Конверсия биомассы в жидкое топливо

      Известно, что при образовании метана из целлюлозы субстрат претерпевает ряд изменений: целлюлоза под действием гидролитических ферментов расщепляется до глюкозы, последняя сбраживается до органических кислот и газообразных продуктов Н₂ и СО₂. Образование метана из Н₂ и С0₂ протекает с большей скоростью, чем из органических кислот. Таким образом, органические кислоты явлляются фактором, лимитирующим скорость метаногенеза. Устранениее их из культуральной среды через полупроницаемые мембраны, которые пропускают только низкомолекулярные соединения, повышает скорость метаногенеза и увеличивает выход СН₄.

        Метановое брожение под давлением улучшает условия хранения и транспортировки газа, повышает эффективность последующих процессов очистки газа и снижает затраты на его сжатие. При давлении 1,4 МПа выход газа снижается с повышением давления, но при этом соответственно повышается содержание метана в нем и выход его остается практически стабильным.  При давлении  0,4  МПа  выход метана резко сокращается.

      Быстрое увеличение  парциального давления   С0₂   приводит   к уменьшению скорости образования метана и, наоборот, его резкое уменьшение за счет подачи приводит к  увеличению  образования метана. Сокращение образования метана сопровождается накоплена в среде уксусной кислоты в количестве до 4 г/л, тогда как концентрация пропионовой и масляной кислот мало изменяется и составляет соответственно 0,6. и 0,2. г/л. Причем независимо от состава газовой атмосферы бактерии полностью используют глюкозу. Высокое парциальное давление СН₄ не подавляет метаногенез. Атмосферную углекислоту микроорганизмы не ассимилируют.

      Эффективность скорости выхода СН₄ при ускоренном разложении зависит или от циркуляции С0₂, или от эффективного механического перемешивания среды в метантенке. Выход метана в значительной степени зависит от величины нагрузки на аппарат, с возрастанием которой наблюдается незначительное уменьшение содержания СН и повышение СО₂. При замедленном разложении содержание СО₂ резко возрастает, а СН₄ - снижается.

      С целью повышения содержания в  биогазе метана разработаны методы очистки его от примесей. В США, например, применяют с этой целью моноэтаноламин. Концентрация метана повышается до 95 %. 

      Получение биогаза из промышленных сточных вод

      Одна  из важнейших проблем современности  – сохранение чистоты окружающей среды. Переработка отходов метановым брожением – наиболее экономичный и эффективный метод очистки сточных вод, так как наряду с очисткой происходит облагораживание сточных вод за счет удаления летучих органических веществ и образуется богатый энергией, легко транспортируемый вид топлива и сырья – метан. В нашей стране только за счет конверсии отходов системой метаногенеза может быть получено до 150 млрд. т условного топлива.

      Среди пищевых отраслей наиболее значительное количестве отходов имеет спиртовая промышленность. На многих отечественных и зарубежных спиртовых заводах мелассная последрожжевая барда сбрасывается на поля фильтрации, площади которых на каждые 1000 дал спирта суточной производительности завода составляют от 1 до 12 га. На полях фильтрации происходит анаэробное брожение барды, что вызывает загрязнение воздушного бассейна, а иногда из-за неисправности бардополей загрязняются и водоемы.

      В последние 15 лет послеспиртовую барду широко используют для  
производства кормового белка. В процессе синтеза биомассы кормовые дрожжи интенсивно используют органические вещества барды, особенно аминокислоты, карбоновые кислоты, глицерин, редуцирующие вещества и др. Большинство дрожжевых культур плохо используют или совсем не   используют   бетаин. Значительные изменения наблюдаются в минеральной части барды. В связи с использованием органических   веществ   относительное   содержание   компонентов   в расчете на сухие вещества барды врастает содержание ионов хлора, 
так как в процессе биосинтеза дрожжей рН среды поддерживается при 
помощи соляной кислоты. 

    В связи с повышением содержания зольных  элементов последрожжевая барда становится непригодной для использования на корм скоту. Вместе с тем, несмотря на интенсивное потребление дрожжами органических веществ, барда имеет очень высокий показатель БПК и  не может сбрасываться в водоемы. Так, величина БПК послеспиртовой барды составляет 40-50, последрожжевой - 20-25 г 0₂/л.

