Выход биогаза из различного сырья: Сырье для биогаза | Биогаз в России. Биогазовые установки. Компания Биокомплекс — Водонагреватели, радиаторы, котлы отопления и другие товары для отопления и водоснабжения в Москве

Выход биогаза из различного сырья: Сырье для биогаза | Биогаз в России. Биогазовые установки. Компания Биокомплекс

Содержание

Сырье для биогаза | Биогаз в России. Биогазовые установки. Компания Биокомплекс

Сырье для биогазовых установок

Поскольку технологии в настоящее время стремительно шагнули вперед, сырьем для получения биогаза могут стать самые различные отходы органического происхождения. Показатели выхода биогаза из различных видов органического сырья приведены ниже.

Таблица 1. Выход биогаза из органического сырья

Категория сырья	Выход биогаза (м³) из 1 тонны базового сырья
Коровий навоз	39-51
Навоз КРС, перемешанный с соломой	70
Свиной навоз	51-87
Овечий навоз	70
Птичий помет	46-93
Жировая ткань	1290
Отходы с мясобойни	240-510
ТБО	180-200
Фекалии и сточные воды	70
Послеспиртовая барда	45-95
Биологические отходы производства сахара	115
Силос	210-410
Картофельная ботва	280-490
Свекольный жом	29-41
Свекольная ботва	75-200
Овощные отходы	330-500
Зерно	390-490
Трава	290-490
Глицерин	390-595
Пивная дробина	39-59
Отходы, полученные в процессе уборки ржи	165
Лен и конопля	360
Овсяная солома	310
Клевер	430-490
Молочная сыворотка	50
Кукурузный силос	250
Мука, хлеб	539
Рыбные отходы	300

Навоз КРС

Во всем мире к числу наиболее популярных относят

биогазовые установки, предусматривающие использование в качестве базового сырья коровьего навоза.

Содержание одной головы КРС позволяет обеспечить в год 6,6–35 т жидкого навоза. Этот объем сырья может быть переработан в 257–1785 м³ биогаза. По параметру теплоты сгорания указанные показатели соответствуют: 193–1339 кубометрам природного газа, 157–1089 кг бензина, 185–1285 кг мазута, 380–2642 кг дров.

Одним из ключевых преимуществ использования коровьего навоза в целях выработки биогаза является наличие в ЖКТ крупного рогатого скота колоний бактерий, вырабатывающих метан. Это означает, что отсутствует необходимость дополнительного внесения микроорганизмов в субстрат, а следовательно, потребность в дополнительных инвестициях. Вместе с тем однородная структура навоза делает возможным применение данного типа сырья в устройствах непрерывного цикла. Производство биогаза будет еще более эффективным при добавлении в ферментируемую биомассу мочи КРС.

Навоз свиней и овец

В отличие от КРС, животные этих групп содержатся в помещениях без бетонных полов, поэтому процессы производства биогаза здесь несколько осложняются. Использование навоза свиней и овец в устройствах непрерывного цикла невозможно, допускается лишь его дозированная загрузка. Вместе с сырьевой массой данного типа в биореакторы нередко попадают растительные отходы, что может существенно увеличить период ее обработки.

Птичий помет

В целях эффективного применения птичьего помета для получения биогаза рекомендуется оснащать птичьи клетки насестами, поскольку это позволит обеспечить сбор помета в больших объемах. Для получения значительных объемов биогаза следует перемешивать птичий помет с коровьей навозной жижей, что исключит излишнее выделение аммиака из субстрата. Особенностью применения птичьего помета при производстве биогаза является необходимость введения 2-стадийной технологии с использованием реактора гидролиза. Это требуется в целях осуществления контроля над уровнем кислотности, в противном случае бактерии в субстрате могут погибнуть.

Фекалии

Для эффективной переработки фекалий требуется минимизировать объем воды, приходящийся на один санитарный прибор: единовременно он не может превышать 1 л.

С помощью научных исследований последних лет удалось установить, что в биогаз, в случае использования для его производства фекалий, наряду с ключевыми элементами (в частности, метаном) переходит множество опасных соединений, способствующих загрязнению окружающей среды. Например, во время метанового брожения подобного сырья при высоких температурных режимах на станциях биоочистки стоков практически во всех пробах газовой фазы обнаружено около 90 µg/м

3 мышьяка, 80 µg/м³ сурьмы, по 10 µg/м³ ртути, 500 µg/м³ теллура, 900 µg/м³ олова, 700 µg/м³ свинца. Упомянутые элементы представлены тетра- и диметилированными соединениями, свойственными процессам автолиза. Выявленные показатели серьезно превышают ПДК указанных элементов, что свидетельствует о необходимости более обстоятельного подхода к проблеме переработки фекалий в биогаз.

Энергетические растительные культуры

Подавляющее большинство зеленых растений обеспечивает исключительно высокий выход биогаза. Множество европейских биогазовых установок функционируют на кукурузном силосе. Это вполне оправданно, поскольку кукурузный силос, полученный с 1 га, позволяет выработать 7800–9100 м³ биогаза, что соответствует: 5850–6825 м3 природного газа, 4758–5551 кг бензина, 5616–6552 кг мазута, 11544–13468 кг дров.

Около 290–490 м³ биогаза дает тонна различных трав, при этом особенно высоким выходом отличается клевер: 430–490м³. Тонна качественного сырья картофельной ботвы также способна обеспечить до 490 м³, тонна свекольной ботвы – от 75 до 200 м³, тонна отходов, полученных в процессе уборки ржи, — 165 м³, тонна льна и конопли – 360 м³, тонна овсяной соломы — 310 м³.

Следует отметить, что в случае целенаправленного выращивания энергетических культур для производства биогаза существует необходимость инвестирования денежных средств в их посев и уборку. Этим подобные культуры существенно отличаются от иных источников сырья для биореакторов. Необходимости в удобрении подобных культур нет. Что касается отходов овощеводства и производства зерновых культур, то их переработка в биогаз имеет исключительно высокую экономическую эффективность.

