Ten umožňuje bezpečné a včasné rozeznávání stavů přetížení ve fermentoru. Ekonomické přednosti přitom vznikají za prvé vyšším vytížením kapacity výkonu fermentoru a za druhé zabráněním velké ztráty způsobené výpadky.

Řízení procesu výroby bioplynu pomocí místního měření kyseliny propionové. Pomocí elektronického nosu se provozovatelům bioplynových stanic dává k dispozici vhodný nástroj k řízení procesu, zejména při používání obnovitelných zdrojů surovin. Ten umožňuje bezpečné a včasné rozeznávání stavů přetížení ve fermentoru. Ekonomické přednosti přitom vznikají za prvé vyšším vytížením kapacity výkonu fermentoru, a za druhé zabráněním velké ztráty způsobujícím výpadkům.

Řízení procesu bioplynových stanic se zpravidla provádí empiricky nebo na základě hodnot ze zkušenosti. Kontrola a řízení získávají ještě více na významu, když se používají obnovitelné druhy surovin, protože se zvyšujícím se množstvím energie se také zvyšuje nebezpečí přetížení. Indikátorem přetížení procesu je koncentrace kyseliny propionové ve fermentoru. Pomocí elektronického nosu lze bezpečně rozeznat již nízká množství kyseliny propionové. Tímto způsobem je možný včasný zásah do procesu. Jan Mumme a Dr. Bernd Linke z Leibnizova ústavu zemědělské techniky v Postupim – Bornimu tento vývoj představují. Hlavní problém při kofermentaci a monofermentaci energetických rostlin spočívá ve volbě optimálního zatížení fermentoru organickými látkami. Zatímco velmi nízké vytížení prostoru pro fermentační proces je ekonomicky nerentabilní, při zatížení vysokými dávkami organických látek dochází ve fermentoru k hromadění fermentačních kyselin. Ty ve vysokých koncentracích způsobují zpomalení anaerobního rozkladu. V extrémním případě dochází k úplnému zastavení procesu. Za fermentační kyselinu s jak nejsilnějším zpomalujícím účinkem, tak také s největší náchylností k hromadění se přitom počítá kyselina propionová.

Kontrola řízení není často dostačující
Jako prostředek kontroly procesu se u zařízení na produkci bioplynu často zjišťuje pouze vyprodukované množství elektrického proudu. V mnoha případech jsou k dispozici doplňková zařízení ke zjišťování proudění bioplynu, složení bioplynu a hodnoty pH a potenciálu redox fermentační kapaliny. Vzhledem k vysoké komplexnosti procesu bioplynu se podle těchto naměřených veličin může začínající porucha procesu hromaděním fermentačních kyselin včas rozeznat pouze obtížně. V laboratořích se ke zjišťování obsahu fermentačních kyselin v kapalinách většinou používají chromatografické metody měření. Ty jsou však technicky velmi nákladné a tím jsou pro praktické použití v bioplynových stanicích málo vhodné. Stále větší měrou nabízejí laboratoře, jak nezávislé, tak výrobců bioplynových stanic, servis na provádění analýz. Přednostmi takových řešení servisu jsou větší paleta analyzovatelných látek a vyšší přesnost použitím analytiky vysoké úrovně. Ve vztahu k fermentačním kyselinám lze pomocí plynové chromatografie určovat kromě kyseliny propionové také kyselinu máselnou, valerovou a kapronovou. V principu je tím možné získat ještě rozsáhlejší obraz o aktuálních stavech ve fermentoru. Možnými nedostatky analýzy v servisní laboratoři jsou:

• vícedenní doba čekání na výsledek,
• změna koncentrace kyseliny během přepravy, pokud vzorek nezůstane zmražený,
• závislost provozovatele zařízení na doporučeních poskytovatele servisu.

Cílem výzkumného projektu proto bylo vyvinout pro provozovatele bioplynových stanic v praxi jednoduchou, spolehlivou a cenově výhodnou metodu pro včasné rozeznání přetíženého procesu produkce bioplynu. K tomuto účelu se používá „elektronický nos“.

