2. Анаеробне бродіння

Біогаз - це продукт (один з продуктів) анаеробного бродіння. Це означає, що біогаз виділяється при бродінні органічних речовин без доступу повітря. А бродіння - це процес розкладання під дією бактерій. Попросту кажучи, бродіння відбувається, коли бактерії їдять цю органіку.

Процес анаеробного бродіння з виділенням біогазу умовно поділяють на чотири фази по типу, що відбуваються. Це фаза гідролізу, ацидогенез, ацетогенеза і метаногенеза. У кожній фазі працює свій тип бактерій, причому кількість видів бактерій, які беруть участь в кожній фазі, налічується сотнями. На фазі гідролізу бактерії розщеплюють білки, жири і вуглеводи на більш прості молекули, типу цукрів, амінокислот і т.п. На фазі ацидогенез утворюються різні органічні кислоти. На фазі ацетогенеза утворюється оцтова кислота. І на фазі метаногенеза утворюється біогаз. Це опис фаз дуже приблизно. Кожна фаза описується безліччю хімічних рівнянь. Одночасно відбувається кілька різних реакцій на кожній фазі. Кількісне співвідношення цих реакцій залежить від типу сировини, що переробляється, від видів беруть участь на цьому етапі бактерій і безлічі інших чинників. Тому неможливо абсолютно точно прорахувати і передбачити характер протікання реакції і кількісні показники на виході.

Процес анаеробного бродіння розрізняють також по температурі його протікання. Є три температурних діапазону, при яких спостерігаються локальні максимуми інтенсивності процесу бродіння. Непрямим показником цієї інтенсивності є обсяг виділяється біогазу в одиницю часу. Перший температурний режим анаеробного бродіння називається психрофільні. Психрофільні бродіння відбувається в діапазоні температур 15-250C. Другий температурний режим називається мезофільних. Мезофильное бродіння відбувається в діапазоні температур 30-400C. Третій температурний режим називається термофільним. Термофільне бродіння відбувається в діапазоні температур 50-560C.

У кожному більш теплом температурному режимі метаболізм бактерій відбувається приблизно в два рази швидше, ніж в попередньому. Відповідно, біогаз виділяється приблизно в два рази швидше. Але більш високотемпературний процес менш стійкий і більш примхливий, ніж попередній. Тому найпростіші біогазові установки працюють зазвичай в психрофільні режимі. Великі промислові установки працюють зазвичай в мезофільному режимі.

Зазвичай у всіх «чайників» виникає питання: звідки беруться ці бактерії, які забезпечують анаеробне бродіння? Відповідь проста: ці бактерії живуть в шлунках практично всіх тварин на землі. Особливо багато бактерій третьої і четвертої фаз бродіння знаходиться в шлунках жуйних тварин (корови, вівці, коні, кози і т.д.).

Як всім відомо, нормальна температура тіла у ссавців на Землі лежить в діапазоні 35-400C. Наприклад, для людини це 36,60C. Звідси стає зрозуміло, чому більшість біогазових установок працюють в мезофільному режимі при температурі реакції 37-380С.

До речі, бактерії, що працюють в двох перших фазах, ефективніше функціонують при температурах психрофільні режиму. Тому існує технологія двухстадийного анаеробного бродіння, коли реакція відбувається в двох послідовно з`єднаних ємностях. У першій ємності відбуваються дві перші фази анаеробного бродіння при температурі 250C. У другій ємності відбуваються третя і четверта фази при температурі 37-380C. Таке рішення дозволяє оптимізувати і стабілізувати перебіг процесу для деяких типів сировини.

До сих пір немає єдиної думки з приводу того, які бактерії працюють на третій і четвертій фазах в різних температурних режимах. Одні стверджують, що це різні види бактерій. У реальному світі вони є всюди, але активізуються, тільки потрапивши в сприятливі умови. Інша теорія говорить, що це одні і ті ж бактерії пристосовуються до різних температур і працюють в різних режимах метаболізму.

Якщо взяти будь-яке підходяще органічна сировина, помістити його в відповідну герметичну ємність з газовідводом і забезпечувати підтримання стабільної температури відповідного режиму та періодичне перемішування, то вийде лабораторна біогазова установка з одноразовою завантаженням. Графік залежності швидкості виділення біогазу від колишніх часів бродіння буде виглядати у вигляді плавного горба. Це легко пояснити. Спочатку починаються перші стадії бродіння, а потім вже в дію вступають останні стадії. Але кількість органічної сировини в лабораторному реакторі обмежена. Ця речовина розкладається, кількість неразложенном органіки зменшується, і вихід біогазу падає. Поступово вихід впаде до нуля. Це буде означати, що вся органіка в сировину розклалася до неорганічних солей. Процес повного розкладання навіть в термофільному займає дуже значний час. У мезофільному режимі цей час вимірюється місяцями. Однак, якщо взяти до уваги тільки значення виходу біогазу, близькі до максимальних, то такий час буде лежати в діапазоні двох-чотирьох тижнів для мезофильного режиму. Час це залежить від складу вихідної сировини і називається тривалістю циклу анаеробного бродіння. Природно, що якщо зупинити бродіння в кінці цього циклу, то в реакторі залишиться частково розкладена органіка. Зазвичай глибина розкладання органіки в кінці циклу становить 40-60%. Це означає, що в кінцевому субстраті маса органіки становить 40-60% від маси органіки в субстраті, яким був спочатку заповнений реактор. На таке «недображіваніе» йдуть свідомо з метою отримання максимальної швидкості виходу біогазу та мінімізації розмірів біогазової установки.

Зазвичай біогазові установки не працюють так, як в лабораторії. У них відразу закладають повну порцію сировини, щоб заповнити реактор. Потім, коли реакція починається і стабілізується, сировину додають регулярно невеликими порціями, одночасно зливаючи перебродила масу. Тому поняття тривалості циклу для них замінюється поняттям «часу гідравлічного перебування» в реакторі. Це умовна величина, яка характеризує середній час, який проведе в реакторі чергова порція свіжого субстрату.

Зміст книги: Що таке біогаз.

Поділися в соц мережах:

Увага, тільки СЬОГОДНІ!

Схожі