«Свалочный газ»

Из тонны сухих ТБО может быть получено до 200 м³ биогаза, свыше 50% объема которого составляет метан. По активности выбросов метана «свалочные полигоны» намного превосходят любые другие источники. Использование ТБО в производстве биогаза не только позволит получить существенный экономический эффект, но и сократит поступление загрязняющих соединений в атмосферу.

Качественные характеристики сырья для получения биогаза

Показатели, характеризующие выход биогаза и концентрацию в нем метана, зависят в том числе от влажности базового сырья. Рекомендуется поддерживать ее на уровне 91% в летний период и 86% в зимний.

Осуществить получение максимальных объемов биогаза из ферментируемых масс можно, обеспечив достаточно высокую активность микроорганизмов. Реализовать эту задачу можно лишь при необходимой вязкости субстрата. Процессы метанового брожения замедляются, если в сырье присутствуют сухие, крупные и твердые элементы. Кроме того, при наличии таких элементов наблюдается образование корки, приводящей к расслоению субстрата и прекращению выхода биогаза. Чтобы исключить подобные явления, перед загрузкой сырьевой массы в биореакторы ее измельчают и осторожно перемешивают.

Оптимальными значениями pH сырья являются параметры, находящиеся в диапазоне 6,6–8,5. Практическая реализация увеличения рН до необходимого уровня обеспечивается посредством дозированного введения в субстрат состава, изготовленного из измельченного мрамора.

В целях обеспечения максимального выхода биогаза большинство различных типов сырья допускается смешивать с другими видами посредством кавитационной переработки субстрата. При этом достигаются оптимальные соотношения углекислого газа и азота: в обрабатываемой биомассе они должны обеспечиваться в пропорции 16 к 10.

Таким образом, при выборе сырья для биогазовых установок имеет смысл уделить его качественным характеристикам самое пристальное внимание.

ПОЛУЧЕНИЕ БИОГАЗА ПРИ ОЧИСТКЕ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СТОЧНЫХ ВОД СПИРТЗАВОДА | Голуб

1. Kaparaju, P. Optimization of biogas production from wheat straw stillage in UASB reactor / P. Kaparaju, M. Serrano, I. Angelidaki // Applied Energy. – 2010. – No. 87. – Р. 3779–3783.

2. Moraes, S.B. Anaerobic digestion of vinasse from sugarcane ethanol productionin Brazil: Challenges and perspectives [E-resource] / S.B. Moraes, M. Zaiat, A. Bonomi // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – No. 44. – Р. 888–903. Available on: DOI: 10.1016/j.rser.2015.01.023

3. Gupta, S.K. Biodegradation of distillery spent wash in anaerobic hybrid reactor / S.

K. Gupta, G. Singh // Water research. – 2007. – No. 41. – Р. 721–730.

4. Pant, D. Biological approaches for treatment of distillery wastewater: A review / D. Pant, A. Adholeya // Bioresource Technology. – 2007. – No. 98. – Р. 2321– 2334.

5. Kumar, V. Bioremediation and decolorization of anaerobically digested distillery spentwash / V. Kumar [et al.] // Biotech. Lett. – 1997. – No. 19. – Р. 311– 313.

6. Маляренко, В.А. Перспективы использования биоэнергетических технологий в Украине / В.А. Маляренко, И.И. Капцов, И.Г. Жиганов // Интегрированные технологии и энергосбережение. – 2005. – № 2. – С. 22 – 28.

7. Желєзна, Т.А. Біоенергетика в Україні / Т.А. Желєзна, Г.Г. Гелетуха // Зелена енергетика.

– 2004. – № 4. – С. 11 – 13.

8. Mao, Ch. Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion / Ch. Mao [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – No. 45. – Р. 540–555.

9. Дыганова, Р.Я. Разработка методики выбора технологий переработки отходов спиртовой промышленности как инструмента экологического менеджмента / Р.Я. Дыганова, Ю.С. Беляева // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2014. – Т. 16. – № 4 (2). – С. 1728–1736.

10. Кузнецов, И.Н. Анализ мирового опыта в технологии переработки послеспиртовой барды / И. Н. Кузнецов, Н.С. Ручай // Труды БГТУ. Серия 4: Химия, технология органических веществ и биотехнология. – 2010. – Т. 1. – № 4. – С. 294–301.

11. Krzywonos, M. Utilization and biodegradation of starch stillage (distillery wastewater) [Электронный ресурс] / M. Krzywonos, E. Cibis, T. Miśkiewicz, A. Ryznar-Luty // Electronic Journal of Biotechnology. – 2009. – No. 12. – Р. 1–9. – Режим доступа: http://www.ejbiotechnology.info/index.php/ejbiotechnology/article/view/v12n1-5/685.

12. Гладченко, М.А. Обзор современного состояния анаэробной очистки сточных вод бродильных производств / М.А. Гладченко [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2002. — № 1. — С. 22–23.

13. Pathe, P.P. Performance evaluation of a full scale effluent treatment plant for distillery spent wash / P.P. Pathe [et al.] // Intern. J. Environ. Studies. – 2002. – Vol. 59. – No. 4. – P. 415–437.

14. Дыганова, Р.Я. Экспериментальное определение оптимального состава комплексного субстрата для анаэробного сбраживания в спиртовой промышленности / Р. Я. Дыганова, Ю.С. Беляева // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2014. – Т. 16. – № 1(6). – С. 1737–1740.

15. Hutnan, M. Anaerobic Treatment of Wheat Stillage / M. Hutnan [et al.] // Chem. Biochem. Eng. Q. – 2003. – Vol. 17. – No. 3. – Р. 233–241.

16. Wilkie, A.C. Stillage characterization and anaerobic treatment of ethanol stillage from conventional and cellulosic feedstocks / A.C. Wilkie [et al.] // Biomass and Bioenergy. – 2000. – No. 19. – Р. 63–102.

