Skuteczność wytwarzania biogazu z wybranych gatunków roślin energetycznych w procesie fermentacji metanowej wspomaganej promieniowaniem mikrofalowym

Zieliński, M.; Dębowski, M.; Kisielewska, M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Skuteczność wytwarzania biogazu z wybranych gatunków roślin energetycznych w procesie fermentacji metanowej wspomaganej promieniowaniem mikrofalowym

Autorzy

Zieliński M. , Dębowski M. , Kisielewska M.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Effectiveness of biogas production from selected energy crops by anaerobic methane digestion supported by microwave radiation

Języki publikacji

Abstrakty

W pracy przedstawiono innowacyjną metodę mikrofalowego ogrzewania reaktorów beztlenowych do wytwarzania biogazu z roślin energetycznych (kiszonki kukurydzy (Zea maize), lucerny (Medicago L.), ślazowca pensylwańskiego (Sida hermaphrodita (L.) Rusby), miskanta olbrzymiego (Miscanthus x giganteus) oraz sianokiszonka). Największą wydajnością wytwarzania biogazu wynoszącą 680 dm3/kg (w odniesieniu do suchej masy organicznej osadu) charakteryzowała się kiszonka kukurydzy, natomiast najmniej biogazu (331 dm3/kg) uzyskano podczas fermentacji kiszonki lucerny. Wykazano, że promieniowanie mikrofalowe poprawiło wydajność wytwarzania metanu z kiszonki kukurydzy, sianokiszonki i kiszonki miskanta, przy czym w przypadku kiszonki kukurydzy zawartość metanu w biogazie wzrosła o 18% (wydajność procesu zwiększyła się z 361 dm3/kg do 426 dm3/kg). W eksperymentach z użyciem kiszonki lucerny i ślazowca nie zaobserwowano wpływu promieniowania mikrofalowego na zwiększenie skuteczności wytwarzania biogazu i metanu w procesie fermentacji. Jakkolwiek natura atermicznych oddziaływań mikrofal nie została jeszcze jednoznacznie wyjaśniona, to jednak przeprowadzone badania wskazują na możliwość intensyfikacji procesów biochemicznych w reaktorach beztlenowych w celu zwiększenia skuteczności wytwarzania biogazu i metanu z roślin energetycznych.

The paper presents an innovative method of microwave heating applied to anaerobic reactors for the manufacture of biogas from the energy crops silages (maize (Zea maize), alfalfa (Medicago L.), sida (Sida hermaphrodita (L) Rusby), giant miscanthus (Miscanthus x giganteus) and hay silage). Maize silage was demonstrated to be the most efficient in terms of biogas production, which amounted to 680 dm3/kg (per dry mass – VSS), while the least biogas (331 dm3/kg) was obtained during the fermentation of alfalfa silage. The microwave radiation clearly improved the capacity of maize, ray silage and of giant miscanthus to produce methane. For the maize silage, the methane content in the biogas increased by 18% (process performance increased from 361 dm3/kg to 426 dm3/kg). In case of alfalfa and sida silage, no effect of microwave radiation on the increase in effectiveness of methane and biogas production by fermentation process was observed. Though the nature of athermic microwave effects has not yet been clearly explained, the research conducted implies a possibility to intensify biochemical processes in anaerobic reactors in order to improve the effectiveness of biogas and methane production from the energy crops.

Słowa kluczowe

fermentacja metanowa rośliny energetyczne kiszonka kukurydzy biomasa promieniowanie mikrofalowe efekt atermiczny biogaz metan

methane fermentation energy crops maize silage biomass microwave radiation athermal effects biogas methane

Wydawca

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski

Czasopismo

Ochrona Środowiska

Rocznik

2018

Tom

Vol. 40, nr 4

Strony

43--48

Opis fizyczny

Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zieliński M.

Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska, ul. Warszawska 117 A, 10-719 Olsztyn

autor

Dębowski M.

Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska, ul. Warszawska 117 A, 10-719 Olsztyn

autor

Kisielewska M.

jedrzejewska@uwm.edu.pl

Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska, ul. Warszawska 117 A, 10-719 Olsztyn

