanie w energetyce, z wykorzystaniem biochemicznej wydajności anaerobowej, mieszanej populacji mikroorganizmów jest praktykowane w technice na dużą skalę, zarówno w rolniczych biogazowniach, jak i w wieżach fermentacyjnych komunalnych oczyszczalni ścieków. Stosowana przy tym technika procesowa obejmuje szerokie spektrum kombinacji liczby i układu fermentorów, temperatury procesowej (mezofilna, termofilna), przetwarzania substratu, warunków doprowadzania substratu do instalacji, stopnia przemieszania, czasu przebywania oraz obciążenia pomieszczenia. [0003] Przy wykorzystywaniu surowców odnawialnych jako głównego substratu lub kosubstratu do wytwarzania biogazu ich chemiczna struktura uniemożliwia całkowite przekształcenie w biogaz. Większe ilości materiału roślinnego składają się z trudno dostępnych lub w ogóle niedostępnych dla mikroorganizmów surowców, jak celuloza, hemiceluloza i lignina. Przy stosowaniu dotychczasowych technologii fermentacyjnych, które poza mechanicznym rozdrabnianiem materiału wejściowego nie obejmują dodatkowego wstępnego przetwarzania substratu, prowadzi to do niezadowalających, a niekiedy nieekonomicznych wartości w odniesieniu do stopnia rozkładu. Czas przebywania substratów w anaerobowych fermentorach, wynoszący 50 do 150 dni, jest bardzo długi, a uzysk energii w formie biogazu mimo to nie jest zadowalający. [0004] Oprócz tego w przypadku eksploatowanych rzędowo (kaskadowo) reaktorów tylko pierwszy reaktor jest w pełni wykorzystywany, ponieważ największa ilość dostępnych mikrobiologicznie substancji organicznych jest przetwarzana już w ciągu 20 do 30 dni. Wszystkie dalsze reaktory mają bardzo ograniczoną skuteczność rozkładu i szybkość działania. Przyczyną tego jest bardzo powolna hydroliza pozostających frakcji organicznych.

3 - 2 - Taki, ograniczający szybkość procesu, etap rozkładu prowadzi do niedostatecznego wykorzystania metanogenezy, która wykazuje jeszcze znaczne rezerwy. [0005] Aby uzyskać lepszy stopień wykorzystania przy fermentacji energii zawartej pierwotnie w surowcach odnawialnych należy od zewnątrz przyspieszyć hydrolizę to znaczy rozkład złożonych makrocząsteczek na ich składniki elementarne. Według stanu techniki, a przede wszystkim w dziedzinie pozyskiwania surowca z surowców odnawialnych (chemia elementarna) cel ten można osiągnąć różnymi sposobami. Rozmaite połączenia mechanicznego przetwarzania wstępnego (rozdrabnianie, mielenie), metody fizyczne (proces eksplozji pary, przetwarzanie z użyciem gorącej wody, hydroliza termiczna pod ciśnieniem), metody chemiczne (zakwaszanie, ługowanie, utlenianie na mokro) i metody enzymatyczne stosuje się np. do lizy celulozy i hemicelulozy. Wymienione metody nie mogą jednak być bezpośrednio stosowane w zakresie eksploatowania układów do wytwarzania biogazu, ponieważ przykładowo zapotrzebowanie na energię i chemikalia jest niewspółmiernie wysokie i nieekonomiczne w odniesieniu do przetwarzanych strumieni objętościowych. Przy fermentacji lub kofermentacji surowców odnawialnych w celu intensyfikacji rozkładu stosuje się w stanie techniki następujące procesy: - mechaniczny rozkład wstępny (np. przy użyciu wytłaczarki) * konieczna jest wysoka zawartość substancji stałej w przetwarzanym substracie zastosowanie przed pierwszym fermentorem do substratów substancji stałej (kiszonki), * niewielkie