2. Анаэробное брожение

Биогаз – это продукт (один из продуктов) анаэробного брожения. Это значит, что биогаз выделяется при брожении органических веществ без доступа воздуха. А брожение – это процесс разложения под действием бактерий. Попросту говоря, брожение происходит, когда бактерии едят эту органику.




Процесс анаэробного брожения с выделением биогаза условно разделяют на четыре фазы по типу происходящих процессов. Это фаза гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза. В каждой фазе работает свой тип бактерий, причем количество видов бактерий, участвующих в каждой фазе, насчитывается сотнями. На фазе гидролиза бактерии расщепляют белки, жиры и углеводы на более простые молекулы, типа сахаров, аминокислот и т.п. На фазе ацидогенеза образуются различные органические кислоты. На фазе ацетогенеза образуется уксусная кислота. И на фазе метаногенеза образуется биогаз. Это описание фаз весьма приблизительно. Каждая фаза описывается множеством химических уравнений. Одновременно происходит несколько различных реакций на каждой фазе. Количественное соотношение этих реакций зависит от типа перерабатываемого сырья, от видов участвующих на этом этапе бактерий и множества других факторов. Поэтому невозможно абсолютно точно просчитать и предсказать характер протекания реакции и количественные показатели на выходе.

Процесс анаэробного брожения различают также по температуре его протекания. Есть три температурных диапазона, при которых наблюдаются локальные максимумы интенсивности процесса брожения. Косвенным показателем этой интенсивности является объем выделяемого биогаза в единицу времени. Первый температурный режим анаэробного брожения называется психрофильным. Психрофильное брожение происходит в диапазоне температур 15-250C. Второй температурный режим называется мезофильным. Мезофильное брожение происходит в диапазоне температур 30-400C. Третий температурный режим называется термофильным. Термофильное брожение происходит в диапазоне температур 50-560C.

В каждом более теплом температурном режиме метаболизм бактерий происходит примерно в два раза быстрее, чем в предыдущем. Соответственно, биогаз выделяется примерно в два раза быстрее. Но более высокотемпературный процесс менее устойчив и более капризен, чем предыдущий. Поэтому самые простые биогазовые установки работают обычно в психрофильном режиме. Большие промышленные установки работают обычно в мезофильном режиме.

Обычно у всех «чайников» возникает вопрос: откуда берутся эти бактерии, которые обеспечивают анаэробное брожение? Ответ простой: эти бактерии живут в желудках практически всех животных на земле. Особенно много бактерий третьей и четвертой фаз брожения находится в желудках жвачных животных (коровы, овцы, кони, козы и т.д.).

Как всем известно, нормальная температура тела у млекопитающих на Земле лежит в диапазоне 35-400C. Например, для человека это 36,60C. Отсюда становится понятно, почему большинство биогазовых установок работают в мезофильном режиме при температуре реакции 37-380С.

Кстати, бактерии, работающие в двух первых фазах, эффективнее функционируют при температурах психрофильного режима. Поэтому существует технология двухстадийного анаэробного брожения, когда реакция происходит в двух последовательно соединенных емкостях. В первой емкости происходят две первые фазы анаэробного брожения при температуре 250C. Во второй емкости происходят третья и четвертая фазы при температуре 37-380C. Такое решение позволяет оптимизировать и стабилизировать протекание процесса для некоторых типов сырья.

До сих пор нет единого мнения по поводу того, какие бактерии работают на третьей и четвертой фазах в разных температурных режимах. Одни утверждают, что это разные виды бактерий. В реальном мире они есть повсюду, но активизируются, только попав в подходящие условия. Другая теория гласит, что это одни и те же бактерии приспосабливаются к разным температурам и работают в разных режимах метаболизма.

Если взять какое-нибудь подходящее органическое сырье, поместить его в подходящую герметичную емкость с газоотводом и обеспечивать поддержание стабильной температуры соответствующего режима и периодическое перемешивание, то получится лабораторная биогазовая установка с однократной загрузкой. График зависимости скорости выделения биогаза от прошедшего времени брожения будет выглядеть в виде плавного горба. Это легко объяснимо. Сначала начинаются первые стадии брожения, а потом уже в действие вступают последние стадии. Но количество органического сырья в лабораторном реакторе ограничено. Это вещество разлагается, количество неразложенной органики уменьшается, и выход биогаза падает. Постепенно выход упадет до нуля. Это будет означать, что вся органика в сырье разложилась до неорганических солей. Процесс полного разложения даже в термофильном режиме занимает очень значительное время. В мезофильном режиме это время измеряется месяцами. Однако, если принять во внимание только значения выхода биогаза, близкие к максимальным, то такое время будет лежать в диапазоне двух-четырех недель для мезофильного режима. Время это зависит от состава исходного сырья и называется длительностью цикла анаэробного брожения. Естественно, что если остановить брожение в конце этого цикла, то в реакторе останется частично разложенная органика. Обычно глубина разложения органики в конце цикла составляет 40-60%. Это значит, что в конечном субстрате масса органики составляет 40-60% от массы органики в субстрате, которым был изначально заполнен реактор. На такое «недображивание» идут сознательно с целью получения максимальной скорости выхода биогаза и минимизации размеров биогазовой установки.

Обычно биогазовые установки не работают так, как в лаборатории. В них сразу закладывают полную порцию сырья, чтобы заполнить реактор. Потом, когда реакция начинается и стабилизируется, сырье добавляют регулярно небольшими порциями, одновременно сливая перебродившую массу. Поэтому понятие длительности цикла для них заменяется понятием «времени гидравлического пребывания» в реакторе. Это условная величина, которая характеризует среднее время, которое проведет в реакторе очередная порция свежего субстрата.

Оглавление книги: Что такое биогаз.

 

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.