За матеріалами статті на тему «Жом цукрових буряків як універсальна сировина для затребуваного виробництва біогазу» («Sugar beet silage as highly flexible feedstock for on demand biogas production») журналу «Цукрова галузь» («Sugar Industry») 143 (2018) №68.

Обговорення результатів

Технологічні показники

Значення рН, летючі жирні кислоти (ЛЖК) та загальний вміст неорганічного вуглецю (ЗВНВ)

Під час процесу ферментації значення pH в Р1 (1:0), Р2 (6:1) та Р3 (3:1) залишалися в оптимальному діапазоні — між 6,5 та 8,5. Аналогічним чином коефіцієнти ЛЖК/ЗВНВ показали стабільний процес ферментації зі значеннями нижче 0,3 (Графік 2 a-c).

Розглядаючи ці оптимальні значення, в Р4, із найбільшим обсягом бурякового жому, спостерігалася нестабільність процесу (Графік 2d). Значення рН знизилося до 6,6 через 39 днів і до 6,4 через 66 днів. Значення ЛЖК/ЗВНВ збільшилися до 0,49 через 39 днів і до 0,55 через 66 днів, навіть, після припинення подачі сировини. Починаючи з 36 та 42 дня в Р4 не подавалася сировина. Після того, як подача сировини припинилася перший раз, значення рН і коефіцієнти ЛЖК/ЗВНВ нормалізувалися протягом одного тижня, але процес не залишався стабільним до кінця експериментального періоду, і значення ЛЖК/ЗВНВ збільшилися, а значення рН почали зменшуватися. Як результат, обсяги виробництва біогазу та метану також скорочувалися.

Високі обсяги бурякового жому, що періодично подавалися в реактор, можуть викликати значну нестабільність процесу через високий вміст легко розщеплюваних вуглеводів, що викликає прискорення процесу гідролізу.

Крім того, висока частка бурякового жому викликає високу дегазацію СО2, зменшуючи обсяг, доступний для подальшого виробництва метану, та зменшуючи потужність буферизації всієї системи, оскільки значення рН зменшилося через кислоти, утворені в процесі гідролітичної деструкції. Нижче значення рН суспензії в реакторі викликало зміни в бікарбонатній буферній системі, в результаті чого HCO3- вступив у реакцію з вільним H+ до утворення вуглекислоти (H2C03). Оскільки вуглекислота також не стабільна, то потім вона перетворюється в CO2 та H2O.

Летючі жирні кислоти (ЛЖК)

Крім того, також досліджувався вміст летючих жирних кислот (ацетату, пропіонату та бутирату) (Графік 3). Вони виробляються в основному на перших стадіях анаеробного дигерування складних органічних полімерів та є показником кінетичної характеристики процесу дигерування. В Р1, Р2 та Р3 вміст ЛЖК залишався нижче 0,4 г л-1, що вказує на стабільність процесу ферментації. Однак, через 54 дні в Р4 було перевищено оптимальний діапазон ацетату. Вміст ацетату збільшився до 1,62 г л-1. Невідповідність між етапами деградації може викликати погіршення характеристик реактора, оскільки бактерії та найпростіші одноклітинні організми, задіяні на різних стадіях анаеробного дигерування, тісно пов'язані між собою. Перевантаження реактора та використання швидко розщеплюваної сировини є основними причинами скорочення виробництва метану. Крім того, збільшуючи вмісту ЛЖК шляхом швидкої деградації бурякового жому, буферна здатність суспензії в реакторі знижується через надмірно великі обсяги сировини.

У кінці процесу ферментації також спостерігалося незначне збільшення вмісту пропіонату та бутирату в Р4. Для детальнішої оцінки процесу розраховувалося співвідношення ацетату та пропіонату. Особливо це стосується Р4, в якому під час експерименту пропіонат переходив в ацетат, вказуючи на неоптимальні умови для метанових архебактерій.

