Анаеробний розклад

Найпоширеніша технологія анаеробної переробки – розкладання мулу стічних вод. Ця добре розроблена технологія з успіхом використовується з 1901р. Однак тут існує ряд проблем, обумовлених малою швидкістю росту анаеробних метаноутворюючих бактерій, що використовуються в даній системі, чутливість до різних впливів і непристосованість їх до зміни навантаження. Конверсія субстрату також відбувається досить повільно і тому обходиться дорого. Деякі проблеми пов'язані з невдалими інженерними рішеннями. Проте цей підхід перспективний з погляду біотехнології; наприклад, можна додати до відходів ферменти для підвищення ефективності процесу або посилити контроль за переробкою шляхом зміни тих чи інших біологічних параметрів.

Анаеробна ферментація стічних вод (мулу, відходів тваринництва чи рослинних культур, спеціально вирощених для одержання енергії), дуже перспективна для одержання газоподібного палива при помірних температурах (30–35°С). При вирощуванні спільноти різних бактерій на суміші органічних сполук відбуваються складні біохімічні реакції (рис 3).

Метаноутворюючі бактерії здатні до синтезу енергоносія безпосередньо з водню і вуглекислого газу. Мікроорганізми розщеплюють целюлозу, синтезують жирні кислоти, які розкладаються до метану і вуглекислого газу; деякі бактерії здатні утворювати молекулярний водень. Описано складну, взаємозалежну сукупність мікроорганізмів, у якій можна виділити три групи бактерій: бактерії, що здійснюють гідроліз і бродіння, бактерії, що утворюють водень і оцтову кислоту, а також метаноутворюючі бактерії. Метаноутворюючі бактерії ростуть повільно і дуже чутливі до різких змін компонентів загрузки реактора і нагромадження водню. Проблеми перевантаження, особливо істотні у випадку промислових стоків, можна обійти, збільшуючи швидкості обороту. Для збільшення метаногенної активності бактерій можна використовувати звичайні методи відбору та методи генетичної інженерії. Оцінити ефективність використання даного процесу при переробці змішаних відходів, а також охарактеризувати потреби в живильних речовинах і удосконалити початковий етап процесу за рахунок зменшення кількості необхідного мікробного посівного матеріалу допоможе подальше вивчення фізіології й екології мікроорганізмів, що беруть участь у процесі.

Ліпіди Лігніни Білки

Високомолекулярні Ароматичні Амінокислоти

жирні кислоти сполуки

з довгим ланцюгом

Кислоти циклу Кребса Кетокислоти

Піровиноградна

кислота

Молочна Вуглеводи

кислота

Пропіонова Масляна Спирти

кислота кислота

Оцтова кислота

Мурашина кислота

МЕТАН + ВУГЛЕКИСЛИЙ ГАЗ

Рис. 3. Біохімічне розщеплення окремих сполук до метану і вуглекислого газу при анаеробному розкладі відходів

Для одержання енергії і корисних побічних продуктів можна використовувати самі різноманітні відходи і сировину. До культур, які спеціально вирощуються з метою конверсії енергії в газоподібне паливо, відноситься кассава; кінцевими продуктами є метанол і етанол. Деякі країни такі як Бразилія, Австралія і Нова Зеландія, мають намір використовувати подібні речовини, одержувані біологічним шляхом, як основне джерело палива. Подібні проекти обговорюються й у деяких європейських, країнах, наприклад у Фінляндії, Швеції й Ірландії.

Анаеробні ферментери можуть застосовуватися також з метою одержання проміжних продуктів для хімічної промисловості (наприклад, оцтової, молочної й акрилової кислот). Однак, широке використання анаеробних реакторів з метою одержання газоподібного палива стримується по ряду причин. Традиційно в конструкцію реакторів входили тенки з мішалками, розраховані на тривале перебування матеріалу, що переробляється. З метою скорочення цього часу були створені реактори, у яких перероблені відходи відокремлюються від біомаси, яка використовується повторно. Щоб процес був економічно вигідним, необхідно розробити недорогі конструкції, що не засмічуються і включають прості в експлуатації пристрої для відводу тепла. Основні зусилля в галузі анаеробної ферментації повинні бути спрямовані на вивчення етапів, що лімітують швидкість процесу. На першому з них відбувається гідроліз целюлози і крохмалю з утворенням розчинних органічних кислот і спирту. Другим етапом, що лімітує, може бути утворення метану з цих низькомолекулярних жирних кислот. Моделювання процесу розкладу ускладнюється тим, що важко визначити, які мікроорганізми домінують на тому чи іншому етапі, і встановити, які саме етапи лімітують швидкість процесу. Це дуже складний процес; із природних систем було виділено багато нових типів бактерій, що беруть участь у ньому.