przyspieszenie rozkładu w pierwszym fermentorze, który także bez wstępnego przetwarzania substratu wykazuje wysoką skuteczność rozkładu - dozowanie enzymów * przeznaczone do niewielu grup substratów (np. celuloza) * niewielkie zwiększenie stopnia rozkładu * stosunkowo wysokie koszty enzymów - oddzielna(e) hydroliza / metanizacja, oddzielanie substancji stałej od substancji płynnej i regulacja ph poprzez zwrotne prowadzenie fazy płynnej (EP A1) * odłączenie stałych, z trudem poddających się hydrolizie substancji od głównego strumienia * hydroliza biologiczna oddzielonych substancji stałych w dodatkowym fermentorze hydroliza zbyt wolna i limitowana przez ograniczoną możliwość lizy przez mikroorganizmy. - dezintegracja termiczna między eksploatowanymi rzędowo pierwszymi i drugimi fermentorami (DE C2, DE A1)

4 - 3 - * 10 do 120 minut w temperaturze 60 do 90 C temperatury zbyt wysokie dla zachowania bakterii metanowych i zbyt niskie dla lizy frakcji, z trudem poddających się rozkładowi - dezintegracja termiczna jako etap pośredni (FR C2) * przetwarzanie pełnego strumienia w temperaturze 80 do 175 C bardzo duże zużycie energii i zniszczenie bakterii metanowych - odwadnianie i obróbka cieplna (EP A1) * w temperaturze 60 C lub wyższej temperatury zbyt niskie dla efektywnej lizy [0006] W WO 2006/ opisano sposób wytwarzania biogazu z odpadów organicznych, który obejmuje następujące etapy: i) fermentacja odpadów organicznych w pierwszym reaktorze biogazowym ii) hydroliza rozłożonych odpadów organicznych w anaerobowym zbiorniku do hydrolizy i iii) fermentacja poddanych hydrolizie, odpadów organicznych w drugim reaktorze biogazowym; przy czym gazy powstające w anaerobowym zbiorniku do hydrolizy są usuwane w ramach przepływu gazów w górnej części zbiornika. [0007] Wady rozwiązań ze stanu techniki polegają przede wszystkim na niewystarczającym uzysku gazu w porównaniu do całkowitego czasu przebywania surowców odnawialnych w biogazowni. [0008] Zadaniem wynalazku jest określenie sposobu konwersji biomasy z surowców odnawialnych na biogaz w anaerobowych fermentorach, który byłby prowadzony w jak najkrótszym całkowitym czasie przebywania surowców odnawialnych w biogazowni i/lub pozwalałby uzyskać większą ilość i/lub lepszą jakość biogazu. [0009] Zadanie to jest rozwiązywane przez wynalazek opisany w zastrzeżeniach. Korzystne formy wykonania stanowią przedmiot zastrzeżeń podrzędnych. [0010] W stanowiącym przedmiot wynalazku sposobie konwersji biomasy z surowców odnawialnych na biogaz w anaerobowych fermentorach surowce odnawialne są umieszczane w przynajmniej jednym pierwszym reaktorze fermentacyjnym razem z cieczą i innymi, potrzebnymi do metanogenezy substancjami wyjściowymi, a tam poddawane są procesowi fermentacyjnemu, po czym pozostałość po fermentacji poddawana jest procesowi oddzielania fazy stałej od fazy płynnej a oddzielona faza stała poddawana jest hydrolizie termicznej pod ciśnieniem, w temperaturze przynajmniej 170 C i ciśnieniu przynajmniej 1,0 MPa, a tak przetworzona faza stała jest doprowadzana albo do pierwszego anaerobowego reaktora fermentacyjnego albo do drugiego reaktora fermentacyjnego i poddawana dalszemu procesowi fermentacyjnemu, a przynajmniej część fazy płynnej po oddzieleniu fazy stałej od fazy płynnej doprowadzana jest do pierwszego lub drugiego reaktora fermentacyjnego.

