За матеріалами Конференції з міждисциплінарних проблем охорони навколишнього середовища та інженерії EKO-DOK 2018 на тему «Придатність цукрових буряків для виробництва біогазу у співвідношенні тривалості зберігання та вмісту цукру» («The usefulness of sugar beets for biogas production in relations of the storage time and sugar content»).

Цукрові буряки є основною сировиною для виробництва цукру в Європі. Починаючи з 2006 року в ЄС ринок цукру був регульованим, а виробництво цукрових буряків обмеженим. Починаючи з 1 жовтня 2017 року на цукровому ринку ЄС діючі нормативні акти припинили свою дію. Лібералізація цукрового ринку підвищила інтерес фермерів до виробництва цукрових буряків. У даний час це передбачено чинним законодавством, а також значним потенціалом галузей, пов’язаних із виробництвом цукрових буряків, а саме виробництва насіння, добрив, ЗЗР, спеціалізованої техніки, та розвитком сучасних технологій. Закінчення терміну дії квоти на виробництво буряків в ЄС збільшує необхідність пошуку альтернативних способів їх використання.

До 2020 року 20% загального обсягу виробництва енергії в ЄС припадало на відновлювані ресурси. Виробництва біогазу є однією з можливостей використання цукрових буряків. Наприклад, у Німеччині 52% субстрату, який використовується для виробництва біогазу, є відновлюваною сировиною, включаючи сільськогосподарські культури. Альтернативне використання цукрових буряків є частиною мети енергетичної та кліматичної програми Європейського Союзу, яка передбачає розвиток інноваційних та децентралізованих джерел енергії із використанням енергії, отриманої з відновлюваних ресурсів сільськогосподарського походження. Зокрема, програма передбачає заходи щодо розвитку розподіленої когенерації на основі локальних відновлюваних джерел енергії та інноваційних технологій їх використання, зокрема для розвитку біогазових комплексів та виробництва енергії в цілому.

Що стосується цукрових буряків, вважається найбільш доцільним використовувати їх для виробництва біоетанолу та біогазу. В Європі, включаючи Польщу, крім виробництва цукру буряки також можна використовувати і для виробництва біогазу, так як вони вважаються дуже ефективним субстратом. В експериментах насіннєвих компаній було встановлено, що врожайність так званого енергетичного буряка (корені та листя) може досягати від 130 до 150 т/га^-1. Крім того, суха біомаса буряка містить близько 94% вуглеводів, що проходять швидкий процес ферментації, а 80% органічної біомаси повністю розкладається. Окрім цього також необхідно додати високий вихід біогазу, при якому максимальний його вихід досягається через 12 годин, і дуже швидкий процес ферментації субстрату, який становить приблизно 15 днів. Для порівняння, у випадку кукурудзи ці значення становлять 12 та 90 днів відповідно. Хоча процес ферментації метану відомий давно, використання нових субстратів сільськогосподарського походження дозволить збільшити ефективність біогазових комплексів. Віндіс та ін. стверджували, що використання буряків у суміші з іншими субстратами прискорює процес ферментації і покращує якість виробленого біогазу. Крім того, враховуючи умови в Польщі, використання цукрових буряків для виробництва енергії є частиною програми «Інноваційна енергетика. Виробництво енергії», прийнятої урядом Польщі в 2009 році. Одне з припущень цієї програми базується на функціонуванні біогазових комплексів на субстратах рослинного походження.

Незалежно від системи виробництва цукрових буряків, вихід біогазу та біомаси з гектару є визначальними факторами їх придатності для виробництва біогазу. Цукровий буряк із листям є найбільш урожайною рослиною, також він має високі показники енергоефективності, тобто цукрові буряки можна успішно використовувати для виробництва біогазу.