Промислове застосування систем анаеробного розкладу невпинно зростає; вони використовуються при переробці відходів тваринницьких ферм і промислових, у тому числі харчових, відходів, а також для переробки культур, спеціально вирощуваних для одержання енергії. На рис 4 схематично представлені деякі з наявних у продажі установок. Конструкція реакторів була істотно удосконалена, що збільшило їхню ефективність на 300%. Багато нових моделей ще не вийшли зі стін лабораторій чи перебувають на стадії виробничих досліджень, однак деякі повномасштабні системи вже працюють. Одержання енергії з відходів становить безсумнівний інтерес для країн, що розвиваються, оскільки цю енергію можна одержувати і з природних джерел.

Рис.4. Три види установок, що застосовуються для очистки стічних вод у харчовій промисловості: А-анаеробний фільтр; Б-спрощена схема установки, в якій використовується перемішування за допомогою гвинтового насосу і витяжної труби. Утворення піни контролюється диспергуванням вмісту реактора над поверхнею; В- високошвидкісний реактор Коулзерда.

4. Екологічно чиста енергія.

У 70- х рр.. ХХ ст. ріст цін на нафту спонукав наполегливі пошуки додаткових джерел і палива. Особливі надії покладались на, так звані, відновлювальні джерела енергії (Е). Крім прямого використання Е сонця з допомогою фотоелектричних колекторів, Е вітру і геотермальних вод (Ісландія), в якості відновлювальних джерел Е розглядали біомасу як найдавніший вид палива.

Мова йшла про вирощування рослин на,,енергетичних” плантаціях, або перетворення відходів рослинництва в паливо, зокрема в спирт, шляхом зброджування гідролізованої сировини і застосування його у двигунах внутрішнього згорання (суміші з бензином) Такий спосіб використовується у Бразилії, США, країнах Близького Сходу, де великі запаси рослинної сировини. Рослина – кассова – вирощується з цією метою. Але енергетичні витрати на виробництво гідролізного цукру (вирощування в умовах нашого клімату зокрема таких культур як цукровий буряк) і тим більше на нагрівання перегонки великої маси розчину для одержання з нього спирту виявилось дуже значними і ефективність цього процесу – сумнівною. Значно вигідніше одержувати з гідролізного цукру кормові дріжджі.

Вихід почали шукати в енергозберігаючих технологіях (біологічна фіксація азоту, а не хімічні добрива, мікробіологічне вилужування металів, урану тощо). Збільшується частка відновлюваних джерел Е: таких як вітер, сонце. Безумовно пріоритет перед прямим виробництвом Е з біологічних ресурсів одержує виробництво їжі, кормів, та ін.

Але біологічне виробництво палива із застосуванням бактеріального бродіння виявилось достатньо ефективним. З кінця 70-х рр. інтенсивно розвиваються роботи по малоенергоємним БТ процесам перетворення відходів с/г в метан (за способом одержання його називають біогазом) У наш час невеликі біогазові установки (метантенки) широко розповсюджені у Південно-Східній Азії, там вони крім одержання палива для побутових потреб забезпечують с/г добривом. В Європі і Америці переважно їх використовують для переробки відходів і обігріву великих міст. Працюють біогазові установки також вже для очищення стічних вод, зокрема на активному мулі який утворюється в аеротенках, у результаті аеробного очищення стічних вод. Також створені перші такі установки для переробки відходів великих тваринницьких ферм.

Створення сучасних метантенків (економічно і енергетично вигідне) – один із важливих завдань сучасної біотехнології.

Проблема і особливість цього БТ процесу у тому що тут працюють не чисті культури а складні консорціуми мікроорганізмів. Без точних наукових знань фізіології і біохімії анаеробних бактерій, їх складної взаємодії це завдання ускладнене.

Екологічно чисту енергію можна отримати шляхом перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою сонячних колекторів, а також з біогазу та мікробного етанолу.

Біогаз – це суміш з 50% – 70% метану, 30% СО₂, 1% сірководню та незначних домішок азоту, водню, та чадного газу. Енергія, яка містить в 28 м3 біогазу, еквівалентна енергії: 16,8 м3 природного газу; 20,8 л.нафти; 18,4 л. дизельного палива. В основі отримання біогазу полягає процес метанового бродіння, або біометаногенез – процес перетворення біомаси в енергію.

Дата добавления: 2014-01-11