17. Mise, Sh.R. Treatment of distillery spent wash by anaerobic digestion process / Sh.R. Mise, R. Saranadgoudar, R. Lamkhade // International Journal of Research in Engineering and Technology. – 2013. – No. 11. – Р. 310–313.

18. Prakash, N.B. Anaerobic Digestion of Distillery Spent Wash / N.B. Prakash, V. Sockan, V.S. Raju // Journal of Science and Technology. – 2014. – Vol. 4. – No. 3. – Р. 134–140.

19. Venkatasamy, G. Treatment of Distillery Spentwash in Upflow Anaerobic Contact Filter / G. Venkatasamy, S. Aruna // Іndian journal of applied research. – 2013. – Vol. 3. – No. 7. – Р. 199–200.

20. Лурье, Ю.Ю. Аналитическая химия производственных сточных вод / Ю.Ю. Лурье – М.: Химия, 1984. – 448 с.

21. Агеев, Л.М. Химико-технический контроль и учет гидролизного и сульфитно-спиртового производства / Л. M. Агеев, С. А. Корольков. – М., Л. : Гослесбумиздат, 1953. – 404 с.

22. Хроматограф лабораторный ЛХМ–8МД: техническое описание, инструкция по эксплуатации. Опытный завод «Хроматограф». Москва. 1992. – 50 с.

23. Степанов, Д. В. Оцінка можливостей отримання енергоносіїв з органічних відходів з урахуванням техногенного навантаження на навколишнє середовище / Д. В. Степанов, С. Й. Ткаченко, A. П. Ранський // Наукові праці ВНТУ. – 2012. – № 1. – С. 1–7.

24. Куріс, Ю. В. Способи утилізації біогазу / Ю. В. Куріс, С. І. Ткаченко, Н. В. Семененко // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. – 2010. – № 7(77). – С. 20–30.

25. Салюк, А.І. Виробництво біогазу з курячого посліду та його оптимізація / А.І. Салюк, С.О.Жадан, Є.Б. Шаповалов // Харчова промисловість. – 2012. – № 13. – С. 33.

26. Эдер, Б. Биогазовые установки. Практическое пособие / Б. Эдер, Х. Шульц. – Пер. с нем.: Zorg Biogas. – 2008. – С. 268.

27. Гюнтер, Л.И. Метантенки. / Л.И. Гюнтер – М.: Строй-издат, 1991. – 128 с.

28. Хенце, М. Очистка сточных вод. / М. Хенце – М.: Мир, 2009. – 480 с.

29. Rongzhong, Ye. pH controls over anaerobic carbon mineralization, the efficiency of methane production, and methanogenic pathways in peatlands across an ombrotrophic-minerotrophic gradient / Ye. Rongzhong [et al.] // Soil Biology & Biochemistry. – 2012. – No. 54. – Р. 36–47.

30. Zhang, Qu. Biogas from anaerobic digestion processes: Research updates / Qu. Zhang, J. Hu, Duu-J. Lee // Renewable Energy. – 2016. – No. 98. – Р. 1–12

Биогаз | Кинезиолог

Определение понятия

Биогаз – это газ, получаемый в результате микробного разложения биомассы различного состава.

Биогаз состоит в основном из метана (55-70%) и диоксида углерода (45-30%), но также содержит некоторые включения, которые обычно удаляются в биогазовой станции.
По своим свойствам биогаз наиболее близок к природному газу, состоящему из 80-98% метана. Он не имеет ни цвета, ни запаха.

Наиболее часто биогаз используется для выработки электрической энергии.
Биогаз также можно очищать от двуокиси углерода CO2 и доводить до свойств природного газа (метана). Такой обогащенный биогаз называется биометаном. Чаще всего такая очистка производится с помощью воды. После очистки газ не отличается от природного метана как по составу, так и по свойствам.

Свойства биогаза

Таблица. Основные характеристики биогаза

Запас энергии в 1 м3 биогаза	6-6,5 кВтч
Теплотворная способность	6000-7500 ккал /м3
Плотность биогаза	1,16-1,27 кг / м3
Температура возгорания	650-750 С
Давление биогаза в реакторе	0,05 атм.
Давление биогаза перед потребителем	Поднимается до требуемого

Получение биогаза

Биогазовые установки представляют собой строительные объекты, состоящие из герметичных реакторов, оснащённых комплексом систем подачи сырья, подогрева, перемешивания, канализации (воздушной газовой и электрической).

Биогазовые установки производят биогаз путем контролируемого сбраживания биомассы в анаэробных условиях.

Для производства биогаза пригодно большинство отходов пищевой промышленности и сельского хозяйства, а также специально выращенные энергетические растения. Биогазовые установки могут работать как на моно-сырье, так и на смеси.

Также биогазовую установку можно рассматривать в качестве активной системы очистки окружающей среды и утилизации отходов. Любые другие системы очистки потребляют энергию, а не производят. Биогазовая установка перерабатывает отходы в биогаз и биоудобрения.

Мокрый способ получения биогаза

«Мокрый» способ переработки в биогаз органических отходов из возобновляемого сырья получил самое широкое распространение. Он отлично подходит для сырья с высоким содержанием влаги. При «мокром» способе сырье разбавляется до влажности 90% и перекачивается в биореакторы насосами. Реакторы герметично закрыты и работают без доступа кислорода. В процессе непрерывной работы свежее сырье подается порциями из предварительного резервуара в нижнюю часть реактора. Порциями же отводится перебродившая масса. В утепленном предварительном резервуаре и реакторе происходит подогрев биомассы и перемешивание. Материал всех ёмкостей и реакторов — сталь с покрытием или железобетон. В реакторе поддерживается наиболее благоприятная мезофильная температура для бактерий 37-40 С. Перемешивание происходит периодически. Периодические остановки необходимы для того чтобы масса успела расслоиться и с перебродившей массой не происходил слив свежего сырья.

