За матеріалами статті на тему «Біогаз: виробництво, властивості, застосування, економіка та проблеми: огляд» («Biogas: Production, properties, applications, economic and challenges: A review») журналу «Results in Chemistry», травень 2024 р.

Після промислової революції енергетика поступово стала одним із головних факторів національного виробництва та руху «економічних коліс» промислово розвинених країн, а за ними й інших країн, що розвиваються. Сучасна економіка і цивілізація настільки залежні від енергії, що навіть на хвилину неможливо уявити життя без енергії. Так що з порушенням або припиненням її постачання економічна машина перестане працювати. Тому всі країни намагаються забезпечити безперервну та сталу енергію будь-яким можливим способом. З іншого боку, економічний розвиток та збільшення попиту на енергоносії у світі викликали зростання цін на нафту та газ, а залежність від цих джерел для забезпечення енергією зменшилася.

Звичайні та невідновлювані викопні ресурси мають величезний вплив на енергетичну безпеку. Ця проблема змусила багато країн світу зацікавитися питанням безпеки енергопостачання та звернути увагу на масштабні зміни в енергетичній економіці. У цьому контексті технологічний прогрес обіцяє нові рішення для виробництва енергії, необхідної людству.

Із визначенням цих нових методів було зроблено великий крок у сфері зміни інфраструктури виробництва енергії. Використання необмежених запасів відновлюваної енергії має важливий ефект у цьому відношенні. Поширення цих факторів у природі стимулювало рух виробництва енергії до локальних систем; для цієї мети можна використовувати нові види енергії. У даний час такі питання, як енергетика, навколишнє середовище, збільшення небезпечних відходів, вичерпність викопних ресурсів і розширення споживання енергії є одними з понять, яким присвячені різні дослідження у світі. По суті, ці проблеми дають зрозуміти, що повністю покладатися на існуючі джерела енергії більше неможливо.

Насправді проведення обширних досліджень з метою отримання нових і здорових джерел, які виникли за останні кілька десятиліть, можна розглядати як вказівку на важливість цих концепцій і наук, пов’язаних із ними. Зараз більшість країн світу скоригували свої програми таким чином, щоб збільшити термін служби викопних ресурсів за рахунок оптимізації їх споживання, і в той же час, використовуючи технології відновлюваної енергії, намагаючись зменшити частку споживання викопних ресурсів. Існує багато доказів того, що глобальна енергетична політика, яка сприяє ефективному використанню викопного палива та енергії, є екологічно безвідповідальною; оскільки спричиняє серйозну екологічну корупцію на місцевому, регіональному та глобальному рівнях. Дослідження показали, що шляхом інтеграції відновлюваних джерел енергії та загального енергетичного балансу кожен із цих негативних впливів на навколишнє середовище можна зменшити або запобігти.

Слід визнати, що в 21 столітті викопне паливо поступово поступатиметься місцем відновлюваним джерелам енергії (сонячна, вітрова, гідроелектростанція, біомаса, геотермальна та ін.). Серед цих видів енергії особливе значення має біогаз, отриманий з біомаси. У той же час біогаз має особливу важливість і позицію через здорове навколишнє середовище, виробництво енергії та високоякісних добрив, а також його здатність утворюватися поблизу людських спільнот. Незважаючи на те, що визнання біогазу у світі має довгу історію, його широке використання почалося протягом останнього століття і особливо протягом останніх трьох десятиліть.

Біогаз, джерелом якого є біомаса, ідеальний у виборі альтернативних джерел енергії для сіл, в тому сенсі, що він дешевий і доступний за виробництвом і походженням. Це також джерело енергії, корисне для кількох цілей, таких як: опалення, освітлення, малої електричної потужності тощо. З іншого боку, з біогазу, окрім енергії, виробляють сільськогосподарські добрива. Його виробництво також є придатним рішенням для утилізації твердих відходів. Стічні води та тверді відходи, що виробляються промисловістю та громадами, викликають серйозне забруднення навколишнього середовища, яке можна значно зменшити за допомогою біогазової технології.

