Fermentacja metanowa jest procesem biochemicznym, który w odpowiednich warunkach pozwala na efektywne przetwarzanie różnorodnych surowców organicznych w biogaz. Choć wiele substratów – takich jak gnojowica, kiszonka z kukurydzy czy odpady spożywcze – fermentuje stosunkowo łatwo i szybko, w praktyce eksploatacyjnej biogazowni nie sposób uniknąć pracy z tzw. substratami trudnymi. Ich wykorzystanie może stanowić zarówno szansę (ze względu na dostępność i niskie koszty), jak i ryzyko – głównie z powodu spowolnienia procesu fermentacji, powstawania inhibicji, czy nawet zatrzymania produkcji biogazu.
W tym artykule przyglądamy się, czym są substraty trudne w fermentacji, jakie wyzwania niosą ze sobą dla operatorów instalacji oraz jakie sprawdzone metody pozwalają radzić sobie z ich obecnością.
Czym są substraty trudne w fermentacji?
Trudne substraty to takie, które:
- mają niski potencjał biogazowy w stosunku do swojej masy lub objętości,
- zawierają substancje toksyczne lub inhibujące mikroorganizmy metanogenne,
- cechują się niską biodegradowalnością (np. wysoka zawartość ligniny, tłuszczów, włókien celulozowych),
- są niestabilne i podatne na zmienność składu chemicznego,
- powodują problemy technologiczne (np. pienienie, tworzenie kożucha, osadów).
W praktyce oznacza to, że niektóre odpady rolnicze i pozostałości organiczne – mimo wysokiej zawartości substancji organicznej – są trudne do efektywnego przetworzenia bez odpowiednich modyfikacji procesu.
Najczęstsze przykłady trudnych substratów
1. Słoma i inne odpady lignocelulozowe
Słoma pszenna, żytnia czy kukurydziana to surowce o dużej dostępności, jednak ich struktura bogata w celulozę, hemicelulozę i ligninę sprawia, że są trudno biodegradowalne. Lignina, w szczególności, jest niemal niewrażliwa na działanie mikroorganizmów beztlenowych.
2. Obornik stały i ściółkowy
Zawiera dużo suchej masy, włókien oraz piasku (w przypadku bydła), co wpływa na obniżenie efektywności fermentacji i może prowadzić do akumulacji osadów w zbiorniku fermentacyjnym.
3. Tłuszcze i oleje odpadowe
Choć bardzo kaloryczne, tłuszcze (np. z restauracji, przetwórstwa spożywczego) mogą hamować mikroflorę metanową, prowadząc do inhibicji procesu, zwłaszcza w wyższych stężeniach.
4. Odpady z ubojni i przetwórstwa mięsa
Mają wysoki potencjał metanowy, ale są trudne w stabilnym prowadzeniu fermentacji ze względu na wysoką zawartość azotu, tłuszczu i białek, co grozi powstawaniem toksycznych związków amonowych.
5. Gnojowica drobiowa
Bogata w azot, ale często zbyt płynna i zasobna w antybiotyki lub inne pozostałości weterynaryjne, które wpływają negatywnie na mikroorganizmy fermentacyjne.
Główne wyzwania technologiczne
1. Niska rozkładalność substratu
Substraty lignocelulozowe mogą leżeć w zbiorniku nawet kilkadziesiąt dni, zanim zaczną być efektywnie rozkładane. Zbyt krótki czas retencji prowadzi do ich niewystarczającego wykorzystania.
2. Powstawanie kwasów tłuszczowych
Przy rozkładzie białek lub tłuszczów może dochodzić do intensywnego powstawania lotnych kwasów tłuszczowych (VFA), co prowadzi do zakwaszenia środowiska i inhibicji bakterii metanowych.
3. Toksyczność amoniaku
Przy fermentacji substratów białkowych (np. z ubojni, gnojowica drobiowa) może dochodzić do powstawania amoniaku w stężeniach toksycznych dla mikroorganizmów (>3 g/L NH₄⁺-N).
