A baromfi toll biogáz-alapanyagként történő hasznosítása Bíró Tibor 1 Mézes Lili 1 Petis Mihály 2 Kovács Kornél Bagi Zoltán - Hunyadi Gergely 1 Tamás János 1 1 DE-AMTC MTK Víz- és Környezetgazdálkodási Tanszék, 2 BátorTrade Kft., Nyírbátor, SzTE TTIK Biotechnológiai Tanszék A baromfi toll, mint vágóhídi hulladék ártalmatlanításának vagy hasznosításának többféle módja létezik. Hazánkban jórészt toll-lisztet készítenek belőle, de nagyüzemi komposztálására is van példa. A toll értékes szénforrása lehet a biogázüzemeknek is. A recepturába való illesztésének ugyanakkor több akadálya is van. Egyrészt a fizikai és kémiai sajátosságai nem teszik lehetővé a fermentorokba történő közvetlen adagolását, másrészt a feltáródása során jelentős kén-mennyiség szabadul fel, mely nem csak a mikrobiológiai folyamatokat gátolja, de jelentősen rontja a biogáz minőségét is. A toll mikrobiális úton történő előkezelésének témájában már évek óta folynak kutatások hazánkban (Perei et al, 24), üzemi méretű alkalmazására ugyanakkor csak a közelmúltban került sor a Nyírbátori Regionális Biogázüzemben. A feltárt baromfi toll biomassza-recepturába való illesztése még számos próbafermentációt igényel. Az első lépéseik tapasztalatai bizakodásra adnak okot. A toll a C/N arányt kedvezően befolyásolja a kevert alapanyagokban, a legfőbb kérdés hogy milyen arányban szerepeltethető a recepturákban. A túlzott bevitel olyan mértékben növelheti a termelődő kén-hidrogén mennyiségét, mely a fermentációs folyamatok lassulását, akár leállását is eredményezheti. Vizsgálatainkkal egyrészt a baromfi toll előkezelésének üzemi méretű alkalmazhatóságát alapoztuk meg, másrészt meghatároztuk a feltárt toll bekeverhetőségének korlátait egy önkényesen választott biogázalapanyag esetében. Alkalmazott eszközök és módszerek A fermentációs folyamatokat gáz-analizátorok segítségével a Debreceni Egyetem Víz- és Környezetgazdálkodási Tanszékének kísérleti reaktoraiban vizsgáltuk. A fermentáció inkubáló szekrényekben (1. kép) szabályozott hőmérséklet mellett, egyenként 2 darab, 6 l térfogatú rozsdamentes légmentesen záró acéltartályban folyt. A megfelelő hőmérsékleti körülmények biztosítására hősugárzót és vezérlési funkcióval ellátott hőmérő szondákat alkalmaztunk. 1. kép. Inkubáló szekrény A kísérlet légköri nyomáson, anaerob körülmények között zajlott. A reaktorból távozó gázelegy összetételét szűrést, és hűtést követően - gázanalizátorokkal határoztuk meg. A biogáz-összetevőket Fisher- Rosemount típusú (CH 4, CO 2, O 2 ), valamint MXA típusú (H 2 S, NH ) gázelemző készülékekkel mértük. A metán- és széndioxid-koncentráció meghatározása adott hullámhosszakon való abszorbancia-mérés alapján történt. A fermentálódó biomassza keverékek ph-ját, szárazanyag-tartalmát és a hőmérsékletét 1
