Адрес: 105678, г. Москва, Шоссе Энтузиастов, д. 55 (Карта проезда)
Время работы: ПН-ПТ: с 9.00 до 18.00, СБ: с 9.00 до 14.00

Биогазовый реактор: Биогазовые установки, реакторы биогаза, емкости для биогаза

Содержание

БИОГАЗОВАЯ СТАНЦИЯ МАЛОГО И СРЕДНЕГО РАЗМЕРОВ

БИОГАЗОВАЯ СТАНЦИЯ МАЛОГО И СРЕДНЕГО РАЗМЕРОВ

Предлагаем разработанный новый тип биогазовой установки, которая очень проста в эксплуатации, содержании и очень эффективна в производстве газа.  Данные установки хорошо известны в биогазовой промышленности своим прочным качеством конструкции, отличной безопасностью и низкой стоимостью.

Биогазовые системы бывают следующих видов:

Система биогаза среднего размера состоит из одной или группы (100 м3) биогазовых установок, сформированных в единый блок, с системой трубопроводных линий, системой очистки газов и наличием электрических приборов или генератора электрической энергии. Биогазовая система среднего размера в большинстве случаев применяться как система для обработки отходов на фермах (свиней, коров и т.

д.), или могут применяться к публичным зданиям (отели, квартирные здания и т.д.) для обработки сточных вод и органических пищевых отходов.

Биогазовая система малого размера состоит из одного или нескольких (10 m3) биогазовых установок объединенных в узел, системы трубопроводных линий, оборудования для газоочистки и электрических приборов. Биогазовая система семейного размера в основном предназначается для семейных домов, для обработки сточных вод и органических пищевых отходов.

Биогазовая установка состоит из следующих изделий:

  • стального каркаса, который используется для строительств бетонированного резервуара биогазовой установки   10m3;
  • армированного стекловолоконного газгольдера,
  • трубопровода,
  • электрогенератора, 
  • различных биогазовых приборов таких как: печь, водонагреватель, варочный аппарат, освещение и т.д.

Установка для получения биогаза может быть построена за короткий промежуток времени.

Сооружение легко в содержании и имеет длительный срок службы. Срок службы цементобетонного резервуара более 30 лет, а газгольдера более 10 лет.

Отличные функции и высокий уровень производства биогаза: газгольдер запечатанный водой на 100% является герметичным. Замена перебродившего сырья (отходов) производиться без дополнительных усилий и таким образом реактор может всегда содержать достаточное количество сырья (отходов) для высокого уровня производства.

Установка очень проста и безопасна в эксплуатации. Когда газгольдер вынимается, биогаза в реакторе не остается.   Отверстия реактора (1.5 метра) достаточно для того, чтобы постоянно происходило поступление свежего воздуха. Поэтому сооружение является безопасной в обоих случаях: как и при внутренних ремонтных работах, так и при замещении сырья (отходов) для брожения. Когда давление газа достигает своего предела, происходит автоматическое стравливание газа не причиняя ущерба для предприятия.

Количественный состав животных для производства биогаза:

 

Наименование

Единица

Свиньи

Коровы

Овцы

Куры

Ежедневные отходы

Кг.

3.0

15.0

1.5

0.1

Сухое материальное содержание

%

18

17

25

30

Установка для получения биогаза 6м³

Количество живности

5

1

20

167

Установка для получения биогаза 8м³

Количество живности

7

2

28

222

Установка для получения биогаза 10м³

Количество живности

8

3

32

278

Потребность сырья (отходов) для производства биогаза

 

Наименование

Содержание

влаги (%)

Объем получаемого газа на сухой остаток (м³/кг)

Необходимое количество сырья (отходов) для получения 1 м³ биогаза (кг. )

Сухое сырье (отходы)

Свежее сырье (отходы)

Свиньи

82

0,25

4,00

22,23

Коровы

83

0,19

5,26

30,95

Куры

70

0,25

4,00

13,34

Человек

80

0,30

3,33

16,65

Солома

15

0,27

3,70

4,36

Кукурузный стебель

18

0,29

3,45

4,21

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Для утилизации органических отходов молочных заводов используется двухстадийная технология. Сбраживание органических отходов по двухстадийной технологии предусматривает разделение основных этапов по месту протекания и продолжительности разложения.

Накопление органических отходов рассчитано на 1-2 дня и происходит в приемном резервуаре.

После приемного резервуара органические отходы перекачиваются в реактор гидролиза, в котором находятся 8-10 суток. Там создаются специальные температурные условия 25-28°С, повышается влажность, и контролируется уровень рН.


Система гидравлического смешивания

Из реактора гидролиза идет дозированная подача в ферментатор, это является важнейшим фактором для сохранения бактериального баланса.

Биогаз собирается во внешних газгольдерах, изготовленных из прочного растяжимого материала. Ферментатор является газонепроницаемым, полностью герметическим резервуаром из высококачественного железобетона.

Для поддержания стабильной температуры он оборудуется внутри системой подогрева днища и стенок. Эта система проходит обязательное гидравлическое испытание. Для меньшей потери тепла реактор теплоизолируется снаружи.


Газгольдер

 

Внутри реактора находится система смешивания, которая гарантирует полное и бережное перемешивание. Выгрузка переброженного субстрата происходит автоматически с такой же периодичностью, как и загрузка.

Управление работой всей биогазовой станции производится по командам от центрального программного модуля в программно — временном режиме и по датчикам предельных значений.

Произведенный биогаз собирается в газгольдере. Из газгольдера идет непрерывная подача на систему доочистки биогаза до газа по ГОСТ 5542-87.                                                       


Общий вид биогазовой установки

Мембрана имеет высокую стойкость к ультрафиолету и озону и низкую пропускную способность биогаза. Материал устойчив к поджогу и является чрезвычайно растяжимым. Отведение биогаза происходит по трубопроводу, который оснащен устройствами автоматического отвода конденсата и предохранительными устройствами, которые защищают газгольдер от превышения допустимого давления. Устройства работают по датчикам предельных значений.

Переработанный субстрат после установки подается на сепаратор. Система механического разделения работает от 8-12 раз в сутки в программно-временном режиме и разделяет остатки брожения после ферментатора на твердые и жидкие биоудобрения. Если предприятие не заинтересовано в реализации жидких удобрений, хотя это может приносить дополнительные прибыли, для полного избавления от стоков потребуется дополнительное оборудование по доочистке.



Центральная диспетчерская

 

Система очистки стоков включает в себя модули механической, биологической и химической очисток. Так же проводится дополнительное обеззараживание ультрафиолетом. Модификация системы зависимости от качества очистки воды. Можно понизить уровни ХПК и БПК до приемлемых для слива в канализацию, открытые водоемы или существующие заводские очистные.

Все оборудование контролируется автома-тической системой, затраты человеческого труда минимальны. После 2-х недельного обучения на установке может работать человек даже без особых навыков, так как все системы и участки биогазовой станции, оснащенные оборудованием, выполняют операции по командам системы автоматики.

 

Два режима по организации и контролю работы систем на участках биогазовой станции:

  • программно-временное управление технологическими фазами осуществляется по временным интервалам и синхронизируется между системами;
  • по значениям контрольно-измерительных приборов. По этому принципу организованы системы автоматического контроля предельных или аварийных значений технологических операций.

Щит автоматики

Сигналы для синхронной работы всей станции поступают на центральный программно-логический контроллер. Контроллер производит опрос всех участков комплекса и выводит информацию на экран монитора. На экране отображены все сооружения и узлы, оснащенные электроприводом и датчиками значений параметров среды. Каждый раз при перезагрузке биогазовой установки ведется регистрация значений параметров биомассы.

 Работа биогазовой установки отображается на мониторе центральной диспетчерской. Диспетчерская оборудована центральным пультом управления, позволяющим переводить работу всех участков биогазовой установки в ручной или автоматический режим для местного или дистанционного управления.

Технические характеристики биогазовой станции
 

Характеристики

Размерности

Значения

1

Производительность

т/ч

5,8

2

Влажность сырья

%

94,7

3

Выход биогаза

м3

178

4

Содержание метана в биогазе

%

75

5

Потребляемая электр. мощность

кВт

50

6

Потребляемая тепловая мощность (при Т=-15º С)

кВт

160

7

Обслуживающий персонал

человек

1

8

Занимаемая площадь

га

0,6


СХЕМА 1

 

 

УТВЕРЖДЕН ЗАСТРОЙЩИК НОВОЙ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ В ПУОЛАНКЕ

Проект Remac /Renewing Sludge Management Concepts/, финансируемый программой Karelia CBC, приближает производство биогаза в Кайнуу к действительности. В рамках проекта будут инвестированы средства в маломасштабный биогазовый реактор для очистки осадка сточных вод в Пуоланке, который в будущем будет обслуживать потребности Пуоланки и соседних муниципалитетов. Установка вырабатывает биогаз, который используется на муниципальной теплоэлектростанции для замены ископаемого топлива. В последние годы в Финляндии активно развивается производство биогаза для использования на транспорте, размер же инвестируемой в настоящее время установки больше подходит для местного использования.

В результате долгих размышлений финская компания Doranova Oy была утверждена в качестве застройщика биогазовой установки. Компания Doranova работает в отрасли более двадцати лет, получила много похвал и наград за свои хорошо функционирующие решения в области экономики замкнутого цикла для обслуживания почвы и грунтовых вод, а также производства и использование биогаза. Doranova выполняет проекты очистки, используя методы на месте, которые она разработала сама, которые не требуют обмена масс и не мешают другим видам использования объекта, подлежащего восстановлению. С другой стороны, биогазовый бизнес сосредоточен на разработке технических решений и проектных поставках биогазовых установок.

 «Биогазовая установка в Пуоланке — очень интересный контракт со всех сторон», — говорит Антти Мюлляринен, директор Doranova Oy. «Несмотря на то, что наши биогазовые решения нашли подходящий технический пакет для нужд проекта, мы все же потратили много времени на очистку установки. Этому во многом помогла возможность познакомиться с местностью и побеседовать, например, с теми, кто отвечает за работу станции очистки сточных вод».

Хейкки Канниайнен, коммерческий директор муниципалитета Пуоланка, также доволен конкурсом.

«После нескольких лет целенаправленной работы был сделан выбор поставщика биогазовой установки», констатирует Канниайнен. «Мы полагаем, что осуществляемые в настоящее время инвестиции станут движущей силой для новых инвестиций в экономику замкнутого цикла в биоцентре Пуоланки».

 

REMAC — это совместный проект Karelia CBC, возглавляемый Университетом прикладных наук Каяни, в котором, помимо муниципалитета Пуоланка и Университета прикладных наук Каяни, участвует компания MACON Oy из Финляндии. Этот же проект направлен на повышение экологической эффективности обработки осадка в Российской Карелии. В Костомукше разрабатываются доработка и сушка шлама. Кроме того, в Кондопожском районе разрабатываются отстойники, для уменьшения вредных стоков в Онежское озеро.

«Приятно видеть, что проект REMAC продвигается согласно плану, и будут достигнуты видимые реформы! Помимо биогазового реактора в Пуоланке, в планы в настоящее время входят, например, демонстрация технологий для улучшения существующих процессов очистки сточных вод и их экологической безопасности. Об этом будет объявлено позже в этом году», — прокомментировала Оути Лаатикайнен, руководитель проекта REMAC.

Что такое биогазовый реактор?

Биогазовый реактор, также известный как метановый реактор, представляет собой оборудование, которое может превращать органические отходы в полезное топливо. Помимо обеспечения возобновляемым топливом, биогазовые варочные котлы также предоставляют дешевое топливо людям, живущим в бедности, и помогают утилизировать отходы, которые в противном случае были бы выброшены. Ряд стран вложили средства в исследования биогазовых варочных котлов — от устройств, которые могут использоваться одним домохозяйством, до промышленного оборудования, которое можно использовать для выработки большого количества электроэнергии.