В європейських країнах відзначається значний прогрес у розвитку технологій альтернативного використання цукрових буряків для виробництва біогазу, особливо в галузі зберігання та підготовки субстратів для біогазових установок. Субстрат повинен бути доступний протягом усього року, тоді як збирання врожаю буряків носить сезонний характер. Можливість зберігання цукрових буряків протягом усього року полягає у використанні універсальних кагатів або відкритих резервуарів. Крім того, у виробництві буряків доступно багато сортів із різною придатністю, виходом цукру та високою врожайністю. Цукровий тип буряків характеризується підвищеним вмістом цукру та низьким вмістом технологічно шкідливих інгредієнтів із середньою або дещо меншою врожайністю. Нормальний тип характеризується середнім виходом цукру і, як правило, більш високою врожайністю. Високоврожайний тип демонструє відносно низький вміст цукру та високий рівень врожайності. Що стосується цукрових буряків, призначених для енергетичних цілей, параметри якості, пов'язані з виробництвом цукру та вмістом меляси, не є найважливішими факторами. Фермери, які вирощують цукрові буряки для виробництва «зеленої» енергії, не повинні обмежуватися показниками технологічної якості, що дає нові можливості як виробникам, так і селекціонерам.

Використання цукрових буряків як субстрату для виробництва біогазу  — досить перспективний напрямок. У даний час немає експериментально перевірених даних щодо придатності цукрових буряків для виробництва біогазу залежно від тривалості їх зберігання та вмісту цукру. Немає досліджень, які б визначали вплив цих двох параметрів на ефективність виробництва біогазу та метану. Отже, ефективне використання цукрових буряків як субстрату для виробництва біогазу потребує визначення того, чи дозволить зберігання підтримувати хороші параметри якості, отримуючи таким чином високу ефективність метану та чи впливає вміст цукру на вихід метану.

Тому метою даної роботи було проаналізувати придатність цукрових буряків для виробництва біогазу з урахуванням тривалості їх зберігання та вмісту цукру.

Матеріал та методи

Дослідження включало аналіз ефективності метану. У якості субстратів використовувалися корені цукрових буряків, змішані з відходами життєдіяльності свиней та ВРХ (гноєм). Для аналізу використовувалися цукрові буряки з різним вмістом цукру, які позначалися символами А — 17,6% та В — 19,60%. Аналіз виходу біогазу проводився в три етапи:

• Т0 – корені не зберігалися (свіжі);
• Т1 – після 43 днів зберігання;
• Т2 – після 89 днів зберігання.

Цукрові буряки зберігалися цілими в герметично закритих контейнерах (силосах) в анаеробних умовах. Маса кореня в одному силосі складала від 6,8 до 7,3 кг. Приготовлені таким чином зразки цукрових буряків зберігалися під накриттям при температурі навколишнього середовища.

Перед кожним процесом ферментації метану корені подрібнювалися на частинки діаметром не більше 5 мм. Показовий зразок було отримано з приготованого таким чином "мусу". Зразки перевірялися з точки зору їх сухої біомаси, органічної сухої біомаси та pH.

У процесі ферментації метану зразок був субстратами в таких пропорціях:

• 50 г цукрових буряків даної групи;
• 500 г гною;
• 100 г інокуляту.

Контрольний зразок складався лише з гною без додавання цукрових буряків. Експеримент проводився відповідно до німецького стандарту DIN 38414-S8 на багатокамерній установці ферментації на основі евдіометричної системи. Процес проходив у мезофільних умовах при температурі 36 ± 2°С. Ферментери місткістю 2 дм³ поміщалися в ємність, наповнену водою, в якій підтримувалася стабільна температура (Графік 1).

Вироблений біогаз зберігався в мірних циліндрах місткістю 1200 мл. Об'єм виробленого біогазу вимірювався кожні 24 год. Склад виробленого біогазу перевірявся за допомогою газоаналізатора MSMR-4 компанії ALTER S.А. Також вимірювалися концентрації газів, таких як CH₄, CO₂, NH₃, O₂, H₂S. Експеримент закінчувався, коли принаймні 3 дні вихід біогазу становив менше 0,05 дм³ на добу.