meghatározott időközönként, a C%-ot, a N%-ot és a C/N arányt az eredeti és a végtermék esetében vizsgáltuk. Eredmények Baromfi toll feltárhatóságának vizsgálata A kutatás első fázisában a baromfitoll mikrorganizmusokkal történő feltárásának (PEREI és mtsai., 24) technológiai paramétereit dolgoztuk ki. A hőkezelést főzőberendezésben 7, és 1 C-on végeztük. A baromfitollat Bacillus licheniformis (KK1) kultúrával (PEREI és mtsai., 24; BÁLINT et al., 2) kezeltük. A kísérletekben az optimális ph, hőmérséklet, tollméret, és bacilus:toll arány értékek meghatározását végeztük el, valamint a paraméterek közötti összefüggéseket vizsgáltuk. A különböző kísérleti beállítások során a degradálódó anyag hígfázisának extinkcióját határoztuk meg, mellyel nyomon követhetővé vált a biodegradáció dinamikája. A kísérletekben a kezelés nélküli elegyben a hidrolízis mértéke jóval kisebb volt, mint a baktériummal kezeltekben (2. kép). A 7 C-on kezelt toll feltáródása volt a legintenzívebb. A legsikeresebb 2. kép. A kontrollminta és az előkezelt toll összehasonlítása tollbontási intenzitás az 1%-os mikrobaaránynál volt megfigyelhető. Az 1:-as toll:víz arányú kezelések keverhetősége megfelelő volt és a legjobb feltáródás is ez esetben következett be. A 7 C-os hőkezelés, 1%-os bacilus:toll és 1:-as toll:víz arányú kezeléskombináció anyag-, költségtakarékosság és biodegradálhatóság szempontjából is kedvező. Üzemi tollbontás. kép: Az üzemképes tartály és a szerelvényei: az oltás folyamata Az üzemi kísérletek elvégzésére egy speciális duplafalú tartályt (un. Tycoon) alkalmaztunk a nyírbátori székhelyű BátorTrade Kft. nyíresi komposztáló telepén. A tartály egy 6 m -es, palástfűtésű, belső keverőegységgel és levegőztetőberendezéssel ellátott berendezés (. kép). A hőmérsékletet beépített hőmérőszonda mérte. A nyomást, a hőmérsékletet, a levegő-áramoltatás időtartamát vezérlőrendszerrel szabályoztuk. A folyamatosan mért adatokat az erre a célra kifejlesztett számítógépes szoftverrel rögzítettük. Az üzemi kísérletsorozatban több kezeléskombináció vizsgálatára került sor. Az előzetes laboratóriumi eredmények alapján az 1: arányú toll-víz elegyet 7 és 1 C-on 1 h időtartamig hőkezeltük 1% oltóanyaggal. A baktérium felszaporítását laboratóriumban végeztük, az oltás az üzemi kísérlet helyszínén történt. A kísérleteket megelőzően a tartályt forró gőzzel sterilizáltuk. A bontási folyamat kezdetétől a hőmérsékletet gőzáram segítségével a 2
baktériumok életfeltételeinek megfelelő C-on tartottuk, az oxigén-ellátást óránként perces levegőztetéssel biztosítottuk. A helyszínen hőmérsékletet és ph-t, a BátorTrade Kft. nyírbátori laboratóriumában extinkciót és baktérium sejtszámot vizsgáltunk. A kezdeti és végtermék esetében a C, N, S%-ot és a C/N arányt határoztuk meg. Az elvégzett üzemi kísérleteket ismétlés nélkül végeztük, tekintettel arra, hogy ekkora (6m ) méreteknél végzett kísérletek ismétlésére korlátozott lehetőségeink voltak. A tollbontás 4 nap oltástól számított tartózkodási idő és fölötti extinkciós érték mellett volt eredményes. A kísérletekből megállapítható, hogy a 7 C-on előkezelt, 1%-os baktérium kultúrával beoltott, 1:-as toll:víz arányú kezelés tekinthető a legkedvezőbbnek a bomlás hatékonysága, a tartózkodási idő szempontjából. A sertés hígtrágya és a baromfi toll együttes fermentálhatóságának vizsgálata A kísérlet harmadik szakaszában került sor a különböző arányban kevert sertés hígtrágya és toll együttes fermentálhatóságának vizsgálatára. A vizsgálatok során az előkezelt tollat,, 2 és 4%-os arányban kevertük hígtrágyával termofil és mezofil hőmérséklet mellett. A különböző beállításokat foglalja össze a 2. táblázat. 