Konstrukce a způsob práce elektronického nosu
Plynová čidla arrays se pod pojmem elektronické nosy používají již po dobu několika let. Základní myšlenka je jednoduchá: Seskupením (Array) chemicky citlivých senzorů se plyn měří a podle odpovědi senzoru se porovnáváním s údaji, které jsou uloženy v paměti ihned vyhodnocuje. Zvláštní kouzlo těchto přístrojů spočívá v rychlém posouzení vzorku plynu bez nákladné a časově náročné laboratorní analytiky. Analýza a výstup naměřených dat probíhají současně. Přístroje na této bázi se již s dobrými výsledky používají v nejrůznějších případech. Použití jako systém včasného varování, zčásti v drsných podmínkách okolního prostředí, vyžaduje přizpůsobení techniky (způsob odběru vzorků) a přesné nastavení postupu. Elektronický nos firmy Airsense ve standardní verzi disponuje senzorem array s deseti senzory oxidu kovu. Používají se silnostěnné senzory z různých polovodičových materiálů a dotování. Teplotu lze nastavit jednotlivě pro každý senzor. Použití oxidů kovu se při kontrole životního prostředí ukazuje jako výhodné, neboť provozní teplota je vysoká (250 až 550 ºC), takže přístroje zvládají také málo těkavé substance. Pracovní podmínky pro senzory se mohou zlepšit zejména opatřeními ve vztahu k přístrojové technice natolik, že provoz je možný také v drsných podmínkách životního prostředí nebo v průmyslových aplikacích.

Kalibrace nosu
Nejprve se zkoumala vhodnost elektronického nosu k určování koncentrace kyseliny propionové ve fermentačních kapalinách. K tomuto účelu se použil plynový senzor array z deseti speciálně zvolených různých selektivních senzorů oxidu kovu. Jak vyplynulo z pokusů optimálního odběru vzorku, je třeba dávat přednost přímému odebrání vzorku a analýze fermentační kapaliny oproti odběru vzorku z alternativních produktů procesu bioplynu a kondenzátu. Jako co se toho týče nejvhodnější metoda měření bylo zvoleno měření přesahu plynu v měřicí trubičce. Před naplněním fermentační kapaliny se tato smíchala s kyselinou fosforovou v úhrnné dávce 10 hmotnostních procent a potom se přefiltrovala. Okyselení způsobilo uvolnění určované kyseliny propionové ze soli, tedy formy, ve které kyselina propionová přirozeně existuje. Ke kalibraci elektronického nosu v laboratorních podmínkách se vytvářely různé stavy zatížení pomocí kejdy skotu a prasat v kofermentaci s energetickými rostlinami a biologickými odpady. Přitom vznikající fermentační kapalina se aktuálně upravovala a analyzovala elektronickým nosem. Paralelně k tomu se chromatograficky určovala koncentrace fermentační kyseliny. Přitom se naměřily obsahy kyseliny propionové až 15 g.l^-1.

Dobré výsledky měření
Z analýzy fermentační kapaliny pomocí elektronického nosu vyplynuly pro deset senzorů z oxidu kovu různé citlivosti a selektivity. Větší počet použitých senzorů z oxidu kovu má vysokou citlivost na kyselinu propionovou. Z dalších těkavých obsažených látek fermentační kapaliny vychází pouze nepatrná rušivá intenzita. Jak vyplývá ze statistické analýzy naměřených dat, teoreticky se může provádět zajištěná kalibrace již s kombinací jenom pouhých dvou senzorů. Úzká korelace mezi modelovým a skutečným obsahem kyseliny propionové je potvrzena mírou přesnosti 0,98 při standardní chybě 0,39 g.l^-1. Podle zkušeností Výzkumného ústavu zemědělské techniky Bornim činí doba životnosti v elektronickém nose vestavěných senzorů plynu při denním měření nejméně jeden rok. Kvalita senzorů se průběžně kontroluje kalibrací, která je součástí měření. Po opotřebení senzorů je musí výrobce vyměnit. Pro celou měřicí aparaturu se za normálních podmínek používání očekává životnost nejméně deset let.