4. Zapychanie instalacji i problemy mechaniczne
Substraty włókniste mogą powodować powstawanie kożucha, zapychanie mieszadeł, trudności z pompowaniem czy problemy z odprowadzaniem osadów.
Jak sobie radzić z trudnymi substratami?
1. Obróbka wstępna substratów
Mechaniczna
Rozdrabnianie (np. mielenie, cięcie) poprawia powierzchnię kontaktu mikroorganizmów z substratem. W przypadku słomy – cięcie jej na odcinki poniżej 3 cm znacząco przyspiesza rozkład.
Termiczna i chemiczna
Podgrzewanie substratów (do 70–100°C), stosowanie ługów sodowych, kwasów lub enzymów pozwala na rozkład wiązań lignocelulozowych, zwiększając dostępność związków fermentujących.
Biologiczna
Stosowanie mikroorganizmów hydrolitycznych lub enzymów celulolitycznych może wspomagać rozkład substratów włóknistych. Jest to podejście coraz częściej testowane w instalacjach pilotażowych.
2. Kofermentacja (mieszanie substratów)
Dobór odpowiednich proporcji substratów trudnych i łatwiej fermentujących (np. gnojowica + słoma; odpady tłuszczowe + kiszonka) pozwala na zrównoważenie procesu, ograniczenie inhibicji i lepszą kontrolę parametrów.
Zasada: unikać nadmiaru jednego substratu – szczególnie białkowego lub tłuszczowego – który może destabilizować proces.
3. Monitorowanie i kontrola procesu
Regularna analiza:
- pH,
- stężenia amoniaku,
- poziomu kwasów tłuszczowych (VFA),
- stosunku VFA/alkaliczność,
- stężenia siarkowodoru,
pozwala na szybką reakcję w razie zakwaszenia lub zahamowania produkcji metanu.
4. Stopniowe dawkowanie substratów
W przypadku substratów trudnych lub nieprzewidywalnych warto stosować strategię stopniowego zwiększania dawki. Pozwala to mikroflorze przystosować się do nowego surowca bez ryzyka szoku fermentacyjnego.
5. Reaktory dwustopniowe lub dwuetapowe
Podział fermentacji na etap hydrolizy/kwasogenezy i metanogenezy w oddzielnych zbiornikach pozwala na lepsze dostosowanie warunków (np. pH, czas retencji) i skuteczniejszą stabilizację procesu, szczególnie przy substratach problematycznych.
6. Dodatek substancji wspomagających
Niektóre dodatki mogą poprawić stabilność fermentacji i wspomóc mikroflorę:
- mikroelementy (Se, Co, Ni) – wspomagają enzymy metanogenne,
- bufory alkaliczne (np. wodorowęglany) – stabilizują pH,
- sorbenty (np. zeolity) – wiążą amoniak i siarkowodór.
Wnioski: trudny substrat to nie problem, ale wyzwanie
Zastosowanie substratów trudnych może być opłacalne – zarówno ekologicznie, jak i ekonomicznie – pod warunkiem wdrożenia odpowiednich strategii technologicznych. Zróżnicowany miks surowcowy, prawidłowa obróbka substratów, monitorowanie procesu oraz inwestycje w elastyczne rozwiązania (jak reaktory dwustopniowe) pozwalają w pełni wykorzystać potencjał nawet najbardziej wymagających materiałów.
Dla operatorów biogazowni i projektantów instalacji kluczowe jest zrozumienie właściwości substratów, jakie mają do dyspozycji, oraz świadome zarządzanie procesem fermentacji. Właściwe podejście może nie tylko ograniczyć ryzyko, ale i zwiększyć efektywność całego systemu, szczególnie w dobie rosnącego zapotrzebowania na energię odnawialną z odpadów rolniczych.