Bibliografia

1. N. D. JABLONOWSKI, T. KOLLMANN, M. NABEL, T. DAMM, H. KLOSE, M. MÜLLER, M. BLÄSING, S. SEEBOLD, S. KRAFFT, I. KUPERJANS, M. DAHMEN, U. SCHURR: Valorization of Sida (Sida hermaphrodita) biomass for multiple energy purposes. GCB Bioenergy 2017, Vol. 9, pp. 202–214.
2. M. NABEL, V. M. TEMPERTON, H. POORTER, A. LÜCKE, N. D. JABLONOWSKI: Energizing marginal soils – the establishment of the energy crop Sida hermaphrodita as dependent on digestate fertilization, NPK, and legume intercropping. Biomass and Bioenergy 2016, Vol. 87, pp. 9–16.
3. A. KACPRZAK, K. MICHALSKA, Z. ROMANOWSKA-DUDA, M. GRZESIK: Rośliny energetyczne jako cenny surowiec do produkcji biogazu. Kosmos – Problemy Nauk Biologicznych 2012, vol. 61, nr 2, ss. 281–293.
4. M. E. MONTINGELLI, S. TEDESCO, A.G. OLABI: Biogas production from algal biomass: A review. Renewable and Sustainable Energy Review 2015, Vol. 43, pp. 961–972.
5. G. MARKOU, M. BRULE, A. BALAFOUTIS, M. KORNAROS, D. GEORGAKAKIS, G. PAPADAKIS: Biogas production from energy crops in northern Greece: Economics of electricity generation associated with heat recovery in a greenhouse. Clean Technologies and Environmental Policy 2017, Vol. 19, pp. 1147–1167.
6. C. GISSÉN, T. PRADE, E. KREUGER, I. A. NGES, H. ROSENQVIST, S. E. SVENSSON, M. LANTZ, J. E. MATTSSON, P. BÖRJESSON, L. BJÖRNSSON: Comparing energy crops for biogas production – yields, energy input and costs in cultivation using digestate and mineral fertilization. Biomass and Bioenergy 2014, Vol. 64, pp. 199–210.
7. I. DUER, M. FOTYMA, A. MADEJ [red.]: Kodeks Dobrej Praktyki Rolniczej. Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Ministerstwo Środowiska, Warszawa 2004.
8. S. BANIK, S. BANDYOPADHYAYA, S. GANGULY, D. DAN: Effect of microwave irradiated Methanosarcina barkeri DSM-804 on biomethanation. Bioresource Technology 2006, Vol. 97, pp. 819–823.
9. C. ROUGIER, A. PROROT, P. CHAZAL, P. LEVEQUE, P. LEPRAT: Thermal and nonthermal effects of discontinuous microwave exposure (2.45 gigahertz) on the cell membrane of Escherichia coli. Applied Environmental Microbiology 2014, Vol. 80, No. 16, pp. 4832–4841.
10. M. ZIELIŃSKA, A. CYDZIK-KWIATKOWSKA, M. ZIELIŃSKI, M. DĘBOWSKI: Impact of temperature, microwave radiation and organic loading rate on methanogenic community and biogas production during fermentation of dairy wastewater. Bioresource Technology 2013, Vol. 129, pp. 308–314.
11. M. ZIELIŃSKI, S. CIESIELSKI, A. CYDZIK-KWIATKOWSKA, J. TUREK, M. DĘBOWSKI. Influence of microwave radiation on bacterial community structure in biofilm. Process Biochemistry 2007, Vol. 42, pp. 1250–1253
12. H. BORKOWSKA, R. MOLAS: Yield comparison of four lignocellulosic perennial energy crop species. Biomass Bioenergy 2013, Vol. 51, pp. 145–153.
13. H. BORKOWSKA, R. MOLAS: Two extremely different crops, Salix and Sida, as sources of renewable bioenergy. Biomass Bioenergy 2012, Vol. 36, pp. 234–240.
14. H. BORKOWSKA, K. WARDZIŃSKA: Some effects of Sida hermaphrodita R. cultivation on sewage sludge. Polish Journal of Environmental Studies 2003, Vol. 12, pp. 119–122.
15. M. OLESZEK, M. MATYKA, J. LALAK, J. TYS, E. PAPROTA: Characterization of Sida hermaphrodita as a feedstock for anaerobic digestion process. Journal of Food, Agriculture and Environment 2013, Vol. 11, pp. 1839–1841.
16. T. POKÓJ, K. BUŁKOWSKA, Z. M. GUSIATIN, E. KLIMIUK, K. J. JANKOWSKI: Semi-continuous anaerobic digestion of different silage crops: VFAs formation, methane yield from fiber and non-fi ber components and digestate composition. Bioresource Technology 2015, Vol. 190, pp. 201–210.
17. C. T. PONNE, P. BARTELS: Interaction of electromagnetic energy with biological material – relation to food processing. Radiation, Physics and Chemistry 1995, Vol. 45, No. 4, pp. 591–607.
18. B. MERTENES, D. KNORR: Developments of nonthermal processes for food preservation. Food Technology 1992, Vol. 5, pp. 125–133.
19. J. Y. JEON, H. Y. KIM: Microwave irradiation effect on diffusion of organic molecules in polymer. European Polymer Journal 2000, Vol. 36, pp. 895–899.
20. V. I. GELETYUK, V. N. KAZACHENKO, N. K. CHEMERIS, E. E. FASENKO: Dual effects of microwaves on single Ca2+- activated K+ in cultured kidney cells Vero. FEBS Letters 1995, Vol. 359, pp. 85–88.
21. M. C. PARKER, T. BESSON, S. LAMARE, M. D. LEGOY: Microwave radiation can increase the rate of enzyme catalyzed reaction in organic media. Tetrahedron Letters 1996, Vol. 37, No. 46, pp. 8383–8386.
22. Y. TAKASHIMA, H. HIROSE, S. KOYAMA, Y. SUZUKIY, M. TAKI, J. MIYAKOSHI: Effects of continuous and intermittent exposure to RF fields with a wide range of SARs on cell growth, survival, and cell cycle distribution. Bioelectromagnetics 2006, Vol. 27, pp. 392–400.
23. D. E. CLARK, D. C. FOLZ, J. K. WEST: Processing materials with microwave energy. Materials Science and Engineering A 2000, Vol. 287, pp. 153–158.
24. Y. SHAMIS, A. TAUBE, N. MITIK-DINEVA, R. CROFT, R. J. CRAWFORD, E.P. IVANOVA: Specific electromagnetic effects of microwave radiation on Escherichia coli. Applied and Environmental Microbiology 2011, Vol. 77, No. 9, pp. 3017–3022.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-48127cb5-487a-4de7-857a-b0a59598adfd