      Одним из способов использования последрожжевой барды является применение ее в качестве питательной среды для метанобразующих бактерий. Анаэробные процессы переработки отходов, в том числе последжрожжевой барды,

имеют ряд преимуществ перед аэробными, поскольку исключают контакт культуральной жидкости с воздухом, что позволяет избежать загрязнения атмосферы. Аэробные процессы осущществляются, как правило, в открытых аппаратах и могут способствовать загрязнению воздушного бассейна. Кроме того, анаэробный процесс отличается высокой эффективностью по превращению растворенных органических веществ в газы.

     Примерно 95 % веществ, подвергающихся деструкции, покидают систему в виде смеси газов, из которых на метан приходится около 4. Потери теплоты при метановом брожении невелики -  всего %.  Синтез  биомассы  в   анаэробном   процессе   при   переработке жидких стоков незначителен по сравнению с аэробным. Но главным преимуществом анаэробного процесса очистки стоков является использование энергии.   Если   при  аэробном   процессе   используется электрическая энергия на аэрацию, при анаэробном процессе производят газы с теплотворной способностью, эквивалентной 500 кг топлива, на каждую тонну удаленного БПК. Полученную в результате метановой ферментации биомассу можно использовать в качестве удобрения.

     Для   нормальной   метановой   ферментации   барды   необходимо оптимальное соотношение С:N:Р, которое должно составлять 35:1:0,13. Из 1 кг по БПК получают около 470 л биогаза. Выходящая из метантенка очищенная вода имеет ХПК, равную 2,5 г/л.

     В нашей стране впервые использовали последрожжевую барду в анаэробном процессе с целью получения витамина B . Способ внедрен на Андрушевском спиртовом заводе.

Метановое брожение ведут без внесения каких-либо питательных добавок. При сбраживании метанобразующими бактериями последрожжевой барды образуется в среднем до 16 м³ на 1 м³ отходов с теплотворной способностью        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      

 

      

Получение биогаза из отходов  сельского хозяйства и переработки древесины

      

      В настоящее время во всем мире успешно ведутся работы по получению биогаза из отходов сельского хозяйства (свиного, коровьего и куриного навоза, стеблей, жмыха, соломы сельскохозяйственных культур) и отходов переработки древесины, ольхи, сосны, тополя, эвкалипта, сикоморы.

      В европейских странах биометанизация сельскохозяйственных отходов начала быстро развиваться с 1979 г. Введение бесподстилочного содержания животных с применением решетчатых настилов позволяет получать субстрат, идеальный для биометанизации. Часто ферментаторы располагают под хлевом так, чтобы жидкий навоз попадал в него самотеком, что позволяет вести процесс при температуре окружающей среды.

      С 1977 г. шведская фирма "Биосистем" производит установки для 
получения биогаза из отходов животноводства, которые нашли применение в США, Испании, Франции, Дании и Нидерландах. Установки позволяют перерабатывать      25-30 м³/сут сырья и получать 500 м /сутки биогаза, который используют для обогрева ферм  и получения горячей воды, что обеспечивает 60 % требуемой для фермы тепловой энергии. Стандартная термофильная установка состоит из передней камеры вместимостью 20, 40, 60 или 100 м³ и газового бойлера или 
электрогенератора, рабочая температура 45-60 °С. Навоз загружают 
один раз в день, время выдержки в рабочей камере при периодическом перемешивании 5 сут. 

      Широко  применяется метановое брожение в Индии. Причем строятся 
небольшие (от 2 м³) ферментаторы в расчете на одну крестьянскую 
семью или общину. В стране уже действует 30 тыс. таких установок, 
предполагается довести их количество до 12 млн. шт., чтобы обеспечить энергией 90 млн. человек.

      

      На  осветленных стоках производства биогаза  возможно культивирование одноклеточных фотосинтезирующих бактерий. В Индии для этого используются бактерии Rhodopseudomonas capsulata, белок которых отличается высоким  содержанием  незаменимых и  серосодержащих аминокислот, а также витаминов группы В. После анаэробной деградации коровьего навоза твердые компоненты отделяют центрифугированием, а осветленный супернатант, обогащенный летучими жирными кислотами, используют для выращивания фотосинтезирующих бактерий. После 6-7 суток культивирования содержание биомассы клеточного белка достигает  максимума.  В это время все  жирные кислоты,   содержащиеся   в   исходном   супернатанте,   оказываются утилизированными. Выход биомассы R. capsulata равен 4,59 г/л ( в сырой массе), содержание белка составляет 61,25 % СВ клеток.|               Большей производительностью по метану обладают разработанные 
в США биореакторы, использующие магнитотаксисные бактерии.    В конструкцию биореактора включают устройство для создания внутреннего локального магнитного поля, привлекающего магнитотаксисные бактерии.   Бактериальные   продуценты   биогаза   мигрируют в область  магнитного  поля,   концентрируются   в   определенной   зоне биореактора и не вымываются из него при вводе свежих порций органических отходов и удалении остатков.                                           