Видобуток біогазу можна здійснювати з анаеробних процесів очищення стічних вод (реактор UASB), а також із відходів. Екологічні переваги біогазових систем навіть перевищують звичайні системи очищення. Ці переваги, крім того, що було зазначено, включають контроль запахів, покращення якості повітря та води, збільшення поживної цінності вироблених добрив, зменшення викидів парникових газів та отримання біогазу як джерела енергії; із біогазу можна виробляти електричну та теплову енергію одночасно.

Виробництво біогазу є добре налагодженою технологією виробництва відновлюваної енергії, а також розщеплення органічних відходів. Різні мікроорганізми дотримуються різноманітних метаболічних шляхів, щоб розщепити органічну речовину в процесі анаеробного бродіння, в результаті чого виробляється біогаз. Тепло та електроенергія вироблялися цим методом протягом тисяч років у побутових умовах. Біогазова промисловість наразі стрімко розвивається, і останні досягнення закладають основу для створення біогазових установок як передових виробничих потужностей біоенергетики. Концепція циркулярної економіки, спрямована на переробку поживних речовин, скорочення викидів парникових газів і біоремедіацію, базується на біогазових установках.

Війна в Україні збільшила тиск на поставки газу та вартість гною. У результаті біогаз отримав виняткову увагу як джерело газу та біодобрив для сільського господарства. Крім того, шкода, пов’язана зі зміною клімату, стимулює всі сектори до декарбонізації та скоординованих економічних заходів.

Приєднання кожної країни до біогазової мережі може обмежити глобальне потепління до 2°C, адже біогазова промисловість, здається, зменшить світові викиди вуглекислого газу на 3,29-4,36 гігатонн ідентичного двоокису вуглецю, що відповідає майже 10-13% світових викидів.

Концептуальний перехід від «енергії до газу» дозволяє перетворювати вуглекислий газ, який утворюється в результаті анаеробного поглинання, на додатковий біометан. Крім того, з дигестату можна отримати біовугілля, яке використовується безпосередньо як біодобриво або непрямо для поліпшення біометанування, оновлення та очищення тканин.

Відновлювана зелена енергетика має важливе значення для пом’якшення кліматичних змін та зменшення викидів вуглецю. Епоха біоенергетики через анаеробне поглинання біомаси в поєднанні з уловлюванням вуглецю є одними з найбільш часто обговорюваних питань протягом тривалого часу. Анаеробна обробка усіх доступних відходів може зменшити викиди  вуглекислого газу на 3,29-4,36 млрд т. Анаеробний дигестат як ґрунтове біодобриво має потенціал витіснити 5-7% хімічних добрив для понад 80 млн га земель.

Біогаз

Сукупність газів, що утворюються в результаті бродіння та утилізації відходів людини, рослин і тварин в результаті нестачі кисню та діяльності анаеробних бактерій, особливо метаногенних бактерій, називається біогазом. Цей газ утворюється природним шляхом у болотах або на міських сміттєзвалищах, і його потрібно накопичувати для використання. Для економічного використання біогазу бродіння можна проводити в контрольованих умовах у відносно простому пристрої, який називається резервуаром для зброджування. Біогаз отримують шляхом анаеробного бродіння біомаси. Насправді біогаз — це суміш різних газів, основним компонентом яких є метан (приблизно від 55 до 70%), приблизно від 35 до 40% – це вуглекислий газ, і дуже малий відсоток становить азот, сірководень тощо, кількість цих газів залежить від температури резервуару зброджування та типу матеріалу і з його зміною змінюється відсотковий склад газу.

Таблиця 1. Сполуки в біогазі

Цінним елементом біогазу є метан, чим вищий його відсоток, тим якісніший біогаз і економічніше його виробництво. Біогаз має прозорий колір із впізнаваним запахом, схожим на запах тухлих яєць, і, як і вуглекислий газ, є парниковим газом; з тією різницею, що його парниковий ефект приблизно в 25 разів перевищує ефект вуглекислого газу. Біогаз горить синім полум'ям, яке має температуру 800°C. Цей газ змішується з повітрям у співвідношенні 1-20 і має високу швидкість займання. Необхідний та оптимальний тиск для приготування їжі на біогазі становить від 5 до 20 см водяного стовпа. При спалюванні одного кубічного метру біогазу виділяється близько 5500-6500 ккал тепла, цього достатньо для роботи двигуна внутрішнього згоряння потужністю в одну кінську силу протягом двох годин. Один кубічний метр біогазу еквівалентний 0,4 кг дизельного палива, 0,6 кг нафти та 0,8 кг вугілля.

