СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА
METHOD OF BIOGAS OBTAINING

Изобретение относится к способам переработки органических отходов с использованием биотехнологических процессов и получения при этом биогаза.
Биогаз - это дешевый и доступный способ получения энергии. В настоящее время разработано и применяется достаточно большое количество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариантов температурного режима, влажности, концентрации микробной массы, длительности протекания реакции и т.д. Однако на сегодня актуальным остается вопрос поиска наиболее эффективных, дешевых и доступных способов интенсификации процесса получения биогаза при невысоких температурных режимах, в условиях Сибири.
Известен способ получения биогаза из органических материалов (патент WO 2012/123331, номер заявки РСТ/ЕР2012/054022, дата приоритета заявки 11.03.2011 г., дата публикации 20.09.2012 г., класс МПК C02F 11/04, C02F 3/28.) В качестве биоорганического материала в данном случае используют навоз, сточные воды, бытовые отходы. Способ предполагает посев микроорганизмов в перерабатываемый органический материал, добавление коллоидного раствора, содержащего наночастицы железа, проведение анаэробной реакции, сбор биогаза. Наночастицы железа при этом получают из сыворотки крови животных. Температура прохождения реакции сбраживания составляет от 40°С до 60°С. Концентрации наночастиц железа предлагаются в разных диапазонах.
Существенным недостатком указанного выше способа является сложность его применения на небольших сельскохозяйственных предприятиях и достаточно высокий температурный режим сбраживания.
Также известен способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов (патент RU2458868, заявка №2010151066, дата приоритета 13.12.2010 г., дата публикации 20.08.2012 г.) Способ включает внесение в сбраживаемые отходы стимулирующей добавки, содержащей измельченную фитомассу амарант багряный и последующую обработку полученной смеси ультразвуком с частотой 22 кГц. При этом усиливается проницаемость клеточных мембран, активизируются обменные процессы внутри клеток. За счет этого ускоряется процесс метанового брожения.
Способ достаточно сложен и является дорогостоящим для применения мелкими фермерскими хозяйствами.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является разработка в этой области - способ переработки органического материала фирмы DSM ip ASSETS (патент WО 2013/000928, заявка РСТ/ЕР2012/0623 86, дата приоритета 29.06.2011 г., дата публикации 03.01.2013 г.) Способ предлагает переработку органического материала с использованием ферментов, а именно протеазы, липазы, фитазы, гемицеллюлазы, целлюлазы. Процесс состоит из двух стадий. На первой стадии органический материал подвергают тепловой обработке при температуре от 65°С до 120°С и влажности субстрата 95%. Делается это для того, чтобы уменьшить количество жизнеспособных бактерий и снизить их активность. Предполагается, что снижение количества жизнеспособных бактерий не влияет на выход биогаза в дальнейшем. На втором этапе проводится ферментация смеси. При этом выбирается один или более ферментов из числа предложенных. Процесс производства биогаза происходит при температуре от 40°С до 60°С. При этом предлагается производить расчет количества вносимых ферментов в зависимости от кислотно-щелочного баланса перерабатываемой смеси. По указанному выше способу предлагается перерабатывать сельскохозяйственные отходы, сточные воды, бытовые отходы.
Недостатком данного способа является сложность и высокий температурный режим проведения процесса получения биогаза. Не предложен универсальный ферментный состав. Для проведения этого процесса в условиях предприятия требуется хорошо укомплектованная лаборатория.
Задачей настоящего изобретения является разработка доступного и недорогого для мелких фермерских хозяйств способа получения биогаза.
Техническим результатом настоящего изобретения является интенсификация процесса метанового брожения навоза с увеличением выхода биогаза и повышенным содержанием метана в нем.
Предложен способ получения биогаза, включающий предварительную обработку органического субстрата, в частности навоза, полученного в результате жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы, предварительно доведеного до влажности 92%, путем добавления воды, с последующим измельчением, введение катализатора, сбраживание в анаэробной среде, сбор биогаза.
Отличием является то, что в качестве катализатора используют четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1, катализатор вводят в объеме от 0,01 г/кг от массы сухого органического субстрата, а сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 20°С.
Термин «катализатор» - вещество, ускоряющее реакцию в результате взаимодействия с реагирующими соединениями, но не входящее в состав образовавшихся продуктов.
Термин «органический субстрат» предполагает использование навоза, полученного в результате жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы.
