Полная версия

Главная arrow Агропромышленность

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

РЕЦИРКУЛЯЦИЯ ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Метаногенез и производство биогаза

В плохо аэрируемых болотах, илистых грунтах, хранилищах навоза и мусора, а также в пищеварительном тракте животных протекает спонтанный природный процесс превращения органического вещества в биогаз, состоящий в основном из метана.

Приоритет в создании и развитии теории биологического метана в глобальных масштабах принадлежит нашим соотечественникам Л. В. Омелянскому и С. И. Кузнецову. Эта теория открывает широкие перспективы в плане направленного биосинтеза метана в недрах или в локальных искусственных емкостях.

Считается, что 80% атмосферного метана имеет современное биологическое происхождение, остальные 20% образовались более 5 тыс. лет назад (учет по Беляеву, 1979).

В процессе анаэробного разложения биополимеров участвуют многие виды микроорганизмов, однако основными биологическими агентами являются метаногены. При этом анаэробные целлюло- литические бактерии не образуют метан, они лишь поставляют органические кислоты, спирты, водород и диоксид углерода другим м и кроорганизмам.

Часть продуктов гидролиза диссипирует и сбраживается дисси- потрофами. Избыточное количество мономеров может подавить гидролиз за счет снижения pH при образовании органических кислот, что приводит к закислению среды. Основными продуктами являются летучие жирные кислоты (ЛЖК), ацетат, водород. ЛЖК могут быть использованы синтрофами (с образованием ацетата и водорода), которые подавляются избытком водорода. Водородные метаногены, удаляя водород, обеспечивают разложение ЛЖК и предотвращают снижение pH. Для протеолитического пути получается аналогичная картина, причем разложение азотистых соединений освобождает аммиак.

При рассмотрении трофических отношений у некоторых анаэробных сообществ, образующих метан, следует отметить, что они способны использовать только три субстрата: водород, ацетат, метилированные соединения. Соответственно метаногенез идет по трем путям: водородному, С-2 ацетоклассическому, С-1 метилотрофному.

Получение биогаза зачастую основано на анаэробном разложении навоза. Во время сбраживания органической массы накапливаются водород и органические кислоты - молочная, пропионовая, уксусная, спирты, альдегиды и др. Далее водород трансформируется в метан и воду водородными бактериями. Полученную в большом количестве уксусную кислоту метанобактсрии превращают в метан по схеме

Производство биогаза - многоступенчатый процесс, осуществляемый микроорганизмами (рис. 36).

Упрощенная схема получения метана с помощью микроорганизмов

Рис. 36. Упрощенная схема получения метана с помощью микроорганизмов

В первой фазе соединения органического сырья (целлюлоза, белки, жиры) в результате гидролиза становятся растворимыми, т. е. образуются олигосахариды, пептиды и жирные кислоты.

Во второй фазе (кислотной) эти соединения разрушаются до органических кислот (уксусной, муравьиной, молочной, масляной, про- пионовой и др.), спиртов (этилового, пропилового и др.), газов (диоксида углерода, водорода, сероводорода, аммиака), аминокислот, глицерина и др. Процесс осуществляют обычные сапротрофные анаэробные микроорганизмы (маслянокислые, молочнокислые, пропио- новокислые бактерии и дрожжи) при pH среды 4,5-7,0.

В третьей фазе (щелочной) происходит дальнейшее разложение веществ, образовавшихся во второй фазе, с получением газа, состоящего из метана, диоксида углерода, азота и водорода. Процесс осуществляется метанобразующими бактериями - строгими анаэробами.

Метанобразующие бактерии относятся к семейству Methanobacteriaceae (роды Methanosarcina, Methanobacterium и др.).

Оптимальная температура для них 35-40° или 65-70°С при pH 6,0-8,0. В природе существуют ассоциации водородовыделяющих и метанобразующих микроорганизмов. Например, в рубце жвачных животных.

Приводим характеристику микроорганизмов, осуществляющих анаэробное сбраживание органических остатков (метаногенов), по Берджи (1977).

Строгие анаэробы, хемоавтотрофы или хемогетеротрофы всегда образуют метан как продукт катаболизма. Источником углерода и энергии служат Н, + С02, формиат, ацетат и соединения, содержащие метильную группу: метанол, метиламины, метилсульфиды, метанол + Н2, спирты + СО, Многие штаммы - облигатные или факультативные автотрофы. Источник азота для них - аммиак, хотя некоторые штаммы могут также использовать аминокислоты или фиксировать молекулярный азот.

Свободноживущие организмы используют как основной акцептор электронов С02 и восстанавливают его при этом до метана, расщепляя ацетат на СН4 и С02

Метаногены делятся на три таксономические подгруппы.

Подгруппа 1. Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanothermus и др., использующие Н2 + С02, формиат или Н2 + метанол.

Подгруппа 2. Methanococcus, Methanogenium, Methanocorpusculum и др., использующие Н2 + С02, формиат или спирты + С02

Подгруппа 3. Methanococcoides, Methanolobus, Methanosarcina и др., использующие триметиламин или ацетат.

Австралийские ученые Барнес и Фицджеральд (1990) предложили эти бактерии разделить на три обширные группы:

первая включает гидролитические бактерии, обычно называемые ацидогенными. Они обеспечивают начальный гидролиз субстрата до низкомолекулярных кислот;

вторая - гетероацетогенпые бактерии, которые продуцируют уксусную кислоту и водород;

третья - метаногенные бактерии, продуцирующие метан.

