Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
метана (а в крайних случаях - я весь газ). Можно использовать и тепловые
отбросы сопутст-
Энергия и биотехнология
77
вующих производств (например, воду, использованную в них для охлаждения).
Горячую воду можно получать и с помощью солнечных батарей. Бактерии,
работающие на первом этапе, лучше всего растут при pH от 6 до 7. В
культуре рост многих разлагающих целлюлозу бактерий подавляется по
механизму обратной связи при накоплении конечных продуктов гидролиза,
однако в смешанной популяции бактерий, существующей в анаэробном
реакторе, происходит быстрое усвоение этих продуктов и подавление не так
выражено. В результате скорость разрушения полимеров оказывается выше,
чем можно было бы ожидать. Конечные продукты, обладающие свойствами
ингибитора, удаляются с помощью бактерий второй группы, которые
превращают различные сахара, аминокислоты и жирные кислоты в летучие
жирные кислоты, С02 и водород.
В ходе этого процесса образуется ряд летучих жирных кислот (молочная,
уксусная, пропионовая и др.), но главным субстратом при синтезе метана
является уксусная кислота. Метан-образующие бактерии могут также
синтезировать метан из С02 и Н2. Оптимум pH для них тот же (6-7), что и
для бактерий первой группы, и это важно, поскольку нарушение баланса
образования и потребления кислот приведет к падению pH, если система не
обладает достаточными буферными свойствами. Всякое падение pH по этой
причине преимущественно сказывается на активности метанобразующих
бактерий, что вызывает дальнейшее закисление среды и прекращение
образования метана. С этим можно бороться, добавляя известняк или
аммиачную воду, но при внесении ионов аммония следует соблюдать
осторожность. Метанобразующие бактерии могут использовать аммонийные ионы
как источник азота, но при высоких концентрациях они ингибируют их рост.
К числу других веществ и соединений, способных ингибировать процесс,
относятся кислород и окисленные соединения, такие, как нитрат и нитрит,
сульфиды, цианиды, свободные ионы металлов (меди, цинка или никеля),
галогены, формальдегид и сероводород. Система чувствительна также к
резким скачкам температуры.
Выход продукции
При образовании метана, когда субстратом является глюкоза, весовой выход
газа составляет только около 27%, а выход энергии (теоретически) - более
90%- Однако на практике из-за сложного состава сырья, перерабатываемого в
анаэробных реакторах, и низкой эффективности его переработки валовый
выход энергии составляет от 20 до 50%. Определение выхода биогаза- задача
более сложная, чем выхода метана. Прежде всего нужно уточнить, что мы
хотим измерить: валовый выход.
78
Глава 2
(биогаз-СОг в смеси с метаном) или же один метан. Состав газа-существенно
изменяется в зависимости от условий в реакторе,, а также от природы
подаваемого в него сырья. Теоретически при переработке углеводов на СОг и
метан эти газы должны образовываться в равных количествах. На самом деле
не весь. СОг выделяется в виде газа, так как он растворяется в воде и
может взаимодействовать с гидроксил-ионами с образованием1 бикарбонатов.
Концентрация образующегося бикарбоната будет зависеть от скорости протока
жидкости, pH, температуры и содержания в жидкой фазе ионов металлов и
других веществ.
Количество образующегося бикарбоната сильно зависит от содержания белка в
сырье: чем оно больше, тем богаче биогаз: метаном. Обычно биогаз содержит
60-70% метана. Он образуется со скоростью 0,5 м3 на килограмм сухой массы
летучих компонентов; время удержания составляет около 15 суток. Это"
соответствует приблизительно 0,3 м3 метана на килограмм сухой массы
твердых компонентов. Впрочем, точные оценки дать сложно, так как выход
зависит от условий работы системы,, сырья и конструкции реактора.
В последних сообщениях об установках, перерабатывающих биомассу разного
качества, приводятся выходы от 0,17 до" 0,4 м3 метана на килограмм сухой
массы сырья. Скорость загрузки при этом составляла от 1 до более чем 10
кг сырья на" кубометр реактора в сутки, время удержания 10-40 суток* а
глубина переработки субстрата от 20 до более чем 70%.
Повышение выхода за счет увеличения содержания энергии в продукте будет
способствовать повышению валового производства энергии реактором. К
сожалению, это не говорит о чистом выходе энергии, который будет
существенно ниже, так как при таком ведении процесса энергозатраты
возрастут. Количество энергии, которую необходимо подать в конкретную
систему* будет определяться характером идущего в ней процесса. Он в свою
очередь определяется микробной флорой и природой используемого сырья.
Задачи научных исследований
Сегодня нам еще немного известно о биохимии микробов, участвующих в
процессе. Внимания требует и инженерная сторона дела: нужно
усовершенствовать способы закачки сырья, измерения объемов газа,
теплообеспечения, использования двигателей внутреннего сгорания для
производства электроэнергии и системы контроля. Основой существенного