Виробництво біогазу та метану

Спостереження високої роздільної здатності виробництва біогазу та метану дозволили визначити вплив періодичної подачі сировини на буряковий жом. Оскільки буряковий жом подавався в реакційний апарат кожні 12 год, було виокремлено один період для аналізу даних. Р1 показував незмінний вихід біогазу (0,03 лN 5 хв-1 +\- 0,00, n = 35) та метану (0,02 лN 5 хв-1 +\- 0,00, n = 35) (Графік 4а). Коливання, видимі на всіх стадіях, виникали через змішування, підкреслюючи чутливість процесу дигерування в реакційних апаратах Р2, Р3 та Р4, які показували максимальні рівні, в залежності від заданої кількості бурякового жому (Графік 4 b-d). У реакторі Р2 максимальне виробництво біогазу становило 0,05 лN 5 хв-1, а метану — 0,02 лN 5 хв-1. Виробництво біогазу в Р3 досягло максимуму 0,06 лN 5 хв-1, а метану — 004 лN 5 хв-1. Найбільші обсяги виробництва біогазу та метану спостерігалися в Р4. Виробництво біогазу досягло 0,12 лN 5 хв-1, а метану — 0,08 лN 5 хв-1.

Високі показники виробництва біогазу та метану залишалися незмінними близько 2 годин. Після цього швидкість виробництва в Р2 і Р3 знизилася приблизно до 0,03 лN 5 хв-1, подібно до контрольного Р1. Однак, в Р4 обсяги виробництва метану опустилися нижче 0,01 лN 5 хв-1. Буряковий жом, який подавався кожні 12 годин, дигерувався занадто швидко, щоб забезпечити довгострокове базове виробництво із залишковим кукурудзяним силосом, який подавався щогодини в реактор.

Швидкі зміни у подачі сировини з високою кількістю швидко вироблених ЛЖК можуть знищити мікроорганізми. Нестача волокнистої речовини в Р4 негативно впливає на когезію синтрофних зв’язків. У випадку порушення мікробних популяцій, всі мікроорганізми можуть загинути, що призведе до розладнання процесу, що може, врешті-решт, закінчитися повним провалом усього процесу.

Одразу після подачі бурякового жому в реакційні апарати швидкість виробництва метану збільшилася. Максимальне виробництво у всіх трьох біореакторах зі зміною режимів живлення було досягнуто через 5 хв після подачі бурякового жиму. Жодної затримки в часі не спостерігалося, що є позитивним для виробництва біогазу за допомогою субстрату. Також відсутня затримка між максимальним виробництвом біогазу та метану. Хоча виробництво метану є останнім етапом анаеробного дигерування, хімічний склад бурякового жому з його легко розщеплюваними вуглеводами може оптимально використовуватися різними мікроорганізмами, що може викликати негайне розкладання. Негайну реакцію виробництва біогазу та метану на своєчасну подачу сировини також було показано в дискових реакторах із нерухомим шаром.

Вміст метану зменшився, особливо в Р4, де він зменшився з 63,2% до 57,2% протягом перших 3 годин після додавання бурякового жому. Однак, через 5 хв після додавання жому обсяг виробництва метану потроївся.

Щодо Р3 з найбільшою часткою бурякового жому, зберігаючи при цьому стабільний процес, протягом 5 хв швидкість виробництва метану збільшилася більше ніж удвічі (з 0,03 лN 5 хв-1 до 0,07 лN 5 хв-1).

Графік 4. Середня швидкість виробництва біогазу (суцільна лінія) та метану (пунктирна лінія) протягом одного періоду (= 12 год) з різними співвідношеннями кукурудзяного силосу та бурякового жому (M:S) для кожного реактора (Р1: 1:0 (а), Р2: 6:1 (b), Р3: 3:1 (c), Р4: 1:3 (d); на основі вмісту летючих твердих речовин). n = 35 (Р1), 32 (Р2), 33(Р3, BPR), 28 (Р3, MPR), 25 (Р4) (BPR — швидкість виробництва біогазу, MPR — швидкість виробництва метану)