      Многочисленные исследования показали целесообразность использования   добавок   целлюлозосодержащих   материалов   в   качестве 
косубстрата  при   осуществлении   анаэробной  ферментации  свиного 
навоза в биогаз.  Оптимальная  концентрация целлюлозы в составе субстрата (навоз с содержанием сухих веществ 2,8-3 %) 40 г/л, выход 
биогаза 0,6 л на 1 г целлюлозы. Общий выход биогаза - 34,6 л на 1 л 
реакционной смеси: 25 л/л за счет ферментации целлюлозы и 9,6 л/л за 
счет навоза.

      В качестве дополнительных субстратов при  анаэробной ферментации жидких отходов животноводства используют также бытовые отходы, отходы городских отстойников, торф. Например, при анаэробном сбраживании смеси, состоящей из 5 частей жидких отходов животноводства с содержанием 4,38 % органического вещества, 2 частей городских отходов с 5 % органического вещества, 1 части бытовых отходов с содержанием 21 % органического вещества, получают 412 л газа из 1 кг органического вещества.

       Процесс метаногенеза ингибируется кормовым антибиотиком моненсином – стимулятором роста крупного рогатого скота на 45 % при концентрации антибиотика 2-5 мг/л. При этом увеличивается содержание ацетата в культуральной жидкости. Моненсин ингибирует рост многих микроорганизмов, однако возможна адаптация культуры к антибиотику.

       В ФРГ разработана установка для получения биогаза из отходов сельского хозяйства фирмы "ЛиппГмБХ". Процесс осуществляется при температуре 32 ºС и абсолютной изоляции от воздуха. Содержание сухих веществ в сбраживаемом материале 12 %. Отходы животноводства поступают с фермы в сборник субстрата, снабженный резально-перемешивающим устройством, которое перемешивает жидкий навоз и позволяет использовать твердую фракцию навоза и растительные отходы..

      

      Получаемая  гомогенная среда с помощью эксцентрикового шнекового насоса поступает через теплообменник, где нагревается до температуры 35 ºС и направляется в биореактор, работающий непрерывно. Образующийся биогаз собирается в верхней части биореактора и под определенным давлением поступает в сборник сухого газа, где хранится под давлением 15 МПа и в случае необходимости подается с помощью компрессора в промежуточный сборник или потребителю.

      Газовый склад представляет собой стальной резервуар с крышкой и входом из металлических полос, внутри которого подвешен пузырь из  тканеуплотненной газоустойчивой фольги. Стальной сосуд предохраняет фольгу от механических повреждений и метеорологических влияний и монтируется на бетонной площадке. Пузырь подвешивается на специальной конструкции под крышей на стальных подвесках. На дне имеется стойка, через которую с помощью системы газопровода осуществляет подачу и отвод газа. Установка снабжается газовой воздуходувкой для увеличения давления в трубопроводе к потребителю, а также средствами управления и регуляции. Газовый склад заполняется газом, поступающим из реактора под давлением 300-500 Па         (3-5 мбар). При полном заполнении склада в целях ликвидации опасности повышения давления зажигают факел или газ    подают непосредственно потребителю.

      Получение биогаза из коммунально-бытовых  отходов

      

      Перспективным источником метана являются городские  мусорные свалки, на которых ежегодно скапливается свыше 100 000 т отходов. Газ, образующийся на свалках в результате анаэробного брожения, может содержать до 60 % СН₄. В результате уплотнения мусора на свалке создаются слои высотой до 10 м, внутри которых отсутствует кислород. Это идеальные условия для жизнедеятельности анаэробных бактерий. В результате роста и размножения они превращают органическую массу мусора в метан. За 15 лет из 1 т домашнего мусора можно таким образом получить 200 м³ газа. Если метан не удалять со свалки, он просачивается через почву и при объемной концентрации 5-15 % может образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. Количество и качество газа, который можно получить со свалки, зависит от двух основных факторов: газопродуктивность субстрата свалки и геометрия его захоронения. При неглубоком захоронении существует опасность инфильтрации воздуха, подавляющего анаэробное брожение. Кроме того, на газовыделение влияют влага, температура (оптимальная 30-35 °С) и рН. Регулируя эти параметры, можно оптимизировать газовыделение. Субстрат свалки при необходимости может быть подпитан необходимыми компонентами.