Как ферментируется биогаз?
Процесс ферментации биогаза на самом деле является метаболизмом микроорганизмов и процессом преобразования энергии. В процессе разложения метаболизма биогазовые микроорганизмы получают энергию и вещества для удовлетворения своего собственного роста и размножения, в то время как большинство веществ превращаются в метан и углекислыйгаз. Научный анализ показал, что около 90% органического вещества преобразуется в биогаз, а 10% биогазовых микроорганизмов используются для собственного потребления. Производство биогаза из ферментированного сырья происходит в результате ряда сложных биохимических реакций.
Для превращения органического вещества в биогаз требуется три этапа.
Почти все органические вещества могут подвергаться анаэробному разложению для получения биогаза. Преобразование твердых органических веществ в биогаз можно разделить на три этапа: сжижение, кислотообразование и производство метана.
Это стадия сжижения. Стадия сжижения, также известная как стадия гидролиза, представляет собой стадию превращения твердого органического вещества, не растворимого в воде, в растворимое в воде вещество под действием микроорганизмов. Многие микроорганизмы могут выделять различные внеклеточные ферменты, и под действием внеклеточных ферментов твердые органические вещества гидролизуются в менее молекулярные растворимые вещества. Такие, как целлюлозы, амилазы, белковые ферменты и липаза, путем экстракорпорального ферментативного разложения органических веществ полигликан распадается на моносахар или дисахарид, белки распадаются на полипептиды и аминокислоты, жиры распадаются на глицерин и жирные кислоты. Эти растворимые вещества с меньшей молекулярной массой могут проникать в микробные клетки для дальнейшего разложения и использования.
Во - вторых, кислотная фаза. После того, как различные растворимые вещества (моносахара, аминокислоты, жирные кислоты), образующиеся на стадии сжижения, попадают в клетку, они продолжают разрушать метаболизм и преобразовываться в низкомолекулярные вещества, такие как масляная кислота, пропионовая кислота, уксусная кислота и простые органические вещества, такие как спирты, кетоны и альдегиды, под действием различных бактериальных эндаза, таких как целлюлозные бактерии, белковые бактерии, жировые бактерии фруктовые бактерии. Эта фаза в основном генерирует различные летучие жирные кислоты, основным продуктом является уксусная кислота, на которую приходится около 70%, а также часть водорода, углекислого газа, аммиака и небольшое количество других продуктов. Эта стадия называется кислотной стадией.
Стадии сжижения и кислотообразования являются непрерывным и перекрестным процессом. Это происходит в анаэробных условиях, когда углеводы, белки и жиры в сырье распадаются на простые мелкие молекулярные соединения, которые производят углекислыйгаз и водород в результате взаимодействия нескольких микроорганизмов. Эти две стадии производят только субстраты синтетического метана, такие как уксусная кислота, масляная кислота, спирт, углекислыйгаз, водород и т. Д., Не производят метан, поэтому его также называют стадией отсутствия метана. Этап отсутствия метана можно рассматривать как этап переработки сырья, когда сложные органические вещества превращаются в вещества, пригодные для производства метановых бактерий, которые удовлетворяют потребности метановых бактерий в жизнедеятельности. Микробы, которые действуют на стадии, когда метан не вырабатывается, разнообразны, многочисленны и сильно различаются в зависимости от ферментированного сырья. Среди них наибольшее количество специализированных анаэробных бактерий, в 100 - 200 раз больше, чем у комбинированных анаэробных и аэробных бактерий, которые являются основными на этом этапе. Водопроизводящие бактерии являются важной флорой в микроорганизмах, не производящих метан, и Чэндуский институт биологических исследований Китайской академии наук успешно обогатил и отделил различные виды и роды водородных бактерий от осадка биогазовых бассейнов.
Третья стадия - производство метана. На этом этапе метановые бактерии преобразуют низкомолекулярные соединения, полученные на предыдущем этапе, такие как уксусная кислота, муравьиная кислота, водород и углекислыйгаз, в метан.
Взаимодействие трех стадий биогазовой ферментации
В процессе биогазовой ферментации три этапа являются взаимозависимыми и непрерывными, а также взаимосвязанными и взаимообусловленными. Это проявляется в том, что на начальном этапе ферментации в больших количествах производятся летучие кислоты, и в то же время концентрация летучих кислот быстро возрастает, концентрация аммиачного азота резко возрастает. Когда концентрация аммиачного азота достигает своего пика, концентрация летучих кислот снижается, потенциал окисления и восстановления снижается, а содержание метана в газообразных продуктах увеличивается и достигает своего пика. В течение некоторого времени после завершения этой цепной реакции PH, окислительно - восстановительный потенциал, выработка газа и содержание метана были в основном стабильными, а концентрация летучих кислот значительно снизилась. Это обстоятельство говорит о том, что в процессе брожения биогаза каждый биохимический фактор имеет значительные изменения, они взаимозависимы и связаны друг с другом, матрица постоянно разлагается, метан непрерывно формируется, так что вся ферментация находится в динамическом равновесии. Однако биогазовые микроорганизмы также чувствительны к изменениям в окружающей среде, и изменения в некоторых экологических факторах могут повлиять на баланс или даже нарушить его. Например: чрезмерная подача, внезапное изменение температуры более 2 ° C, вход токсичного вещества в жидкость материала и т. Д., Это приведет к изменению кислотно - щелочной степени, дебита и состава газа, нарушит равновесие, повлияет на дебит газа. Тем не менее, биогазовые микроорганизмы также имеют определенную адаптивность к окружающей среде, до тех пор, пока изменения факторов окружающей среды не выходят за рамки определенного диапазона, даже если равновесие нарушается, это временно, и после определенного периода саморегулирования может быть достигнут новый баланс. Это, как правило, не требует искусственного регулирования, и необходимые искусственные меры регулирования необходимы только в том случае, если изменения факторов окружающей среды превышают допустимость микроорганизмов, а динамический баланс нарушается таким образом, что он не может быть восстановлен самостоятельно.
Взаимосвязь между твердыми веществами и биогазовой ферментацией
В процессе брожения биогаза фазы сжижения завершаются гидролизными реакциями, большинство из которых требуют определенной энергии. Однако в большинстве случаев микроорганизмы не получают энергии на этапе сжижения при ферментации биогаза, что приводит к медленному прогрессу сжижения твердых органических веществ и часто является ограничительным этапом ферментации биогаза. Темпы сжижения твердых веществ напрямую влияют на скорость производства биогаза. Степень сжижения твердых веществ также оказывает непосредственное влияние на производство газа. В большинстве ферментированных сырьевых материалов, особенно в различных видах сырья для сельскохозяйственных отходов, высокое содержание твердых веществ, мало растворимых ингредиентов, некоторые поверхностные слои имеют восковые вещества, поэтому в производстве следует использовать метод предварительной обработки сельскохозяйственных отходов для ускорения стадии сжижения и повышения степени сжижения, что может как относительно ускорить ферментацию, так и увеличить производство биогаза. Предварительная обработка сельскохозяйственных отходов может осуществляться путем измельчения и пузырьков.
Конечно, некоторые ферментированные ингредиенты, такие как отходы винного шлама, сточные воды синтетических жирных кислот, отходы соевых продуктов и т. Д., Содержат больше растворимых органических веществ, до ферментации в бассейне была завершена фаза сжижения, скорость ферментации очень быстра, период удержания может быть сокращен до десятков часов или часов, поэтому нет необходимости в предварительной обработке.