Интерактивная схема работы биогазовой станции по «мокрому способу»

Сухой способ получения биогаза

Ещё недавно биогазовые технологии были сосредоточены лишь на «мокрой ферментации». Новая система сухой ферментации позволяет производить биогаз из твердых отходов, загрязненных неорганическими включениями. Это означает, что можно перерабатывать в биогаз даже обычный городской мусор. При этом не требуется разбавление субстрата до состояния прокачки. Сухой способ ферментации позволяет сбраживать субстраты с 50% влажностью. Отходы загружаются в ферментатор и сбраживаются без доступа кислорода. Постоянная подача бактериального сырья происходит при помощи рециркуляции перебродившего жидкого фильтрата, который распыляется над органическими отходами в реакторе. В процессе не происходит перемешивания, перекачки либо переворачивания субстрата, также свежее сырье не подается. Излишки фильтрата собираются через дренажную систему в емкость, а затем распыляются над биомассой в реакторе. Сбраживание происходит в благоприятном мезофильном режиме в диапазоне 34-37°C. Для этого стены и пол реактора имеют подогрев.

Cхема работы биогазовой станции по «сухому способу»

Сырьё для получения биогаза

Субстрат	Выход м3/т
Навоз КРС (природный 85-88% вл. )	54
Навоз КРС самосплавный (95% вл.)	22
Навоз свинной природный (85% вл.)	62
Навоз свинной самосплавный (95% вл.)	25
Птичий помет клеточный (75% вл.)	103
Птичий помет подстилочный (60% вл.)	90
Силос кукурузный	180
Свежая трава	200
Молочная сыворотка, 94% вл.	22
Зерно, мука, хлеб	538
Фруктовый и овощной жом ( 80% вл.)	108
Свекольный жом (78% вл.)	119
Меласса	633
Барда зерновая ( 93% вл. )	40
Барда меласная ( 90% вл.)	50
Пивная дробина (82% вл.)	99
Мезга кукурузная (80% вл.)	85
Мезга картофельная (91% вл.)	32
Жир (чистый, 0% вл.)	1300
Жир из жироловок (жировая пульпа)	250
Отходы бойни (только кровь, каныга, мягкие ткани)	300
Корнеплодные овощи	100
Технический глицерин	500
Рыбные отходы	300
Твердые бытовые отходы	100

Улучшающие добавки

Улучшающие добавки для сырья — это смесь из энзимов (ферментов), пробиотиков и микроэлементов, улучшающих деятельность микроорганизмов, осуществляющих брожение.
Использование добавки позволяет увеличить выход биогаза от 20 до 40% без изменений конструкции биогазовой станции. Кроме того, добавка облегчает работу оператора за счёт стабилизации процесса; она также повышает содержание метана в биогазе. За счет добавки извлекается весь биогаз в реакторе основного брожения без этапа дображивания. Таким образом, можно строить биогазовые станции в 2 раза дешевле, либо извлекать из сырья дополнительно энергию. Добавка используется на многих биогазовых станциях в Германии и дает гарантированное увеличение выхода биогаза. Есть станции, где достигнут выход биогаза 260 м3 / тонны силоса или 45% рост выхода биогаза.
Расход составляет 1-2 кг / сутки для биогазовой станции электрической мощностью 1 МВт (24000 кВтч электроэнергии в сутки).

Источники:

http://zorgbiogas.ru/biogas-plants?lang=ru

Производство биогаза своими руками в домашних условиях, фото

Выделение горючих газов из разлагающихся отходов жизнедеятельности организмов и биомассы было замечено еще в 17 веке.

В 1776 году ученый Аллесандро Вольта сделал вывод о существовании взаимной зависимости между массой разлагающегося вещества и объемом выделяющегося газа, а позднее было обнаружено, что основным горючим компонентом получаемого биогаза является метан.

Поскольку метан является основным компонентом добываемого из недр природного газа, то в процессе изучения биогаза начали появляться установки для его промышленного производства в качестве альтернативы ископаемому топливу.

Первая документально подтвержденная биогазовая установка была построена в 1859 году в Индии, а впервые в Европе, в Великобритании биогаз начал применяться в уличных фонарях освещения в 1895 году.

Рисунок, показывающий поперечный разрез первой биогазовой установки

Биохимические процессы образования биогаза

Первые экспериментальные установки для получения биогаза разрабатывались методом проб и ошибок, без истинного понимания происходящих процессов. С развитием микробиологии было выявлено, что выделение газа происходит из-за водородного и метанового брожения биомассы. Поскольку данные типы брожения происходят без доступа кислорода, выделяющий метан процесс разложения биомассы еще называют анаэробным.

Анаэробное сбраживание встречается в природе при образовании болотного газа

По-другому синтез биогаза называют биодеструкцией (биологическим разрушением) органических веществ с выделением свободного газообразного метана (Ch5). Ниже дана упрощенная формула, демонстрирующая выделение химических веществ из органических соединений в процессе жизнедеятельности бактерий метаногенов, у которых в процессе метаболизма выделяется побочный газ метан:

Другими словами, микроскопические бактерии, потребляя органические вещества, содержащиеся в биомассе и биологических отходах, выделяют горючий газ. Но даже при самых благоприятных условиях выделение горючего газа происходит не сразу – вначале нужен процесс ферментации биомассы, разложение которой происходит в несколько этапов за определенные периоды времени.

Стадии синтеза биогаза

Для размножения и жизнедеятельности выделяющих метан метаногенов нужна питательная среда, которая формируется в установке для получения биогаза предыдущими поколениями других бактерий. В первой стадии белки, жиры и углеводы, имеющиеся в биомассе, под воздействием гидролитических ферментов распадаются на простые органические соединения: аминокислоты, сахар, жирные кислоты. Данная стадия протекает под действием ацетогенных бактерий и называется гидролизом.

Различные бактерии, вид под микроскопом

Во второй стадии под действием гетероацетогенных бактерий происходит гидролизное окисление части органических соединений, при этом получается углекислый газ, свободный водород и ацетат.

Не окислившаяся часть получившихся на первой стадии простых органических соединений при взаимодействии с образовавшимся на второй стадии ацетатом формирует простейшие органические кислоты, которые и являются необходимой питательной средой для бактерий, выделяющих метан на третьей стадии.

