Grasselli, Gábor

Kalmár, Imre

Kalmárné Vass, Eszter

Nagy, Valéria

Szendrei, János

Hungarian

University of Debrecen Electronic Archive

DEBRECENI MŰSZAKI KÖZLEMÉNYEK 2010/2 
 23
BIOGÁZÜZEMI KÍSÉRLETEK MOBIL BIOREAKTORÁNAK 
FEJLESZTÉSE ÉS FŐEGYSÉGEI⊗ 
 
DEVELOPMENT AND MAIN PARTS OF A MOBIL BIOREACTOR FOR 
BIOGAS PLANTS’ EXPERIMENTS 
 
DR. SZENDREI János1 – DR. GRASSELLI Gábor1 – DR. KALMÁR Imre2 
– DR. KALMÁRNÉ DR. VASS Eszter2 – NAGY Valéria3  
 
tudományos munkatárs – egyetemi docens – főiskolai tanár – főiskolai tanár– főiskolai adjunktus 
1Debreceni Egyetem, 4030 Debrecen Böszörményi út 138.;  
2Nyíregyházi Főiskola, 4400 Nyíregyháza Sóstói út 31/b; 3Szolnoki Főiskola, 5400 Mezőtúr Petőfi tér 1.;  
szendreij@agr.unideb.hu, grasselli@agr.unideb.hu, kalmi@nyf.hu, kalve@nyf.hu, valinagy@mfk.hu 
 
Kivonat: A biogázüzemek rendelkezésére álló biomasszapotenciál igen változatos, üzemenként és szezonálisan is 
eltérő összetételű lehet. Ezért a biogázüzemek létesítéséhez és optimalizálásához üzemi körülményeket 
reprezentáló kísérleteket kell végezni az optimális technológiai paraméterek és receptúrák meghatárolása 
céljából. Ehhez szükséges egy növelt léptékű eszközrendszer kifejlesztése, mely az üzemi körülményeket a 
jelenlegi laboratóriumi berendezéseknél jobban közelíti, és a létesítendő biogázüzem helyszínén a rendelkezésre 
álló biomasszaféleségekkel reprezentatív összehasonlító kísérletek elvégzésére alkalmas. A fejlesztést felvállaló 
konzorcium a munka első évében elvégezte a helyzetelemzést, összeállította a műszaki követelményrendszert és 
több variáns elemzését követően kidolgozta a megvalósítandó főtervet. A kivitelezés alatt álló mobil bioreaktor 
fő részei a reaktorok, a szabályzórendszer és a fermentorház (konténer). 
  
Kulcsszavak: mobil bioreaktor, mérőrendszer, anaerob lebontás, biogáz 
 
Abstract: Biomass potential available for biogas plants varies greatly, having different composition at different 
biogas plants and in different seasons of the year. Thus, establishment and optimization of biogas plants need 
experiments representing real operation conditions to determine optimal technological parameters and recipes. 
These need a scaled-up equipment system, which approaches real plant operation conditions better than present 
laboratory equipment, being able to perform representative comparative experiments on the site of a biogas 
plant, using biomass available on site. In the first year, the consortium endeavouring the development have 
finished situation analysis, determined technical requirements and, after analyses of more variants, developed 
the master plan. The main parts of the mobile bioreactor that is under construction, are: the reactors, the 
control system and the system housing (container). 
 
Keywords: mobile bioreactor, measuring system, anaerobe digestion, biogas 
 
1. ELŐZMÉNYEK 
 
Hazánkban elméleti számítások [1] és a gyakorlatban működő biogázüzemek is bizonyítják, hogy a 
különböző mérettartományokban a biogázberuházás más-más műszaki megoldásokkal, de már a 
jelenlegi közgazdasági feltételek mellett is gazdaságosan megvalósítható. Ehhez az alapanyag is 
rendelkezésre áll: a projekt megvalósításának helyszínén, az Észak-Alföldi régióban csak a 
szarvasmarha és sertés trágyájából fejleszthető biogázpotenciál összesen mintegy 76 millió m3-t tesz ki 
[2].  
Egy üzem gazdaságosságát azonban nagyban meghatározza a felhasznált alapanyagok ára és 
biogázkihozatala. Az üzemi optimalizáláshoz készült elméleti számítások [3] eredményeinek 
ellenőrzése szükséges kísérletes úton is, megfelelő, üzemi körülményeket reprezentáló kísérleti 
berendezéssel. A már működő biogáz-üzemek tapasztalatai ugyanis azt igazolták, hogy a termelő 
                                                 