Результати

Параметри субстратів

Перед кожним процесом ферментації перевірялися основні параметри цукрових буряків, такі як суха біомаса (DM), органічна суха біомаса (ODM) та pH.

Таблиця 1. Параметри субстратів у конкретні дати

Аналіз показує, що тривалість зберігання цукрових буряків впливає на зниження сухої та органічної біомаси, а також на pH буряків, тому що під час зберігання частина сухої біомаси піддається розпаду на СО₂ та Н₂О. Що стосується коренеплодів із меншим вмістом цукру, після 12 тижнів зберігання їх суха біомаса зменшилася на 32,6%, тоді як для коренів із більшим вмістом цукру  — на 29,5%. У процесі зберігання буряків зменшувалася їх органічна суха біомаса. Значення рН також зменшилося під час зберігання, що чітко вказує на процеси розкладання субстрату та утворення органічних кислот, які викликали підкислення субстратів.

Процес ферментації

Експеримент також включав аналіз процесу ферментації метану. На Графіку 2 показано приклад процесу ферментації біогазу з цукрових буряків із вмістом цукру 19,6%, що зберігалися протягом 89 днів. Аналіз показує, що коренеплоди буряків проходять процес ферментації набагато швидше, порівняно, наприклад, із одним гноєм ВРХ (Графік 3), і є прикладом швидко розщеплюваного субстрату, призначеного для біогазових установок. Максимальне виробництво біогазу було зафіксовано в перші дні після початку ферментації. Весь процес ферментації також закінчився набагато швидше (через 29 днів), по відношенню до гною ВРХ, коли виробництво біогазу тривало більше 50 днів. Крім того, через три дні кількість метану в біогазі перевищила кількість інших газів.

Графік 2. Щоденне виробництво біогазу з цукрових буряків із вмістом цукру 19,6% після 89 днів зберігання

Графік 3. Щоденне виробництво біогазу з гною ВРХ

Виробництво біогазу з цукрових буряків, які зберігалися протягом 43 та 89 днів, було подібним. На Графіку 4 показано загальне виробництво метану зі свіжих буряків.

Графік 4. Загальне виробництво метану з тонни свіжої біомаси цукрових буряків

На Графіку 4 чітко видно, що буряки починають вступати в активний процес ферментації лише на 13 день. Причиною цього стало підкислення зразків. У цьому випадку відбулося явище гальмування метанових бактерій (майже на 2 тижні), і таким чином виробництво біометану може припинитися. Корені свіжих буряків є складним для ферментації субстратом, а накопичення більш доступних цукрів може призвести до динамічного гідролізу і, як наслідок, підкислення середовища. Найімовірніше, це було проблемою ферментації свіжих цукрових буряків, оскільки зниження рН нижче 6,8 зупиняє активність метанопродукуючих бактерій та виробництво метану. Виробництво CH₄ відновлюється, тоді як pH підвищується до понад 6,8.

Виробництво біометану

У Таблиці 2 показано кількість біогазу, метану та концентрацію метану, отримані з кожного зразка. Більший вміст цукру в буряках позитивно впливав на концентрації метану.

Таблиця 2. Загальне виробництво та концентрація метану

У всіх досліджуваних випадках корені з вмістом цукру 19,6% характеризувалися збільшенням концентрації метану на 2% та, навіть, на 8% у випадку буряків, які зберігалися протягом 43 днів. Аналогічний взаємозв'язок був виявлений у випадку накопиченого метану та біогазу. Загальне виробництво метану, отриманого з буряків із більшим вмістом цукру, було навіть на 12% вищим, ніж із буряків із вмістом цукру 17,6% (свіжі корені). Різниця у виробництві біогазу з буряків із різним вмістом цукру становила від 4 до 8%. Аналіз також показав, що тривалість зберігання буряків сприяє зменшенню потенціалу біогазу та метану, а також концентрації метану.