5 - 4 - [0011] Korzystnie jako kolejne substancje wyjściowe, konieczne do metanogenezy dodaje się gnojowicę i/lub osady ściekowe i/lub wodę procesową. [0012] Również korzystnie oddzielenie fazy stałej od płynnej przeprowadza się poprzez wyciskanie, wirowanie lub przesiewanie. [0013] Oprócz tego hydroliza termiczna pod ciśnieniem jest korzystnie uzupełniana przez mechaniczne etapy przetwarzania fazy stałej przed lub podczas hydrolizy termicznej pod ciśnieniem. [0014] Korzystne jest także, kiedy hydroliza termiczna pod ciśnieniem jest uzupełniana przez chemiczne i/lub enzymatyczne etapy przetwarzania fazy stałej przed lub podczas hydrolizy termicznej pod ciśnieniem. [0015] Korzystne jest także, kiedy hydroliza termiczna pod ciśnieniem przeprowadzana jest w temperaturach w zakresie od 170 do 250 C. [0016] Korzystne jest także, kiedy hydroliza termiczna pod ciśnieniem przeprowadzana jest pod ciśnieniem od 1 do 4 MPa. [0017] Korzystne jest także, kiedy hydroliza termiczna pod ciśnieniem jest przeprowadzana z wykorzystaniem ciepła odlotowego innych procesów. [0018] Wraz ze sposobem według wynalazku po raz pierwszy możliwe jest określenie sposobu wytwarzania biogazu, który w krótkim czasie i/lub z wysokim uzyskiem pozwalałby na wytwarzanie biogazu. Przy tym całkowity czas przebywania biomasy, wynoszący dotąd 50 do 150 dni, może zostać skrócony do czasu poniżej 50 dni. Równocześnie można polepszyć zarówno ilość, jak i jakość wytwarzanego biogazu poprzez stopień rozkładu stosowanej biomasy powyżej 80%. [0019] Wraz ze sposobem według wynalazku surowce odnawialne są przetwarzane na biogaz. Pod pojęciem surowców odnawialnych w ramach wynalazku rozumie się wszystkie surowce, które są uprawiane rolniczo w celu pozyskiwania energii. Oprócz tego pod tym pojęciem rozumie się także substancje resztkowe z produkcji rolniczej. W rozumieniu wynalazku surowcami odnawialnymi nie są osady ściekowe. [0020] Różnica między surowcami odnawialnymi i osadami ściekowymi do sposobu według wynalazku polega też w szczególności na tym, że surowce odnawialne w każdym etapie procesowym wykazują znacznie większą ilość organicznych pozostałości suchych, celulozy i ligniny i znacznie większe wielkości cząstek. [0021] Wraz ze sposobem według wynalazku można osiągnąć niemal całkowite, energetyczne spożytkowanie zastosowanej biomasy i jej przetworzenie na biogaz. Można przetworzyć na biogaz niemal całą zawartą w substracie energię pierwotną, która następnie jest przetwarzana na energię elektryczną. [0022] Dzięki znacznie zwiększonej szybkości rozkładu występujące objętości fermentorów mogą też zostać znacznie bardziej efektywnie wykorzystane oraz można przyjmować mniejsze wymiary nowych instalacji.

6 - 5 - [0023] Wraz ze sposobem według wynalazku osiąga się w przybliżeniu całkowite wykorzystanie wydajności anaerobowych fermentorów w zakresie metanizacji. Oznacza to, że wszystkie reaktory fermentacyjne biogazowni do fermentacji lub współfermentacji surowców odnawialnych każdorazowo są zaopatrywane w takie ilości łatwo przetwarzalnych substratów, że nie dochodzi już do znaczącego ograniczenia szybkości procesowej ze względu na hydrolizę. Doprowadzane substancje są przetwarzane tak szybko, że stale pozostaje dostępna wystarczająca ilość kwasu octowego do etapu metanowego. [0024] Przy średnim czasie przebywania wynoszącym 25 dni w pierwszym anaerobowym reaktorze fermentacyjnym rozkładanych i przetwarzanych na biogaz jest około 40% organicznych substancji wyjściowych. Przy tym ten pierwszy anaerobowy reaktor fermentacyjny jest eksploatowany z pełną mocą metanizacji, co zostało udokumentowane przez stwierdzoną w praktyce większą zawartość kwasów organicznych jako półproduktu anaerobowego łańcucha rozkładu. Szczególnie wyższa zawartość kwasu octowego wskazuje albo na zahamowanie metanogenów przetwarzających kwas octowy albo na wysoki stopień wykorzystania tej grupy bakterii. [0025] Aby w dalszym, drugim