Главная > О Биогазе > Книги о биогазе > Биогазовые установки. Практическое пособие > Возникновение и этапы процесса биоагаза

Возникновение и этапы процесса биоагаза

Биогаз является продуктом обмена веществ бактерий, образовывающийся вследствие разложения ими органического субстрата.

2.1: Четыре фазы процесса брожения

Процесс разложения можно разделить на 4 этапа (Изобр. 2.1) в каждом из которых участие принимают много разных групп бактерий:

  • 1. На первом этапе аэробные бактерии перестраивают высокомолекулярные органические субстанции (белок, углеводы, жиры, целлюлозу) с помощью энзимов на низкомолекулярные соединения, такие как сахар, аминокислоты, жирные кислоты и воду. Энзимы, выделенные гидролизными бактериями, прикрепляются к внешней стенке бактерий (так называемые экзоферменты) и при этом расщепляют органические составляющие субстрата на малые водорастворимые молекулы. Полимеры (многомолекулярные образования) превращаются в одномеры (отдельные молекулы). Этот процесс, получивший название гидролиз, имеет медленное течение и зависит внеклеточных энзимов как напр. целлюлоза, амилазы, протеазы и липазы. На процесс влияет уровень рН (4,5-6) и время пребывания в резервуаре.
  • 2. Далее расщеплением занимаются кислотообразующие бактерии. Отдельные молекулы проникают в клетки бактерий, где они продолжают разлагаться. В этом процесс частично принимают участие анаэробные бактерии, употребляющие остатки кислорода и образующие тем самым необходимые для метановых бактерий анаэробные условия. При уровне рН 6-7,5 вырабатываются в первую очередь нестойкие жирные кислоты (= карбоновые кислоты - уксусная, муравьиная, масляная, пропионовая кислоты), низкомолекулярные алкоголи - этанол и газы - двуокись углерода, углерод, сероводород и аммиак (Изобр. 2.2). Этот этап называют фазой окисления (уровень рН понижается).
  • 3. После этого кислотообразующие бактерии с органических кислот создают исходные продукты для образования метана, а именно: уксусной кислоты, двуокиси углерода и углерод. Такие бактерии, понижающие количество углерода являются очень чувствительными к температуре.
  • 4. На последнем этапе образуется метан, двуокись углерода и вода в лажных пределах как продукт жизнедеятельности метановых бактерий с уксусной и муравьиной кислоты, углерода и водорода. 90% всего метана вырабатывается на этом этапе, 70% происходит из уксусной кислоты. Таким образом, образование уксусной кислоты (тоесть 3 этап расщепления) является фактором, определяющим скорость образования метана. Метановые бактерии исключительно анаэробные. Оптимальный уровень рН составляет 7, при чем амплитуда температурных колебаний может быть в пределах 6,6-8.

Расщепление органики на отдельные составляющие и превращение в метан может проходить лишь во влажной среде, поскольку бактерии могут перерабатывать только вещества в растворенном виде. Таким образом, для брожения твердых субстратов (ошибочно иногда называемое сухим брожением) существует потребность в воде.

На сегодняшний день науке известно около 10 разных видов methanococcus и methanobacterium, размером всего лишь 1/1000 мм, способных жить в разной среде.

2.2 : Продукты обмена веществ (органические кислоты) анаэробного разложения

В процессе расщепления продукты переваривания (обмена веществ) каждой группы бактерий выступают питательными веществами для следующей группы бактерий (смотр. Изобр.2.2). Пофазное расщепление органики происходит не с одинаковой скоростью. Разные группы бактерий работают с разной скоростью (смотр. Изобр. 2.3). В то время как аэробные бактерии при достаточном питании удваивают свою массу на протяжении 20 мин. - 10 часов. (время генерации), анаэробные бактерии существенно медленнее.

Фаза образования уксусной кислоты проходит наиболее медленно. Бактериям необходимо много дней для расщепления питательных веществ и тем самым удвоения своей массы. Среди метановых бактерий также есть несколько медленных видов, в первую очередь чистые культуры требуют для этого 3-5 дней. Все остальные расщепляют уксусную кислоту на метан на протяжении от нескольких часов до трех дней.

2.3 : Время жизни поколений бактерий.

Быстрее всех работают кислотообразовывающие бактерии, производящие первые преобразования органики уже на протяжении от нескольких часов до 2 дней. В идеальном случае между фазами расщепления устанавливается динамическое равновесие в концентрации веществ, а именно между поступлением питательных веществ и их расщеплением.

Наиболее часто совершаемой ошибкой является перекармливание бактерий быстрорасщепляемым субстратом, что приводит к накоплению кислот из-за кислотообразующих бактерий. В связи с этим может наступить слишком резкое падение уровня рН, которого не переживут другие бактерии. Кроме того, избыточная концентрация выработанного вещества приводит к задержке роста вырабатывающей ее группы бактерий.

Динамическое равновесие также определяется легкостью расщепления субстрата (смотр. Изобр. 2.4). Сахар и крахмал, например, через свою простую структуру расщепляются очень быстро и требуют лишь короткого времени пребывания в ферментаторе. Чем сложнее структура субстрата, тем дольше длиться расщепление. Целлюлоза и гемицеллюлоза имеют широко разветвленную структуру и разлагаются медленно. Лигнин, одеревеневшее вещество у растений, количество которого возрастает с возрастом растения, разлагается бактериями очень плохо, поскольку он проявляет стойкость даже к кислотам.

Скорость расщепления субстратов имеет прямое влияние на необходимое время для брожения и на саму технологию получения биогаза. Таким образом, уже при планировании биогазовой установки стоит четко определить, какой субстрат или какие субстраты будут использоваться для брожения. Однако не только технически необходимое время для брожения определяет время пребывания в ферментаторе, значение имеют также экономические показатели. Если мы хотим переработать очень одеревеневший материал, то для этого стоит предусмотреть очень большой объем ферментатора, чтобы получить из него метан. С экономической точки зрения это не имеет смысла. Время брожения, таким образом, определяется динамикой анаэробного расщепления и быстротой расщепления определенного субстрата.

2.4: Скорость разложения групп веществ.
2.5: Влияние времени брожения на количество газа и выход газа

Если ферментатор по новому заполнить субстратом, то после прохождения отдельных фаз процесса расщепления биогаз образовывается медленно. Количество выработанного ежедневно биогаза растет до того момента, пока не будет достигнуто максимума. На момент достижения кульминационного момента субстрат, который легко разлагается, будет переработан и бактериям останутся лишь вещества, которые тяжело переваривать. Этим самым количество ежедневно вырабатываемого газа будет понижаться до тех пор, пока не будет расщеплен весь доступный материал или пока субстрат нельзя будет расщеплять дальше. Такой процесс образования биогаза похож на так называемый периодический метод.

Сегодня принято использовать постепенный процесс, при котором субстрат подается на протяжении дня многими небольшими порциями, что в свою очередь ведет к равномерному производству биогаза (смотр. Изобр. 2.5).

Производство газа из 1 кг органического субстрата постепенно увеличивается вместе с увеличением времени для брожения, вначале быстрее, по мере возрастания времени брожения медленнее. Наступает такой момент, когда количество произведенного газа настолько мало, что долгосрочное пребывание в ферментаторе более нецелесообразно с экономической точки зрения. То есть на практике никогда не бывает полного расщепления органики.


Включите JS

Часть чистой прибыли нашей компании, поступает в фонд помощи детям:

Фонд "Руки Добра"