⊗  Szaklektorált cikk. Leadva: 2010. június 03., Elfogadva: 2010. augusztus 27.. 
    Reviewed paper. Submitted: 03. 04. 2010., Accepted: 27. 08. 2010. 
    Lektorálta: Dr. HAGYMÁSSY Zoltán / Reviewed by Dr. Zoltán HAGYMÁSSY 
DEBRECENI MŰSZAKI KÖZLEMÉNYEK 2010/2 
 24
berendezéssel folytatott, üzemi méretű kísérletezés már nem felvállalható kockázati szintet jelent 
különösen egy „zöldáramot” előállító létesítmény számára. A vizsgálatokhoz szükséges egy növelt 
léptékű eszközrendszer kifejlesztése, mely az üzemi körülményeket a jelenlegi laboratóriumi 
berendezéseknél jobban közelíti, és a létesítendő biogázüzem helyszínén a rendelkezésre álló 
biomasszaféleségekkel reprezentatív összehasonlító kísérletek elvégzésére alkalmas. 
A korábbi műszaki kutatások után, melyek a biogáztermelés kísérleti vizsgálati módszereinek és 
ezek eszközrendszerének fejlesztésére irányultak [5], egy ilyen piaci igényeket kielégítő berendezés, 
egy mobil bioreaktor kifejlesztésére a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal és az Észak-alföldi 
Regionális Fejlesztési Tanács Baross Gábor pályázati felhívására nyújtott be pályázatot és nyert el 
támogatást a KÖZÉPTISZAI MG ZRT.-ből, a Szolnoki Főiskola Műszaki és Mezőgazdasági 
Fakultásából és a Debreceni Egyetem Agrár és Műszaki Tudományok Centrumából álló konzorcium 
[4]. 
 
2. A FEJLESZTŐ MUNKA MÓDSZERE  
 
A fejlesztési munkánk során a konzorcium a műszaki fejlesztési eljárások módszetanának megfelelően 
járt el. Az ebből munkaszakaszok: 1. helyzetelemzés, 2. műszaki fejlesztési célkitűzés meghatározása, 
3. műszaki követelményrendszer összeállítása, 4. tervezés műszaki előkészítése, 5. főterv variánsok 
készítése, 6. megvalósítandó főterv variáns kidolgozása,  
7. prototípus tervdokumentációjának elkészítése, 8. prototípus elkészítése, 9. gépvizsgálat,  
10. összehasonlító kísérletek végzése eltérő léptékű biogáz-előállító berendezésekkel. A fejlesztés első 
éve után a munka a 8. szakaszban tart. 
 
3. A FEJLESZTŐMUNKA 2009. ÉVI FŐBB EREDMÉNYEI 
 
3.1. A helyzetelemzés eredménye 
 
Az alacsony kockázati szint mellett alkalmazható maximális biogáz-hozamra törekvő üzemi biogáz-
előállítási technológiák kialakításához, gyakorlati alkalmazásához a laboratóriumi kísérletek mellett 
még legalább egy szint, egy méretlépcső bevezetése szükséges a laboratóriumi méretű kísérletek és az 
üzemi méret között. 
A mezőgazdasági eredetű szerves anyagokra alapozott biogáz előállító létesítmények alapanyaga az 
állattartó telepeken keletkező hígtrágya, és a szerves anyag koncentráció növelésére – jellemzően 
silózott állapotú – növényi biomasszát alkalmaznak. A rendelkezésre álló lebontandó 
biomasszaféleségek méretjellemzői és összetétele alapján a kifejlesztés alatt álló bioreaktor 
mérettartományának ezért célszerűen 100 dm3-es nagyságrendűnek kell lennie. A bioreaktor az alap- 
és alkalmazott kutatásokban használt léptékhez képest egy nagyobb léptéket képvisel, és megfelelő 
áramlási keresztmetszetek biztosításával már megoldható az üzemi alap- és adalékanyag méreteket 
jellemző szerves anyag lebontás is 
A potenciális piaci igényt erősítik a ma már hazánkban is igénybe vehető támogatások. A kísérleti 
szolgáltatást igénybevevők a tervezett és a működő biogáz üzemeken kívül a kutató műhelyek, a 
tervező-fejlesztő irodák, a biogáz üzemi beruházók, üzemeltetők lehetnek. 
 
