PL222936B1 - Sposób biologicznego usuwania ładunku zanieczyszczeń z buraczanego wywaru gorzelniczego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób biologicznego usuwania ładunku zanieczyszczeń z buraczanego wywaru gorzelniczego.

Wywar buraczany jest produktem ubocznym powstającym podczas wytwarzania etanolu z buraków cukrowych. Z jednego litra etanolu wyprodukowanego z tego surowca powstaje nawet kilkanaście litrów wywaru, który jest wysoko obciążonym strumieniem ścieków. Ładunek zanieczyszczeń wywaru buraczanego wyrażony poprzez chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT) wynosi ok. 48 g O₂/I, a przez 5-dniowe biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT₅) - ok. 16 g O₂/I, stąd wymaga on utylizacji.

Zaobserwowane w ostatnich latach wzrastające zapotrzebowanie na energię przy wyczerpywaniu się jej tradycyjnych zasobów - głównie paliw kopalnych (ropa naftowa, węgiel, gaz ziemny) przyczyniło się do zwiększenia zainteresowania odnawialnymi źródłami energii. Wśród nich największe znaczenie ma energia pozyskiwana z biomasy. Wysoki popyt na paliwa stosowane w środkach transportu spowodował, że z biomasy w coraz większym stopniu pozyskiwane jest biopaliwo, przy czym pod względem wielkości produkcji dominuje etanol, który wytwarzany jest z surowców roślinnych w drodze fermentacji. Udział etanolu paliwowego w całkowitej jego produkcji wynosi ok. 82%. Z danych literaturowych wynika, że światowa produkcja bioetanolu w latach 2000-2011 wzrosła ponad pięciokrotnie, z poziomu ok. 17,1 mld litrów do ok. 86,1 mld litrów.

W Polsce rynek biopaliw jest również rynkiem rozwijającym się, ale należy dodać, że produkcja bioetanolu nie pokrywa w całości jego zapotrzebowania. W roku 2009 całkowita roczna produkcja etanolu wzrosła o 11% w stosunku do 2008 roku i wyniosła 206 mln l. Z surowców cukrowych, tj. z melasy i buraków cukrowych otrzymano ok. 13% etanolu, a zatem do zagospodarowania było ponad 300 mln l wywaru pochodzącego z tych surowców.

Zgodnie z polskim prawodawstwem dotyczącym stosowania biopaliw, ich udział w paliwach używanych w środkach transportu będzie w kolejnych latach sukcesywnie wzrastał. Wymusza to podjęcie odpowiednich działań zmierzających do zwiększenia krajowej produkcji etanolu i uniezależnienia się od jego importu. Polska posiada areał upraw roślin wystarczający na pokrycie własnego zapotrzebowania na to biopaliwo. Duże perspektywy na zwiększenie udziału w surowcach stosowanych w produkcji etanolu ma burak cukrowy, tym bardziej, że Polska jest trzecim producentem cukru w Europie, a krajowy potencjał upraw buraka cukrowego nie jest wykorzystany. Dodatkowym atutem przemawiającym za wykorzystaniem tego surowca w produkcji etanolu jest wyższa, w porównaniu do surowców zbożowych, wydajność etanolu z 1 ha upraw. Biorąc też pod uwagę fakt, że w roku 2020 przewidywane jest zapotrzebowanie na bioetanol w wysokości 800 mln l, należy się spodziewać, że również produkcja etanolu z buraków cukrowych znacznie się zwiększy.

Na podstawie powyższych czynników można zatem stwierdzić, że perspektywy produkcji etanolu z buraka cukrowego są obiecujące, a skala problemu związanego z zagospodarowaniem powstałej ilości wywaru wywodzącego się z tego surowca będzie jeszcze większa. Rozwiązaniem tego probl emu jest niewątpliwie podjęcie różnych sposobó w zagospodarowania buraczanego wywaru gorzelniczego.

Z informacji dostarczonych przez gorzelnie, a także z dostępnej literatury wiadomo, że dotychczas wywar pochodzący z surowców cukrowych jest najczęściej stosowany bezpośrednio lub po uprzednim zagęszczeniu, do nawożenia pól i łąk (Caqueret V., Boston S., Cagnon B. i Fauduet H.: Purification of sugar beet vinasse - Adsorption of polyphenolic and dark colored compounds on different commercial activated carbons. Bioresource Technology 99, 5814-5821, 2008). We Francji, która jest potentatem produkcji etanolu z surowców cukrowych, ten sposób utylizacji stosowany jest przez wszystkie gorzelnie rolnicze (Decloux M., Boriesb A., Lewandowski R., Fargues C., Mersad A., Lameloisea M. L., Bonet F., Dherbecourt B., Osuna L. N.: Interest of electrodialysis to reduce potassium level in vinasses. Preliminary experiments, Desalination 146, 393-398, 2002). Jednak utrudnieniem wykorzystania wywaru jako nawozu jest sezonowość wegetacji roślin i ograniczona powierzchnia gruntów rolnych. Autorzy wspominają również o możliwości wykorzystania wywaru w procesie produkcji cukru. W cytowanych pracach innym rozwiązaniem jest również wykorzystanie wywarów cukrowych jako paszy dla zwierząt gospodarskich. Niższa, w porównaniu do wywarów skrobiowych, wartość odżywcza wywarów powstałych z surowców cukrowych (Lewicki W.: An introduction to vinasse (cms) from beet and cane molasses fermentation. International Sugar Journal, 103 (1227), 126-128, 2001) w połączeniu z wysoką zawartością w nich potasu, a także ograniczona ilość karmionych zwierząt

PL 222 936 B1 zmniejszają możliwości bezpośredniego spasania wywaru. Z wyjątkiem wykorzystania wywarów pochodzenia cukrowego jako nawóz lub pasza dla zwierząt nie znaleziono żadnych innych sposobów, które rozwiązałyby problem jego utylizacji w szerszej skali. Dawniej w gorzelniach stosowano spalanie wywarów, o czym wspomina Chądzyński G. w pracy „Wody i ścieki przemysłowe” (PWSZ, Wyd. I., Warszawa, 1973), lecz ze względu na wysoką energochłonność takiego procesu metoda ta nie jest już stosowana.

