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.

Види бродіння

Бродіння (ферментація) — це метаболічний процес, який сприяє перетворенню вуглеводів на простіші сполуки переважно в анаеробних умовах. Ідентифіковано різні типи бродіння, кожен з яких характеризується субстратами, мікроорганізмами та кінцевими продуктами.

Рис. 4. Види бродіння

Етанолове (спиртове) бродіння

Етанол утворюється, коли на піруват, отриманий із глюкози, діють такі ферменти, як піруваткарбоксилаза та алкогольдегідрогеназа. Загальна реакція перетворює одну молекулу глюкози на дві молекули етанолу та дві молекули вуглекислого газу (Рис. 5). Етанолове бродіння відіграє важливу роль у виробництві алкогольних напоїв, таких як вино та пиво. Крім того, воно відіграє важливу роль у випіканні хліба, де виділений вуглекислий газ допомагає тісту підніматися. Етанол також є біопаливом, яке доповнює або замінює бензин.

Рис. 5. Етанолове (спиртове) бродіння

Молочнокисле бродіння

Гомолактичне бродіння призводить до перетворення глюкози на дві молекули молочної кислоти. Цьому процесу сприяє фермент лактатдегідрогеназа (Рис. 6). Молочнокисле бродіння має велике значення в молочній промисловості, виробництві йогуртів і спеціальних сирів. Кислий смак йогурту пояснюють молочною кислотою. Деякі бактерії можуть далі метаболізувати лактат з утворенням етанолу, вуглекислого газу та інших сполук.

Рис. 6. Молочнокисле бродіння

Оцтовокисле бродіння

Оцтовокислі бактерії окислюють цукор або етанол, утворюючи оцтову кислоту. Ця реакція полягає в перетворенні етанолу на оцтову кислоту та воду в присутності кисню (Рис. 7). Комерційне виробництво оцту є значним застосуванням оцтовокислого бродіння.

Рис. 7. Оцтовокисле бродіння

Водневе бродіння

Процеси бродіння призводять до утворення газоподібного водню, який діє як механізм регенерації NAD+ (нікотинамідаденіндинуклеотиду) з NADH (нікотинамідаденіндинуклеотидом та воднем). Цей газ утворюється як побічний продукт у реакціях за участю певних бактерій (Рис. 8). Газоподібний водень має потенціал як джерело енергії, і його виробництво шляхом бродіння є активною сферою досліджень.

Рис. 8. Водневе бродіння

Ферментативне бродіння

Промислове бродіння полегшує виробництво ферментів, коли мікроорганізми виробляють і виділяють білки з каталітичною активністю (Рис. 9). Ферменти використовуються в різних галузях промисловості, таких як харчова промисловість, виробництво напоїв, хлібобулочних виробів, миючих засобів, текстильна та целюлозно-паперова промисловість.

Рис. 9. Ферментативне бродіння

Параметри, що впливають на процес анаеробного зброджування

Органічні матеріали, які розкладаються в біогазовій установці, можуть надходити з будь-якого джерела, з урахуванням забезпечення хімічних і фізичних умов, необхідних для росту метаногенних бактерій. Відходи та екскременти тварин можуть перетворюватися на вуглеводи завдяки ферментативному гідролізу. Як зазначено, утворені вуглеводи перетворюються на органічні кислоти за допомогою ацидогенних мікроорганізмів, а потім ці органічні кислоти перетворюються на метан, вуглекислий газ і в невеликій мірі на інші гази, такі як сірководень тощо. На процес анаеробного бродіння та виробництва біогазу, як і на інші біохімічні реакції, впливають різноманітні хімічні та фізичні фактори, які необхідно завжди враховувати.

Температура середовища бродіння

В основному анаеробне зброджування відбувається при температурі від -60 до 10°C (найбільш відповідний температурний діапазон між -37 і 30°C). Зазвичай біогазові установки працюють на рівні активності мезофільних бактерій, оптимальна температура яких становить 37°C. При температурі нижче 30°C установка може стати кислотною. При температурі вище 70°C бактерії руйнуються і газоутворення зменшується.

Зазвичай кількість газу, що утворюється при температурі вище 45°C, більша, ніж при низьких температурах. Обсяг виробництва біогазу при температурі від 45 до 55°C збільшується приблизно на 50-60%, порівняно з температурою 35°C, яка не використовується через витрати на підтримку установки при високих температурах. При температурі вище 70°C кількість газу, що утворюється, різко зменшується внаслідок руйнування метаногенних бактерій. Також можна виробляти біогаз при температурі від -12 до 18°C, але це виробництво буде економічно невигідним. При температурі нижче 10°C виробництво біогазу припиняється.