Биогазовый реактор основан на бактериальном разложении биомассы — отходов биологического происхождения, от кухонных отходов до коровьего навоза. Любой, кто прошел мимо плохо обслуживаемой уборной или компоста, знает, что, когда в сборе биомассы развиваются анаэробные условия, они привлекают бактериальные организмы, которые выделяют ряд характерных газов, особенно метана, в процессе пищеварения. Эти газы обычно рассматриваются как признак неэффективности, и они отводятся для утилизации, но на самом деле они могут быть очень полезными.

В биогазовом реакторе фактически поощряется анаэробное сбраживание и ферментация, и газы удаляются в контейнер для хранения. Полученный биогаз можно сжигать в качестве топлива для приготовления пищи, отопления и выработки электроэнергии. Шлам, который остается в биогазовом реакторе после завершения процесса ферментации, можно использовать для удобрения. Поскольку процесс, применяемый в биогазовом реакторе, является анаэробным по своей природе, эти устройства иногда называют анаэробными реакторами.

Одним из основных применений биогазовых варочных котлов является утилизация отходов человека и сельского хозяйства. Во многих развивающихся странах борьба с человеческими отходами является серьезной проблемой, равно как и доступность энергии. Предоставляя сообществам биогазовые варочные котлы, организации и правительство могут помочь внести вклад в улучшение общественного здравоохранения, а также обеспечить общины источником устойчивой энергии. Фермы, которые могут генерировать большие объемы отходов животноводства, также могут использовать биогазовые разжижители для обеспечения своей деятельности или для выработки электроэнергии, которую можно продавать или продавать.

Сторонники устойчивой энергетики продвигают биогазовый реактор как один из вариантов, который можно использовать для уменьшения зависимости от ископаемого топлива. В дополнение к обеспечению устойчивой энергии биогазовые варочные котлы также дешевы, эффективны и просты в обслуживании. Это делает их отличным инструментом для организаций, которые пытаются расширить возможности сообществ, предоставляя им инструменты, которые они могут поддерживать и использовать сами, а не просто предоставляя помощь, которая может привести к тому, что сообщества станут зависимыми от внешней помощи.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Биогазовая установка станция для получения биогаза

Биогазовые установки — это специальные агрегаты, где происходит переработка отходов в биогаз и органические удобрения. Они особенно популярны в Европе и США, в России лидером по количеству таких объектов является Белгородская область.

Покупка биогазовой установки — рациональное решение для регионов с развитым животноводством. Это выгодно с экономической и экологической точки зрения, так как позволяет добыть тепло- и электроэнергию без лишних затрат и ущерба для окружающей среды. Для переработки разного вида отходов нужна специальная установка для биогаза, купить которую вы можете у компании «Трансутилизация».

Установка для получения биогаза

Установка для производства биогаза использует навоз, силос или бытовые отходы как альтернативный источник энергии, и преобразует эту биомассу в газ путем сбраживания. Простейшая биогазовая установка состоит из реактора, куда подаются отходы с помощью насоса или загрузчика. Промышленные биореакторы дополняются перемешивающими механизмами, подогревом, газгольдером для сбора биометана, очистными установками, станциями сжижения газа, тепловыми электростанциями.

В реакторе находятся бактерии, которые перерабатывают органические отходы в биогаз. Он получается в результате брожения биологической массы. По сути, биогаз — это аналог природного газа, разница только в его происхождении. Его также можно использовать для получения тепло- или электроэнергии и производства топлива.

Существуют разные биогазовые станции. Есть модели с одноступенчатым сбраживанием нескольких видов сырья. Также есть двухступенчатые биогазовые установки — цена таких агрегатов выше, но эта технология позволяет более эффективно перерабатывать некоторые виды субстратов, например птичьего помета или спиртовой барды. Для обычного реактора такое сырье не подходит. Тут необходима специальная емкость для гидролиза, где можно регулировать кислотность среды. Это важно, так как бактерии плохо реагируют на избыток кислоты или щелочи и могут погибнуть. Без реактора для гидролиза можно перерабатывать эти субстраты только вместе с другими видами сырья. Чаще всего используют навоз или силос.

Обязательные элементы конструкции

Размеры установки и ее комплектация зависит от объемов сырья, которые планируется перерабатывать. Типичная установка для получения биогаза состоит из следующих структурных элементов:

  • отсеки для приема отходов
  • система для предварительной подготовки
  • биореакторы, оборудованные мешалками
  • тепловая система для подогрева и поддержания температуры
  • очистная система
  • емкости для накопления газа и сброженного субстрата
  • программа для контроля хода переработки

Оснащение производственного комплекса зависит от вида и объема перерабатываемых субстратов, а также от вида и качества исходного продукта. Общая схема биогазовой установки представлена ниже.

СХЕМА РАБОТЫ БИОГАЗОВОЙ СТАНЦИИ

ПРИНЦИП РАБОТЫ БИОГАЗОВОЙ СТАНЦИИ

Установка для получения биогаза не наносит вреда окружающей среде. Реактор, где происходит брожение, полностью герметичен, его работа безопасна для людей и экологии. Получение биогаза происходит в несколько этапов:

  • В перерабатывающий бункер загружают отходы разного вида. Часто смешивают твердые и жидкие, чтобы массы могла легко перекачиваться насосами. Сухое сырье иногда разводят водой для достижения оптимальной влажности 85%. Для большей эффективности к животным отходам добавляют растительные компоненты.
  • Биомасса попадает в реактор и разогревается. При температуре 35-38°С бактерии активируются и начинают активно перерабатывать отходы. В результате их жизнедеятельности вырабатывается газ. Поток сырья должен быть постоянным, чтобы обеспечить микроорганизмы необходимым количеством корма. Всю эту массу периодически перемешивают, чтобы равномерно распределить бактерии в емкости. Микроорганизмы выделяют до 80% всего биогаза, производимого установкой. Оставшаяся часть метана вырабатывается в дображивателе.
  • Для сбраживания птичьего помета и спиртовой барды эти субстраты смешивают с силосом или навозом или помещают в дополнительный реактор гидролиза и регулируют кислотность среды.
  • Биогаз собирается в газгольдере, а затем очищается. Например, от серы газ очищают специальные бактерии, которые заселяют поверхность утеплителя, уложенного на деревянный балочный свод внутри реакторов и дображивателей. Чтобы очистить биогаз до уровня природного газа, нужно установить дополнительное дорогостоящее оборудование.
  • После очистки газ отправляют в котел или электрогенератор, где он преобразуется в тепло- или электроэнергию.
  • Образовавшиеся в процессе биораспада удобрения делятся на жидкую и твердую фракцию с помощью сепаратора и накапливаются в специальной емкости.

РАСЧЕТ ВЫХОДА БИОГАЗА В ГОД

Исходное качество сырья не влияет на то, как работает установка — биогаз можно получить из любого вида органики:

  • навоза и птичьего помета
  • отходов животноводства
  • фруктового, ягодного и овощного жома
  • силоса
  • сточных вод
  • водорослей и т.д.

При переработке тонны отходов жизнедеятельности животных добывается до 60 м³ биогаза из установки, силоса и ботвы — до 400 м³. При этом 1 м³ эквивалентен 0,8 м³ природного газа. 1 м³ продукта позволяет получить 2 кВт/ч тепловой или электрической энергии.

Объем выхода биогаза зависит от типа сырья и размера загрузки. Подробная информация о количестве метана, который вырабатывается при переработке того или иного вида отходов, представлена в таблице.

Расчет рентабельности биогазовой станции

В компании «Трансутилизация» можно купить биогазовую установку различной мощности для крупных животноводческих предприятий и небольших частных ферм. Агрегат позволяет получить из отходов тепло- и электроэнергию, топливо для автомобиля, а также высокоэффективные удобрения. Причем сырье для переработки бесплатное. Срок окупаемости цены биогазовой установки составляет около 3-5 лет.

Цена биогазовой установки зависит от ее комплектации и производительности. Стоимость рассчитывается индивидуально при обсуждении проекта.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Биогазовые установки в России не так распространены как в Европе. Они действуют в Московской, Белгородской области, республике Татарстан, однако, показывают хорошие результаты. Использование биогаза как альтернативного источника энергии, позволяет:

  • получить новый, более дешевый источник тепло- и электроэнергии
  • сократить расходы на покупку удобрений
  • сократить выбросы метана в атмосферу, разгрузить свалки, очистить сточные воды

Полученной энергии хватит не только на сам производственный комплекс, но и на прилегающие населенные пункты: медицинские учреждения, детские сады, школы и жилые дома.

Оборудование для биогаза можно установить в любом регионе, однако требуется постоянная бесперебойная поставка сырья. Поэтому биогазовые установки часто размещают вблизи с фермами и в местах, где развито сельское хозяйство и животноводство. Размещать такой объект в городе не имеет смысла. Другой недостаток — это наличие примесей в газе, которые негативно влияют на металлические детали двигателя автомобиля. Из-за этого для производства топлива, требуется глубокая очистка биогаза, а это дополнительные расходы. Также станции не очень выгодно ставить в холодных регионах, так как придется тратить много энергии на подогрев реактора и поддержание оптимальной температуры.

Перспективы перехода на возобновляемые источники энергии в селах Кыргызстана

Биогазовые установки являются наиболее быстро окупаемыми возобновляемыми источниками в условиях Кыргызской Республики. Однако, как и в случае со всеми возобновляемыми источниками, необходимы большие инвестиции на их строительство. Когда имеет смысл инвестировать в биогазовую установку?

Давайте рассмотрим пример самой новой биогазовой установки в КР — первой, построенной в Баткенской области. Акбарали Жороев — владелец известного кафе «Техас», рассказывает: «Я начинал бизнес со строительства туалета – чистого и современного туалета на трассе Ош-Исфана. Специально покупал сантехнику, все делал качественно, даже сеточки на окна установил для того, чтобы не было внутри насекомых. Затем мы начали строить кафе, расширялись, построили гостиницу. Мы стараемся предоставлять качественные услуги. Например, мы продаем кефир собственного изготовления. Подаем в многоразовой посуде. Клиентам так нравится наш вкусный кефир, что многие прямо с порога заказывают несколько порций». Кафе «Техас» продолжает расширять свой бизнес в сторону возобновляемых источников энергии, таких как биогазовые установки.

Основными клиентами «Техаса» являются местные жители и те, кто проезжает по трассе Ош-Исфана. Кроме кафе, Акбарали владеет торговыми площадями для продуктов питания и продажи скота, где постоянно содержится крупный рогатый скот. Черешневый и абрикосовый сад площадью 2 гектара на 500 деревьев — самое последнее дополнение к его хозяйству.

Перед тем, как принять решение о строительстве установки, Акбарали получил консультацию в рамках проекта ПРООН- Фонда международного развития ОПЕК (OFID) «Развитие малого и среднего бизнеса для доступа к энергии» по возможностям использования продуктов биогазовых технологий в бизнесе, однако он и сам уже сделал основные экономические расчеты.

 «Про биогазовые установки я знаю давно – по образованию я агроном. Давно хотел построить безотходное собственное производство, и вот, наконец-то появилась такая возможность» — поделился Акбарали. Одной из ключевых задач, которую хочет решить Акбарали с помощью биогазовой установки – это повышение урожайности сада с помощью биоудобрений. Кроме того, он планирует снизить затраты на закупку угля и электричества для отопления и приготовления пищи в кафе, путем перехода на экологически чистые возобновляемые источники энергии,  используя произведенный биогаз.

В Кыргызстане есть собственный производитель биогазовых установок, работающий на рынке более 20 лет. При поддержке различных проектов ПРООН, ОФ «Флюид» внес вклад в развитие биогазовых технологий не только в Кыргызстане и в Центральной Азии, но и в далекой Северной Корее. 

Подходящий размер установки, измеряемый в кубометрах реактора, можно рассчитать, исходя из количества голов КРС – по 1 кубу на голову.  Самые лучшие результаты по производству биогаза, получаются при использовании смеси различных видов отходов – навоза, зеленых и пищевых отходов.

Согласно Национальному статистическому комитету Кыргызской Республики, на 2019 год в Кыргызстане насчитывалось 1,680,750 голов КРС. Переработка всех собираемых отходов животноводства в Кыргызстане позволит получить до 16 миллионов тонн жидких удобрений и полностью удовлетворит потребности сельского хозяйства республики.