Джерела виробництва біогазу

Загалом, джерелом виробництва біогазу є біомаса (біологічні матеріали рослинного і тваринного походження, які ще не повністю розклалися або ферментувалися). Біомасу поділяють на п'ять основних груп:

• Відходи та залишки сільського господарства та суміжних галузей.
• Тверді побутові відходи.
• Міські стічні води.
• Екскременти тварин.
• Промислові тверді та рідкі відходи (промислові шлами).

Біогаз — це безбарвний горючий газ, який утворюється шляхом біологічного розщеплення органічних речовин, що відбувається за відсутності кисню. Біогаз надходить із «біогенних матеріалів» і генерується з біорозкладаних матеріалів, таких як біомаса, зелені відходи коров’ячого гною та сільськогосподарські відходи, такі як маніок, цукрова тростина тощо. Біогаз складається з суміші різних газів, головним чином метану (CH₄), вуглекислий газ (CO₂), 1-5% інших газів, включаючи водень (H₂). Газ виробляють бактерії, які виникають під час біодеградації органічних матеріалів в анаеробних умовах. Енергія, яка виділяється з біогазу, робить його придатним паливом для опалення та приготування їжі. Біогаз також можна використовувати в анаеробному реакторі, де енергія в газі перетворюється на електроенергію та тепло за допомогою газового двигуна.

Друга половина 19 століття ознаменувалася виробництвом біогазу. Газ, що утворюється в результаті анаеробного зброджування (AD) органічної речовини, яка включає екскременти тварин і людини, кухонні та сільськогосподарські відходи, міські відходи, біомасу водоростей і рослин тощо, зі збалансованим циклом вуглецю, називається біогазом (Рис. 1). Біогаз є джерелом відновлюваної енергії, подібно до сонячної, вітрової та геотермальної енергії.

Як виробляється біогаз

Загалом, для виробництва біогазу органічні матеріали слід змішати з таким самим об’ємом води та після гомогенізації вилити у резервуар для зброджування. Після відповідного часу утримування, звичайно, виходить метан, виробництво якого має більш оптимальні умови, які слід враховувати для його економічного виробництва. Нижче детально розглядаються принципи процесу зброджування та виробництва біогазу.

Анаеробне зброджування може перетворити органічні відходи на прибуткові побічні продукти, а також зменшити їхній потенціал забруднення навколишнього середовища. Анаеробне зброджування забезпечує наступні переваги:

• Електрична та теплова енергія.
• Стабільне рідке добриво та високоякісні тверді речовини для підживлення ґрунту.
• Зменшення запаху.
• Зменшення потенціалу забруднення ґрунтових і поверхневих вод.
• Потенційний прибуток від продажу перетравленого гною (рідкого та твердого) та надлишкової електроенергії та/або обробки органічних відходів за межами підприємства.
• Зменшення викидів парникових газів; метан уловлюється і використовується як паливо.
• Дохід від можливого повторного використання перетравлених твердих речовин як підстилки для худоби.
• Потенційний дохід від зеленої енергії та вуглецевих кредитів.
• Вартість встановлення анаеробного дигестора залежить від типу та розміру системи, типу тваринницької діяльності та конкретних умов на місці. Загалом при оцінці витрат на установку/експлуатацію враховуйте наступні моменти:

1. Вартість побудови системи.
2. Трудовитрати та вартість експлуатації системи.
3. Кількість виробленого газу.
4. Компоненти типового біогазового реактору.
5. Сховище стоків.
6. Дигестер.
7. Система обробки газу.
8. Система генерації електроенергії.
9. Відблиск або
10. Джерело тепла
11. Джерело та система збору гною
12. Вартість видобутого газу.

Рис. 1. Кругообіг біогазу в природі

Принципи анаеробного зброджування у виробництві біогазу

Крім здатності функціонувати без кисню, бактерії, що виробляють біогаз, мають ще одну особливість, вони належать до дуже маленьких організмів, які можуть перетравлювати целюлозу (основний компонент рослинних волокон). Ще одна особливість цих організмів полягає в тому, що вони дуже чутливі до умов навколишнього середовища, таких як температура, рівень кислотності, кількість води, рівень концентрації тощо.

