БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006

Частина ІІ. Спеціальні біотехнології

Розділ 22. БІОТЕХНОЛОГІЇ УТИЛІЗАЦІЇ І БІОКОНВЕРСІЇ ВІДХОДІВ АГРОПРОМИСЛОВОГО КОМПЛЕКСУ

22.3.НЕТРАДИЦІЙНІ МЕТОДИ. БІОТЕХНОЛОГІЯ ОДЕРЖАННЯ БІОГАЗУ ШЛЯХОМ АНАЕРОБНОГО ЗБРОДЖУВАННЯ ВІДХОДІВ

22.3.1. Біометаногенез та його етапи

Біометаногенез - це процес перетворення органічних сполук біомаси на біогаз за участю метаноутворюючих анаеробних мікроорганізмів. Коефіцієнт трансформації енергії біомаси в

енергію метану при цьому процесі досягає 80 %. Це давно відомий процес, відкритий ще 1776 р. Вольтом, який встановив наявність метану в болотному газі.

Процес біометаногенезу проходить за участю метаноутворюючих мікроорганізмів, яких ідентифіковано від 30 до 50 видів. Це симбіотичне угруповання і завдяки тому, що воно може змінювати свої шляхи ферментації, функціонує як саморегулююча система, яка підтримує оптимальні значення рН, окислювально-відновний потенціал і термодинамічну рівновагу в реакторі.

Формування мікрофлори метантенка відбувається за рахунок мікроорганізмів, які потрапили в нього разом з субстратом (гнойовою біомасою, стічними водами тощо). Поряд з облігатними анаеробами в метантенку можуть бути і факультативні анаероби. Загальна кількість бактерій в субстраті коливається від 1 до 15 мг/мл.

До складу природної популяції мікроорганізмів, які здійснюють процес метаногенезу, входять різні види анаеробів ті, що руйнують клітковину і зброджують прості вуглеводи, розщіплюючи білки, пептиди і амінокислоти, ліпіди, завдяки чому біомаса різного походження може бути вихідною сировиною для одержання біогазу.

Біометаногенез - це багатостадійний процес, у ході якого біополімери перетворюються на ацетат, форміат, метанол, метиламін, оксид і діоксид вуглецю, аміак, сірководень і водень. Він проходить у три послідовні етапи або стадії, і кожна з них здійснюється певною групою мікроорганізмів.

1-й етап гідролізу. На цьому етапі беруть участь грам- негативні неспороутворюючі мікроорганізми, які володіють амілолітичною, целюлолітичною, протеолітичною, ліполітичною й іншими видами активності. За допомогою ферментів гідролаз, які синтезуються цими мікроорганізмами, відбувається розкладання біополімерних сполук (вуглеводів, білків, ліпідів, нуклеїнових кислот) до низькомолекулярних органічних речовин (моно- і олігоцукрів, амінокислот і пептидів, гліцерину і карбонових кислот, пуринових і піримідинових основ). Склад домінуючої на цьому етапі мікрофлори залежить від складу мікрофлори, яка є на субстраті, що надходить в метантенк, а також від хімічного складу субстрату.

На цій стадії утворюється також невелика кількість діоксиду вуглецю і водню.

2-й етап ацидогенезу. На ньому із одержаних на першому етапі низькомолекулярних органічних речовин за участю кислотоутворюючих мікроорганізмів утворюються різні органічні кислоти (масляна, пропіонова) і їх солі. Потім вони окислюються до ацетату і діоксиду вуглецю. На цьому етапі також утворюються водень, аміак і сірководень.

Кислотоутворюючі бактерії є факультативними анаеробними гетеротрофами і найкраще функціонують в діапазоні рН від 4,0 до 6,5. Головним продуктом цього етапу є ацетат.

Наприклад, із 1 моль субстрату (глюкози) утворюється 4 моль водню і 2 моль ацетату:

Конверсія низькомолекулярних органічних речовин відбувається таким чином:

На цьому етапі близько 76 % органічних речовин переходить в органічні кислоти (з них 52 % - в ацетат) і 24 % - у водень.

Власне метанове бродіння відбувається на третьому етапі.

Третій етап метаногенний. На цьому етапі за участю ферментів метаногенних споро- і неспороутворюючих мікроорганізмів проходить остаточне перетворення органічних речовин на метан і діоксид вуглецю. Також на третьому етапі з раніше одержаних діоксиду вуглецю і водню теж утворюється метан. Так, з ацетату утворюється 72 % метану, а із Н₂ і СО₂ - 28 % метану.

Метаногенні мікроорганізми цього етапу є облігатними (строгими) анаеробами. Вони проявляють найбільшу активність в більш вузькому діапазоні рН від 7,0 до 7,8. Метаногени належать до найдавніших живих істот - архібактерій. Вони відрізняються від інших прокаріот тим, що у них маленький геном - близько 1/3 генома кишкової палички. За формою клітин метаногени є коками або паличками різних розмірів і рухливості, а деякі можуть утворювати навіть ниткоподібні клітини.

В основі життєдіяльності метаноутворюючих мікроорганізмів лежить здатність відновлювати діоксид вуглецю за такою реакцією:

З біохімічної точки зору метанове бродіння є не що інше, як анаеробне дихання, в ході якого електрони з органічних речовин переносяться на діоксид вуглецю, що відновлюється до метану.

Метаногени синтезують метан за такими реакціями:

Основним субстратом для метаногенів є ацетат:

Деякі метаногени використовують як субстрат форміат, який трансформується ними в метан:

Суть процесу біометаногенезу можна виразити наступними реакціями:

Співвідношення проміжних і кінцевих продуктів у процесі метанового бродіння залежить від хімічного складу біомаси, умов ферментації і наявної мікрофлори.

Не вся органічна сировина потребує проходження трьох фаз ферментації. Багато відходів, наприклад екскременти тварин, містять велику кількість частково розщепленої речовини, що підлягає проходженню послідовних фаз процесу ферментації. Водночас деякі органічні сполуки (наприклад лігнін) і всі неорганічні складові не піддаються зброджуванню.

Реакції, що відбуваються при зброджуванні органічної речовини, мають екзотермічний характер. У процесі їх проходження виділяється приблизно 1,5 МДж теплоти на 1 кг сухої речовини біомаси, що зброджується, тобто 25 кДж/моль C₆H₁₀O₅ (целюлози). Цієї теплової енергії, як правило, недостатньо для підтримання відповідної температури біомаси, яку зброджують.

На практиці зброджування рідко доводять до кінця, бо це надто збільшує тривалість процесу. Зазвичай зброджують приблизно 60 % вихідного продукту.