По расчетам, приводимым в переизданном в 2017 году Руководстве по биогазовым технологиям, впервые разработанном при поддержке ПРООН еще в 2006, одновременно с получением жидких удобрений в результате анаэробной переработки отходов животноводства будет получено 268 миллионов биогаза в год, или 745 тысяч м3 биогаза в день для обеспечения бытовых энергетических нужд и потребностей в моторном топливе сельского населения.

Такого количества биогаза, после вычета биогаза идущего на подогрев сырья в реакторе, будет достаточно для отопления 2,6 миллионов м2 жилых и производственных площадей, то есть 52 тысяч средних сельских домов площадью 50 м2 (около 6% сельского населения). При использовании выработанного биогаза для приготовления пищи, можно обеспечить нужды 15% сельских домохозяйств, и получить дополнительные выгоды от сохранения лесов, сокращения выбросов парниковых газов и облегчения женского труда. 

Биогазовая установка (БГУ) для ИП Жороева рассчитана на переработку отходов 50 голов КРС и стоит около 23,5 тысяч долларов США. Для снижения стоимости установок для их производства можно использовать уже имеющиеся у заказчика емкости или другие необходимые материалы – при желании он может сам производить закупки согласно предоставляемой спецификации и смете. Большим подспорьем для Акбарали стала помощь, полученная от программы развития бизнеса ЕБРР, которая поддержала оплату 75% от суммы консультационных услуг по строительству БГУ.

В конце марта 2020 установка была запущена в работу и уже может перерабатывать более 3 тонн сырья (навоза с 89-92% влажностью) в сутки, производя более 3 тонн биоудобрений в сутки — достаточных для удобрения 0,5 гектара земель, а также 90 м3 биогаза, достаточного для отопления 300 м2 помещений в сутки. Производимый установкой биогаз будет использоваться Акбарали для приготовления пищи и обогрева внутренних помещений кафе. За счет собственного производства биогаза и биоудобрений, затраты на энергию можно будет снизить более, чем на 50%, а прирост урожайности черешневого сада может составить от 15% до 200%.

Избыток удобрений Акбарали планирует продавать на местном рынке, в первый год предоставляя его на бесплатной основе, для того, чтобы фермеры увидели результаты применения биоудобрений в своих хозяйствах.

Как работает биогазовая установка?

Главная часть биогазовой установки – реактор — это герметически закрытая емкость, в которой при температуре 37 ℃ происходит анаэробное сбраживание органической массы отходов с образованием биогаза. Отходы – чаще всего навоз, растительные и пищевые отходы – ежедневно собираются, измельчаются и разбавляются водой до достижения нужной влажности. После этого, готовое сырье подогревается до 20 ℃ и подается в реактор, где оно перерабатывается метановыми бактериями.

Полученный биогаз, состоящий на 65 — 70% из метана, после очистки, собирается и хранится до времени использования в газгольдере. От газгольдера к месту использования в газовых приборах биогаз проводят по газовым трубам. Кроме самостоятельного использования, можно продавать биогаз потребителями, для чего проект ПРООН-OFID «Развитие малого и среднего бизнеса для доступа к энергии» разработал национальные стандарты «Биогаз. Общие технические условия» и «Газораспределительные системы для биогаза”, технический регламент «О безопасности сетей распределения биогаза» и методику «Определения себестоимости для формирования тарифов на биогаз».

Какова эффективность биогаовых установок?

Теплотворная способность одного кубометра биогаза составляет в зависимости от содержания метана, 20-25 МДЖ/ м3, что эквивалентно сгоранию 0,6 – 0,8 литра бензина; 1,3 — 1,7 кг дров или использованию 5 — 7 кВт электроэнергии. Переработанное в реакторе биогазовой установки сырье, превратившееся в биоудобрения, ежедевно выгружается и вносится в почву или используется как кормовая добавка для животных.

Биоудобрение содержит органические вещества, которые увеличивают проницаемость и гигроскопичность почвы, предотвращают эрозию и улучшают общие почвенные условия. Органические вещества также являются базой для развития микроорганизмов, которые переводят питательные вещества в форму, легко усваиваемую растениями. Практика показывает, что урожайность растений при применении биоудобрений повышается от 15% до 200%, уничтожаются семена сорняков.

В среднем, окупаемость биогазовых установок составляет 1-2 года. Давайте сделаем расчет для конкретной устаноки Акбарали Жороева: стоимость установки – 23500 USD, плюс строительные расходы – итоговые затраты на установку составят около 30 000 долларов США. При стоимости природного газа на март 2020 равной 17,6 – 21,3 сома (0,22 – 0,27 USD) за кубометр, биогаз, при эффективности, равной 65% природного газа, будет стоить 0,14 — 0,17 USD за кубометр. В год установка Акбарали произведет 59400 м3 биогаза – или эквивалент 10000 долларов США, а также 1200 тонн биоудобрений, которые, при стоимости 6 USD за тонну, сэкономят ему 7200 долларов США.

Повышение урожайности черешневого сада даже на минимальные 15% — с 20 тонн с гектара до 23 тонн с гектара – принесет 112500 сом или 1,5 тысяч долларов США с гектара – или 3000 USD в год для хозяйства Акбарали Жороева. То есть общая ежегодная выгода от установки составит около 20000 долларов США, и окупаемость – 1,5 года.

В то же время следует понимать, что биогазовая установка – это больше живой организм, чем машина, так как главную работу по переработке отходов в ней делают метановые бактерии – чувствительные и к температуре, и к регулярному кормлению. В день необходимо тратить на обслуживание установки около 2 часов, и обслуживание должны производить обученные операторы.

Таким образом, как и любой живой организм – биогазовая установка довольно требовательна – ей нужно регулярное питание, вода, благоприятная температура, но взамен она производит энергию и питает почву, помогая снижению расходов на топливо и увеличивать качество и количество полученных урожаев. Все возможно, если у вас есть правильные стимулы и механизмы поддержки для малого и среднего бизнеса.

принцип действия, плюсы и минусы

Дата публикации: 27 февраля 2019

Среди альтернативных источников энергии биогаз выделяется тем, что для его производства нужны не столько природные ресурсы, сколько отходы различного вида производства. Это делает биогаз контролируемым человеком источником энергии. Ему не страшны ни безветрие, ни облачность. Объем необходимого для производства биогаза сырья всегда можно рассчитать заранее.

Биогазовая установка: принцип работы

Биогазовая станция перерабатывает органические отходы и производит биогаз и биомассу. Происходит это следующим образом. Когда сырье попадает в реактор, на него начинают воздействовать специальные виды бактерий — метанообразующие, кислотообразующие и гидролизные. Органическое сырье начинает бродить и разлагаться. В результате этих процессов выделяется биогаз. Под биогазом подразумевается смесь углекислого газа с метаном с небольшими вкраплениями азота, сероводорода, аммиака.

Работает биогазовый агрегат следующим образом:

  1. Накопительные емкости заполняются сырьем (это органические отходы производства, например, навоз или опилки).
  2. При необходимости сырье измельчается и перемещается в переходную емкость, где его подогревают.
  3. После этого сырьевая масса пригодна для обработки в герметичном реакторе. Там она также подогревается до 40 градусов, а также регулярно перемешивается.
  4. Далее сырьевая масса преобразуется в биоудобрение и биогаз. Время сырьевой обработки в реакторе зависит от типа сырья.
  5. Биоудобрения собираются в самом реакторе, а извлекаются только после полного завершения процесса переработки. Далее они поступают в накопительную емкость, где разделяются на твердые и жидкие. После чего их можно использовать по назначению.
  6. Биогаз под низким давлением собирается в газгольдере, затем проходит очистку, после которой либо готов к использованию, либо идет на переработку для получения тепловой либо электрической энергии.

Плюсы биогазовых установок

Биогазовые станции как источники альтернативной энергии имеют ряд преимуществ:

  • Они способны производить энергию при любых погодных условиях. Это их выгодное отличие от гелиостанций и ветрогенераторов.
  • Кроме того, в отличие от агрегатов, работающих с энергией солнца или ветра, производительность биогазовых установок всегда на высоте.
  • Они добывают энергию из доступного сырья, объемы которого неисчерпаемы. Для таких установок можно использовать органические отходы деревообработки, сельского хозяйства и пищевой промышленности.

  • Необходимое для установки сырье практически всегда бесплатно либо имеет очень низкую стоимость.
  • Являются прекрасным решением проблемы утилизации органических отходов. Это прямая экономия на строительстве очистительных сооружений. К тому же, такие установки существенно уменьшают обязательные санитарные зоны вокруг предприятий.

Минусы биогазовых установок

Как ни странно, биогазовые агрегаты имеют ряд недостатков:

  • Установка всегда должна размещаться поблизости от источников сырья, например, возле животноводческих ферм.
  • В процессе работы установки образуется газ с неприятным запахом, поэтому приходится располагать ее на достаточном расстоянии от жилья.
  • Оборудование биогазовой станции имеет высокую стоимость, а также большой срок окупаемости.
  • Домашние установки не могут служить основным источником энергии для бытовых нужд, поскольку маленькие хозяйства не производят достаточного количества органических отходов.
  • Хотя биогаз считается экологичным видом топлива, при сгорании он выделяет какую-то долю вредных веществ. Это его отличие от, например, топлива из опилок.

Станции по производству биогаза уместны там, где есть достаточное количество сырья. Это главное условие постройки или приобретения такого агрегата. Сферы применение биогазовых установок достаточно широкие. Они нужны на животноводческих фермах, сельскохозяйственных предприятиях, на пищевых фабриках, на деревообрабатывающих заводах и просто в домашних хозяйствах. Сам биогаз используется для получения тепловой и электрической энергии, заправки газовых плит и автомобилей.

Код ТН ВЭД 2844500000. Элементы отработанные (облученные) тепловыделяющие (твэлы) ядерных реакторов. Товарная номенклатура внешнеэкономической деятельности ЕАЭС

Позиция ТН ВЭД
  • 28-38

    VI. Продукция химической и связанных с ней отраслей промышленности (Группы 28-38)

  • 28

    Продукты неорганической химии; соединения неорганические или органические драгоценных металлов, редкоземельных металлов, радиоактивных элементов или изотопов

  • . ..

    VI. РАЗНЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОДУКТЫ

  • 2844 …

    Элементы химические радиоактивные и изотопы радиоактивные (включая делящиеся или воспроизводящиеся химические элементы и изотопы) и их соединения; смеси и остатки, содержащие эти продукты

  • 2844 50 000 0

    отработанные (облученные) тепловыделяющие элементы (твэлы) ядерных реакторов


Позиция ОКПД 2
Таможенные сборы Импорт
Базовая ставка таможенной пошлины 5%
реш. 80
Акциз Не облагается
НДС

20%

Экспорт
Базовая ставка таможенной пошлины Беспошлинно
Акциз Не облагается

Рассчитать контракт

Особенности товара

Загрузить особенности ИМ Загрузить особенности ЭК

Принципы проектирования и оптимизации биогазовых реакторов для крупномасштабных приложений

  • Содержание главы
  • Содержание книги
https://doi. org/10.1016/B978-0-444-59566-9.00004-1Получить права и содержание

Биореакторы представляют собой механические сосуды, которые поддерживают и контролируют биологический рост организмов и культивирование биохимически активных веществ из таких организмов. В этой главе основное внимание уделяется применению и прогрессу исследований биореакторов в производстве биогаза и/или биометана.Чтобы удовлетворить растущие потребности крупномасштабных приложений, повысить производительность биогаза и снизить потребление энергии, биогазовые реакторы были химически спроектированы для оптимизации нагрева и смешивания и управления путями реакции. Эти модификации позволяют увеличить производительность биогаза более чем в десять раз по сравнению с простейшими биореакторами, такими как бытовой ферментер и анаэробная лагуна. В лаборатории исследователи добились значительного прогресса в дальнейшем повышении эффективности анаэробного сбраживания и производства энергии в усовершенствованной конструкции биореактора за счет внедрения функциональных материалов для иммобилизации микробного консорциума, концентрации метана на месте и контроля пути биохимической реакции. Конструкция реактора, оптимизация и принципы химической технологии биореакторов обсуждались с использованием лабораторных исследований и крупномасштабных приложений. Моделирование (например, моделирование кинетики и вычислительное гидродинамическое моделирование) предоставляет полезную информацию для проектирования и оптимизации биогазовых реакторов и помогает выявить основные механизмы по сравнению с экспериментами, также рассмотренными в этой главе.