У біогазових системах використовується процес, який називається анаеробним зброджуванням. Ці системи також відомі як резервуар анаеробного зброджування. Відповідно, в процесі анаеробного зброджування бактерії розкладають органічні речовини в безкисневому середовищі. Процес виробництва біогазу в основному включає розщеплення органічних матеріалів під час біохімічних перетворень і змін, що викликають розпад великих молекул на менші. Метаногенні бактерії, які здійснюють розкладання та анаеробні реакції з метою виробництва біогазу, здатні розщеплювати та розкладати складні та прості органічні матеріали, що в кінцевому підсумку призводить до виробництва біогазу. Ці бактерії включають дві категорії мезофільних і термофільних бактерій і можуть виживати при температурах від 37 до 45°C і від 50 до 52°C відповідно. У випадку термофільних бактерій температура може підвищуватися до 70°C. При цій температурі бактерії демонструють найбільшу активність ферментів для розщеплення органічних речовин і виробництва біогазу.

Реакції зброджування в біогазовому пристрої включають ряд хімічних і біологічних процесів, які здійснюються за відсутності кисню та в присутності анаеробних організмів. Основна частина газу, що виробляється, є сумішшю метану та вуглекислого газу. Тому в біогазових установках реакції бродіння включають серію хімічних взаємодій, які тісно пов’язані між собою, але є роздільними. Принципи зброджування включають наступні етапи, кожен із яких виконується певною групою мікроорганізмів. Анаеробне зброджування є повністю бактеріальним процесом. Цей процес відбувається за відсутності повітря, і його можна розділити на 5 фаз.

Нульова фаза

На цьому етапі готуються зброджувальні органічні матеріали і після відділення всіх видів домішок вони змішуються з водою і виливаються в резервуар для бродіння, починається реакція зброджування.

Перша фаза

На першому етапі анаеробні бактерії використовують ферменти для розщеплення великих молекул органічних речовин, таких як білки, вуглеводи, целюлоза та жири, на сполуки з меншою молекулярною структурою. Справді, ці бактерії розщеплюють складні органічні речовини до летючих жирних кислот, і крім оцтової та пропіонової кислоти також виробляється деяка кількість аміаку та вуглекислого газу. Перетворення важких молекул у малі, які складаються з таких речовин, як водень, вуглекислий газ, жирні кислоти та амінокислоти, забезпечується групою бактерій, які називаються водними бактеріями.

Друга фаза

На другій фазі кислотоутворюючі бактерії ведуть процес розпаду до утворення біологічних кислот, таких як вуглекислий газ, сірководень та аміак. На цій стадії кислотоутворюючі бактерії (молочнокислі, пропіоновокислі, оцтовокислі та маслянокислі) перетворюють органічні сполуки в леткі кислоти. Білки спочатку розщеплюються на амінокислоти, а потім на леткі кислоти, вуглеводи спочатку перетворюються на прості цукри, а потім на леткі жирні кислоти, а жирні кислоти перетворюються на леткі жирні кислоти.

Третя фаза

На третій фазі кислотоутворюючі бактерії виробляють вуглекислий газ, водень, ацетат, сірководень, етанол і дуже невеликі кількості газів метану, азоту та аміаку. Власне, на третій стадії метаногенні бактерії розкладають кислоти, що утворилися на попередній фазі, на метан і вуглекислий газ. Ця група складається з невеликої кількості бактерій, які ростуть і розмножуються повільно і дуже чутливі до навколишнього середовища. У правильно функціонуючому резервуарі для зброджування баланс цих двох груп бактерій має бути таким, щоб механізатори споживали лише кислоти, вироблені підкислювачами. Деякі інші види бактерій використовують водень і вуглекислий газ для виробництва метану. Насправді саме на цьому етапі відбуваються основні резервуарні метаногенні взаємодії.