Загалом, швидкість активності та збільшення метаноутворюючих бактерій залежать від температури. Нагрівання здійснюється теплообмінниками або спіралями. Одним із способів запобігти втратам тепла з реактора є ізоляція реактора. Таблиця 3 показує деякі температурні діапазони реактора. Метаногенні бактерії дуже чутливі до різких коливань температури, які негативно впливають на виробництво біогазу. Температура в резервуарі для бродіння вбиває багато хвороботворних бактерій і паразитів. За умовами середовища бродіння та іншими умовами при температурі близькій до нуля газоутворення майже припиняється. Щодо температури, важливою є зміна денної та нічної температури (одна з проблем, з якою зіткнулися під час експерименту). Щоб вирішити цю проблему, установку для бродіння слід ізолювати теплоізоляційними матеріалами, при цьому зміни температури навколишнього середовища повинні бути зведені до мінімуму. Вибір теплоізоляційних матеріалів залежить від місця та регіону розташування установки.

Таблиця 3. Температурний діапазон при анаеробному бродінні

Кислотність (pH)

Дослідження показують, що для виробництва біогазу підходить рН приблизно від 6,8 до 7,2. Коливання рН призводить до проблем у виробництві біогазу. Зниження рівня рН викликає порушення життєдіяльності метаногенних бактерій і припиняє виробництво метану. Через високу чутливість метаногенних бактерій до рН його слід підтримувати на рівні 7,5-7,7 для створення хорошої буферної ємності в реакторі. Якщо pH опускається нижче 5,5, метаногенні бактерії стають неактивними. Рівень рН сировини, яка заливається в пристрій, залежить від типу органічного матеріалу. Рівень рН сировини в ферментаційному пристрої обумовлено реакцією, а хімічна реактивність поступово знижується протягом 10-15 днів і нарешті досягає 5,6-6. Починаючи з 15-20 дня він поступово підвищується, поки не досягне 4,7-8, кількість газоутворення в цьому випадку залежить від умов лужного середовища (pH<7), але в кислому стані утворюється невелика кількість газу. У дослідах значення pH середовища слід вимірювати один раз на день. Якщо рН середовища залишається кислим протягом тривалого періоду без змін, існує ймовірність того, що метаногенні бактерії не працюватимуть, а якщо така ситуація зберігатиметься, установка перестане працювати. У цьому випадку можна створити лужні умови в такому середовищі, додавши трохи сировини. Різкі коливання рН середовища призведуть до зупинки процесу бродіння і, як наслідок, припинення виробництва газу.

Наявність поживних речовин у середовищі (C/N)

Вуглець та азот потрібні для анаеробних бактерій, щоб вони могли вижити і виконувати свою діяльність. Ці бактерії зазвичай споживають вуглець як джерело енергії для росту та розвитку, а також азот для побудови клітинної стінки. Співвідношення цих поживних речовин є дуже важливим для контролю хімічних реакцій всередині реактора.

Швидкість споживання вуглецю в 30-35 разів більша, ніж швидкість споживання азоту. Таким чином, співвідношення в сировині є дуже ефективним для діяльності анаеробних бактерій і швидкості бродіння та подальшого виробництва метану. Коли це співвідношення збільшується, азот споживається раніше, ніж вуглець, при цьому вуглець, що залишився, викликає кислотність середовища, і навпаки, коли співвідношення зменшується, азот вивільняється з навколишнього середовища у вигляді аміаку і збільшує лужність середовища. У цьому випадку газоутворення припиняється через відсутність вуглецю. З біологічної точки зору бактерії в реакторі замінюють відходи елементами C і N (C у формі вуглеводів та N у формі білків, нітратів, аміаку тощо), які є основною їжею для анаеробних бактерій. Анаеробне зброджування виконується правильно, якщо сировина, що дається бактеріям, містить велику кількість азоту та вуглецю.

Загальна будова установки для виробництва біогазу

Біогазова установка — це система, яка включає резервуар для зброджування, впускний басейн, вихідний басейн і газовий резервуар, суміш органічних матеріалів і води вводиться з метою виробництва газу та зброджується (розкладається). Іншими словами, основним завданням і функцією біогазової установки є перетравлення органічних матеріалів, зберігання виробленого біогазу та його передача в лінію споживання (Рис. 10).

Рис. 10. Схематичний огляд системи виробництва біогазу

Виробництво електроенергії з біомаси

Спалювання біомаси є найпоширенішим методом виробництва електроенергії. Це як спалювання викопного палива. Термін для спалювання матеріалів для виробництва електроенергії — теплова генерація. Електроенергія не виробляється безпосередньо від цього спалювання. Спалювання твердої біомаси нагріває водонаповнені котли. Це призводить до того, що рідка вода перетворюється на пару. Пара створює тиск у котлі. Потужність пари обертає турбіну. Потім турбіна переміщує котушку в генераторі. Деякі заводи, що працюють на біомасі, виробляють електроенергію шляхом спалювання метану. Метан — це газ, який можна збирати зі звалищ. Ці установки використовують дещо інший процес, ніж установки, які спалюють тверду біомасу. Продукти згоряння метану замість пари змушують турбіну обертатися. Як і у випадку з твердою біомасою, обертання турбіни приводить в дію генератор. Порівняно з багатьма іншими варіантами відновлюваної енергії біомаса має перевагу диспетчеризації, тобто її можна контролювати, вона може бути доступною за потреби, подібно до систем виробництва електроенергії на викопному паливі.

