РОЗДІЛ 27. Технології продуктування біогазу

Складання субстрату і стабільність процесу.

Кожен субстрат, корм, продукти харчування, біовідходи або органічні відходи, складаються з груп речовин. При оцінці субстрату слід врахувати, що тільки з сухої маси, і в цьому випадку, тільки з її органічної частини можна отримати метан (таблиця 27.14.). Тому зміст органічної сухої маси у співвідношенні із загальною масою е першим критерієм для вибору складових суміші субстратів. Тому не дивно, що кількість видобутого газу з 1 тонни зерна в кілька разів вище ніж при використанні силосу з цілої рослини або барди, які містять значно більшу кількість води, з якої не можна утворити газ.

Таблиця 27.14.

Вміст води в різних видах субстратів

Вміст води в різних видах субстратів. Вміст %

Неорганічний компонет, (в аналітичних матеріалах називаємий також сирим попелом), складається з піску, землі, каміння, металевої стружки від перероблюючих машин і схожих речовин, що потрапляють в зібраний урожай і гній, або в органічні відходи. Такі складові небажані для процесу вироблення біогазу, оскільки з них не можна добути біогаз і, крім того, вони призводять до технічних проблем у разі їх осідання. Буряк, наприклад, містить велику кількість такої фракції. Органічна речовина складається з протеїну, жирів, а також легко і важко утілізуючихся вуглеводів. Жири є різновидом тризначного алкоголю гліцеріна, до якого прикріплюються від однієї до трьох однакових чи різних жирних кислот (карбонових кислот). їх називають відповідно моно-, ди- або тригліцеридами. Жири є постійними сумішами різних тригліцеридів і розкладаються на жирні кислоти і гліцерин. Занадто велика кількість жиру призводить до накопичення органічних кислот, тому знижується рівень pH і сповільнюється утворення оцтової кислоти і метану. Протеши, (білок) є багатомолекулярними (що складаються з амінокислот) сполуками. Вони, також як і вуглеводи і жири, складаються з вуглецю С, водню Н, кисню О, але крім цього містять азот, сірку, фосфор. Протеїни розкладаються на пептиди, потім - амінокислоти, і під кінець на органічні кислоти. Для розкладання білка і жиру склад раціону не має значення в порівнянні з розкладанням вуглеводів. У групі вуглеводів розрізняють легко піддаючиєся розкладанню і змішані вуглеводи з дуже розгалуженою і складною структурою, які дуже важко перетравлювати:

• Моносахариди: цукор, глюкоза, фруктоза;

• Олигосахарида (до 10 моносахаридів): сахароза (цукор сирець), лактоза (молочний цукор), мальтоза (солодовий цукор);

* Полісахариди (з великою молекулярною масою): крохмаль, глікоген, целюлоза, інулін;

* Гетерополісахариди (змішані вуглеводи зі складною структурою) гемицеллюлоза, пектини, лігнін - особисто не є вуглеводом, але зараховується аналітиками в групу вуглеводів. Він являє собою одеревенелу речовину рослин і стійку до розкладницької дії бактерій і кислот. Прийнято вважати, що лігнін не перетравлюється.

Вуглеводи розщеплюються бактеріями на простий цукор і розкладаються до низьких жирних кислот (оцтова, масляна, пропіонова). Кількість угворюючихся кислот і відсоток вмісту кожної окремої кислоти залежить від складу вуглеводу. З процесу перетравлення у жуйних парнокопитних (їх шлунок являє собою не що інше як біогазову установку з дуже коротким періодом бродіння, табл. 27.15) ми знаємо, що багаті на крохмаль і цукор субстрати ведуть до зростання вмісту пропіонової та масляної кислоти, в той час як целюлоза, також багатий на волокна субстрат, змінює склад жирних кислот в бік домінування оцтової кислоти. Крім того склад вуглеводів визначає рівень pH і кількість живих мікроорганізмів. Якщо їжа містить багато крохмалю і цукру, рівень pH зменшується, поступаючись кислотному середовищу, кількість бактерій швидко збільшується. Це призводить до ще більш швидкому розкладанню вуглеводів і можливого переокіслення ферментатора. Рівень pH знижується. Збільшується кількість бактерій, що утворюють пропионову кислоту, а кількість бактерій що утворюють оцтову, навпаки зменшується. Таким чином сповільнюється утворення оцтової кислоти як вихідного матеріалу для метану. Жуйні тварини в таких випадках утримуються від подальшого прийому їжі (рубцевий ацедоз), але біогазова установка не страждає. При використанні субстратів з дуже великим вмістом цукру або вуглеводів, якими наприклад є зерна пшениці, кукурудзи або цукровий буряк, то варто особливо ретельно стежити за подачею цих матеріалів. Це напевно одна з причин, чому на практиці не отримало великого розповсюдження чисте використання зернових або цукрового буряка. Обслуговування такого процесу на звичайних одноступінчатих установках є просто занадто дорогим.

