BMP winasy z trzciny cukrowej: stosunek F/M, rozrzut wyników i wnioski z przeglądu z 2023 r.

Winasa z trzciny cukrowej – ciekła pozostałość po destylacji etanolu – należy do najobfitszych substratów biogazowych Brazylii, a wyniki testów BMP (biochemical methane potential) zależą u niej silnie od warunków pomiaru, zwłaszcza od stosunku substratu do inokulum (F/M). Badanie opublikowane w Brazilian Journal of Chemical Engineering w 2022 r. osiągnęło po optymalizacji F/M sprawność konwersji do metanu 95 ± 2,55 proc. teoretycznego BMP (przy F/M 1,34–1,42 g SCOD na g VSS), ale autorzy odradzają ustalanie jednego standardowego F/M dla winasy.

Co zrobiono w badaniu

Praca dotyczy winasy mieszanego pochodzenia. Autorzy optymalizowali stosunek F/M, czyli relację ilości substratu (w przeliczeniu na substancję organiczną) do ilości biomasy mikrobiologicznej w inokulum. Zbyt wysokie F/M grozi przeciążeniem i hamowaniem procesu (zakwaszenie, akumulacja lotnych kwasów tłuszczowych), a zbyt niskie – zaniża wynik przez nadmiar inokulum i trudności w pomiarze.

Dlaczego nie standaryzować F/M

Wniosek autorów jest ważny: skład winasy zmienia się w zależności od surowca, procesu destylacji i sezonu, dlatego jedno F/M nie sprawdzi się dla wszystkich próbek. W praktyce laboratoryjnej oznacza to konieczność wstępnych testów dobierających F/M do konkretnej próbki oraz opisywania go w sprawozdaniu, aby wyniki z różnych laboratoriów dało się porównać.

Zakres wartości z przeglądu

Przegląd opublikowany w Fermentation w kwietniu 2023 r. podaje, że potencjał metanowy winasy mieści się w przedziale 215–324 L CH₄ na kilogram materii organicznej i zauważa, że wdrażanie technologii w Brazylii jest ograniczone. Rozstęp 215–324 pokazuje, jak duże znaczenie mają warunki eksperymentu i skład próbki.

Pułapka jednostek

Wyniki BMP winasy w literaturze podaje się na różne sposoby: w litrach CH₄ na gram s.m.o., na gram ChZT usuniętego, na tonę świeżej masy. Przykładowo badanie kinetyczne odpadów trzciny (winasa, placek filtracyjny, bagasa, słoma) opublikowane w Int. J. Mol. Sci. podaje wydajności metanu od 5 do 181 Nm³ na tonę świeżej masy, przy bardzo różnych właściwościach materiałów. Porównanie liczb bez sprowadzenia do wspólnej jednostki prowadzi do błędnych wniosków.

Jak interpretować rozrzut

Na rozrzut wpływają: skład winasy (zawartość materii organicznej i ChZT), pH, obecność siarczanów i potasu, temperatura testu, aktywność i adaptacja inokulum, czas trwania testu i metoda pomiaru gazu. Dla nowych projektów należy więc opierać się na pomiarach własnych próbek, a literaturowe wartości traktować jako przedział orientacyjny.

Winasa jako substrat

Według przeglądu z Fermentation winasa powstaje przy produkcji etanolu w ilości rzędu 360 mld litrów, ma średnie ChZT około 46 000 mg/L i zawiera jeszcze około 11 proc. pierwotnej energii soku trzcinowego, ale w formie rozcieńczonej. Zwykle jest zagospodarowywana jako nawóz (fertygacja) albo odrzucana, a fermentacja beztlenowa jest technologią, z której według autorów korzystało w przeszłości zaledwie około 3 proc. brazylijskich zakładów bioetanolu, przy czym większość zaprzestała jej stosowania. Wyniki Int. J. Mol. Sci. wskazują, że ze względu na niską zawartość suchej masy winasy zaleca się dla niej systemy z immobilizacją biomasy, a placek filtracyjny może uzupełniać produkcję biogazu z winasy w okresie poza sezonem cukrowniczym.

Dobre praktyki raportowania

• podać stosunek F/M (w przeliczeniu na s.m.o.) i sposób jego wyznaczenia,
• opisać pochodzenie i adaptację inokulum oraz jego aktywność (próba kontrolna z celulozą lub innym substratem wzorcowym),
• podać temperaturę, czas trwania testu i liczbę powtórzeń oraz próby ślepe,
• określić sposób normalizacji objętości gazu (Nm³ lub NmL w warunkach normalnych),
• wyraźnie wskazać jednostkę wyniku (na g s.m.o., na g ChZT, na tonę świeżej masy).

Od BMP do projektu

BMP to maksymalny potencjał w warunkach laboratoryjnych, a rzeczywista produkcja w reaktorze zależy od czasu zatrzymania, obciążenia, temperatury i inhibicji. Dlatego wartość BMP służy do porównań i wstępnych bilansów, a do projektu instalacji potrzebne są dodatkowe testy ciągłe lub pilotażowe. Dla winasy, której skład zmienia się w sezonie, warto planować pomiary w różnych terminach kampanii.

Co to oznacza dla Polski i Europy

Metodologiczna lekcja jest uniwersalna: nawet dla substratów tak jednorodnych jak winasa wyniki BMP zależą od F/M, inokulum i jednostek. Dla polskich laboratoriów to argument za stosowaniem zalecanych protokołów (np. VDI 4630) i raportowaniem pełnych warunków badań, aby ułatwić porównywanie danych z różnych krajów.