Оптимизация параметров выработки биогаза в лабораторном масштабе

A. З. Миндубаев, С. Т. Минзанова, Е. В. Скворцов,

B. Ф. Миронов, В. В. Зобов, Ф. Ю. Ахмадуллина,

Л. Г. Миронова, Д. Е. Белостоцкий, А. И. Коновалов

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫРАБОТКИ БИОГАЗА

В ЛАБОРАТОРНОМ МАСШТАБЕ

Ключевые слова: биогаз, биометаногенез, метан, рубец, отходы сельского хозяйства, утилизация, энергетика. biogas, biomethanogenesis, methane, ingluvies, farm waste, utilization, energetics

Одним из самых приоритетных направлений в науке является разработка возобновляемых источников энергии. Представленная работа посвящена оптимизации получения биогаза из отходов сельского хозяйства. Исследование кинетики газообразования показало ее колебательный характер, при этом максимумы газообразования и метаногенеза не совпадают. Нами показано, что длительное культивирование микроорганизмов рубца в навозе (субстрате, заведомо обедненном по сравнению с содержимым рубца) ведет к приспособлению микроорганизмов и увеличению продуктивности. At present the development of renewable power sources, capable of substituting oil and gas, is one of the priority directions in science. This work is devoted to the optimization of biogas production from the farm waste (cow manure and cow ingluvies content). The study of the gasification kinetics demonstrated its wave (periodic) character, the gasification and methanogenesis maxima don’t coincide with each other (methane emits intensively at the gasification drop). We have also demonstrated that long-term cultivation of ingluvies microorganisms in the manure (substrate, deliberately depleted compared to the ingluvies content) results in the microorganisms adaptation and some increase of productivity, probably caused by more complete substrate processing.

В настоящее время самой насущной проблемой цивилизации стал энергетический кризис, обусловленный возрастающими потребностями в ископаемых энергоносителях. В свете этого необходимость перехода энергетики на возобновляемое сырье, продукты жизнедеятельности живых организмов и их биомассу, стала очевидной [1 - 3].

Одним из перспективных направлений энергетики будущего является выработка биогаза, основанная на продуцировании метана микроорганизмами в бескислородной среде. Биогаз является конечным продуктом анаэробной деградации [4, 5]. Обычно он состоит из метана (54-80 %) и диоксида углерода (20-45 %), как правило, в соотношении 3/2 [6]. Другие газы присутствуют в очень небольшом количестве (обычно это - водород, молекулярный азот, закись азота, сероводород и монооксид углерода). Метан, основной горючий компонент в биогазе, имеет высокую теплоту сгорания: -890.31 кДж/моль (при 25°C и 101.3 Æa).

К сожалению, в России альтернативная энергетика, основанная на использовании возобновляемых энергоресурсов (в частности, производство биогаза), еще только начала внедряться, тогда как в странах Евросоюза она уже поставлена на промышленную основу [3,7]. Поэтому исследования в данном направлении актуальны.

Цель работы - оптимизация получения биогаза из отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности в лабораторном масштабе.

Результаты исследований и их обсуждение

В ходе исследования проведено несколько сравнительных экспериментов. В первом эксперименте в качестве субстрата использовался свежий коровий навоз влажностью 82 %

(200 г навоза, 200 мл водопроводной воды, круглодонная колба на 0.5 литра). В течение процесса контролировались значения рН и температуры. Динамика изменения рН приведена на рис. 1.

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

Продолжительность процесса, дни Рис. 1 - Динамика изменения рН в эксперименте с коровьим навозом

В данном эксперименте изучена динамика изменения рН среды, температуры, объема и состава выделяющегося газа. Состав выделяющегося газа исследовался методом газовой хроматографии. Предварительное исследование кинетики процесса газообразования для различных сред показало, что она носит характер не плавной кривой, а представляет собой колебательный процесс. При этом фазы колебаний значений рН и метаногенеза строго координируются между собой, указывая на связь этих двух процессов. Рост выхода газа совпадает с фазами роста рН: из этого можно заключить, что ацидогенная стадия ме-таногенеза (выделение органических кислот) и метаногенная стадия (собственно метано-генез) разделены во времени.

В следующем эксперименте получение биогаза было усовершенствовано: в качестве сырья применялась смесь коровьего навоза и содержимого рубца (10 г навоза, 40 г содержимого рубца и 50 мл водопроводной воды). Реактор - круглодонная многогорлая

0.5 литровая колба. Субстрат продули азотом для создания анаэробной среды, реактор герметизировали. Газосборник - заполненный концентрированным раствором ЫаО! перевернутый мерный цилиндр. На протяжении 16 дней ежедневно в колбу вносили по 5 г навоза и по 5 мл водопроводной воды. Затем на протяжении 193 дней колба оставалась закрытой, при периодическом встряхивании. Процесс шел при постоянной температуре 35 -37°С. Спустя 10 дней после начала эксперимента стало заметным снижение вязкости среды, вероятно, за счет ферментативного гидролиза биополимеров.