anaerobowym reaktorze fermentacyjnym przygotować substancje wyjściowe z podobnie wysoką ilością łatwo dostępnych substratów do procesu fermentacyjnego, realizuje się według wynalazku dwa etapy pośrednie. Najpierw pozostałość po fermentacji z pierwszego anaerobowego reaktora fermentacyjnego poddawana jest oddzieleniu fazy stałej od fazy płynnej. Pozostałość po fermentacji składa się zasadniczo z nierozłożonych surowców odnawialnych, mikroorganizmów i wody. Poprzez zwykłe odwadnianie z siłą odśrodkową lub poprzez ściskanie woda i mikroorganizmy są oddzielane i mogą, jako faza płynna, być doprowadzane do drugiego anaerobowego reaktora fermentacyjnego lub być przetwarzane jako produkt uboczny. Również oddzielona faza stała, która obejmuje około 20 do 30% całkowitej objętości pozostałości po fermentacji pierwszego anaerobowego reaktora fermentacyjnego, zawiera zasadniczo jeszcze występujący potencjał tworzenia gazów, który może zostać uwolniony przez niemal całkowite podzielenie, z trudem poddających się hydrolizie, makrocząsteczek w kroku hydrolizy termicznej pod ciśnieniem w drugim anaerobowym reaktorze fermentacyjnym. [0026] Stanowiący przedmiot wynalazku proces hydrolizy termicznej pod ciśnieniem jest wówczas przeprowadzany przykładowo w dodatkowym reaktorze lub też w przewodach rurowych między pierwszym a drugim anaerobowym reaktorem fermentacyjnym. Do tego celu można korzystnie wykorzystać ciepło odlotowe z bloków elektrociepłowniczych. Bardzo duże ilości energii są doprowadzane do fazy stałej przykładowo za pomocą wymiennika ciepła gazów odlotowych, a faza stała, w ramach poszczególnych partii, przy temperaturze przynajmniej 170 C i ciśnieniu 1,0 MPa poddawana jest hydrolizie termicznej pod ciśnieniem przez 10 do 120 minut. Zoptymalizowanie hydrolizy termicznej pod ciśnieniem można osiągnąć poprzez mechaniczne poruszanie fazy stałej. Przez hydrolizę termiczną pod ciśnieniem, ze stosunkowo wysokimi temperaturami, zasadniczo zawarte w fazie stałej celuloza i lignina są oddzielane z pozostałości po fermentacji po oddzieleniu faz i rozkładane

7 - 6 - na składniki podstawowe (monomery), a tym samym udostępniane do dalszego przetwarzania na biogaz w reaktorze fermentacyjnym. Dotychczas, przy zastosowaniu rozwiązań stanu techniki, nie było to możliwe. Tak przetworzona faza stała jest całkowicie doprowadzana do drugiego anaerobowego reaktora fermentacyjnego, gdzie jest przetwarzana na biogaz niemal całkowicie i stosunkowo szybko. [0027] W przypadku występowania tylko jednego anaerobowego reaktora fermentacyjnego poddaną hydrolizie termicznej pod ciśnieniem fazę stałą można też ponownie doprowadzić do danego reaktora. Tak można zasadniczo przeprowadzać tylko proces nieciągły. Zaletą tego rozwiązania jest jednak zmniejszona ilość koniecznej świeżej biomasy jako substancji wyjściowej. Sposób według wynalazku może być realizowany także w wielu reaktorach fermentacyjnych, o ile te przykładowo są już dostępne. [0028] Poprzez oddzielenie fazy stałej od płynnej osiąga się też taką korzyść, że objętość przetwarzanej substancji zostaje znacząco zredukowana, co oznacza oszczędności lub lepsze wykorzystanie stosowanej energii cieplnej. Oprócz tego, nienaruszone w pozostałości po fermentacji po pierwszym anaerobowym reaktorze fermentacyjnym bakterie metanowe i inne mikroorganizmy nie są przez to poddawane obróbce cieplnej i mogą ponownie być zastosowane w pierwszym lub w drugim anaerobowym reaktorze fermentacyjnym. Kolejna korzyść polega na zwiększeniu hydraulicznego czasu przebywania w drugim reaktorze, ponieważ część fazy płynnej może zostać odprowadzona z całego procesu. [0029] Kolejna korzyść sposobu według wynalazku wynika z jego wysokiego stopnia elastyczności, który warunkowany jest przez oddzielenie fazy stałej od płynnej. Stosunki środowiskowe w drugim anaerobowym reaktorze fermentacyjnym mogą zostać zmienione przez zmianę ilości fazy płynnej, co ma pozytywny wpływ na