Анаеробна ферментація біомаси

Анаеробна ферментація - спосіб перетворення біомаси без доступу повітря за участі бактерій, при якому з оброблюваної біомаси одержують в основному метан та залишки перероблення у вигляді добрив. У процесі анаеробної ферментації складні органічні речовини розкладаються на СО2 і СН4з утворенням біогазу у вигляді суміші вуглекислого газу і метану, причому на частку метану може припадати до 70%. Технологічний процес анаеробного зброджування біомаси відбувається без надходження кисню в спеціальних реакторах-метантенках, конструкція яких забезпечує максимальне виділення метану. Особливо важливим в процесі анаеробного зброджування є створення оптимальних технологічних умов в реакторіметантенку: температури, надходження кисню, достатньої концентрації живильних речовин, допустимого значення рН, відсутності або низької концентрації токсичних речовин. Розкладання органічних речовин на метан і вуглекислий газ проходить при загальній дії трьох основних груп бактерій :

Перша група - ферментативні бактерії - гідролізують первинний субстрат (протеїни, ліпіди , полісахариди ) з утворенням кінцевих продуктів у вигляді оцтової кислоти та інших насичених жирних кислот , вуглекислого газу і водню.

Друга група - облігатні оцетогенні бактерії - утворюють водень і оцтову кислоту (іноді і вуглекислий газ) з кінцевих продуктів першої групи.

Третя група - метаногенні бактерії , споживаючи утворений іншими бактеріями водень , відновлюють вуглекислий газ до метану і розщеплюють оцтову кислоту до вуглекислого газу та метану. Остання реакція має велике значення , так як 70 % метану , отриманого анаеробною ферментацією , утворюється з метилової групи оцтової кислоти. У деяких випадках оцетогенна гідрогенізація проходить за участю ще однієї групи бактерій.

Зовнішній вигляд біогазової установки

Мал.1. Принципова схема анаеробної установки: 1 – приймальний пристрій; 2 – біореактор (метантенк); 3 – простір для збирання біогазу; 4 – патрубок, з’єднуючий метантенк з газгольдером; 5 – пристрій для відкачування шламу з метантенку

Найбільш ефективними вважаються біореактори, що працюють в термофільному режимі 43–62°С. На таких установках з триденною ферментацією гною вихід біогазу складає 4,5 л на кожний літр корисного об’єму реактора.

Сучасні біогазові анаеробні установки складаються з таких основних систем:

• системи підготовки і подачі сировини в біореактор;

• біореактора (метантенка) із системою підтримання постійної температури та іншими комплектуючими пристроями;

• системи зберігання і використання біогазу;

• системи вивантаження і транспортування шламу.

Мал. 2. Схема біогазової установки

Схема найпростішої біогазової анаеробної установки для індивідуального господарства зображена на мал.1.

Використання біогазу забезпечує можливість отримання теплової і електричної енергії, що є особливо привабливим для фермерських господарств. При масовому розповсюдженню біогазових технологій в сільських регіонах можна досягнути значної економії органічного палива (мал. 2.).

Мал. 3. Блок-схема гібрідної енергосистеми «Біосоляр» – ТЕЦ

Становить інтерес вирощування і використання в метантенках водяної рослинної біомаси для отримання біогазу. Однією з найбільш продуктивних водоростей є бура водорость макроцистис, розповсюджена в прибережній зоні морів і океанів, врожайність якої складає 450–1200 т сирої маси є 1 га. З кожної тонни широко відомої хлорели можна отримати 22 кДж енергії. Високою врожайністю характеризуються морські водорості дуналіела, водяний гіацинт, червона водорость тощо. Існує гібридна енергосистема «Біосоляр» – ТЕЦ, яка є замкненою для всіх біогенних елементів, окрім вуглецю, що спалюється (мал. 3). Система «Біосоляр» являє собою комплекс з культивації мікроводоростей, з яких виділяються харчові й кормові добавки, а інше є одним з елементів наповнення метантенків. Для культивації мікроводоростей необхідний СО2, який подається до них після очищення в результаті спалювання біогазу в котлах ТЕЦ. Для отримання біогазу використовуються також відходи тваринництва і рослинності. У схемі передбачене додаткове джерело у вигляді природного газу, який використовується в разі необхідності в зимовий період при відсутності рослинної біомаси. У біоенергетиці України може бути використаний значний енергетичний потенціал біомаси, в тому числі існуючий в сільському господарстві надлишок соломи і стеблів сільськогосподарських рослин, що складають біля 20 млн. т, для опалювальних котелень, розташованих в сільській місцевості (споживаючих біля 2,9 млн. т у. п. за рік), а також для промислових енергетичних установок. Ефективним шляхом є виробництво і використання біогазу при переробці рослинної і тваринної біомаси. Іншим джерелом біомаси є звалища сміття. Потенціальні можливості отримання біогазу зі звалищ можуть складати 1,6 млн. т у. п. Сировиною, з якої можна отримати біогаз, можуть бути практично всі відходи, до складу яких входять органічні компоненти.