2. Táblázat: Kísérlet beállítási paraméterei Fermentáció baromfi toll : sertés hígtrágya arányok hőmérséklete % % 2% 4% C 4,7kg:,2kg 4,kg:,kg 4 kg:1 kg kg: 2 kg 2 C 4,7kg:,2kg 4,kg:,kg 4 kg:1 kg kg: 2 kg 8 7 6 tf% 4 2 1 17 22 24 28 1 6 7 4 44 4 46 1 2 6 7 Kezeletlen % % 2% 4% t (d) 1. Ábra: A termofil fermentáció során keletkezett metán koncentrációja a toll:hígtrágya arány függvényében A termofil erjesztés során keletkezett, a fermentációs folyamatokat jól indikáló metán koncentráció változását szemlélteti az 1. ábra. A 2, illetve 4%-os keverési arány már a
fermentáció kezdeti szakaszában kedvezőtlen folyamatokat indított el. A maximális metánkoncentráció nem haladta meg a %-ot. Az és %-os keverési arány esetében a metánkoncentrációk kedvezőbben alakultak. A 6% körül ingadozó értékek tartósnak bizonyultak. ppm 4 4 2 2 1 1 17 22 24 28 1 6 7 4 44 4 46 1 2 6 7 % toll % toll 2% toll 4% toll t(d) 2. Ábra: Különböző arányban kevert toll:hígtrágya alapanyagok kénhidrogén termeléseinek változása A 2. ábra az,, 2, illetve 4%-os arányban előkezelt tollal kevert sertés hígtrágya fermentációja során - mezofil körülmények között - keletkezett kénhidrogén koncentrációit mutatja a tartózkodási idő függvényében. A H 2 S-koncentrációk a nagyobb tollarányoknál, a fermentáció kezdeti szakaszában voltak jelentősek, majd csökkenő tendenciát mutattak. A 2-21. napon újabb gáztermelési csúcsok jelentkeztek. Az és %-os arányban kevert anyagok által termelt gázok kénhidrogénkoncentrációi - összevetve a nagyobb keverési arányokkal - kedvezőbben alakultak. A tartózkodási idő végén a kisebb keverési arányok esetében megnőtt a kibocsátott kénhidrogén mennyisége, mivel a toll gerincének bontása a fermentáció utolsó szakaszában indult meg. A kísérletek alapján megállapítható, hogy a sertés hígtrágyát és baromfi tollat tartalmazó alapanyag által termelt biogáz összetételét a keverési arány jelentős mértékben meghatározza. Az és %-os tollarány esetén kedvezőbb volt a biogáz metán-tartalma a 2 és 4%-os arányokhoz képest. A mezofil és termofil hőmérsékletekre beállított kísérletek között nem volt lényegi eltérés a metánkoncentrációk tekintetében. A nehezen feltáródó (és komposztálható) toll a kidolgozott módszer segítségével nagy tömegben hasznosítható az energetikai célú biogáz-termelésben, valamint a komposztrecepturákban. A technológia az állategészségügyi és levegőtisztaság-védelmi előírásoknak is megfelel. Ezzel az eljárással baromfi toll elhelyezési-ártalmatlanítási problémái jelentősen enyhíthetők. A kutatás a Baross Gábor K+F pályázat (BAROSS-2-2-47) által nyújtott támogatással valósult meg. Irodalomjegyzék 4
BÁLINT, B.- BAGI, Z.- TÓTH A.- RÁKHELY G.- PEREI K.- KOVÁCS, K. L. (2) Utilization of keratin-containing biowaste to produce biohydrogen. Applied Microbiology and Biotechnol. 69. 4: 44-4. PEREI K.-BAGI Z.- BÁLINT B.-CSANÁDI GY.- HOFNER P.-HORVÁTH L.-KARDOS GY.-MAGONY M.-RÁKHELY G.-ROMÁN GY.-TÓTH A.-ZSÍROS SZ.-KOVÁCS L. K. (24) Mikrobák környezetvédelmi biotechnológiai hasznosításra. In: SZÉKÁCS A. (szerk.) (24) Biokémia. A Magyar Biokémiai Egyesület tájékoztatója. 28. : 4 8.