stabilność eksploatacyjną, a tym samym na uzysk biogazu. [0030] Wynalazek dokładniej objaśniono na przykładzie wykonania. [0031] Przedstawiono na Fig. 1 schemat sposobu z dwoma fermentorami. [0032] 50t kiszonki, składającej się z 60% kukurydzy oraz 40% żyta jest doprowadzane codziennie razem ze 100m 3 gnojowicy do eksploatowanego w sposób ciągły, anaerobowego reaktora z kotłem mieszalniczym, jako pierwszego reaktora fermentacyjnego. Na tym pierwszym etapie fermentacji w ciągu 20 dni hydraulicznego czasu przebywania około 40% zawartych w materiale wyjściowym substratów organicznych jest przetwarzanych na biogaz. [0033] Pozostałość po fermentacji tego pierwszego etapu (ok. 135 t dziennie) jest odwadniana przy pomocy prasy ślimakowej. Powstaje przy tym około 107t fazy płynnej z zawartością substancji stałej 4% i około 31 t substancji stałych z pozostałością suchą 30%. Dwie trzecie fazy płynnej przeprowadza się do dalszego fermentora 2, a pozostała jedna trzecia trafia do

8 - 7 - magazynu końcowego (w celach recyklingu). Oddzielone substancje stałe są poddawane 30- minutowemu procesowi w temperaturze 220 C i przy ciśnieniu 2,5 MPa. Następuje to w ramach poszczególnych partii z wykorzystaniem ciepła odlotowego z bloku ciepłowniczego. Po hydrolizie termicznej pod ciśnieniem częściowo upłynnione substancje stałe również dostają się do drugiego reaktora fermentacyjnego. Zawarte w nich elementy organiczne zostają w drugim reaktorze fermentacyjnym niemal całkowicie przetworzone na biogaz przy hydraulicznym czasie przebywania wynoszącym 20 dni. Osiągnięty całkowity stopień rozkładu substancji organicznej w obu fermentorach wynosi ogółem 80%. Sporządziła i zweryfikowała Mirosława Ważyńska Rzecznik patentowy

9 - 8 - Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób konwersji biomasy z surowców odnawialnych na biogaz w anaerobowych fermentorach, w którym surowce odnawialne są umieszczane w przynajmniej jednym pierwszym anaerobowym reaktorze fermentacyjnym razem z cieczą i z innymi, potrzebnymi do metanogenezy substancjami wyjściowymi i tam poddawane są procesowi fermentacyjnemu, po czym reszta po fermentacji poddawana jest oddzielaniu fazy stałej od płynnej, a oddzielona faza stała poddawana jest hydrolizie termicznej pod ciśnieniem, w temperaturze przynajmniej 170 C i pod ciśnieniem przynajmniej 1,0 MPa, a tak przetworzona faza stała jest albo prowadzona zwrotnie do pierwszego anaerobowego reaktora fermentacyjnego albo jest doprowadzana do drugiego anaerobowego reaktora fermentacyjnego i poddawana dalszemu procesowi fermentacyjnemu, w którym przynajmniej część fazy płynnej po oddzieleniu fazy stałej od fazy płynnej doprowadzana jest do pierwszego lub drugiego anaerobowego reaktora fermentacyjnego. 2. Sposób według zastrzeżenia 1, w którym jako dalsze potrzebne do metanogenezy substancje wyjściowe dodaje się gnojowicę i/lub osady ściekowe i/lub wodę procesową. 3. Sposób według zastrzeżenia 1, w którym oddzielenie fazy stałej od płynnej przeprowadza się poprzez ściskanie, odwirowywanie lub przesiewanie. 4. Sposób według zastrzeżenia 1, w którym hydroliza termiczna pod ciśnieniem jest uzupełniana przez mechaniczne etapy obróbki fazy stałej przed lub podczas hydrolizy termicznej pod ciśnieniem. 5. Sposób według zastrzeżenia 1, w którym hydroliza termiczna pod ciśnieniem jest uzupełniana przez chemiczne i/lub enzymatyczne etapy obróbki fazy stałej przed hydrolizą termiczną pod ciśnieniem. 6. Sposób według zastrzeżenia 1, w którym hydroliza termiczna pod ciśnieniem przeprowadzana jest w temperaturze w zakresie od 170 do 250 C. 7. Sposób według zastrzeżenia 1, w którym hydroliza termiczna pod ciśnieniem przeprowadzana jest pod ciśnieniem od 1 do 4 MPa. 8. Sposób według zastrzeżenia 1, w którym hydroliza termiczna pod ciśnieniem jest przeprowadzana z wykorzystaniem ciepła odlotowego z innych procesów. Sporządziła i zweryfikowała Mirosława Ważyńska Rzecznik patentowy

10 - 9 -