Недоліки використання біомаси для виробництва електроенергії полягають у тому, що паливо потрібно закуповувати, доставляти та зберігати. Крім того, в процесі спалювання біомаси утворюються парникові гази, які необхідно ретельно відстежувати та контролювати, щоб відповідати нормам. Більшість біоелектростанцій використовують системи прямого спалювання. Вони безпосередньо спалюють біомасу для отримання пари під високим тиском, який приводить в дію турбогенератор для виробництва електроенергії. У деяких галузях виробництва біомаси пара, що видобувається або споживається з електростанції, також використовується для виробничих процесів або опалення будівель. Ці системи комбінованого виробництва тепла та електроенергії (ТЕЦ) загалом підвищують загальну енергоефективність приблизно до 80, у порівнянні зі стандартними системами лише для виробництва електроенергії з біомаси з ефективністю приблизно 20.

Сезонні вимоги до опалення впливають на ефективність системи ТЕЦ. На відміну від інших відновлюваних джерел енергії, електростанції на біомасі можуть виробляти електроенергію безперервно. Вони не покладаються на періодичні речі, такі як вітер чи сонце. Це робить електроенергію з біомаси надійною. Але біомаса відрізняється від інших відновлюваних джерел енергії. На відміну від вітру та сонця, біомаса споживається при виробництві електроенергії.

Ще одна перевага використання біомаси полягає в тому, що вона може запобігти потраплянню деяких видів відходів на звалища. У процесі спалювання біомаси виділяються ті самі парникові гази, що й при спалюванні викопного палива. Ці парникові гази сприяють підвищенню температури землі. Спалювання біомаси також виділяє інші забруднюючі речовини в повітря, які включають зважені частинки, оксиди азоту, сірки та діоксиду. Забруднене повітря може спричинити проблеми з диханням, хвороби серця, рак та інші проблеми зі здоров’ям. Електроенергія, вироблена з біомаси, також може впливати на навколишнє середовище іншими способами. Наприклад, вирубка дерев може призвести до знеліснення. Вирощування рослин для використання в якості біомаси може вплинути на якість ґрунту та використання води. Ці рослини займають місце, де могли б рости дикі рослини. Ми можемо вирішити деякі з цих проблем за допомогою технологій. Наприклад, за допомогою більш дбайливого використання землі, фільтрів або чистіших джерел біомаси. Інші джерела біомаси, такі як метан із харчових відходів, можуть стати більш поширеними в майбутньому. Ці технології можуть зробити виробництво електроенергії з біомаси кращим для навколишнього середовища.

Використання біогазу для стабілізації побутових відходів

Сучасне суспільство сильно залежить від енергії, яка наразі забезпечує від 85 до 90% світового споживання, а викопне паливо має обмежені ресурси та викликає забруднення, тому його необхідно замінити на відновлювані джерела енергії, які відповідають потребам людства. А постійно зростаюче населення викликає збільшення відходів виробництва та подальше знищення ресурсів. Неправильна утилізація відходів спричиняє екологічні проблеми для людей і тварин. У всьому світі захоронення звичайних відходів, крім твердих побутових відходів (ТПВ), вважається прийнятим методом.

Метан, який виробляється з харчових відходів, у 21-23 рази ефективніший, ніж CO₂, щодо потенціалу глобального потепління. За останні 100 років глобальна температура зросла на 0,3-0,6°С, і необхідно зупинити підвищення температури. Найкраще вирішення цієї проблеми полягає в тому, щоб перетворити проблеми на можливості та отримати від цього дохід для задоволення потреб нинішнього покоління, не перешкоджаючи потребам майбутнього покоління.

Найважливішою потребою для життя людини є вода, і її збереження є дуже важливим питанням. Основною проблемою сміттєзвалища є фільтрат, який проникає в ґрунт і потрапляє в підземні води. Хоча ґрунт є найважливішим фізико-хімічним фільтром води, його здатність обмежена. Вуглекислий газ, що потрапляє у воду, підвищує жорсткість води, а також знижує рН і збільшує корозійну активність води. Через нездорове середовище вона скорочує тривалість життя людини, але зелена екологія може збільшити його тривалість. Суспільство повинне діяти як єдиний механізм, тому що поодинці ці проблеми не можуть вирішитися, і завдяки цьому майбутні покоління матимуть необхідні та достатні паливні ресурси, чисте та здорове довкілля.