3.2. A fő funkciók ellátásával kapcsolatos általános követelmények 
 
A mobil bioreaktornak alkalmasnak kell lennie a biogáz-üzemek telepítési helyén a laboratóriumi 
kísérleteket meghaladó léptékben az üzemi körülményekhez közelítve biogáz hozamfokozó 
technológiai kísérletek elvégzésére. A mobilitási követelményekkel összefüggő szerkezeti méret 
minimalizálására irányuló törekvés miatt meghatározott 100 dm3-es nagyságrendű hasznos 
fermentortérfogat már megfelelő eredményeket adhat a felhasználók számára a nagyüzemi 
technológiai alkalmazáshoz 
A biogáz-üzemek környezetében rendelkezésre álló biomasszából történő biogáz-előállítási 
paraméterek optimalizálása szükségessé teszi a helyszínen végrehajtott kísérletek elvégzését, így 
szükséges, hogy a berendezés mobil legyen, és bármikor ki lehessen helyezni a kísérletek helyszínére. 
DEBRECENI MŰSZAKI KÖZLEMÉNYEK 2010/2 
 25
Célszerű az automatikus működtetés a heti gyakoriságú ellenőrzés mellett (automatikus 
folyamatszabályozás, anyag ki-és betárolás egy hétre előkezelt lebontandó anyagból), az automatikus 
mérési és adatgyűjtési ciklus megvalósítása, a biztonságtechnikai és vagyonvédelmi szempontok 
kielégítése, valamint az állagmegóvás és a vagyonvédelem biztosítása. 
 
3.3. A tervezés műszaki előkészítése, tervvariánsok kidolgozása 
 
A piaci és a gyártói igények összehangolása egy modulrendszerű mobil bioreaktor kialakítását teszi 
szükségessé, ahol az egyes szakterületekhez tartozó fő funkcióknál eltérő moduláris egységként 
jelennek meg különböző potenciális vásárlói igényeket kielégítő megoldási módok. A fő funkciók 
megvalósítási lehetőségeiből kiindulva az 1. sz. táblázatban összefoglaltuk a kiválasztott főterv variáns 
jellemzőit.  
 
Sorszám Funkció Szerkezeti egység Megvalósítási mód 
1. Anaerob lebontás Fermentor Köpenyfűtés 
Mechanikus 
keveréssel 
2. Input anyagok előkészítése Előkészítő tartály 
 
Hidraulikus 
keveréssel 
Daraboló szerkezettel 3. Input anyagok beadagolása Adagolószivattyú 
Daraboló szerkezet 
nélkül 
Flexibilis falú 4. Biogáz-gyűjtés Gyűjtőtározó 
Merev falú 
5. Biogáz semlegesítése Fáklya Automatikus 
üzemmód 
Egyedi kialakítás 6. Kierjedt anyag gyűjtése Gyűjtőtározó 
Széria termék 
Automatikus 7. Folyamatos üzemmód 
megvalósítása 
Folyamatszabályzó 
automatika Kézi 
Automatikus 8. Mérési és adatgyűjtési ciklus 
megvalósítása 
Folyamatszabályzó 
automatika Kézi 
Ráépített 9. Mobilitás, mozgathatóság Tgk., ill. utánfutó rakfelület 
Rakomány 
10. Állagmegóvás, vagyonvédelem Zárt fermentorház Egyedi kialakítás 
Elektromos csatlakozás 230V 
Szakaszosan 
11. Tápellátás 
Vízellátás hálózatról 
Folyamatosan 
12. Biztonságtechnikai szempontok 
kielégítése 
Távfelügyeleti rendszer GSM/GPRS 
kapcsolat 
 
1. táblázat A mobil bioreaktor fő funkciói és az azokat megvalósító szerkezeti egységek 
 
 A táblázatban dőlt betűvel jelöltük a döntési lehetőségeinket és a választott alternatívákat. A 
táblázatból látható, hogy az összes variáció 28 számú változatot tett ki. 
A döntési szempontok között meghatározó súllyal szerepelt az automatikus üzemmód 
megvalósítása. Az inputnál az előkészítő és a beadagolási funkciók összekapcsolási lehetősége végett 
a hidraulikus betáplálás és keverés mellett döntöttünk. Az input anyagokat nem kívánjuk beadagolás 
előtt külön aprítani, így nagyobb valószínűséggel lesznek hasonlóak a fajlagos biogáz-hozamok az 
üzemi és a nagylaboratóriumi erjesztésnél. Az output anyagok gyűjtőtartályai a reaktorházon kívül 
kerülnek elhelyezésre, ezért a merev falú tartályok jobban kielégítik a felhasználói igényeket. A 
DEBRECENI MŰSZAKI KÖZLEMÉNYEK 2010/2 
 26
speciális konténeres kialakítás miatt a mozgatáshoz elegendő rakományként kezelni a mobil 
bioreaktort, így egyedi kialakítású, speciális utánfutóra van szükség a mozgatáshoz. 
 