Ключевые слова

Биоэнергетика

Биогаз

Биореактор

Химическая технология

Компьютерное моделирование

Рекомендуемые статьиЦитирование статей (0)

Copyright © 201 Elsevier B.В. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Биогазовый реактор предлагает путь к децентрализации «зеленого» производства водорода | News

Водород обладает большим потенциалом в качестве экологически чистого топлива, но необходимо решить несколько проблем, прежде чем произойдет его широкое распространение. Компактная установка по производству водорода, разработанная Техническим университетом (ТУ) Граца и отраслевыми партнерами, может стать ответом на некоторые из этих проблем.

На заводе используется метод химического цикла для извлечения водорода из метана, полученного из сельскохозяйственных отходов на местной биогазовой установке Ökostrom Mureck.Он все еще находится на стадии пилотного проекта, но стартап из Граца Rouge h3 Engineering, участвующий в проекте, надеется запустить больше таких мини-заводов в будущем. «Заинтересованность есть, это я точно могу подтвердить, — говорит Кристиан Легерер, менеджер инженерных проектов компании.

Большая часть «зеленого» водорода в настоящее время производится с использованием электролиза и возобновляемых источников энергии. Но это сопряжено с недостатками. Не всегда можно полагаться на излишки возобновляемой энергии, и они могут быть дорогими.Этот процесс также не является углеродоотрицательным, в отличие от процесса химического образования петель.

Себастьян Бок, научный сотрудник Технического университета Граца, который работал над проектом, говорит, что установка сначала преобразует метан в синтез-газ — смесь водорода и монооксида углерода — с помощью пара, а затем продукты идут на восстановление железа в реакторе. Второй этап включает в себя введение высокотемпературного пара. Кислород из воды связывается с восстановленным железом, выделяя при этом водород. Этот процесс окисляет железо, замыкая «петлю».

«Поскольку на втором этапе мы обеспечиваем реактор только паром, мы напрямую производим чистый водород», — говорит Бок, объясняя, что это преимущество их процесса и привлекательность для промышленности, поскольку второй этап очистки не требуется.

Существует несколько проблем, которые в настоящее время сдерживают более широкое использование водорода. «Он должен быть очень холодным или находиться под очень высоким давлением, чтобы получить приличное количество водорода в пригодном для использования объеме», — объясняет Майк Мейсон, председатель и организатор рабочей группы по экологическому аммиаку в Великобритании, который также инвестирует в количество предприятий зеленых технологий.

«Он невероятно энергоемкий в пересчете на килограмм сырого водорода, но если принять во внимание весь комплект, необходимый для поддержания его в пригодном для использования состоянии, это не так», — добавляет он. «У него также есть неприятная привычка просачиваться между кристаллами стали, которые его содержат, и делать его хрупким, что вызывает всевозможные проблемы».

Децентрализация производства водорода может решить некоторые из этих проблем, поскольку снижает потребность в длительном хранении или транспортировке. Это также может быть полезным дополнительным бизнесом для биогазовых установок в таких странах, как Австрия и Германия, многие из которых могут работать только благодаря обширным субсидиям из ЕС.

Хотя зеленый водород недешев, Легерер говорит, что затраты могут быть относительно низкими — менее 4,50 евро/кг (3,85 фунтов стерлингов/кг) — по сравнению с электролизом. Этот метод также может улавливать побочный продукт двуокиси углерода в будущем, поскольку он будет производиться в чистом потоке, что, по мнению разработчиков, будет более востребовано в будущем по мере роста улавливания и хранения углерода.

У этой системы, безусловно, есть потенциал, но успех ее в более широком масштабе или нет в будущем во многом зависит от того, удастся ли убедить промышленность использовать ее, говорит Мейсон.«Я бы задал вопрос: «Какую проблему это решает?» Это все очень хорошо, производя водород в небольших количествах на месте, но что вы собираетесь с ним делать? Кому это нужно? — добавляет он.

Новое понимание микробиома биогаза благодаря комплексной метагеномике с разрешением генома почти 1600 видов, происходящих из нескольких анаэробных ферментаторов | Биотехнология для биотоплива и биопродуктов

Отбор общедоступных метагеномов и обработка данных

Чтобы получить обзор микробиома AD, были отобраны 18 экспериментов, опубликованных в период с 2014 по 2019 год.К ним относятся 134 образца, некоторые из которых представляют собой биологические повторы (рис. 1). В настоящем исследовании были рассмотрены только эксперименты, проведенные с использованием технологии секвенирования Illumina, чтобы облегчить процесс сборки и группирования. Среди этих наборов данных были рассмотрены как лабораторные, так и полномасштабные биогазовые установки, питаемые рядом различных субстратов, поэтому результаты работы отражают широкий спектр микробиомов, находящихся в таких инженерных системах. Большинство проб было отобрано из реакторов, эксплуатируемых в Дании (68%), в то время как остальные были получены из Германии (9%), Канады (7%), Японии (7%), Испании (4%), Швеции (3%) и Китай (2%) (Дополнительный файл 1).Большинство проб было отобрано из лабораторных биогазовых реакторов и периодических испытаний, в то время как другие пробы были получены из 23 полномасштабных биогазовых установок, расположенных в Европе.

Рис. 1

Дерево представляет собой представление значений β-разнообразия, определенных при сравнении выборок. Температура реактора и подаваемые субстраты указаны во внешних кругах. График гистограммы во внешнем кольце представляет значения альфа-разнообразия по Фишеру

Микробный состав был первоначально определен с учетом несобранных считываний, и это выявило заметные различия между образцами, которые были разделены на 35 групп (подробности приведены в дополнительном файле 2). Это микробное разнообразие также хорошо видно на рис. 2, где разные образцы соединены дугами разного цвета в зависимости от доли общих видов.

Рис. 2

Представление доли МАГ, «распределенной» между образцами. Дуги, окрашенные от черного до темно-красного цвета, соединяют образцы с увеличивающейся долей общих МАГ. Образцы во внешнем круге окрашены в соответствии с температурой реактора

. Последующий подход к группированию был выполнен независимо для каждой сборки из 35 групп, в результате чего было получено в общей сложности 5194 MAG (таблица 1).Данные о метагеномных сборках и количестве MAG, собранных в процессе биннинга, подробно представлены в дополнительном файле 3. Те MAG, характеризующиеся полнотой (Cp) ниже 50% и/или степенью загрязнения (Ct) выше 10%, были отброшены. Остальные MAG были дереплицированы с помощью значения ANI совокупного генома, уменьшив количество до 1635 уникальных «видов» (таблица 1; рис. 3; дополнительный файл 4). При рассмотрении всех 134 образцов в среднем 89% прочтений были последовательно выровнены по 1635 MAG, что позволяет предположить, что полученный набор данных охватывает большую часть доступной информации о секвенировании.Полученные результаты были очень похожи, когда были выбраны только HQ MAG. Степень новизны нашего исследования определялась путем сравнения с МАГ, ранее выделенными из среды БА [11, 33, 34] (https://biogasmicrobiome.com/). Наше исследование показало улучшение качества (увеличение Cp и/или снижение Ct) 75% MAG, уже присутствующих в общедоступных репозиториях, и добавило 1228 «новых видов», постоянно улучшая весь микробиом биогаза (дополнительный файл 5).

Таблица 1 Количество MAG, отнесенных к разным категориям в зависимости от их качества Рис.3

Коробчатые диаграммы размера и полноты генома. a Размер генома и b полнота 1635 выбранных MAG. c Точечная диаграмма, показывающая полноту и уровни контаминации для каждого MAG (размер круга пропорционален длине генома)

Структура микробного сообщества

Анализы, выполненные с использованием MiGA, показали, что соответствующая часть геномов принадлежит таксономическим группам для которых геномы типового материала отсутствуют в базе данных геномов NCBI. В частности, 0,2% MAG не могут быть отнесены к известным типам, 11,6% к известным классам, 69,7% к отрядам, 71,3% к семействам, 92,1% к родам и 95,2% к видам. Это свидетельствовало о том, что настоящее геномоцентричное исследование позволило заполнить заметный пробел в знаниях о микробном сообществе БА. Был создан специальный проект, позволяющий восстановить как геномные последовательности MAG, так и их таксономическое назначение «http://microbial-genomes.org/projects/biogasmicrobiome».

Кроме того, для определения таксономического положения MAG использовалась процедура, основанная на четырех различных доказательствах (Дополнительный файл 2).Только 69 из 1635 MAG были отнесены к известным видам на основе сравнения ANI, проведенного с учетом геномов, депонированных в NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/microbes/) (дополнительный файл 4). Кроме того, подавляющее большинство полученных MAG (1574) были отнесены к домену Bacteria и только 61 к Archaea и распределены по 55 различным типам, как показано на рис. 4. Однако наши данные аналогичны ранее полученным. с помощью анализа на основе маркерных генов [35] фактически подавляющее большинство видов было классифицировано как принадлежащее к типу Firmicutes (790 MAG), за которым следуют Proteobacteria (137 MAG) и Bacteroidetes (126 MAG).Бактериальный тип Firmicutes , который является наиболее распространенным таксоном в микробиоме биогаза, варьировался от 1,3% до 99,9% микробного сообщества (дополнительный файл 2: рисунок S1 и дополнительный файл 6). Почти в 40% всех проанализированных образцов Firmicutes не были доминирующим таксоном, но Bacteroidetes , Coprothermobacter , Actinobacteria , Thermotogae и Chloroflexi стали преобладающими. .Интересно, что в реакторах, где ни один из ранее упомянутых таксонов не был доминирующим, микробные виды, принадлежащие к филам-кандидатам радиации (CPR) и другим таксонам-кандидатам, достигли высокой относительной численности, как это было в случае с Candidatus Cloacimonetes (15,7%), Ca . Fermentibacteria (16,4%), Ca. Roizmanbacteria (19%) и Ca. Saccharibacteria (16,4%) (Дополнительный файл 6). Высокая относительная численность еще не культивируемых таксонов предполагает, что они могут играть важную роль в микробном сообществе.Некоторые виды, связанные с СЛР, были выявлены в ходе нашего исследования и предварительно отнесены к Saccharibacteria (8 MAG) и Dojkabacteria (8 MAG), Microgenomates (1 MAG) и Peregrinibacteria (1 MAG).

Рис. 4

Таксономическое назначение MAG. Дерево максимального правдоподобия было выведено из конкатенации 400 таксономических информативных белков и охватывает дереплицированный набор из 61 архейного и 1574 бактериальных MAG. Внешние круги представляют, соответственно: (1) таксономическое отнесение на уровне типа, (2) размер генома (гистограмма), (3) тепловая карта, представляющая количество экспериментов, в которых каждый MAG имел численность выше 0. 001% (от синего 0% до красного 10%), (4) среднее содержание (от синего 0% до красного 10%) и (5) максимальное содержание, определенное среди всей серии экспериментов (от синего 0% до красного 10% )

Что касается метаногенного сообщества, то было показано, что микробиом БА почти исключительно представлен типом Euryarchaeota (53 MAG).

Влияние условий окружающей среды на состав микробиома

Было показано, что применяемые условия окружающей среды (напр.например, температура) или конструкция реакторов (например, биопленка) во многом определяют микробное разнообразие и свойства этой экосистемы. Например, соотношение « бактерий/архей », имеющее медианное значение ~ 14, сильно варьировало (дополнительный файл 2: рисунок S2). Помимо ацидогенных реакторов, где процесс метаногенеза не обнаруживался (например, «LSBR-DSAc-preh3» и «LSBR-DSAc-posth3»), был сделан вывод, что в 7,7% всех образцов численность архей была ниже 1% и, следовательно, Соотношение « Бактерии/Археи » превысило 100. Однако Archaea преобладали в нескольких реакторах, проанализированных в этом исследовании, и в 3% всех образцов их численность превышала численность Bacteria с соотношением ~ 0,5 в образце биопленки, собранном из реактора, в который подается ацетат (« LSBR-D200-ДНК-БФ»). Ацетат является очень важным «метаногенным субстратом» и может быть непосредственно преобразован в метан ацетотрофными археями. Таким образом, доминирование Archaea в микробном сообществе является разумным выводом, о чем свидетельствуют некоторые образцы настоящего исследования.Сложная комбинация факторов, таких как наличие биопленки, вероятно, способствует этой несбалансированной пропорции соотношения « Бактерии / Археи ». Принимая во внимание только биогазовые установки, соотношение держится в более узком диапазоне, но все же оно очень гибкое (от 470 в Нистеде до 3,4 в Виласане) (дополнительный файл 2: рисунок S2).