Стадии жизнедеятельности микроорганизмов при образовании метана

Именно на третьей стадии происходит производство биогаза, интенсивность которого зависит от таких основных факторов:

Состава биомассы;
Температуры питательной среды;
Давления внутри установки;
Кислотно-щелочного баланса pH;
Соотношения воды и загружаемой биомассы;
Измельчения сырья и частоты перемешивания субстрата;
Наличия стимулирующих и замедляющих компонентов в среде;
Соотношения углерода, фосфора, азота и других элементов.

Схематическое отображение основных узлов биогазовой установки

Оптимальный состав сырья для производства биогаза

Поскольку белки, жиры и углеводы содержатся в любой биомассе растительного или животного происхождения, а также в отходах жизнедеятельности и пищевой промышленности, то помимо научных лабораторий и промышленных установок, вполне реально получать биогаз в домашних условиях.

Но в самодельной домашней установке будет очень трудно контролировать описанные выше параметры. На видео ниже показан пример промышленной биогазовой установки для дома:

В продолжение данной темы в следующей статье будет подробно рассказано о существующих типах генераторов биогаза и самодельных биогазовых установках, которые народные умельцы делают своими руками.

На данном этапе стоит напомнить, что биогаз горюч и взрывоопасен, а чрезмерное давление может разорвать биогазовую установку с последующем взрывом газа. Поэтому первоочередным контролируемым параметром должно быть давление в установке и герметичность конструкции.

Примеры сырья для получения биогаза

Максимальное количество биогаза можно получить из животных жиров – около 1500 м3 из тонны сырья при концентрации метана 87%. Также значительный выход биогаза получается из пережаренного растительного масла – около 1200 м3 при концентрации Ch5 68%.

Значительно меньше биогаза получается из семян различных растений от 500 м3 — 54% Ch5, (овес) до 644 м3 — 65,7% Ch5 (рапс). Из силоса кукурузы, травы и других растений можно получить 450-100 м3 при средней концентрации метана 55-50%.

Возможное получение биогаза из различных семян и корнеплодов

Биогаз из отходов жизнедеятельности животных

Из навоза животных выход газа получается значительно меньшим, так как после прохождения пищевого тракта в отходах жизнедеятельности количество питательных веществ для метанобразующих микроорганизмов мало.

Поскольку у птиц пищеварительная система предназначена для быстрого отбора основной части питательных веществ из пищи, с частыми испражнениями для облегчения полета, то выход биогаза из помета будет наибольшим – около 100 м3 при 65% Ch5.

Применение биогазовой установки наиболее выгодно на птицефермах, где существует проблема утилизации птичьего помета

Тогда как навоз крупного рогатого скота обладает наименьшим выходом биогаза – в среднем 25 м3 при 55% Ch5, из-за пищеварительного тракта, предназначенного для максимального извлечения питательных веществ из корма в течение длительного времени с многократным пережевыванием пищи.

Выход биогаза из навоза увеличивается при его смешивании с подстилкой и остатками корма. Также имеет значение влажность и свежесть навоза – для более подробных данных нужно изучать специальные таблицы.

Возможное получение биогаза из навоза сельскохозяйственных животных

Большое влияние на скорость брожения и концентрацию метана в биогазе оказывает качество воды и наличие примесей. Сильно хлорированная водопроводная вода, используемая для разбавления навоза, будет угнетать процесс брожения.

Если при уборке стойл применяются бактерицидные вещества и химические моющие средства, то скорость реакций в биогазовой установке значительно замедлится. По этой же причине возникают значительные трудности при газификации отходов канализации человеческого жилья из-за малой рентабельности и большой концентрации моющих средств.

Несмотря на низкий выход биогаза из отходов жизнедеятельности организмов, в самодельных биогазовых установках необходимо добавлять навоз в другие виды сырья для размножения в субстрате всех требуемых видов бактерий, которые изначально проживают в пищеварительном тракте

Содержащий бактерии навоз необходимо добавлять в субстрат для получения биогаза

Состав биогазовой смеси

Как говорилось выше, на разных стадиях в процессе биосинтеза помимо метана выделяются углекислый газ и водород. Также в зависимости от сырья выделяются аммиак и сероводород. Водород хоть и горюч, но его летучесть не позволяет использовать этот газ в стандартных газовых установках.

Аммиак и сероводород являются ядовитыми соединениями, которые вредят как бактериям внутри биогазовой установки, так и окружающей среде. Углекислый газ является балластом, а его большое количество в смеси значительно снижает горючесть и калорийность биогаза.

Среднее процентное соотношение примесей в биогазе, получаемом из различного сырья

Очевидно, что из-за большого количества примесей использование биогаза в обычных котлах и кухонных плитах возможно только после тщательной очистки синтезированной газовой смеси. Очищают полученный биогаз в несколько этапов, но практически невозможно достичь идеально чистого метана, главное, чтобы концентрация примесей не выходила за установленные нормы.

Пламя горящего биогаза должно быть чистым, как и вся биологическая энергия

На первом этапе очистки биогаз проходит через водяной фильтр, где растворяется большая часть углекислого газа, аммиака и различных ароматических соединений. Вода с большой концентрацией растворенного углекислого газа и аммиака может использоваться для выращивания водорослей, которые, в свою очередь, пойдут на синтез биогаза в биогазовой установке.

Системы очистки биогаза на промышленной биогазовой установке

После водяной очистки биогаз поступает на фильтр очистки от сероводорода. Наиболее простым является фильтр из металлической стружки и опилок, на которых осаждается сера. В промышленных фильтрах применяются специальные катализаторы и осаждающие серу растворы. Наилучшее качество биогаза получается после прохождения мембранного фильтра, где на молекулярном уровне отсеиваются молекулы нежелательных примесей.