Данный эксперимент стал самым продолжительным за весь период исследований. Хотя он не выдал значительные показатели газообразования, зато продемонстрировал длительность процесса метаногенеза и его колебательный характер (рис. 2, 3).

60 -50 -а 40 -

1 14 27 40 53 66 79 92 105 118 131 144 157 170 183 196 209

Продолжительность процесса. дни

Рис. 2 - Кинетика выделения газа в эксперименте с коровьим навозом и содержимым рубца коровы

Продолжительность процесса, дни

Метан  Углекислый газ

Рис. 3 - Кинетика выделения метана в эксперименте с коровьим навозом и содержимым рубца коровы

Диаграмма газообразования демонстрирует постепенное нарастание активности до 75 дня, и последующий постепенный спад. Любопытно, что динамика выделения газа и его состава изменяется не плавно: так, спустя более чем два месяца от начала брожения субстрат снова начал продуцировать углекислый газ, а спустя ровно три месяца в газе появился метан, концентрация которого нарастала от замера к замеру.

На 112 день наблюдалось наибольшее содержание метана в газе, превосходящее содержание углекислого газа. Данное значение (39.8 %) резко выделяется среди более ранних и поздних экспериментов. Причем максимум метаногенеза отстает от максимума газообразования приблизительно на 40 суток. Следует обратить внимание на то, что по окончанию эксперимента растительные волокна в среде сохранились в неизменившемся виде (как и в последующих экспериментах): полисахариды клеточных стенок растений микрофлорой не разрушаются. Удельная продуктивность эксперимента составила 5.80 мл газа/мл среды.

В третьем эксперименте реактором служила 0.2 л мерная склянка с резиновой пробкой (10 г навоза, 50 г содержимого рубца и 55 мл водопроводной воды). На протяжении 14 дней в реактор вносились по 5 г навоза и по 5 мл водопроводной воды. С 22 по 53 день инкубации реактор выделял свыше 110 мл газа в сутки (рис. 4). Через 5 недель содержание метана в газе достигло 52.5 % - достаточно высокого показателя.__________________

140 -г

1 12 23 34 45 56 67 78 89 100 111 122 133 144 155 166 177 188

Продолжительность жспдіимшта, дни

Рис. 4 - Кинетика выработки газа в эксперименте с коровьим навозом и содержимым рубца коровы

После 38 дней содержание метана начало снижаться, и спустя 2 месяца 11 дней составляло менее 1 % при выходе газа 15 мл/сутки. Однако спустя еще 7 дней газ содержал максимальное количество метана - 61.9 %, хотя выход газа при этом снизился до 10 мл в сутки. По всей видимости, это связано с разложением микрофлоры в перезрелом субстрате, что и сказалось на составе газа. С целью обновления субстрата через 2 месяца 23 дня содержимое реактора было разделено на две части, в одну из которых стали добавлять по 5 г коровьего навоза и по 5 мл водопроводной воды ежедневно. При этом выделение метана обоими субстратами резко упало - по-видимому, процесс разделения, проводимый в аэробной атмосфере, оказался тяжелым стрессовым фактором для метаногенов. После этого газообразование снова стало расти, но уже не достигло прежних показателей: выход газа не превысил 45 мл в сутки, а максимальное содержание метана (на 108 день эксперимента) составило 46.7 %. Это, вероятно, связано с тем, что навоз является обедненным субстратом по сравнению с содержимым рубца, и в отличие от последнего, не способен обеспечить полноценный рост микрофлоры. Через 4 месяца 11 дней снова разделили субстрат пополам. Половину сохранили в замороженном виде, во вторую стали добавлять по 5 г коровьего навоза

и по 5 мл водопроводной воды ежедневно. Интересно отметить, что этот третий этап эксперимента оказался более продуктивным по сравнению с предыдущим (табл. 1).

Таблица 1 - Удельная производительность трех этапов эксперимента с коровьим навозом и содержимым рубца коровы

№ этапа Удельная производительность

1 16.2 0.27

2 3.2 0.07

3 3.9 0.08

Вероятно, на протяжении эксперимента произошел микроэволюционный процесс, в котором микрофлора адаптировалась к существованию на обедненном пищевом субстрате и начала его полнее использовать.