Доцільність використання бурякового жому для виробництва біогазу та метану

Оскільки анаеробне дигерування є дуже чутливим процесом, показники виробництва біогазу та метану коливалися протягом експериментального часу в діапазоні 400-500 лN кг-1 летючих твердих речовин для Р1-Р3 (Таблиця 3) із середнім виходом біогазу на рівні 467 +/- 41 лN кг-1 летючих твердих речовин (Р1), 470 +/- 51 лN кг-1 летючих твердих речовин (Р2) та 479 +/- 50 лN кг-1 летючих твердих речовин (Р3), суттєво не відрізняючись.

Дослідження потенціалу виробництва метану для бурякового жому показали діапазон 340-420 лN кг-1 летючих твердих речовин, а для кукурудзяного силосу — значення 234-365 лN кг-1 летючих твердих речовин.

Вихід метану для Р1 (281 +/- 23 лN кг-1 летючих твердих речовин), Р2 (290 +/- 27 лN кг-1 летючих твердих речовин) та Р3 (294 +/- 24 лN кг-1 летючих твердих речовин) також суттєво не відрізнялися один від одного. Р4 (1:3) з найбільшим обсягом бурякового жому не показав вищих виходів метану, як це очікувалося раніше. Коли жом подавався двічі на день замість безперервної подачі, можливий вихід метану знижувався. Вихід біогазу та метану в Р4 (1:3) був значно нижчим (вихід біогазу: 386 +/- 50 лN кг-1 летючих твердих речовин, вихід метану: 230 +/- 28 лN кг-1 летючих твердих речовин) (Таблиця 3). Середній вміст метану становив від 60,9% до 62,0% для всіх досліджуваних співвідношень. Результати в Р4 аналогічні до моноферментації бурякового жому, яка показала незадовільні показники через низький вихід метану, ризик ацидифікації та нестабільність загального процесу.

Тобто, можна констатувати, що при переході на систему періодичної подачі сировини завжди важливо уникати перевантажень. Навіть, якщо обсяг бурякового жому, який подається за один раз, не перевищує 25% від загальної величини органічного навантаження (наприклад в Р3), стабільність процесу можна підтримувати шляхом додавання біогенних елементів та буферних агентів, оскільки жом не має цих властивостей.

Стабільний добовий вихід біогазу та метану для Р1-Р3 показав, що переключення системи живлення на механізм періодичної подачі сировини при постійній величині органічного навантаження не впливає на процес виробництво біогазу в цілому. На відміну від попередніх досліджень, які стверджували, що оптимальне виробництво біогазу та метану можна досягти тільки за допомогою систем безперервної подачі сировини, насправді ж виявляється, що мікроорганізми можуть адаптуватися до періодичної подачі сировини та, навіть, збільшити свою продуктивність, порівняно з біореактором безперервної подачі (наприклад в Р1 (1:0)).

Додаток до Таблиці 3: SBY — питомий вихід біогазу; SMY— питомий вихід метану; цифри в дужках показують значні відмінності між реакторами при p ˂ 0,05.

Висновки

Виробництво біогазу є дуже перспективною галуззю застосування бурякового жому. Проведені дослідження показали, що використання бурякового жому можливе в обсязі 25% від загального обсягу використаної сировини. Більший обсяг жому, хоч і періодично забезпечує максимальне виробництво біогазу та метану, але не є доцільним для довгострокового впровадження в біогазових установках.

Тим не менш, експерименти довели, що протягом перших п'яти хвилин після додавання бурякового жому в реактор вихід метану може більше ніж подвоїтися. При цьому, не було виявлено жодних ознак нестабільності процесу в контексті зниження значення рН, накопичення летючих жирних кислот (ЛЖК) та зменшення вмісту метану.

Використання бурякового жому для виробництва біогазу не тільки покращує здатність до хімічного розкладання сировини, багатої на клітковину, а й забезпечує високий потенціал для використання субстрату для виробництва біогазу на додаток до сонячної та вітрової енергії.