XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

Биогаз — газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы. [1]

Биогаз - это возобновляемое и экологически чистое топливо, изготовленное из 100% местного сырья. Его используют во многих областях, в том числе топливо для автомобилей и использования в промышленности. Биогаз имеет воздействие на круговую экономику, этому способствуют питательные вещества, выделяемые при производстве. [2]

Производство биогаза может проходить с использованием различных видов сырья. Главную роль в процессе синтеза биогаза, выполняют микробы, питающиеся биомассой.

Микроорганизмы в процессе сбраживания образуют метан, который используют локально либо перерабатывать в биогаз, который качественно не уступает природному газу, что даёт возможность транспортировке биогаза. [2]

Состав биогаза

Биогаз, полученный в процессе сбраживания, состоит в среднем из:

50-80% метана

15-45% углекислого газа

5% другие газы (в основном водород и азот, сероводород) [2]

История

В 17 веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 году сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.

Первая задокументированная биогазовая установка была построена в Бомбее, Индия в 1859 году. В 1895 году биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930 году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.

В СССР исследования проводились в 40-х годах прошлого века. В 1948—1954 гг. была разработана и построена первая лабораторная установка. В 1981 году при Госкомитете по науке и технике была создана специализированная секция по программе развития биогазовой отрасли. Запорожский конструкторско-технологический институт сельскохозяйственного машиностроения построил 10 комплектов оборудования.[1]

Сырьё для получения биогаза

Сырьё, подходящее для производства биогаза:

биоразлагаемые отходы предприятий и промышленных объектов, подобные избыткам лактозы от производства безлактозных молочных продуктов;

просроченные продукты из магазинов

биоотходы, произведенные потребителями

шлаки от очистных сооружений

навоз и полевая биомасса от сельского хозяйства

Использование микроорганизмов для получения биогаза

Метантенки – биогазовые аппараты в которых происходит анаэробное сбраживание сырья для синтеза биогаза. Разложение органических веществ при метаногенезе производится как многоступенчатый процесс, в котором углеродные связи постепенно разрушаются под воздействием микроорганизмов. [4]

По нынешним данным, для анаэробного превращения почти что любого сложного органического вещества в биогаз требуется четыре стадии.

1 стадия

гидролиз сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.) на более простые мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др. В гидролитическую стадию 78% органического вещества переходит в высшие жирные кислоты, 20% - в ацетат, 4% - в водород. Гидролиз осуществляется микроорганизмами целлюлолитическими, протеолитическими, липолитическими, сульфатвосстанавливающими, денитрифицирующими.

2 стадия

ферментация (брожение) образовавшихся мономеров до еще более простых веществ — низших кислот и спиртов, при этом образуются также углекислота и водород;

Выделенные микроорганизмы, осуществляющие 1 и 2 стадии метаногенеза, на 50% состоят из споровых бактерий. Количество аэробов в 1мл составляет до миллиона клеток, а анаэробов- - сотни миллионов клеток.

3 стадия

ацетогенная стадия, на которой образуются непосредственные предшественники метана: 52% ацетата, 24% водорода, углекислота;

4 стадия

метаногенная стадия, которая ведет к конечному продукту расщепления сложных органических веществ — метану. Метаногенные архибактерии образуют из ацетата 72% метана и 28% углекислого газа. [3]

Первичные анаэробы разлагают органические вещества до предшественников метана: водорода и углекислоты, ацетата, метанола, метиламидов, формиата. Ввиду субстратной специфичности метаногенов их развитие без трофической связи с бактериями предыдущих стадий невозможно. В свою очередь, метановые бактерии, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют возможность и скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Центральным метаболитом, осуществляющим регуляторную функцию в метанообразующем сообществе, является водород. За счет поддержания низкого парциального давления водорода в системе становится возможным его межвидовой перенос, меняющий метаболизм первичных анаэробов в сторону образования непосредственных предшественников метана. Если водород из системы не удаляется, то образуются более восстановленные продукты — летучие жирные кислоты и спирты. Метаболизм этих соединений осуществляется синтрофными бактериями, для жизнедеятельности которых необходимо связывание образующегося водорода метановыми бактериями. [5]

Превращение микробов биомассы в газ

В биогазовом реакторе начинается микробиологическое действие, и биомасса вступает в постепенный процесс ферментации.

На практике это означает, что микробы питаются органическими веществами, такими как белки, углеводы и липиды, и их переваривание превращает их в метан и углекислый газ.

Большая часть органического вещества распадается на биогаз - смесь метана и углекислого газа - примерно за три недели. Биогаз собирается в сферическом газовом держателе сверху биогазовых реакторов.[6]

Дигестат используется в качестве удобрения или садовой почвы

Остаточные твердые вещества и жидкости, образующиеся при получении биогаза, называются дигестатом. Дигестат поступает в реактор после варочного котла и оттуда далее в резервуары для хранения. Дигестаты хорошо подходят для таких применений, как удобрение полей.

Также дигестаты могут быть центрифугированы для разделения твердой и жидкой частей.[8]

Твердые дигестаты используются, например, в качестве удобрений, в сельском хозяйстве или в озеленении, а также могут превращаться в садовую почву в процессе созревания с использованием компостирования.

Дигестаты центрифугируют для получения достаточного количества технологической воды для суспендирования биологических отходов в начале процесса. Это помогает сократить использование чистой воды. Центрифугированная жидкость богата питательными веществами, в частности азотом, которые могут быть дополнительно отделены с помощью таких методов, как технология отгонки, и использованы в качестве удобрений или источников питательных веществ в промышленных процессах.[7]

Литературные источники

Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. . Биогаз: теория и практика. - М.: Колос, 1982. - 148 с.

Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. ГОСТ 5542-87.

Фюкс, Ральф. . Зеленая революция: Экономический рост без ущерба для экологии - М.: Альпина нон-фикшн, 2015. - 330 с. - ISBN 978-5-91671-459-3.

Эдер Б., Шульц Х. . Биогазовые установки. Практическое пособие. - Zorg Biogas, 2011. - 181 с

Алексеев В.И., Каминский В.А. Прикладная молекулярная биология - М.: ВШ, 2005.

2. Баадер Б., Доне Е., Бренндерфер М. - Биогаз. Теория и практика - М.: Колос, 1982.

3. Соуфер С., Заборски О. - Биомасса как источник энерги - М.: Мир, 1985.

4. Германович В., Турилин А. - Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. - СПб.: Наука и Техника, 2011.

Код для цитирования: Скопировать