Кроме того, мы рассчитали вариации численности для каждого MAG в образцах AD, а также их таксономическую принадлежность. Количество МАГ в каждой пробе оценивали, считая «присутствующими» те, содержание которых превышает 0,001%. Этот анализ показал, что состав микробного сообщества сильно различался в зависимости от происхождения каждого образца AD вследствие работы реактора, производительности и исходного сырья (рис. 1, 2 и дополнительный файл 2: рисунок S3). Количество обнаруживаемых видов в микробиоме колебалось от 79 (альфа-разнообразие Фишера 4,4) до 1213 (альфа-разнообразие Фишера 133).8) (Дополнительный файл 7). Согласно предыдущим данным [6, 9], термофильные реакторы имеют меньше видов, чем мезофильные ( p  < 0,001). Среди термофильных реакторов в этом исследовании те, которые характеризуются очень большим количеством видов, питались навозом или смесью навоза и сельскохозяйственного сырья, в то время как реакторы с меньшим количеством видов питались упрощенными субстратами, такими как сырная сыворотка, ацетат или глюкоза (). р  < 0,001). Это говорит о том, что процесс AD может поддерживаться менее чем 100 видами, когда исходное сырье в основном состоит из одного соединения. Наоборот, разложение сложных субстратов (таких как осадок сточных вод или навоз) требует сотрудничества большой группы микробов, включающей более 1000 видов. Анализ MAG, общих для разных образцов (рис. 2), показал, что термофильные реакторы, как правило, имеют больше видов, чем мезофильные системы, что может быть связано с селективным давлением, создаваемым высокой температурой роста. Несмотря на то, что сырье является основным фактором, определяющим структуру сообщества, ранее было показано, что первоначальный инокулят играет важную роль, сохраняясь в течение нескольких месяцев даже после смены корма [36].Кроме того, сырье вносит свой вклад в состав сообщества с точки зрения иммигрантов микробов, которые частично участвуют в формировании окончательного микробиома.

Кластерный анализ был выполнен как на уровне индивидуального содержания MAG, так и на уровне образца (дополнительный файл 2: рисунок S3), чтобы проверить MAG и образцы, имеющие аналогичные профили содержания, соответственно. Это позволило разделить MAG на две основные группы: «G1» включает в основном Chloroflexi и Bacteroidetes , тогда как «G2» включает в основном Firmicutes .Кластеризация образцов выявила три основные группы: «С1», включающие реакторы, питаемые осадком сточных вод, «С2», питающиеся «упрощенными субстратами», и «С3», питающиеся только навозом. Аналогичная классификация показана на рис. 1, что указывает на то, что температура и питательный субстрат были основными движущими силами диверсификации микробиома БА [3, 35, 37, 38]. Кроме того, анализ главных координат (PCoA), проведенный с учетом состава микробиома, происходящего из различных сред БА, выявил четкое разделение образцов на три группы, одна из которых образована термофильными реакторами, питаемыми смесью углеводов и ДЦЖК, другая образована термофильными реакторами, питаемыми смесью углеводов и ДЦЖК. ацетат и лактоза, а третий представлен мезофильными образцами (дополнительный файл 2: рисунок S4 A–C).Это согласуется с предыдущими данными [3, 4], показавшими преимущественно специализированные микробные сообщества в зависимости от температурного режима. Высокая неоднородность метаданных, сопровождающих эксперименты, свидетельствует о важности установления общих рекомендаций относительно параметров, которые необходимо регистрировать в процессе AD. Эти стандарты упростят сравнение между проектами и позволят установить связь между метаданными и микробным составом.

Принимая во внимание концепцию «основного микробиома», означающую, что некоторые виды присутствуют в микрокосме анаэробного пищеварения независимо от применяемых параметров окружающей среды, мы идентифицировали лишь несколько MAG в нескольких образцах (дополнительный файл 2: рисунок S3; дополнительный файл 8).Учитывая большое количество MAG (относительное количество более 1%), только 25 из них присутствовали в более чем 10% образцов, а 1246 считались низкими (менее 1%) (дополнительный файл 2: рисунок S5). Среди 25 богатых MAGS, четыре метаногенных Археи были идентифицированы, а именно Candidatus Methanoculleus thermohydrogenotrophicum AS20ysBPTH_159, Methanosarcina thermophila AS02xzSISU_89, Methanothrix soehngenii AS27yjCOA_157 и Methanoculleus thermophilus AS20ysBPTH_14. Остальные 21 MAG были отнесены к типам Firmicutes (14 MAG), Bacteroidetes (2 MAG), Synergistetes (2 MAG), Thermotogae (1 MAG) и Coprothermo94ta 100MAGbacterota. Интересно, что Defluviitoga tunisiensis AS05jafATM_34, один из семи МАГ филума Thermotogae , идентифицированных в этом исследовании, присутствовал в высокой численности (в среднем 2,1%; максимум 58,9%). Широко распространенная идентификация этого вида в реакторах предполагает его центральную роль в термофильной системе AD, возможно, связанную со специфическим метаболическим потенциалом, связанным с системами транспорта сахаридов, полиолов, липидов (дополнительный файл 9) и производством водорода [39].Анализ MAG с низким содержанием (порог 0,001%) показал, что 94% этих таксонов присутствовали более чем в 10% образцов, а в этой группе статистически преобладали типы Chloroflexi , Elusimicrobia , . Фирмикуты и Плантомицеты ( p  < 0,01). Это открытие указывает на то, что многие MAG широко распространены в глобальном микробиоме AD, но они присутствуют в очень низкой относительной численности. В отличие от других экологических ниш (например,г., кишечник человека) «основной микробиом», присутствующий во всех реакторах, не был четко идентифицирован. Однако существование отдельных основных микробиомов, характеризующих группы реакторов со схожими характеристиками (например, сырьем или температурой), более реалистично, как это также предполагалось ранее [35].

Функциональный анализ микробиома

Реконструкция метаболического пути и интерпретация биологической роли 1401 HQ и MHQ MAG были выполнены с применением набора функциональных единиц, называемых модулями KEGG.Анализ был выполнен на 610 модулях, и было установлено, что 76,2% из них «завершены» по крайней мере в одном MAG, 10,1% не хватает в лучшем случае одного блока (1 bm) и 2,5% не хватает в лучшем случае двух блоков (2 bm). В следующих разделах будут рассматриваться только полные модули и модули «1 bm». Распределение и полнота модулей указывали на то, что очень небольшое их количество широко распространено в МАГ, в то время как большинство имеет разрозненное распределение по наличию/отсутствию (рис. 5). Кроме того, примечательна ассоциация многих модулей с некоторыми конкретными таксонами; фактически была обнаружена сильная корреляция между кластеризацией на основе наличия/отсутствия модулей и таксономической принадлежностью MAG (рис.5; Дополнительный файл 10).

Рис. 5

Иерархическая кластеризация «полных» и «1 bm» модулей KEGG, идентифицированных в HQ и MHQ MAG. В правой части рисунка показана таксономическая принадлежность наиболее представленных типов. Модули KEGG, специально идентифицированные в выбранных типах, выделены

Основные функции в пищевой цепи анаэробного пищеварения

Первоначальная оценка была сосредоточена на идентификации MAG, имеющих специфический модуль KEGG. Принимая во внимание как полные модули, так и модули «1 bm», только 15 «основных модулей» были идентифицированы в более чем 90% MAG HQ-MHQ. К ним относятся, например, «взаимопревращение C1-звеньев», «биосинтез PRPP», «гликолиз, основной модуль с участием трехуглеродных соединений». Другие 223 «мягких основных модуля» присутствовали в 10-90% MAG HQ-MHQ. Наконец, 289 «модулей оболочки» были идентифицированы менее чем в 10% MAG, в том числе связанные с «метаногенезом», «редуктивным цитратным циклом» и «путем Вуда-Льюнгдала (W-L)». Высокая доля модулей «мягкое ядро» и «оболочка» выявила узкоспециализированное микробное сообщество с небольшим количеством видов, выполняющих важные функции, такие как метаногенез.Полученные результаты выявили наличие небольшой доли «многофункциональных МАГ» (~ 1,6%) с закодированными более чем 180 модулями. Эти микробы в основном связаны с определенными таксонами, и, учитывая MAG HQ-MHQ, они составляют 8,6% из Proteobacteria , 14,3% из Chloroflexi , 7,7% из Planctomycetes . Таким образом, микробиом БА обычно включает «олигофункциональные» МАГ, для которых характерно наличие менее 80 модулей. Таксономическое распределение 89 «олигофункциональных» MAG HQ продемонстрировало, что они были типоспецифичны, представляя 91.7% HQ Tenericutes , 32,2% HQ Euryarchaeota и 19,7% HQ Bacteroidetes .

Фиксация углерода и метаногенез

Особое внимание было уделено модулям, связанным с «обменом метана», и особенно превращению различных субстратов (двуокиси углерода, ацетата, метиламинов и метанола) в метан. Эти модули были идентифицированы с разной частотой в микробиоме БА. Восстановление диоксида углерода было выявлено в 29 МАГ, превращение ацетата в 25 МАГ, восстановление метанола в 40 МАГ и превращение метиламина в метан в 17 МАГ.

Помимо фундаментальной роли метаногенеза в системе AD, превращение ацетата, двуокиси углерода и водорода может происходить по разным путям и может сильно зависеть от условий окружающей среды. С практической точки зрения эти потоки представляют особый интерес для применения новейших технологий, таких как биометанизация или биоаугментация. Что касается модулей, связанных с фиксацией углерода, то чаще встречались пути фосфатацетилтрансферазы-ацетаткиназы (ацетил-КоА ⇒ ацетат), идентифицированные в 1155 MAG (82.4%) с 988 MAG, кодирующими полный модуль, восстановительный путь ацетил-КоА (также называемый путем Вуда-Льюнгдала), идентифицированный в 86 MAG (5,8%), из которых 52 кодируют полный модуль, и восстановительный пентозофосфатный цикл (рибулоза-5P). ⇒ глицеральдегид-3P), идентифицированный в 128 MAG (9,1%), из которых 42 кодируют полный модуль. Путь W-L присутствует только в 0,49% микробных геномов, депонированных в базе данных KEGG; в частности, доказано, что этот путь более распространен среди представителей микробиома AD.Таксономическое распределение 86 MAG, кодирующих путь WL, в основном ограничено Firmicutes (75,6%), за которыми следуют Chloroflexi (9,3%), Proteobacteria (7%), Euryarchaeota (3,4%) и . Актинобактерии (2,3%). Ранее сообщалось о функциональной активности и синтрофной ассоциации с метаногенами для некоторых из этих видов (например, Tepidanaerobacter syntrophicus , Syntrophorhabdus flavorivorans и Desulfitobacterium dehalogenans ) [40,41,42]. Однако подавляющее большинство ранее не было охарактеризовано на уровне генома, что позволяет предположить, что потенциальный синтрофический окислитель ацетата (SAO) или ацетогенный метаболизм присутствуют у многих неизвестных видов. Большинство MAG, кодирующих путь W-L (предполагаемые SAO-бактерии или ацетогены), редко встречаются в микробиоме и в среднем не превышают 1% относительной численности. Однако при определенных условиях они могут стать доминирующими, как, например, Firmicutes sp. AS4GglBPBL_6 (относительная численность 24,8% на биогазовой установке Fangel), Firmicutes sp.AS02xzSISU_21 (32% в реакторе с Avicel) и Firmicutes sp. AS4KglBPMA_3 (12% на биогазовой установке Nysted). Эта информация весьма полезна для разработки стратегий биоаугментации, нацеленных на биогазовые реакторы, которые питаются субстратами, богатыми азотом/аммиаком. Интересно, что биогазовая установка Fangel показала высокий уровень общего аммиака в процессе отбора проб (4,2 г/л) [43] (дополнительный файл 1). Это указывает на то, что, несмотря на то, что бактерии SAO обычно присутствуют в небольшом количестве, параметры окружающей среды реакторов могут сильно влиять на их численность и, возможно, на их активность.В частности, высокие концентрации ацетата могут нарушать ацетокластический метаногенез, что приводит к сдвигу в сторону процесса SAO в сочетании с гидрогенотрофным метаногенезом. Несмотря на то, что трудно классифицировать виды, упомянутые выше, как SAO или ацетогены, этот результат может обеспечить более точную оценку доли бактерий, участвующих в превращении ацетата, и может помочь в построении более точной математической модели процесса AD.