Таблиця 27.15.

Вплив сполук вуглеводів на бактерії в шлунку жуйних тварин, рівень pH, швидкість розкладання і утворення жирних кислот

Відносний вміст в раціоні.

Вплив субстрату на кількість біогазу та утворення біогазу.

Точно відповідно до відсотка речовин кожної групи: протеїнів, жирів і вуглеводів визначається вихід газу і відсоток метану в біогазі. Максимальну кількість метану в біогазі отримуємо з протеїнів - 7І %; жири також дають газ високої якості з вмістом метану 68 %. Найгірше результати у вуглеводнів - лише 50 % метану в газі. Хоча вуглеводи в цілому виробляють на 90 літрів більше біогазу ніж протеїни, за малого вмісту метану, вихід обмежується лише 400 літрами метану на кг органічного сухої речовини. Сирий жир виробляє до 850 літрів метану з кілограма сухої органічної речовини - найвищий вихід метану, в той час як сирий протеїн дає 490 літрів метану з кілограма органічної сухої речовини. Якщо виходити виключно з виходу газу., перевагу варто передавати сумішам субстратів з високим вмістом жирів і протеїнів. Таким чином чітко видно, що немає єдиного показника виходу газу. У разі зміни складу суміші субстрату, коливається також і вихід газу і його якість. Ця взаємозалежність відображена у великих коливаннях в даних по виходу газу для одного і того ж субстрату.

Ступінь розкладання.

Ступінь розкладання вказує, який відсоток органічної сухої речовини розклався в межах заданого часу бродіння. Повне розкладання до стану мінералізації теоретично можливий тільки тоді, коли субстрат не містить лігніну. На практиці повне розкладання вимагало б дуже довгого періоду бродіння, оскільки швидкість розкладання не завжди залишається однаковою, навпаки, після проходження початкового етапу, вона починає помітно знижуватися, відповідно і газоутворення. Це означає, що останні відсотки від загальної кількості видобутого газу коштуватимуть високих витрат (обсяг резервуара). Високий ступінь розкладання залежить від складу субстрату, відображає виробництво газу і до неї варто прагнути. На практиці спостерігається розкладання на рівні від 30 до 70%. Для середнього періоду бродіння розкладання органічних речовин буде складати до 60 %. Установки, що працюють виключно на поновлюваній сировині, досягають ступеня розкладання від 80 % органічної сухої маси. Якщо субстрат піддається невеликому розкладанню, то позитивного впливу на навколишнє середовище від установки, а особливо зменшення неприємних запахів і розчиняючого ефекту спостерігатися майже не буде.

Контроль процесу і управління.

Оскільки виробництво біогазу протікає в закритій системі, то виникає залежність від зовнішніх ознак визначення правильності протікання процесів ферментації. Для біогазових установок, в яких вироблений газ за допомогою генератора перетворюють в електроенергію, індикатором може бути потокова вироблена його кількість. Такі установки розробляються під певну потужність генеруючого пристрою. Якщо виробляється постійна кількість струму, то установка працює добре. У цьому сенсі можна також робити певні заходи з оптимізації, такими можуть бути, наприклад узгодження роботи окремих агрегатів між собою з урахуванням споживаної ними електроенергії, оптимізація профілактичних ремонтних робіт з відповідним зниженням витратних матеріалів, субстрат - менеджмент, що починається з послідовності подачі, виборі сортів, консервуванні та погодження груп матеріалів між собою. Але перед тим як зайнятися етапом оптимізації установки, необхідно досягти стабільного процесу роботи. Високе постійне виробництво газу з невеликими щоденними коливаннями є першим знаком стабільності процесу.