4. A MOBIL BIOREAKTOR TERVEZÉSI-KIVITELEZÉSI FŐEGYSÉGEI 
 
A mobil bioreaktor gyártási szempontok alapján elkülöníthető fő szerkezeti egységei a fermentorok, a 
fermentorház és a folyamatszabályzó és -felügyeleti irányítástechnikai rendszer. 
 
4.1. A fermentorok 
 
A fermentorok álló elrendezésű, három készüléklábbal alátámasztott, keverővel, dupla köpennyel és 
hőszigeteléssel ellátott berendezések (1. ábra.). A fermentorból két darab készül, egymáshoz képest 
tükörszimmetrikus csonkelrendezéssel. A két készülék közös acélszerkezet vázon helyezkedik el. A 
készülékek egy közös konténerben kerülnek elhelyezésre és az üzemi követelményeknek megfelelő 
vezérléssel, szabályozással lesznek ellátva.  
A készülék rendelkezik az üzemeltetéshez szükséges csonkokkal és csatlakozási lehetőségekkel. 
 
 
C1 - Keverőcsonk 
C2 - Töltő csonk 
C3 - Ürítő csonk 
C4 - Túlfolyó csonk 
C5 - Folyadék  mintavétel 
C6 - Levegő/ átöblítő csonk 
C7 - Hőmérőcsonk 
C8 - Redox-mérő csonk 
C9 - pH-mérő csonk 
C10 - fűtővíz bevezetés 
C11 - fűtővíz elvezetés 
C12 - biogáz elvezetés 
C13 - biogáz mintavétel 
C14 - tartalék (mosó) 
C15 - figyelőablak 
 
 
1. ábra A fermentor összeállítási rajza 
 
4.2. A folyamatszabályozó és rendszerfelügyelő automatika 
 
A mérendő és a szabályozandó paraméterek ismeretében az érzékelő és a beavatkozó elemek 
kiválasztásához meg kell határozni a konkrét érzékelési tartományokat és beavatkozási helyzeteket (2. 
táblázat). 
 A folyamatszabályozó és rendszerfelügyelő automatika (2. ábra) gondoskodik a mobil bioreaktor 
rendszer üzemszerű működéséről, azonban előfordulhatnak olyan esetek is, amikor az egyes elemek, 
szervek rendellenes működése következtében emberi beavatkozás is szükséges. 
A berendezés részét képezi egy bármely PC-re telepíthető felügyeleti program és a PC-hez 
kapcsolható GSM/GPRS modem. Segítségével lekérdezhetők a futó fermentáció jellemzői, 
megjeleníthetők a fermentáció gyűjtött adatai (trend, táblázat), be lehet avatkozni a folyamatba (pl. 
DEBRECENI MŰSZAKI KÖZLEMÉNYEK 2010/2 
 27
hőmérsékleti alapjel, fordulatszám, stb.), valamint a távolról elért adatok exportálhatók tovább-
feldolgozás céljára (csv).  
 
Sorszám feladata mérési tartomány jeltípus 
1 fermentor1 alsó hőmérő 0-100 °C 4-20 mA 
2 fermentor1 felső hőmérő 0-100 °C 4-20 mA 
3 fermentor1 pH-mérő 0-14  4-20 mA 
4 fermentor1 redoxpotenciál -1000 - +1000 mV  4-20 mA 
5 fermentor1 elmenő gáz mennyisége 0-300 liter/nap 4-20 mA 
6 fermentor1 felső szintkapcsoló  24 VDC 
7 fermentor2 alsó hőmérő 0-100 °C 4-20 mA 
8 fermentor2 felső hőmérő 0-100 °C 4-20 mA 
9 fermentor2 pH-mérő 0-14  4-20 mA 
10 fermentor2 redoxpotenciál -1000 - +1000 mV  4-20 mA 
11 fermentor2 elmenő gáz mennyisége 0-300 liter/nap 4-20 mA 
12 fermentor2 felső szintkapcsoló  24 VDC 
13 metántartalom 0-100 % 4-20 mA 
14 kénhidrogén-tartalom 0-100 % 4-20 mA 
15 oxigéntartalom 0-100 % 4-20 mA 
16 széndioxid-tartalom 0-100 % 4-20 mA 
17 fűtővíz hőmérő 0-100 °C 4-20 mA 
18 végterméktartály felső szintkapcsoló  24 VDC 
 *: csak előkészítés, opcióként 
 
2. Táblázat 
 
4.3. A fermentorház 
 
A fermentorház (konténer) szerkezeti elemeit ötvözetlen acél alapanyagok felhasználásával készülnek. 
A hőszigetelt konténer külső felületeit korróziógátló alapfestéssel látjuk el, majd kétrétegű 
fedőfestéssel tesszük ellenállóvá a környezeti hatásokkal szemben. A belső felületek saválló acéllemez 
borítást kapnak, az illesztéseknél szilikon tömítéssel. A konténer padlózata saválló acél rácsozat, 
amely alatt szennyvízgyűjtő és -kivezető tér és csatlakozó csonk kap helyet. 
A fermentorházba külön térben kerülnek elhelyezésre a metán előállítási folyamat robbanásbiztos 
kivitelű berendezései és az egyéb tároló berendezések, valamint az ellenőrző és szabályozó rendszer 
elemei (3. ábra). 
 