Очистка биогаза до чистого метана при помощи мембранного фильтра

Описание влияния некоторых факторов на выделение биогаза

Для определения скорости брожения и интенсивности выделения биогаза одним из решающих факторов является температура смеси. Нужен термометр, а лучше электрический датчик для контроля температурного режима.

В промышленных биогазовых установках температурный режим и другие параметры контролируются специальными контроллерами. Иногда теплоты реакции бывает достаточно для поддержания оптимальной температуры, но чаще всего субстрат приходится подогревать, особенно в холодный период года.

Компьютеризированный контроллер биогазовой установки с газоанализаторами

По температурному режиму различают три вида анаэробного брожения:

Психрофильные установки, работающие без обогрева, где температура самопроизвольно поддерживается на уровне 15-25ºC. Применяются в странах с теплым климатом;
Мезофильные, требуют дополнительного незначительного обогрева для поддержания температуры 25-40ºC. Обладают наиболее богатым составом образующихся после генерации экологически чистых удобрений, из-за чего оптимально подходят для небольших хозяйств;
Термофильные биогазовые установки, требующие больших затрат энергии, для поддержания температуры свыше 40ºC, максимум 90ºC. При данной температуре гибнут болезнетворные бактерии в образующихся удобрениях, и получается наибольший выход биогаза, из-за чего широко применяется при промышленном производстве биологического газа.

Термоизоляция реактора термофильной биогазовой установки

Наряду с температурой большое значение имеет размер твердых частиц навоза, отходов и биомассы. Чем меньше частицы сырья, тем больше площадь контакта бактерий с питательной средой. Поэтому самое главное при приготовлении сырья – это его измельчение.

Контакт бактерий с пищей затрудняется в процессе биосинтеза из-за накопления продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому своевременное перемешивание субстрата в процессе брожения также являет собой значительный фактор для газификации биомассы. Пример промышленной биогазовой установки с контролем всех параметров:

Рентабельность производства биогаза

Лидером в производстве качественного биогаза из выращиваемого сырья и отходов животноводческих ферм является Германия. Рентабельность биосинтеза газа определяется большой стоимостью энергоносителей с одной стороны и наличием стимулирующих государственных программ.

Стимулом к внедрению биогазовых технологий является как значительная субсидия при покупке экологических энергоносителей у производителей, так и внушительная сумма штрафа за загрязнение окружающей среды не переработанным навозом.

Экологически чистый биогазовый комплекс в экономически развитой стране

В бедных деревнях Индии и Китая собственники полукустарных биогазовых установок практически не очищают свой газ, тут же сжигая его в плите или газовой горелке. В данных странах производство биологического газа из бытовых отходов и специально выращиваемого растительного сырья окупается благодаря низкой стоимости ручного труда крестьян и небольшой стоимости самих установок, лишенных дорогих систем очистки и сложных автоматизированных комплексов контроля и управления.

Пример полукустарных биогазовых установок в бедных деревнях Азии

В прессе и интернете можно найти много жизнерадостных заголовков типа: «Экономия бюджета с помощью биогазовой установки», «Бесплатная энергия из навоза», «Биогаз своими руками», но на практике ожидания по окупаемости дорогостоящего оборудования и затрат расходятся с реальностью. Это происходит из-за сложности контроля всех параметров, а также необходимостью подогрева для оптимальной скорости брожения. Пример оптимистического новостного сюжета:

В следующей статье будут приведены примеры самодельных установок с демонстрацией выхода газа в реальных условиях, и каждый сможет для себя определить рентабельность самостоятельного производства биогаза, исходя из своих возможностей и тарифов на энергоносители.

Значительным достоинством самостоятельного производства биогаза является побочное получение высококачественного экологически чистого удобрения. На видео ниже мастер объясняет теоретические основы получения биогаза и получения удобрений.

Альтернативные виды топлива | Scania Россия

ГИДРИРОВАННОЕ РАСТИТЕЛЬНОЕ МАСЛО

Гидрированное растительное масло (ГРМ) — современный способ производства качественного биодизельного топлива без перестройки системы снабжения топливом, переделки двигателей и устройств постобработки выхлопа, проблем с выхлопом.

ГРМ производится из различного сырья, такого как отработанное масло, рапсовое масло, пальмовое масло, животный жир. Использование подобных источников энергии оказывает огромное влияние на общее снижение объема парниковых газов. По сравнению с обычным дизельным топливом, оптимальное сокращение объема выбросов CO2 может достигать 90 % от общего количества выделяемого СО2.

Биодизельное топливо

Биодизельное топливо (или FAME — Fatty Acid Methyl Ester, метиловые эфиры жирных кислот) изготавливается из различных продуктов, в частности из рапсового семени, растений и отработанного кулинарного жира. Биодизельное топливо обладает еще одним преимуществом: это жидкость, доступная в больших объемах.

Запас экологичного биодизельного топлива можно смешивать с дизельным топливом или использовать в чистом виде. По сравнению с обычным дизельным топливом, сокращение объема выбросов CO2, по предварительным оценкам, может достигать 66 % от общего количества выделяемого СО2.

Биогаз

Биогаз можно получать из различного сырья, но самым рентабельным и экологичным является метод переработки местных нечистот или отходов. По молекулярному составу биогаз не отличается от природного газа, но является возобновляемым, в то время как природный газ добывается из ископаемых останков. Оба вида газа можно использовать параллельно.

Сжиженный природный газ и биогаз — это метан, охлажденный до жидкого состояния. Удельное содержание энергии в сжиженном природном газе составляет 1:1,7 по сравнению с дизельным топливом. По сравнению с обычным дизельным топливом, сокращение объема выбросов CO2, по предварительным оценкам, может достигать 90 % от общего количества выделяемого СО2.

Природный газ

Природный газ — это метан из пустот в земной коре. Он добывается из отдельных месторождений или одновременно с нефтью. Природный газ — ископаемое топливо, но так как молекула метана содержит только один атом углерода, объем выбрасываемого при сгорании CO2 меньше по сравнению с обычным дизельным топливом.

