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.