5. A KÍSÉRLETI MOBIL BIREAKTOR MEGVALÓSÍTÁSA 
 
A kísérleti mobil bioreaktor elkészítése folyamatban van. A bioreaktor meghatározó részegységei a 
fermentorok és a konténerház, valamint a szabályzó automatika elemei elkészültek, a teljes rendszer 
egybeépítése jelenleg folyamatban van. A fermentorok és az anyagtovábbító berendezések 
funkcionális próbái vízfeltöltéssel történtek. 
 
DEBRECENI MŰSZAKI KÖZLEMÉNYEK 2010/2 
 28
PLC
(vezérlés +
adatgyűjtés)
GSM/GPRS
modem
frekvencia-
váltó
M
keverőmotor
operátor-
panel
hőmérsékletek
gázjellemzők
szintek
szabotázs
metán/füst
egyéb
helyi kezelőszervek
szelepek (technológia)
fűtésvezérlés
szelepek (kont. fűtés)
szelepek (technológia)
adagoló-
rendszer
helyi visszajelzők
UPS3 x 400VAC
GSM/GPRS
modem +
 irodai PC
 
 
2. ábra. A folyamatszabályozási és felügyeleti rendszer 
DEBRECENI MŰSZAKI KÖZLEMÉNYEK 2010/2 
 29
 
 
 
3. ábra. A fermentorház kialakítása 
 
6. ÖSSZEGZÉS 
 
A jelenleg is futó Baross Gábor projekt keretében készül el egy automatikus üzemű távfelügyeleti 
rendszerrel ellátott kísérleti mobil bioreaktor üzemi technológiai kísérletekhez. A berendezés tervei és 
fő funkcionális részegységei elkészültek, ellenőrzésre kerültek, a berendezés összeépítése folyamatban 
van. A mobil bioreaktor segítségével egy új berendezés és szolgáltatás kerül piacra üzemi 
körülményeket reprezentáló biogáz-előállítási technológiai kísérletekhez. 
 
7. FELHASZNÁLT IRODALOM 
 
[1] BAI, A. - GRASSELLI, G. – SZENDREI, J. – KORMÁNYOS, SZ., Economic Evaluation of Scaling 
of Agricultural Biogas Plants, Hungarian Agricultural Engineering, No. 20/2007, p. 23-25.  
[2] GRASSELLI, G. – GÁL, T. – SZENDREI, J., Possibilities to establish biogas plants in the 
Northern Great Plain Region, based on cattle and pig manure, Hungarian Agricultural 
Engineering (22/2009, in press) 
[3] GRASSELLI, G. – NAGY, L. – CSIPKÉS, M. – GÁL, T. – SZENDREI, J., Economy Calculations 
of the Material and Energy Flows in the Biogas Process. "4th Aspects and Visions of Applied 
Economics and Informatics", Section „Statistics and Operations Research”, Debrecen, 26-27. 
March 2009., Conference Proceedings, p. 1310-1316. 
[4] KALMÁR I. – KALMÁRNÉ VASS E. – NAGY V. – TÓTH E. – LUKÁCS M., Mobil bioreaktor 
biogáz előállítási kísérletekhez. Előadás, MTA AMB XXXIV. Kutatási és Fejlesztési 
Tanácskozás, Gödöllő 2010. február 02., p 45. 
[5] KALMÁR, I. – NAGY, V., Experiments on the maximum biogas production. Előadás, 7th 
International Multidisciplinary Conference, Baia Mare (Románia); May 17-18, 2007 Scientific 
Bulletin p 309-315. 


Biogázüzemi kísérletek mobil bioreaktorának fejlesztése és főegységei

https://dea.lib.unideb.hu/dea/bitstream/handle/2437/229366/file_up_BIOG%c3%81Z%c3%9cZEMI%20K%c3%8dS%c3%89RLETEK%20MOBIL%20BIOREAKTOR%c3%81NAK.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Biogázüzemi kísérletek mobil bioreaktorának fejlesztése és főegységei

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

University of Debrecen Electronic Archive