Biorąc pod uwagę rosnącą ilość powstającego wywaru, wymienione metody nie są na tyle w ystarczające, aby w pełni rozwiązać problem związany z jego utylizacją. Rozwiązaniem tego problemu może być potraktowanie wywaru jako ścieku i poddanie biodegradacji, w sposób tlenowy lub beztlenowy, której prowadzenie nie jest ograniczone ilością degradowanego wywaru. W skali przemysłowej wywary gorzelnicze są już poddawane biodegradacji beztlenowej, co ma miejsce głównie w Indiach w przypadku trzcinowego wywaru melasowego, o czym wspominają m.in. Satyawali Y. i Balakrishnan M. w pracy „Wastewater treatment in molasses-based alcohol distilleries for COD and color removal: A review” (Journal of Environmental Management, 86, 481-497, 2008).

Istota sposobu biologicznego usuwania ładunku zanieczyszczeń z buraczanego wywaru g orzelniczego według wynalazku polega na tym, że stosuje się mieszaną populację bakterii termo- i mezofilnych z rodzaju Bacillus najkorzystniej z gatunków: B. circulans, B. laterosporus, B. filicolonicus, B. stearothermophilus, B. acidocaldarius i B. licheniformis, przy czym okresowy proces tlenowy prowadzi się w warunkach regulowanego pH na poziomie pH = 8,0 w temperaturze od 27°C do 63°C, najkorzystniej w 36°C lub w warunkach pH nie regulowanego przy wartości początkowej pH = 8,0 w temperaturze od 27°C do 63°C, najkorzystniej w 27°C.

Sposób według wynalazku powoduje wysoki stopień usunięcia ładunku zanieczyszczeń wyrażanego przez wskaźniki ChZT i BZT₅. Zaletą sposobu jest również możliwość prowadzenia procesu bez regulacji pH, co obniża koszty oczyszczania wywaru buraczanego.

Sposób biologicznego usuwania ładunku zanieczyszczeń z buraczanego wywaru gorzelniczego według wynalazku przedstawiony jest bliżej w przykładzie wykonania.

P r z y k ł a d 1

W bioreaktorze laboratoryjnym o objętości roboczej 5 l z układem mieszania i systemem napowietrzania przeprowadzono proces okresowej biodegradacji wywaru buraczanego w temperaturze 27°C, 36°C, 45°C, 54°C oraz 63°C, przy nieregulowanym pH przy wartości początkowej pH = 8,0. Szybkość obrotowa mieszadła wynosiła 900 obr./min, a szybkość napowietrzania 1 l/(1 min). Zastosowano mieszaną kulturę bakterii z rodzaju Bacillus, w składzie której zidentyfikowano 7 szczepów: B. circulons (dwa szczepy), B. laterosporus, B. fuicolonicus, B. stearothermophilus, B. acidocaldarius i B. licheniformis. Największą efektywność biodegradacji określaną przez stopień redukcji ChZT i BZT₅ uzyskano w procesach prowadzonych w temperaturze 27°C i 36°C. Ładunek zanieczyszczeń wyrażony przez te wskaźniki został usunięty z podłoża wywarowego odpowiednio w 79,2% i 99% dla 27°C oraz w 77,8% i 98,4% dla 36°C.

P r z y k ł a d 2

Przeprowadzono serię procesów biodegradacji wywaru buraczanego w takim samym bioreaktorze, z zastosowaniem tej samej mieszanej kultury bakterii i w takich samych warunkach jak w przykładzie 1, lecz przy pH utrzymywanym na stałym poziomie wynoszącym 8,0. Podobnie jak w przypadku nieregulowanego pH najbardziej korzystne wyniki uzyskano w temperaturze 27°C i 36°C. Stopnie usunięcia zanieczyszczeń wykazywanych przez ChZT i BZT₅ były zbliżone do tych uzyskanych w procesach, kiedy pH nie było regulowane i wyniosły odpowiednio 78,3% i 97,8% dla 27°C oraz 79,6% i 98,9% dla 36°C. W porównaniu do procesów określonych w przykładzie 1 prowadzonych w temperaturze 45°C-63°C regulacja pH spowodowała wzrost stopni redukcji ChZT i BZT₅ o kilka procent.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób biologicznego usuwania ładunku zanieczyszczeń z buraczanego wywaru gorzelniczego w warunkach tlenowych, znamienny tym, że stosuje się mieszaną populację bakterii termoi mezofilnych z rodzaju Bacillus, najkorzystniej z gatunków B. circulons, B. laterosporus, B. filicolonicus, B. stearothermophilus, B. acidocaldarius i B. licheniformis, przy czym proces prowadzi się w wa4

   PL 222 936 B1 runkach pH nieregulowanego przy wartości początkowej pH = 8,0 w temperaturze od 27°C do 63°C, lub w warunkach pH regulowanego na poziomie 8,0 w temperaturze od 27°C do 63°C.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces prowadzi się w warunkach pH nieregulowanego przy wartości początkowej pH = 8,0 w 27°C.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces prowadzi się w warunkach pH regulowanego na poziomie 8,0 w 36°C.