Четверта фаза

На четвертій фазі (фаза виробництва метану) метаногенні бактерії виробляють метан, вуглекислий газ і лужну воду. Бактеріям на метановій фазі (фаза 4) потрібно більше часу для розмноження, ніж у кислій фазі (фази 2 і 3). Тому швидкість і масштаб бродіння залежать від бактеріального метаболізму метану. Іншими словами, метаногенним бактеріям (бактеріям на фазі 4) необхідно трансформувати продукти кислих бактерій з попередніх фаз. Тому необхідно створити умови для хорошого симбіозу обох видів бактерій, щоб потік газоутворення був рівномірним. Успіх у цій операції залежить від виробництва метану. В ідеалі повинна бути можливість налаштувати умови так, щоб утворена кислота негайно перетворювалася на метан. Якщо інтенсивність перетворення кислоти в метан нижча, ніж інтенсивність утворення кислоти, деяка кількість кислоти завжди зберігається в середовищі, що спричиняє зниження рН середовища, а оскільки метаногенні бактерії дуже чутливі до рН середовища, це припиняє вироблення метану. У Таблиці 2 та на Рис. 2 показано етапи перетворення органічних матеріалів у біогаз.

Таблиця 2. Процеси перетворення біомаси в біогаз

Рис. 2. Етапи перетворення органічної речовини в біогаз

Хімічні стадії зброджування органічних матеріалів

Ферментація — це метаболічний шлях, що характеризується ферментативним перетворенням органічних субстратів, переважно вуглеводів, у простіші сполуки, що призводить до виробництва енергії, головним чином у формі аденозинтрифосфату (АТФ).

Цей процес відбувається за відсутності кисню, що робить його анаеробним за природою. Основною метою бродіння є регенерація коферменту нікотинамідаденіндінуклеотиду (NAD+), який необхідний для гліколізу, попереднього етапу вилучення енергії. З біохімічної точки зору, бродіння визначається як вилучення енергії з вуглеводів без участі ланцюга транспортування електронів або кінцевого акцептора електронів, кисню. Натомість під час бродіння органічні молекули, такі як піруват або ацетальдегід, діють як кінцеві акцептори електронів. Це відрізняє бродіння від анаеробного дихання, де такі молекули, як сульфат-іони (SO₄^2-) або нітрат-іони (NO₃^–), діють як кінцеві акцептори електронів у ланцюзі транспортування електронів.

Продукти бродіння відрізняються залежно від шляху та залучених організмів. Два поширені типи — це молочнокисле бродіння, при якому утворюється молочна кислота, і спиртове бродіння, при якому утворюється етанол і вуглекислий газ. Чистий вихід енергії від бродіння є помірним, виробляючи лише 2 молекули АТФ на молекулу глюкози, що різко контрастує з 32 молекулами АТФ, які утворюються в результаті аеробного дихання.

Історично важливість бродіння вперше підкреслив Луї Пастер у середині 19 століття, поклавши початок зимології, вивченню процесів бродіння. Мікроорганізми, як прокаріоти, так і еукаріоти, є основними агентами бродіння. У той час як деякі організми, відомі як облігатні анаероби, покладаються виключно на бродіння для виробництва енергії, інші, так звані факультативні анаероби, можуть перемикатися між бродінням і аеробним диханням залежно від умов середовища. Наприклад, в умовах обмеженого кисню м’язові клітини людини можуть піддаватися молочнокислому бродінню, щоб задовольнити енергетичні потреби. У комерційному плані бродіння має серйозні наслідки, особливо в галузі харчових продуктів і напоїв. Перетворення цукрів на етанол дріжджами має важливе значення для виробництва алкогольних напоїв. Подібним чином, виробництво органічних кислот шляхом бродіння має вирішальне значення для збереження та ароматизації різноманітних харчових продуктів, від молочних продуктів, таких як йогурт і сир, до ферментованих овочів. Таким чином, бродіння є давнім, але складним метаболічним процесом, який сприяє виробленню енергії за відсутності кисню. Його застосування варіюється від фундаментальних біологічних процесів до виробництва незліченних продуктів харчування та напоїв, які були невід’ємною частиною людської культури та раціону протягом тисячоліть. На Рис. 3 показано загальні шляхи виробництва кінцевих продуктів бродіння, виготовлених із використанням глюкози різними організмами.

Рис. 3. Загальні шляхи виробництва кінцевих продуктів бродіння з використанням глюкози різними організмами