Термин «анаэробное сбраживание» относится к описанию процесса разложения органического субстрата микроорганизмами, осуществляющими свою жизнедеятельность в бескислородной среде, с сопутствующим синтезом метана, двуокиси углерода и в небольших количествах сероводорода.
Ферменты (энзимы) - вещество белковой природы, присутствующее в живых организмах и способное ускорять протекающие в них реакции. Ферменты являются катализаторами.
В основу предлагаемого изобретения положено свойство ферментов расщеплять питательные вещества на более мелкие частицы, облегчая их усвояемость метаногенерирующими бактериями для улучшения их жизнедеятельности, результатом которой является получение биогаза с высоким содержанием метана. Кроме того, ферменты как катализаторы способны ускорять течение реакции и при комнатной температуре.
Ферменты, расщепляющие углеводы, называются амилолитическими или амилазами, белки (протеины) протеолитическими или протеазами, жиры (липиды) - липотическими или липазами.
Опытным путем был определен и доказан оптимальный состав смеси ферментов протеазы, амилазы, липазы и целлюлазы в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1.
Осуществимость заявляемого способа подтверждается экспериментальными данными.
Эксперимент проводился на лабораторных биогазовых установках, вместимостью реакторов 20 л., оснащенных термометрами, системой подачи сырья и удаления переброженного остатка, системой газоотведения и емкостью для накопления биогаза.
На протяжении всего периода ферментации температура в метантенках поддерживалась на уровне от 17°С до 20°С. Длительность эксперимента составила 24 дня. В качестве субстрата использовали навоз крупнорогатого скота, доставленный из крестьянско-фермерского хозяйства «Бабичев» (Ленинск-Кузнецкий район, Кемеровской области). Для исключения влияния качества исходного субстрата на результат исследования каждая партия навоза была сформирована при определенных режимах кормления стада.
Органический субстрат доводили до уровня влажности 92%, путем добавления воды, затем измельчали. Отдельно в условиях стерильности готовили смесь ферментов в заданном соотношении. Четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1 вносили на первой, гидролитической стадии брожения в количествах 0,01; 0,05; 0,1; и 0,5 грамма на килограмм сухого органического вещества (сокращенно С.О.В.) в предварительно подготовленную навозную массу.
Эксперимент показал, что ферментные препараты в их заданном соотношении, вводимые в метантенк с целью ускорения гидролитических процессов справляются со своей задачей довольно неплохо. Небольшая концентрация вводимой четырехкомпонентной смеси в количестве 0,01 г/кг С.О.В. дает увеличение биогаза и в его составе метана. Увеличение смеси ферментов до 0,05 г/кг С.О.В. способствует увеличению выхода биогаза. Однако, при этом возрастают и затраты на вносимую смесь. Дальнейшее увеличение дозировок смеси ферментов показало свою нецелесообразность, так как выход биогаза при этом практически не изменяется, а содержание метана уменьшается.
Влияние различных концентраций полученной смеси на выход и качество биогаза показаны на фиг. 1, где контрольный опыт показан 1, опыт с добавлением композиции в количестве 0,01 г/кг С.О.В. показан 2, опыт с добавлением композиции в количестве 0,05 г/кг С.О.В. показан 3, в количестве 0,1 г/кг С.О.В. - 4, в количестве 0,5 г/кг С.О.В. - 5. Результаты эксперимента определялись на 6 день, на 12 день, на 18 день и на 24.
Таким образом, получены результаты эксперимента, подтверждающие влияние существенных признаков заявляемой формулы на технический результат. Определено оптимальное соотношение ферментов (протеазы, амилазы, липазы, целлюлазы), при котором в условиях комнатной температуры возможно протекание анаэробного сбраживания органического субстрата с выделением биогаза, содержащего до 57% метана.
Для облегчения использования заявляемого способа в условиях небольших фермерских хозяйств, проведен поиск готовых композиций, содержащих необходимые ферменты в нужном соотношении.
Наиболее подходящим вариантом оказалась мультиэнзимная композиция торговой марки Totalase Ultra, широко применяемая при производстве стиральных биопорошков для выведения пятен различной природы (www.biokhim.com/rus/catalog). Totalase Ultra включает все четрые класса ферментов: протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в нужном соотношении. Применение мультиэнзимной композиции торговой марки Totalase Ultra в количестве 0,01 г/кг С.О.В. дает также хороший результат по выходу биогаза.
Использование заявляемого способа получения биогаза позволит получить хороший выход метана при сравнительно небольших концентрациях ферментной смеси.