Природный газ можно использовать параллельно с биогазом. По сравнению с обычным дизельным топливом, сокращение объема выбросов CO2, по предварительным оценкам, может достигать 20 % от общего количества выделяемого СО2.

Биоэтанол

На сегодняшний день биоэтанол — это самое распространенное биологическое топливо, используемое в транспортной отрасли. Именно этот вид топлива, по всей вероятности, в будущем будет производиться в больших объемах. Основным преимуществом этого топлива является то, что оно представляет собой жидкость и доступно в больших объемах на мировом рынке.

Его можно получать из различного сырья, такого как сахарный тростник, пшеница и кукуруза. Также можно использовать отходы, богатые сахаром или крахмалом, такие как целлюлоза или хлеб. Кроме того, биоэтанол сравнительно легко производить даже в небольшом объеме. По сравнению с обычным дизельным топливом, сокращение объема выбросов CO2, по предварительным оценкам, может достигать 90 % от общего количества выделяемого СО2.

Гибридный двигатель

Гибридный двигатель работает на электричестве и биотопливе. Это существенно снижает расход топлива, что в свою очередь уменьшает объем вредных выбросов. При его использовании также снижается уровень шума, что дает гибридному двигателю особые преимущества, как то разрешения на доставку в городах ранним утром, поздним вечером или ночью.

Доставка в часы слабого дорожного движения обладает рядом преимуществ, в числе которых уменьшение времени доставки, расхода топлива и объема выбросов CO2. Кроме того, она позволяет активнее использовать автомобиль. По сравнению с обычным дизельным топливом, оптимальное сокращение объёма выбросов CO2 может достигать 92% от общего количества выделяемого СО2.

Подбор и подготовка животноводческого сырья для биогазовых установок Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Заключение. Решение проблемы увеличения производства говядины в Гомельской области положено в основу развития мясного скотоводство. Это диктуется резкой интенсификацией молочного скотоводства, снижением поголовья молочных коров, а вместе с этим и производства говядины. Кроме этого в каждом хозяйстве имеются животные с низкой молочной продуктивностью, которых целесообразно использовать по технологии мясного скотоводства. Анализ состояния мясного скотоводства в Гомельской области свидетельствует о его развитии практически во всех районах, о наращивании численности как маточного, так и общего поголовья, и об его экономической эффективности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Адаптивные системы земледелия в Беларуси / под общ. ред. А.А. Попкова // Бел-НИИАЭ. — Минск, 2001.

2. Краткий зоотехнический справочник / сост. Г.Н. Доброхотов. — Минск: Колос, 1975. — С. 20-65.

3. Справочник по качеству продуктов животноводства / А.Т. Мысик, С.М. Белова, Ю.П. Фомичев [и др.]. — М.: Агропромиздат, 1985. — 239 с.

4. Богдевич, И.М. Рекомендации по ведению агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель Республики Беларусь / И. Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. образованию кафедр кормления с.-х. животных, физиологии, биотехнологии и ветеринарии и15-летию кафедры ихтиологии и рыбоводства УО «БГСХА». — Горки, 2011. — С. 3-6.

8. Карпенко, А.Ф. Состояние развития мясного скотоводства по программам переспециализации в Гомельской области / А.Ф. Карпенко, А.Л. Мостовенко, Е.В. Дубе-жинский // Актуальные проблемы интенсивного развития животноводства: сб. науч. тр. — Горки, 2011. — Вып. 14. — Ч. 1. — С. 218-223.

9. Кузнецов, В.В. Экономика сельского хозяйства / В.В. Кузнецов. — Ростов н/Д.: Феникс, 2003. — 161-163 с.

10. Шалак, М.В. Технология переработки продукции животноводства: учебник / М.В. Шалак, М.С. Шашков. — Минск: ИВЦ Минфина, 2012. — С. 8

УДК 628.385

ПОДБОР И ПОДГОТОВКА ЖИВОТНОВОДЧЕСКОГО СЫРЬЯ ДЛЯ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

А. С. ДОБЫШЕВ, А.А. ОСТРЕЙКО УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия» г. Горки, Могилевская обл., Республика Беларусь, 213407

(Поступила в редакцию 12.03.2013)

Введение. В настоящее время в мире все больше внимания уделяется вопросу использования возобновляемых источников энергии, к которым относится и биомасса, служащая для получения биогаза и

ценных биоудобрений. Лидерами в этом производстве являются Дания, Германия, США, Китай, Индия и другие страны. В общем энергобалансе Дании биогаз занимает 18 %, Германии — 8 %, однако последняя лидирует по количеству средних и крупных биогазовых установок 10 000 шт. [1].

Биогазовый потенциал Беларуси только за счет животноводческих ферм по последним данным составляет 4 млрд. кубометров биогаза [2], что эквивалентно 20 % объема поставки в 2011 г. в Беларусь природного газа. Помимо навоза в республике имеется большое разнообразие различных источников органического сырья, пригодного для переработки в биогаз.

Важнейшими факторами, влияющими на производительность биогазовых установок, являются правильный подбор компонентов сырья, из которого производится биогаз,и грамотная их подготовка к ферментации.

В процессе проведения исследований использовались различные литературные источники: публикации, материалы научных конференций, симпозиумов, Интернет-ресурсы, посвященные решению данной проблемы, а также применяемые измельчители-смесители и предлагаемое измельчающее устройство.

Цель работы — выявить и проанализировать факторы, влияющие на процесс получения биогаза из различных типов сырья; определить их оптимальное соотношение с учетом повышения его выхода и улучшения качества; определить критерии, по которым следует подбирать сырье для биогазовых установок; обосновать необходимость смешивания различных видов сырья и предварительной его подготовки перед подачей в ферментатор с анализом существующих технологий и оборудования. На этой основе разработать конструктивную схему установки для измельчения и смешивания отходов животноводства и растениеводства.

Материал и методика исследований. Исследования проводили путем сравнения и логического анализа различных характеристик и параметров сырья в результате его подбора и подготовки перед загрузкой в ферментатор, и на основании этого была предложена технологическая схема процесса и разработана конструкция измельчителя-смесителя отходов животноводства и растениеводства.