Náklady a amortizace
Výrobní firma Airsense kalkuluje za elektronický nos ve verzi vhodné pro bioplynové stanice horní cenovou hranici 10 000 EUR. Za údržbu a výměnu senzorů se ročně počítá s částkou od 500 do 1 000 EUR. Pro kalkulaci k tomu potřebného vyššího výnosu bioplynu byly zvoleny následující předpoklady:
• obsah metanu 52 %,
• stupeň elektrické účinnosti blokové teplárny s výrobou elektrické energie 32 %,
• úhrada za elektrický proud 16 centů.kWh_el^-1.

Z toho vyplývá potřebný vyšší výnos bioplynu od 4 000 do 7 000 m³ ročně.

Realizace v praxi
Na základě výsledků výzkumného projektu vyvinula firma Airsense prototyp elektronického nosu speciálně pro použití v praxi v bioplynových stanicích. Prototyp sestává z kombinace vysoce citlivých senzorů se selektivními senzory, které vykazují dobrou korelaci s koncentrací kyseliny propionové ve fermentoru. Počet senzorů byl zredukován z deseti na pět. Proces hromadění fermentačních kyselin v důsledku přetížení fermentoru probíhá většinou pomalu. Proto se může vycházet z toho, že téměř pro všechny případy použití je postačující nasazení řešení elektronického nosu off-line. V rutinním provozu se ukazuje naměřená frekvence měření jednou až dvakrát týdně. Při změně způsobu provozování fermentoru, druhu a množství přiváděných látek nebo vzniku jiných závad se však musí doporučit přechodné zvýšení frekvence měření. Použití elektronického nosu ve verzi on-line je taktéž možné. Systém se může doplnit na trhu prodávanou automatickou jednotkou na odběr a úpravu vzorků. Řešení on-line může být výhodné u zařízení na výrobu bioplynu, která na základě vstupních látek s velmi velkým obsahem energie, krátké hydraulické doby prodlevy nebo slabé schopnosti pufru vykazují vysoký výkon přeměny nebo velmi nízkou přirozenou stabilitu. Odpovídajícími případy jsou v odvětví zemědělství monofermentace řepné siláže a v nezemědělském odvětví fermentace lihovarnických výpalků. Mezi další zlepšení týkající se přesnosti měření a manipulace s měřicím systémem se počítá s doplňkovými pracemi. Mezi ně patří rozsáhlá validace a odzkoušení v podmínkách praxe. Vývoj elektronického nosu byl vědom omezen na kyselinu propionovou, protože ta z termodynamických zákonitostí jakož i nejsilnějšího zpomalovacího účinku hraje při přetížení procesu dominantní roli. V případech (jednotlivých), ve kterých není tvorba kyseliny propionové faktorem omezujícím výkon, nýbrž to jsou jiné zdroje poruch, mohou dominantně vznikat také jiné fermentační kyseliny. V těchto případech může zejména hrát důležitou roli kyselina octová. V dalším projektu se proto pamatuje na rozšíření rozsahu funkcí eklektronického nosu na kyselinu octovou.

Závěr
Pomocí elektronického nosu se provozovatelům bioplynových stanic dává k dispozici vhodný nástroj k řízení procesu, zejména při používání obnovitelných zdrojů surovin. Ten umožňuje bezpečné a včasné rozeznávání stavů přetížení ve fermentoru. Ekonomické přednosti přitom vznikají za prvé vyšším vytížením kapacity výkonu fermentoru, a za druhé zabráněním velké ztráty způsobujícím výpadkům.

Neue Landwirtschaft, 2006, č. 3, s. 78                              Zdroj info ÚZPI