Относительное содержание модулей KEGG

Учитывая относительный процент HQ MAG в каждом состоянии, а также полноту модулей KEGG, можно было оценить относительное содержание каждого модуля во всех образцах (Дополнительный файл 11).Хотя измерения на уровне РНК/белка необходимы для получения прямой информации об активности сигнальных путей, очевидно, что разные образцы имеют сильно различающееся представление важнейших модулей KEGG (рис.  6). Примечательно, что относительное содержание МАГ, потенциально связанных с гидрогенотрофным и ацетокластическим метаногенезом, сильно различается между образцами. В частности, в биогазовых установках, характеризующихся низким TAN (1,9–2 мг/л) (например, «BP-Gimenells» и «BP-LaLlagosta»), благоприятствует ацетокластический метаногенез, а соотношение ацетокластический/гидрогенотрофный равно 0.94 и 0,99, тогда как в биогазовых установках с высоким ОАЧ (4–7 мг/л) (например, «БП-Виласана», «БП-Торрегросса» и «БП-Фангел») соотношение ацетокластические/гидрогенотрофные составляет 0,16, 0,21. , 0,02. При анализе реакторов, в которых сообщалось об уровне аммиака, действительно была обнаружена значительная корреляция (R 2 0,62, p 9,3 E -5 ) между концентрацией аммиака и соотношением «ацетокластический/гидрогенотрофный». Кроме того, наблюдается высокий уровень ацетокластического метаногенеза в реакторах, питаемых исключительно ацетатом, таких как «LSBR-D122-ДНК-BF-Rep1», «LSBR-D200-ДНК-BF-Rep1» и «LSBR-R3-ацетат». .Установлено, что относительное обилие метаногенных модулей сильно различается между рассмотренными образцами. Как и ожидалось, он был близок к нулю в ацидогенных реакторах (pH < 5, “LSBR-DSAc-preH 2 ” и “LSBR-DSAc-postH 2 ”) и очень высок в реакторах с ацетатом в качестве питающего субстрата (например, , «LSBR-D200-DNA-BF» или «LSBR-R1-ацетат»). Высокое содержание метаногенных модулей в последних реакторах может быть связано с непосредственным использованием субстрата ацетокластическими метаногенами с параллельным сокращением видов, кодирующих путь W-L.

Рис. 6

Представление относительного содержания соответствующих функциональных модулей в системе AD: a «метаногенез из CO 2 », «ацетат» и «метиламины» и «путь WL», b окисление path, c выбранных модулей деградации полисахаридов. Гистограмма была получена для каждого образца путем суммирования относительного содержания всех HQ и MHQ MAG, кодирующих эти «полные» и «1 bm» модули. Образцы, собранные с биогазовых установок, представлены в левой части рисунка (первые 26 образцов), а образцы, полученные из лабораторных реакторов или периодических испытаний, показаны в правой части. и специальные энергетические культуры, а также является наиболее распространенным источником углерода [44].Чтобы найти виды, участвующие в разложении сложных углеводов, для дальнейшего анализа были выбраны MAG с высоким содержанием CAZymes (p < 1*e-5) (дополнительный файл 12). Во всем мире 490 HQ MAG (35% от общего числа) обогащены одним или несколькими классами CAZymes, что свидетельствует о том, что деградация полисахаридов является одной из наиболее распространенных функциональных активностей в системе AD. Хотя разрушители полисахаридов часто связаны с Firmicutes (246 MAG) и Bacteroidetes (68 MAG), было обнаружено, что многие другие типы обогащены, и можно предположить участие в деградации полисахаридов представителей других таксонов.Например, все МАГ, принадлежащие Candidatus Hydrogenedentes , Armatimonadetes , 90% Fibrobacteres , 93% Lentisphaerae и 85% Planctomycetes . Некоторые члены таксонов CPR также связаны с деградацией углеводов, например, Candidatus Dojkabacteria .

Предварительная оценка относительного влияния процесса деградации полисахаридов на различные образцы (рис.6c) был получен путем рассмотрения относительного количества MAG, кодирующих гены для конкретной функции (например, «когезин», «докерин» или «углеводные эстеразы»). В нескольких образцах преобладают МАГ, гидролизующие полисахариды (например, «LSBR-R1-avicel»), скорее всего, потому, что они питались субстратами, богатыми целлюлозой, в то время как обычно их доля составляет менее 2%, особенно на биогазовых установках (рис. 6с). Это указывает на то, что, несмотря на большое количество МАГ, участвующих в деградации полисахаридов, относительная численность большинства видов невелика.Это может быть связано с наличием относительных по численности минорных игроков, но обладающих высокой транскрипционной активностью; если они очень активны, они могут усиливать или запускать метаболические процессы доминирующих членов. Однако для этого требуется дополнительная проверка.

Индекс репликации MAG

Анализ MAG дает представление о генетическом составе некультивируемых членов сообщества биогаза и улучшает наше понимание их вклада в процесс AD.Такой анализ может предоставить информацию, связанную с репликационной способностью определенных членов, производящих биогаз. Хотя к полученным результатам следует относиться с осторожностью, индекс репликации бактерий дает информацию о динамике роста и жизненных циклах микробных видов, что, в свою очередь, может быть индикатором состава сообщества и активности in situ различных видов внутри подсообществ. .

Чтобы определить индекс репликации MAG в нескольких образцах, для расчета индекса репликации (iRep) использовали покрытие секвенирования, полученное в результате двунаправленной репликации генома [45].Всего было получено 2741 измерение для 538 МАГ (Дополнительный файл 13). Учитывая медианные значения iRep, определенные во всех различных образцах для каждого MAG, было очевидно, что почти 90% видов показали одинаковые значения между 1,1 и 2, и только 10% имели значения между 2 и ~ 4 и могут рассматриваться как «быстрорастущие». ». Среди быстрорастущих видов есть микробы плохо охарактеризованного филума Atribacteria ( Atribacteria sp. AS08sgBPME_53, iRep 2.9) и синтрофный вид-кандидат Defluviitoga tunisiensis AS05jafATM_34 (iRep 2.53) [39]. Результаты были получены для 28 Phyla, подтверждающих, что Tenericute , Spirochaetes , Thermotogae , Thermotogae , Synergistetes , Coprothermobistetes и Coprothermobacterota имеют в среднем высоких средних средних ценностях IREP (IREP 1.66, 1.77, 2.12, 2.53, 2.13 , 2,99 соответственно) ( p — значения 8,63E-10, 2,52E-04, 7,59E-04, 2,61E-05, 2.22E-11, 0,016), в то время как Euryarchaeota и Acidobacteria имеют низкие значения (1,37 и 1,41) ( p — значения 7,02E-05 и статистически незначимый NSS соответственно) (рис. 7a). Euryarchaeota видов, имеющих множественные источники репликации, были 18 и были исключены из анализа (дополнительный файл 2), однако к результатам следует относиться с осторожностью. MAG, принадлежащие к типам Bacteroidetes и Firmicutes , имеют схожие (и низкие) средние значения iRep (оба 1.52), за исключением некоторых исключений. В остальном значения iRep, присвоенные Synergistetes и Coprothermobacterota , распределяются в широком диапазоне, но в среднем выше, чем у других типов (2,12 и 2,99) (рис. 7). Ранее также сообщалось об ограниченной скорости роста некоторых таксонов, таких как Acidobacteria [46], и предполагалось, что это свойство препятствует их изоляции. Высокие значения iRep, измеренные здесь для некоторых известных видов, также предполагают, что их изоляция может быть проще, как предполагалось ранее [47].

Рис. 7

Диаграммы, показывающие индекс репликации для некоторых выбранных таксономических групп. Индекс репликации. a Распределение значений iRep, полученных для 538 MAG, принадлежащих к каждому из 25 типов, имеющих не менее трех MAG («н/п» относится к таксономически не назначенным MAG). b Распределение значений iRep, полученных для Euryarchaeota. MAG, имеющие только одно значение, представлены горизонтальной полосой

Наконец, был рассчитан индекс репликации Euryarchaeota (~ 1.в среднем 52) для 8 МАГ, имеющих разную способность к утилизации субстрата. Интересно, что в то время как M. soehngenii ранее определялся как медленнорастущий метаноген, специализирующийся на утилизации ацетата [48], 7 из 9 результатов iRep, полученных для M. soehngenii AS21ysBPME_11, выше, чем 2, в то время как все остальные Archaea имел значения от 1,2 до 2 (рис. 7b). Выводы, полученные для AS21ysBPME_11, указывают на то, что в сложном микробиоме скорость роста может сильно отличаться от скорости, определенной для изолированных видов в лабораторных условиях, возможно, из-за кооперативных/синтрофных ассоциаций с другими микробами или трудностей с определением подходящей среды для роста.

Наши результаты также предполагают, что скорость дублирования зависит от метаболических свойств MAG. Расчет значений iRep, выполненный независимо для MAG, кодирующих разные модули KEGG, показал, что MAG, участвующие в деградации полисахаридов, имеют довольно низкие значения iRep; это более очевидно для микробов, растущих прикрепленными к растительному материалу с когезиновыми/докериновыми доменами (iRep 1,41) ( p — значение 0,024). Эти виды представляют так называемую медленнорастущую целлюлозолитическую микрофлору [49].Виды, участвующие в «фиксации углерода» (например, «восстановительный цитратный цикл» или «путь W-L»), имеют более высокие значения (iRep 1,40; 1,53) (p-значения 1,44E-08 и NSS соответственно). Кроме того, значения iRep были получены для плохо охарактеризованных таксонов, таких как Atribacteria и Candidatus Fermentibacteria (рис. 7a), что позволяет предположить, что большинство видов являются медленно растущими членами системы AD, но с некоторыми исключениями, такими как Atribacteria. сп. AS08sgBPME_53.

Наличие значений iRep для большого числа видов и их связь с функциональными ролями микробов могут дать оценку динамики роста видов, участвующих в определенных этапах пищевой цепи AD. Поскольку в настоящее время математические модели системы AD основаны на скорости роста, измеренной для ограниченного числа видов, информация, полученная от iRep, может обеспечить более обобщенное представление микробной динамики, которое может быть включено в моделирование, усиливая их прогностическую эффективность.

Питание биогазовых реакторов с более длительными интервалами дает больше биогаза

Биогаз является важным источником энергии, который играет центральную роль в энергетической революции.В отличие от энергии ветра или солнца, биогаз можно производить круглосуточно. Может ли он вскоре быть произведен даже для удовлетворения спроса? Группа международных ученых, в том числе микробиологи из Центра экологических исследований им. Гельмгольца (UFZ), ученые из Орхусского университета и инженеры-технологи из Немецкого центра биомассы (DBFZ), изучали возможность такого гибкого производства биогаза. Среди их выводов, например, открытие того, что производство биогаза можно контролировать, изменяя частоту подачи энергии в реакторы. Согласно статье исследователей в журнале Applied and Environmental Microbiology, чем длиннее интервалы, тем больше биогаза производится.