Через 6 месяцев 11 дней снова разделили субстрат. С целью оценки влияния на газообразование и метаногенез в полученные половины внесли различные питательные компоненты: в среду А внесли 0.5 г моногидрата глюкозы, в Б - 0.5 г белка (бычий сывороточный альбумин). Глюкоза оказалась более сильным стимулятором газообразования по сравнению с белком (на третьи сутки выход газа в А составлял 45 мл, а в Б только 19 мл, -т.е. разница в 2.4 раза). Однако, газ в среде Б оказался заметно богаче метаном (на пятые сутки содержание метана в А составляло 29.5 %, в Б 38.5 %; на восьмые сутки - 39.6 % и 47.0 %, соответственно).

Обращает внимание резкое отличие продуктивности описываемого и предыдущего экспериментов, не смотря на то, что в обоих случаях среда имела один состав, а инкубация велась в одном термостате, в одинаковых условиях. Возникло предположение: на процесс брожения влияет форма реактора. Склянка имеет большую глубину, чем колба, а глубокий реактор, вероятно, позволяет создавать более благоприятные условия для микрофлоры, в частности, меньшее содержание кислорода в среде. Данное предположение подтверждается тем, что уплотнение среды (удаление газовых полостей, возникающих в процессе брожения), благоприятно сказывается на выработке газа.

С целью подтверждения влияния толщины слоя (глубины реактора) на выход метана был поставлен еще один эксперимент. В 1.5 л пластиковом сосуде приготовлена смесь 50 г коровьего навоза, 275 мл содержимого рубца и 275 мл водопроводной воды. Ежедневно в течение 11 дней в реактор вносились по 30 г навоза и по 30 мл водопроводной воды. Выход газа и содержание метана в первые дни падали (микрофлора адаптировалась к новым условиям). Так, за первые сутки инкубации выделилось 460 мл газа. На вторые сутки содержание метана в газе составляло 11.1 %. Однако на пятнадцатые сутки выход газа снизился до 27 мл/сутки, а содержание метана - до 4.9 %. В последующие дни показатели стали увеличиваться. Спустя 51 день от начала брожения субстрат выделил 150 мл газа с содержанием метана 60.9 %, что оказалось наилучшим результатом с начала исследования. На 60 день выход газа возрос до 550 мл в сутки.

Удельная продуктивность составила 36.0 мл газа/мл среды. Таким образом, данный эксперимент оказался более продуктивным по сравнению с предыдущими.

Помимо перечисленных экспериментов были поставлены дополнительные опыты с целью качественной оценки газообразования (всего три параллельных опыта). В качестве субстратов использовали пивную дробину, жом сахарной свеклы и коровий навоз (по 100 г). В качестве реакторов применяли 0.25 л мерные колбы, закрытые напалечниками от резино-

вых перчаток. В субстрат с навозом для стимуляции брожения добавляли 5 г питательной смеси сахарозы, пептона и сульфата аммония (итого 105 г). В первые сутки инкубации происходило интенсивное выделение газа, которое, однако, быстро прекратилось, а на четвертые сутки напалечники втянулись внутрь склянок. На шестые сутки субстраты с жомом свеклы и пивной дробиной снова начали выделять газ, подтвердив тем самым нелинейный характер кинетики газообразования. После этого субстраты на протяжении 3-х месяцев хранились при комнатной температуре, что привело к неожиданному результату: во всех трех реакторах напалечники втянулись глубоко вовнутрь, заполнив все свободное пространство склянок. Это свидетельствует о поглощении газа субстратами и создании разреженной атмосферы; для объяснения этого факта необходимы дальнейшие исследования.

Заключение

В результате исследования был разработан лабораторный метод анаэробной переработки коровьего навоза для получения биогаза. Установлено, что лучшим из исследованных нами видов сырья для этой цели является смесь навоза и содержимого рубца крупного рогатого скота (отхода мясной промышленности). Исследована динамика изменения состава газа на различных этапах экспериментов. Показано, что кинетика газообразования носит колебательный характер, что связано, возможно, с характером переработки субстрата микрофлорой. Установлено, что максимумы газообразования и метаногенеза не совпадают: максимальное содержание метана в газе наблюдается на фоне затухания общего газообразования. Вероятное объяснение этого факта следующее. Архебактерии в целом и метаногены в частности являются крайне специализированными организмами, имеющими экологическую «стратегию верблюда» (Ь); они приспособлены к существованию в экстремальных условиях. Поэтому активация метаногенных микроорганизмов происходит тогда, когда условия в реакторе становятся неблагоприятными для жизнедеятельности эубакте-рий и других форм жизни (высокое содержание продуктов брожения - кислот, спиртов и индола, при отсутствии доступных углеводов), то есть при снижении общей активности микрофлоры, продуцирующей преимущественно углекислый газ. Именно этим можно объяснить тот факт, что внесение глюкозы в одном из экспериментов привело в первые дни к росту выхода углекислого газа без заметной стимуляции метаногенеза. Данный эксперимент продемонстрировал также высокие адаптивные возможности микрофлоры рубца, способность ее приспосабливаться к питанию навозом - субстратом, заведомо обедненным по сравнению с природной средой обитания - содержимым рубца. Этим же объясняется влияние на продуктивность процесса толщины сырьевого слоя (и, соответственно, формы реактора): высокий слой субстрата лучше защищает микрофлору от кислорода воздуха.