Последняя группа подразделяется на потребителей водорода (ли- тотрофы) и уксусной кислоты (ацетотрофы).

Мстаногенное сообщество микроорганизмов, формирующееся при сбраживании навоза, существенным образом отличается от сообщества рубца жвачных. В рубце анаэробное разложение веществ заканчивается на стадии образования жирных кислот, и образование

СН4 является защитной реакцией удаления водорода и С02, образующихся в результате брожения.

При сбраживании навоза происходит смена микрофлоры и развивается полноценное метаногенное сообщество с высоким содержанием синтрофной микрофлоры, использующей жирные кислоты, а также ацетокластических и водородных метаногенных архсй. На микробный состав сообщества влияет температура сбраживания.

Низкие температуры позволяют активно развиваться психрофиль- ной анаэробной ассоциации микроорганизмов, особенно при долговременном хранении больших количеств навоза животноводческих ферм. Основной особенностью такого процесса является очень долгий период адаптации, в течение которого устанавливается необходимый баланс между микроорганизмами. Сформировавшиеся ассоциации представлены в основном бродильной микрофлорой, что приводит к накоплению больших количеств жирных кислот, в особенности ацетата, и некоторому падению pH - от 7,0 до 6,5. Сбалансированное микробное сообщество характеризуется высоким содержанием метаногенных архей, способных к использованию как водорода, так и ацетата. Выход того или иного продукта зависит от активности фермента. Воздействуя на ферментную систему бактерий, можно управлять ходом биоконверсии органических соединений и смещать химическое равновесие на стадии брожения в заданном направлении.

Таким образом, критическим фактором при формировании метаногенного сообщества в процессе разложения навоза оказывается накопление собственно метаногенов, высокочувствительных к различным изменениям внешних условий (поступлению легкодегради- рующих соединений, изменению pH и т.д.).

При образовании метана из целлюлозы субстрат претерпевает ряд изменений: целлюлоза под действием гидролитических ферментов расщепляется до глюкозы, которая сбраживается до органических кислот и газообразных продуктов - Н, и С02 Образование метана из водорода и диоксида углерода протекает с большей скоростью, чем из органических кислот. Таким образом, органические кислоты являются фактором, лимитирующим скорость метаногенеза. Устранение их из культуральной среды повышает скорость метаногенеза и увеличивает выход СН4 Увеличение содержания С02 приводит к уменьшению скорости образования метана, а резкое уменьшение - к её увеличению.

Сокращение образования метана сопровождается накоплением в среде до 4 г/л уксусной кислоты, тогда как концентрация пропионовой и масляной кислот мало изменяется и составляет соответственно 0,6 и 0,2 г/л. Причем независимо от состава газовой атмосферы бактерии полностью используют глюкозу. Высокое парциальное давление метана не подавляет метаногенез.

Обобщив имеющиеся в литературе сведения о природе биоконверсии, можно выстроить приблизительную схему процессов, происходящих в природных (естественных) условиях при разложении полимеров (рис. 37).

Схема процессов, происходящих в природных условиях при разложении полимеров

Рис. 37. Схема процессов, происходящих в природных условиях при разложении полимеров

В схеме представлены целлюлоза и гемицеллюлоза растительной массы, минерализующиеся поэтапно до моносахаридов и далее до метана и сероводорода. Для каждого этапа указаны главные микробные участники процесса. Биоферментацию осуществляет множество видов бактерий и грибов, представляющих функциональное микробное сообщество, определяемое трофическими связями. Это саморегулирующаяся биологическая система. При этом управляемой величиной в системе является процесс гидролиза полимеров, а сигнальными метаболитами обратной связи служат образующиеся при этом мономерные соединения (сахара, аминокислоты).

Скорость образования мономерных соединений меняет соотношение гидролитических и олиготрофных микроорганизмов в микробных сообществах. Копиотрофы, благодаря высокой скорости роста, снижают концентрацию мономеров в среде и тем самым создают возможность для функционирования группы олиготрофов, которые в основном и утилизируют органические вещества. Газы и летучие органические вещества и их разнообразие образуются микроорганизмами в процессе жизнедеятельности.

Особенности состава газа при ферментации навоза животноводства связаны с влиянием качества органического вещества и окислительно- восстановительного потенциала в навозе или помете. Появление недовосстановленных соединений азота объясняется повышенной активностью денитрифицирующих и нитрифицирующих бактерий. Повышенная эмиссия метана связана с изменением метаболизма микробного сообщества и подавлением активности метанотрофов.

Аэрация в целом благоприятно влияет на трансформацию органических соединений. Перемешивание компостируемого (ферментируемого) органического субстрата способствует диспергированию крупных фрагментов сырья, что увеличивает удельную поверхность, необходимую для биодеградации. Одновременно происходит газообмен и увеличивается содержание воздуха, что обеспечивает переработку большей части сырья в термофильных условиях. Последнее способствует гибели патогенов: они погибают или их численность контролируется в результате конкуренции за источники питания с термофилами, а также за счет выделения других ингибиторов, например аммиака. Термопереработанный навоз не является для патогенной микрофлоры естественной средой обитания, и они постепенно элиминируются в такой экосистеме.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>