Производство биогаза уже давно является ценной технологией, поскольку постоянная подача органического сырья, такого как энергетические культуры, навоз, осадок сточных вод, промежуточные культуры и растительные остатки, помогает производить энергию круглосуточно. Способность производить энергию с постоянной скоростью является явным преимуществом перед другими возобновляемыми источниками энергии, такими как энергия ветра или солнца, производство которых зависит от ветра или солнца.Благодаря этой способности в настоящее время в Германии установлено около 8000 биогазовых установок с общей мощностью электроэнергии около 4500 МВт. Около 7 процентов электроэнергии, вырабатываемой в Германии, в настоящее время производится из биомассы. Есть надежда, что в будущем из этого источника будет производиться еще больше электроэнергии. Ученым из UFZ, Университета Орхуса (Дания) и DBFZ удалось увеличить производство метана, наиболее ценного компонента биогаза, до 14 процентов в лабораторных условиях, когда ученые периодически добавляли субстрат в емкость для брожения. от одного до двух дней по сравнению с обычным интервалом кормления каждые два часа.Результаты были ошеломляющими. «Менее частое питание реактора приводит к большему выходу энергии», — резюмировал Марселл Николауш, исследователь UFZ из отдела экологической микробиологии и соответствующий автор исследования.

Исследователи заполнили два 15-литровых реактора высушенной бардой с растворимыми веществами (DDGS) в одинаковых условиях в течение почти четырех месяцев. DDGS является побочным продуктом производства биоэтанола с использованием крахмалистых зерен. Исследователи загружали DDGS в один реактор каждые два часа.В другой реактор подавали все количество один раз в день в одном эксперименте и один раз через день во втором эксперименте. Результаты были удивительными. Если полное количество биомассы подавать в ферментационный резервуар только один раз в день, образуется на 14 процентов больше метана и на 16 процентов больше всего биогаза. Если бак подпитывался каждые два дня, выход метана увеличивался на 13 процентов, а выход биогаза увеличивался на 18 процентов.

Одним из объяснений этого может быть то, что большие вариации условий окружающей среды, особенно колеблющаяся концентрация субстрата, увеличили разнообразие микробного сообщества, что привело к появлению более функциональных групп бактерий.«Это дает микроорганизмам больше возможностей для более эффективного разложения субстрата», — сказал микробиолог Николауш. Он объяснил, что это ускоряет производство и обеспечивает микроорганизмам лучшие условия для более эффективной переработки биомассы, особенно компонентов, которые трудно деградировать

Такой гибкий подход к управлению подачей не оказывает негативного влияния на стабильность процесса производства биогаза. Исследователи доказали это, используя профили T-RFLP микроорганизмов.Этот метод можно использовать для проверки генетического отпечатка сообщества бактерий и метаногенных архей, которые превращают органический материал в биогаз в реакторе. В случае бактерий, преобразующих сложные компоненты биомассы, такие как целлюлоза, крахмал, липиды и белки, в углекислый газ, водород и уксусную кислоту в несколько стадий, состав этих бактериальных сообществ различается при различных режимах питания. Это связано с тем, что концентрации аммонийного азота и водорода различаются, как и значение pH.«Среда в реакторе более динамична, когда ее кормят ежедневно или через день. Это создает больше функциональных ниш, приносящих пользу определенным гидролизующим и кислотообразующим бактериям», — сказал Николауш. Напротив, сообщество метаногенных архей, которое в выход метана, воды и углекислого газа на последней стадии оставался стабильным.Независимо от того, как часто в реактор подавали биомассу, род Methanosarcina с относительной долей до 83% всех метаногенов неизменно доминировал, за ним следовал род Methanobacterium , которые составляли до 31 процента всех метаногенов.«Похоже, что оба рода хорошо адаптируются к изменяющимся условиям», — пояснил Николауш. 

Исследования гибкого производства биогаза с использованием управления кормлением все еще находятся в зачаточном состоянии. Исследователи UFZ планируют углубиться в результаты исследования. По словам Николауша, теперь результаты исследований должны быть подтверждены испытаниями на более крупных реакторах. Использование других субстратов также представляет интерес. «Мы очень хотим увидеть, сможем ли мы также подтвердить, что большее количество метана образуется при использовании кукурузного силоса или сахарной свеклы», — сказал Николауш.

 

 

Как производится биогаз? | Гасум

Биогаз производится путем переработки различных видов органических отходов. Это возобновляемое и экологически чистое топливо, изготовленное на 100 % из местного сырья, которое подходит для различных целей, включая топливо для дорожных транспортных средств и промышленное использование. Воздействие производства биогаза на экономику замкнутого цикла дополнительно усиливается органическими питательными веществами, извлекаемыми в процессе производства.

Биогаз можно производить из самых разных видов сырья (сырья). Наибольшую роль в процессе производства биогаза играют микробы, питающиеся биомассой.

В процессе сбраживания, осуществляемого этими микроорганизмами, образуется метан, который можно использовать локально или преобразовать в биогаз, эквивалентный по качеству природному газу, что позволяет транспортировать биогаз на большие расстояния. В процессе также производится материал, содержащий органические питательные вещества, и его можно использовать в таких целях, как сельское хозяйство.

Этапы производства биогаза

Биогаз производится по хорошо зарекомендовавшей себя технологии в несколько этапов:

  1. Биологические отходы измельчаются на более мелкие кусочки и сгущаются, чтобы подготовить их к процессу анаэробного сбраживания. Сульрификация означает добавление жидкости к биоотходам, чтобы облегчить их переработку.

  2. Микробы нуждаются в тепле, поэтому биоотходы нагревают примерно до 37 °C.

  3. Фактическое производство биогаза происходит путем анаэробного сбраживания в больших резервуарах в течение примерно трех недель.

  4. На заключительном этапе газ проходит очистку (обогащение) от примесей и углекислого газа.


После этого биогаз готов к использованию предприятиями и потребителями, например, в сжиженном виде или после закачки в сеть газопроводов.

Превращение различных материалов в газ

Производство биогаза начинается с поступления сырья на биогазовую установку. Можно использовать широкий спектр твердого, а также шламоподобного сырья.

Материалы, пригодные для производства биогаза, включают:

  • биоразлагаемые отходы предприятий и промышленных объектов, например излишки лактозы от производства безлактозных молочных продуктов

  • испорченные продукты из магазинов

  • биоотходы, образующиеся у потребителей

  • шлам с очистных сооружений

  • навоз и полевая биомасса от сельского хозяйства

Материал обычно доставляется в приемную яму биогазовой установки на грузовике или автомобиле для утилизации отходов.

Доставка твердых веществ, таких как биоотходы, затем подвергается дроблению, чтобы сделать их консистенцию как можно более однородной. На этом этапе вода, содержащая питательные вещества, полученные на следующем этапе производственного процесса, также смешивается с исходным сырьем, чтобы снизить долю твердых веществ примерно до одной десятой от общего объема.

Это также происходит, когда любые нежелательные небиоразлагаемые отходы, такие как пластиковая упаковка просроченных пищевых отходов из магазинов, отделяются от смеси.Эти отходы доставляются на завод по переработке отходов, где они используются для производства тепла и электроэнергии. Биомасса, прошедшая суспензирование, смешивается с биомассой, доставляемой в виде суспензии на биогазовую установку и закачивается в резервуар предварительного ферментации, где ферменты, выделяемые бактериями, расщепляют биомассу до еще более тонкой консистенции.

Затем биомасса дезинфицируется перед поступлением в биогазовый реактор (метастер). При дезинфекции любые вредные бактерии, обнаруженные в материале, удаляются путем нагревания смеси до температуры выше 70 °C в течение одного часа.После санитарной обработки масса перекачивается в главный реактор, где происходит производство биогаза. Санитарная обработка дает возможность использовать удобрение в сельском хозяйстве.

Биомасса превращается микробами в газ

В биогазовом реакторе начинается микробное действие, и биомасса вступает в постепенный процесс ферментации.

На практике это означает, что микробы питаются органическими веществами, такими как белки, углеводы и липиды, и их переваривание превращает их в метан и углекислый газ.

Большая часть органического вещества распадается на биогаз – смесь метана и углекислого газа – примерно за три недели. Биогаз собирается в сферическом газгольдере с верхней части биогазовых реакторов.

Дигестат, используемый в качестве удобрения или садовой почвы

Остаточные твердые вещества и жидкости, образующиеся при производстве биогаза, называются дигестатом. Этот дигестат поступает в постдигестерный реактор, а оттуда далее в резервуары для хранения. Дигестаты хорошо подходят для таких целей, как удобрение полей.

Дигестаты также можно центрифугировать для разделения твердых и жидких частей.

Твердые дигестаты используются, например, в качестве удобрений в сельском хозяйстве или в ландшафтном дизайне, а также могут быть превращены в садовую почву в процессе созревания, включающего компостирование.

Дигестаты центрифугируют для получения достаточного количества технологической воды для суспензирования биоотходов в начале процесса. Это помогает сократить потребление чистой воды. Жидкость после центрифугирования богата питательными веществами, особенно азотом, которые можно дополнительно отделить с помощью таких методов, как технология отпарки, и использовать в качестве удобрений или источников питательных веществ в промышленных процессах.

Чистый биогаз помогает двигаться к обществу с низким уровнем выбросов углерода

Газ уже готов для нескольких применений прямо из газгольдера биогазовой установки. Однако перед закачкой в ​​сеть газопроводов или использованием в качестве топлива для транспортных средств он все равно пройдет очистку.

В этом процессе очистки газ фильтруется и направляется в колонны, где очищается каскадной водой при определенном давлении и температуре. Вода эффективно поглощает углекислый газ и соединения серы, содержащиеся в газе.

Биогаз также можно очищать другими способами, например, пропуская его через фильтры с активированным углем для удаления примесей.

Конечный очищенный биогаз, закачиваемый в газовую сеть, содержит не менее 95% и обычно около 98% метана. Модернизированный биогаз по-прежнему содержит пару процентов углекислого газа, так как его дальнейшее отделение от метана нерентабельно, не говоря уже о целесообразности использования газа. Биогаз тщательно осушается перед закачкой в ​​газовую сеть, чтобы предотвратить образование конденсата в зимних минусовых условиях.

Произведенный биогаз можно использовать для заправки коммунальных транспортных средств, городских автобусов или частных автомобилей. В то же время газ служит свидетельством тех практических действий, которые ведут нас к низкоуглеродному обществу будущего.

Характеристики реакторов и микробные сообщества биогазовых реакторов: влияние источников инокулята

  • Ангелидаки И., Сандерс В. (2004) Оценка анаэробной биоразлагаемости макрозагрязнителей.Обзоры в Environ Sci Biotechnol 3(2):117–129. дои: 10.1007/s11157-004-2502-3

    Артикул КАС Google ученый

  • APHA (1995) Стандартные методы исследования воды и сточных вод, 19-е изд. Американская ассоциация общественного здравоохранения, Нью-Йорк, США

    Google ученый

  • Аярза Дж., Эрийман Л. (2011) Баланс нейтральных и детерминированных компонентов в динамике образования хлопьев активного ила.Микроб Экол 61(3):486–495. doi: 10.1007/s00248-010-9762-y

    ПабМед Статья Google ученый

  • Baptista JC, Davenport RJ, Donnelly T, Curtis TP (2008) Микробное разнообразие водно-болотных угодий лабораторного масштаба, по-видимому, собрано случайным образом. Вода Res 42 (12): 3182–3190. doi: 10. 1016 / j.waters.2008.03.013

    Артикул КАС Google ученый

  • Бейтс С.Т., Берг-Лайонс Д., Капорасо Дж.Г., Уолтерс В.А., Найт Р., Фиерер Н. (2011) Изучение глобального распределения доминирующих популяций архей в почве.ISME J 5 (5): 908–917. doi:10.1038/ismej.2010.171

    ПабМед ПабМед Центральный Статья КАС Google ученый

  • Чейз Дж. (2003) Собрание сообщества: когда история должна иметь значение? Экология 136 (4): 489–498. дои: 10.1007/s00442-003-1311-7

    ПабМед Статья Google ученый

  • Chave J (2004) Нейтральная теория и экология сообщества.Эколет 7 (3): 241–253. doi:10.1111/j.1461-0248.2003.00566.x