Экспериментальная часть

Материалы и методы исследований

Объектом исследования являлся коровий навоз. Анаэробная переработка сырья осуществлялась в реакторах лабораторного масштаба. Реакторы непрерывно термостатировались в мезо-фильном (35-37°С) режиме [8]. Объем выделяющегося газа измерялся в газометре, а его состав анализировался методом газовой хроматографии (колонка Порапак длиной 2.4 м, температура 70/110 °С, газ-носитель - гелий, детектор - по теплопроводности). Все результаты усреднялись по трем повторностям.

Выводы

1. Установлено, что лучшим из исследованных нами видов сырья для получения биогаза является смесь навоза и содержимого рубца крупного рогатого скота (отхода мясной промышленности), навоз сам по себе менее продуктивен.

2. Нами показано, что продуктивность метаногенного реактора зависит от его высоты (толщины сырьевого слоя). Узкий и глубокий реактор создает более благоприятные анаэробные условия для метаногенной микрофлоры, чем широкий и невысокий, при прочих равных условиях.

3. Проведено предварительное исследование кинетики процесса газообразования для различных сред. Показано, что она не носит характер плавной кривой: периоды высокой интенсивности брожения чередуются с периодами покоя, во время которых продуктивность несколько падает. Вероятно, кинетика имеет характер затухающих колебаний.

4. Исследование динамики газообразования показало несовпадение максимумов общего выхода газа и содержания метана: максимальный выход метана наблюдается при затухании газообразования.

Работа выполнена при поддержке программы № 19 ОХНМ РАН и ИВФ РТ Идея

1000.

Литература

1. Sambo, A.S. Effect of some operating parameters on biogas production rate / A. S. Sambo, B.Garba, B.G. Danshehu // Renewable Energy. - 1995. - Vol. 6. - № 3. - P. 343-344.

2. Filidei, S. Anaerobic digestion of olive oil mill effluents: evaluation of wastewaterorganic load and phytotoxicity reduction / S.Filidei, G.Masciandaro, B. Ceccanti // Water, Air, and Soil Pollution. - 2003. - Vol. 145. - № 1-4. - P. - 79-94.

3. Huber, G.W. Synthesis of Transportation Fuels from Biomass: Chemistry, Catalysts, and Engineering / G.W. Huber, S.Iborra, A.Corma // Chem. Rev. - 2006. - Vol. 106. - № 9. - P. 4044-4098.

4. Van Laar, H. Fermentation of the endosperm cell walls of monocotyledon and dicotyledon plant species by faecal microbes from pigs. The relationship between cell wall characteristics and fermentability / H. Van Laar // Animal Feed Science and Technology. - 2000. - Vol. 88. - № 1-2. - P. 13-30.

5. Dongowski, G, Unsaturated oligogalacturonic acids are generated by in vitro treatment of pectin with human faecal flora / G.Dongowski, A. Lorenz // Carbohydrate Research. - 1998. - Vol. 314. - № 3-4. - P. 237-244.

6. Stafford, D.A. The gaseous products of anaerobic digestion — biogas / D.A.Stafford, , B.I.Wheatley, D.E. Hughes // In: Anaerobic Digestion, Applied Science Publishers.- London, 1980. -P. 415-428.

7. Weiland, P. Anaerobic waste digestion in Germany - Status and recent developments / P. Weiland // Biodegradation. - 2000. - Vol. 11. - № 6. P. 415-421.

8. Lokshina, L.Ja. Kinetic analysis of the key stages of low temperature methanogenesis / L.Ja. Lokshina, V.A. Vavilin // Ecological Modelling. - 1999. - Vol. 117.- № 2-3. - P. 285-303.

A. З. Миндубаев - канд. хим.наук, ст. науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН;

С. Т. Минзанова - канд. хим.наук, ст. науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН;

Е. В. Скворцов - канд. биол. наук, науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН;

B. Ф. Миронов - д-р хим. наук, проф., зав. лаб. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; В. В. Зо-

бов - д-р биол. наук, вед. науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; Ф. Ю. Ахмадуллина - ст. препод. каф. биотехнологии КГТУ; Л. Г. Миронова - инж. исследователь ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; Д. Е. Белостоцкий - студ. КГУ; А. И. Коновалов - акад. РАН, д-р хим. наук, зав. отделом ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.

Е-mail: minzanova@iopc.knc.ru, mindubaev@iopc.knc.ru