    Артикул Google ученый

  • Коул Дж. Р., Ван К., Карденас Э., Фиш Дж., Чай Б., Фаррис Р. Дж., Кулам-Сайед-Мохидин А. С., МакГаррелл Д. М., Марш Т., Гаррити Г. М., Тидже Дж. М. (2009) Проект базы данных рибосом: улучшенное выравнивание и новые инструменты для анализа рРНК. Nucl Acids Res 37: D141–D145. дои: 10.1093/нар/gkn879

    ПабМед ПабМед Центральный Статья КАС Google ученый

  • Дхамодхаран К., Кумар В., Каламдхад А.С. (2015) Влияние различных видов навоза в качестве инокулята на анаэробное переваривание пищевых отходов и его кинетику.Биоресурс Технол 180(0):237–241. doi: 10.1016/j.biortech.2014.12.066

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Fargione J, Brown C, Tilman D (2003) Сборка сообщества и вторжение: экспериментальная проверка нейтральных и нишевых процессов. Proc Nat Acad Sci USA 100:8916–8920

    PubMed ПабМед Центральный Статья КАС Google ученый

  • Fernández A, Huang S, Seston S, Xing J, Hickey R, Criddle C, Tiedje J (1999) Насколько стабильно стабильно? Функция против состава сообщества. Appl Environ Microbiol 65(8):3697–3704

    PubMed ПабМед Центральный Google ученый

  • Fernandez AS, Hashsham SA, Dollhopf SL, Raskin L, Glagoleva O, Dazzo FB, Hickey RF, Criddle CS, Tiedje JM (2000) Гибкая структура сообщества коррелирует со стабильной функцией сообщества в сообществах метаногенных биореакторов, нарушенных глюкозой. Appl Environ Microbiol 66(9):4058–4067. дои: 10.1128/aem.66.9.4058-4067.2000

    ПабМед ПабМед Центральный Статья КАС Google ученый

  • Фотидис И.А., Каракашев Д., Коцопулос Т.А., Марцопулос Г.Г., Ангелидаки И. (2013) Влияние аммония и ацетата на метаногенный путь и состав метаногенного сообщества.FEMS Microbiol Ecol 83 (1): 38–48. doi:10.1111/j.1574-6941.2012.01456.x

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Фотидис И. А., Ван Х., Фидель Н.Р., Луо Г., Каракашев Д.Б., Ангелидаки И. (2014) Биоаугментация как решение для увеличения производства метана из субстрата, богатого аммиаком. Environ Sci Technol 48(13):7669–7676. дои: 10.1021/es5017075

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Gu Y, Chen X, Liu Z, Zhou X, Zhang Y (2014) Влияние источников инокулята на анаэробное сбраживание рисовой соломы.Биоресурс Технол 158(0):149–155. doi:10.1016/j.biortech.2014.02.011

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Каракашев Д., Батстон Д.Дж., Ангелидаки И. (2005) Влияние условий окружающей среды на метаногенные составы в анаэробных биогазовых реакторах. Appl Environ Microbiol 71(1):331–338. doi: 10.1128/aem.71.1.331-338.2005

    ПабМед ПабМед Центральный Статья КАС Google ученый

  • Кракат Н. , Шмидт С., Шерер П. (2011) Потенциальное влияние параметров процесса на бактериальное разнообразие при мезофильном анаэробном сбраживании свекловичного силоса.Биоресурс Технол 102(10):5692–5701. doi:10.1016/j.biortech.2011.02.108

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Kurtz JC, Devereux R, Barkay T, Jonas RB (1998) Оценка микрокосмов осадочной суспензии для моделирования микробных сообществ в эстуарных отложениях. Environ Toxicol Chem 17(7):1274–1281. дои: 10.1002/и т.д.5620170712

    Артикул КАС Google ученый

  • Лю Ф, Хао Л, Гуань Д, Ци Ю, Шао Л, Хе П (2013) Синергетический стресс кислот и аммония на смещение путей метаногенеза во время термофильного анаэробного сбраживания органических веществ.Water Res 47 (7): 2297–2306. doi: 10.1016 / j.waters.2013.01.049

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Lee C, Kim J, Shin SG, Hwang S (2008) Мониторинг изменений сообщества бактерий и архей в мезофильном анаэробном реакторе периодического действия, обрабатывающем высококонцентрированные органические сточные воды. FEMS Microbiol Ecol 65 (3): 544–554. doi:10.1111/j.1574-6941.2008.00530.x

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Лопес В.С., Лейте В.Д., Прасад С. (2004) Влияние инокулята на производительность анаэробных реакторов для обработки твердых бытовых отходов.Биоресурс Технол 94(3):261–266. doi: 10.1016/j.biortech.2004.01.006

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Lu L, Xing DF, Ren NQ (2012) Пиросеквенирование выявило весьма разнообразные микробные сообщества в микробных электролизных ячейках, участвующих в усиленном производстве H-2 из отходов активного ила. Вода Res 46 (7): 2425–2434. doi: 10.1016 / j.waters.2012.02.005

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Luo G, Angelidaki I (2014) Анализ бактериальных сообществ и бактериальных патогенов на биогазовой установке с помощью комбинации моноазида этидия, ПЦР и секвенирования Ion Torrent. Вода Res 60: 156–163. doi: 10.1016 / j.waters.2014.04.047

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Luo G, De Francisci D, Kougias P, Laura T, Zhu X, Angelidaki I (2015) Новые стационарные составы микробных сообществ и характеристики процессов в биогазовых реакторах, вызванные температурными возмущениями. Biotechnol Biofuels 8(1):3

    PubMed ПабМед Центральный Статья КАС Google ученый

  • Luo G, Wang W, Angelidaki I (2013) Анаэробное сбраживание для одновременной обработки осадка сточных вод и биометанирования CO: производительность процесса и микробная экология.Environ Sci Technol 47(18):10685–10693. дои: 10.1021/es401018d

    ПабМед КАС Google ученый

  • Nesbø CL, Kumaraswamy R, Dlutek M, Doolittle WF, Foght J (2010) Поиск мезофильных бактерий Thermotogales: «мезотогаз» в дикой природе. Appl Environ Microbiol 76(14):4896–4900. дои: 10.1128/aem.02846-09

    ПабМед ПабМед Центральный Статья КАС Google ученый

  • Nguyen T-AD, Han SJ, Kim JP, Kim MS, Oh YK, Sim SJ (2008) Производство водорода гипертермофильной эубактерией Thermotoga neapolitana с использованием целлюлозы, предварительно обработанной ионной жидкостью.Int J Hydrogen Energ 33 (19): 5161–5168. doi:10.1016/j.ijhydene.2008.05.019

    Артикул КАС Google ученый

  • Nielsen HB, Mladenovska Z, Westermann P, Ahring BK (2004) Сравнение двухстадийного термофильного (68 °C/55 °C) анаэробного сбраживания с одностадийным термофильным (55 °C) сбраживанием навоза крупного рогатого скота. Биотехнология Биоэнг 86(3):291–300. дои: 10.1002/бит.20037

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Pagaling E, Strathdee F, Spears BM, Cates ME, Allen RJ, Free A (2014) История сообщества влияет на предсказуемость развития микробной экосистемы. ISME J 8 (1): 19–30. doi:10.1038/ismej.2013.150

    ПабМед ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Regueiro L, Spirito CM, Usack JG, Hospodsky D, Werner JJ, Angenent LT (2015) Сравнение порогов ингибирования со-переваривателей молочного навоза после длительных периодов акклиматизации: Часть 2 — взаимосвязь между микробиомами и окружающей средой. Вода Res. doi: 10.1016 / j.waters.2015.05.046

  • Ринкон Б., Борха Р., Гонсалес Х.М., Портильо М.С., Саис-Хименес С. (2008) Влияние скорости загрузки органических веществ и времени гидравлического удержания на производительность, стабильность и микробные сообщества одностадийного анаэробного сбраживания двухфазного твердый остаток оливкового масла.Biochem Eng J 40 (2): 253–261. doi:10.1016/j.bej.2007.12.019

    Артикул КАС Google ученый

  • Riviere D, Desvignes V, Pelletier E, Chaussonnerie S, Guermazi S, Weissenbach J (2009) К определению ядра микроорганизмов, участвующих в анаэробном сбраживании осадка. ISME J 3:700–714

    PubMed Статья Google ученый

  • Шлютер А., Бекель Т., Диаз Н.Н., Дондруп М., Айхенлауб Р., Гартеманн К.Х., Кран И., Краузе Л., Кромеке Х., Крузе О., Муссгнуг Дж.Х., Нойвегер Х., Нихаус К., Пулер А., Рунте К.Дж., Щепановский R, Tauch A, Tilker A, Viehover P, Goesmann A (2008) Метагеном производящего биогаз микробного сообщества ферментера промышленного биогазового завода проанализирован с помощью технологии 454-пиросеквенирования.J Biotechnol 136 (1–2): 77–90. doi: 10.1016/j.jbiotec.2008.05.008

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Сандберг С., Аль-Сауд В.А., Ларссон М., Алм Э., Йекта С.С., Свенссон Б.Х., Соренсен С.Дж., Карлссон А. (2013) 454 пиросеквенированных анализов богатства бактерий и архей в 21 полномасштабном биогазовом реакторе. FEMS Microbiol Ecol 85 (3): 612–626. дои: 10.1111/1574-6941.12148

    ПабМед Статья КАС Google ученый

  • Werner JJ, Knights D, Garcia ML, Scalfone NB, Smith S, Yarasheski K, Cummings TA, Beers AR, Knight R, Angenent LT (2011) Структуры бактериального сообщества уникальны и устойчивы в полномасштабных биоэнергетических системах. Proc Nat Acad Sci USA 108(10):4158–4163. doi:10.1073/pnas.1015676108

    ПабМед ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Zhou JZ, Liu WZ, Deng Y, Jiang YH, Xue K, He ZL, Van Nostrand JD, Wu LY, Yang YF, Wang AJ (2013) Стохастическая сборка приводит к альтернативным сообществам с различными функциями в микробном биореакторе сообщество. Мбио 4(2). doi: 10.1128/mBio.00584-12

  • Интегрированная очистка биогаза и утилизация водорода в анаэробном реакторе, содержащем обогащенную гидрогенотрофную метаногенную культуру

    Биогаз, полученный путем анаэробного сбраживания, в основном используется в газовых двигателях для производства тепла и электроэнергии.Однако после удаления CO(2) качество биогаза может быть повышено до качества природного газа, что дает больше возможностей для использования, таких как использование в качестве автомобильного газа или дистанционное использование с использованием существующей сети природного газа. В настоящем исследовании представлен новый биологический метод обогащения биогаза в отдельном биогазовом реакторе, содержащем обогащенные гидрогенотрофные метаногены и питаемом биогазом и водородом. Как мезофильные, так и термофильные анаэробные культуры были обогащены для превращения CO(2) в CH(4) путем добавления H(2).Обогащение при термофильной температуре (55°C) приводило к скорости биоконверсии CO(2) и H(2) 320 мл CH(4)/(gVSS·ч), что было более чем на 60% выше, чем при мезофильной температуре (37°C). С). Различные доминирующие виды были обнаружены в культурах, обогащенных мезофильными и термофильными веществами, что было выявлено с помощью ПЦР-ДГГЭ. Тем не менее все они принадлежали к отряду Methanobacteriales, способному опосредовать гидрогенотрофный метаногенез. Затем облагораживание биогаза было испытано в термофильном анаэробном реакторе при различных условиях эксплуатации.Путем непрерывного добавления водорода в биогазовый реактор была достигнута высокая степень очистки биогаза. Произведенный биогаз имел содержание CH(4), около 95% в стационарном режиме, при скорости подачи газа (смесь биогаза и водорода) 6 л/(л день). Увеличение скорости закачки газа до 12 л/(л сут) привело к снижению содержания CH(4) примерно до 90%. Дальнейшее исследование показало, что за счет уменьшения массопереноса газ-жидкость за счет увеличения скорости перемешивания смеси содержание СН(4) увеличилось примерно до 95%.Наконец, в этом исследовании было достигнуто содержание CH(4) около 90% при скорости закачки газа до 24 л/(л сут).

    .

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.