Результаты исследований и их обсуждение. Качество сырья, загружаемого в ферментатор биогазовой установки, характеризуется влажностью, скоростью его расщепления и степенью разложения, наличием в нем питательной среды для жизнедеятельности бактерий, выходом биогаза на единицу сухого вещества, содержанием метана в биогазе и соотношением углерода и азота в сырье (табл. 1) [3, 4].

Именно от этих показателей зависит время его сбраживания, количество получаемого биогаза и его состав.

Расщепление органики на отдельные составляющие и превращение в метан происходит лишь во влажной среде, поскольку различные ви-

ды бактерий, участвующие в этом процессе, могут перерабатывать только вещества в растворенном виде. Установлено, что влажность сырья, загружаемого в реактор биогазовой установки, составляет не менее 85 % в зимнее время и 92 % в летнее время года [4] , а выход биогаза напрямую зависит от вида используемого сырья, а также от температуры процесса сбраживания.

Таблица 1. Выход биогаза и содержание в нем метана, а также соотношение содержания углерода и азота при использовании разных типов сырья.

Тип сырья Выход газа на 1 кг сухого вещества, м3 Содержание метана, % Соотношение углерода и азота С/Ы

Навоз КРС 0,25-0,34 65 16,6-25

Свиной навоз 0,34-0,58 65-70 6,2-12,5

Птичий помет 0,31-0,62 60 7,3-9,65

Конский навоз 0,20-0,30 56-60 25

Овечий навоз 0,30-0,62 70 33

Сточные воды, фекалии 0,31-0,74 70 6-10

Пшеничная солома 0,20-0,30 50-60 100-150

Овсяная солома 0,29-0,31 59 50

Кукурузная солома 0,38-0,46 59 50

Трава 0,28-0,63 70 12

Листва деревьев 0,21-0,29 58 50

Скорость расщепления сырья определяет время пребывания его в ферментаторе и чем меньше это время, тем более экономична установка. воск

рамки текн.-экономического Время брожения

времени брожения

Рис. 1. Скорость разложения групп веществ

Верхняя граница времени для брожения определяется технически и экономически моментом, когда количество вырабатываемого газа

396

настолько мало, что увеличение объема ферментатора будет дороже, чем добытый газ.

Быстроразлагаемое сырье, такое как сахарная свекла, отходы продуктов питания и другое, приводит к стремительному переокислению ферментатора, поэтому мало подходит для брожения в чистом виде и должно использоваться в смеси с другими видами сырья. Большинство установок для своей работы используют силос из трав, кукурузы, люпина, остатки зерна и т. д. (табл. 2) [6] в смеси с жидким или твердым навозом, который в чистом виде, как правило, используется редко. Выход газа в них доказывает эффективность смешивания различных видов сырья перед его ферментацией. Установлено, что совместное использование навоза КРС и помета птиц повышает выход биогаза до 0,528 м3/кг, тогда как при использовании только навоза КРС он составлял 0,380 м3/кг, а гомогенизация навоза КРС позволяет повысить производство биогаза с 0,174 до 0,380 м3/кг [7].

Таблица 2. Удельные показатели современных биогазовых установок

Исходное сырье Выход биогаза, м3 Электроэнергия, кВтхч Тепловая энергия, кВтхч Удобрение, кг сухого вещества

1 т свиной жижи + 100 кг зерноотходов 78 170 187 76

1 т свиной жижи + 100 кг кукурузного силоса 43 93 102 60

1 т навозной жижи КРС 22 48 54 56

1 т твердого куриного помета + 100 кг падших птиц 268 582 643 433

На рис. 2 наглядно показана разница в выходе газа из выделений различных видов животных и птицы в зависимости от продолжительности периода брожения [5]. Похожая зависимость имеет место при брожении энергетических растений и других органических остатков, для которых время брожения в ферментаторе должно составлять минимум 42 дня, а для сырья в виде отходов переработки агропромышленное™ — от 20 до 35 дней [4, 5].

Степень разложения сырья напрямую зависит от его состава и отражается на количестве получаемого газа. Обычно величина ее варьирует в пределах от 30-70 %, а для усредненного периода брожения будет составлять до 60 %. Установки, работающие исключительно на возобновляемом сырье, достигают степени разложения от 80 % органической сухой массы [4]. Кроме того, применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличить выход биогаза на самой обычной установке с 60 до 95 % от теоретически возможного выхода [8]. О ЁО

Сражений,

Рис. 2. Выход газа при термофильном режиме в зависимости от вида сырья и продолжительности брожения

Для роста и жизнедеятельности метанообразующих бактерий необходимо обязательное присутствие в сырье органических и минеральных питательных веществ, таких как углерод, азот, водород, сера, фосфор, калий, кальций, магний и некоторого количества микроэлементов — железа, марганца, молибдена, цинка, кобальта, селена, вольфрама, никеля и др. Эти микроэлементы особенно необходимы бактериям для образования энзимов, ускоряющих процесс брожения. Все эти вещества в необходимом количестве содержатся в жидком и твердом навозе. Достаточное их количество содержится также в сене, кукурузе (свежей или консервированной), пищевых отходах, внутренностях животных, барде, молочных продуктах, которые могут бродить в чистом виде без добавления других видов сырья [9].

Важным фактором, влияющим на выход биогаза, является соотношение углерода и азота в перерабатываемом сырье. Если оно чрезмерно велико, то недостаток азота будет сдерживать процесс метанового брожения. Если же это соотношение слишком мало, то образуется такое большое количество аммиака, что он становится токсичным для бактерий. Поэтому для поддержания его в оптимальных пределах с целью получения максимально возможного выхода биогаза современные биогазовые установки работают на смешанном сырье, используя следующие соотношения питательных веществ [5]: С : N : Р = 75:5:1 или 125:5:1; С : N = 10:1 или 30:1; N : Р = 5:1.

При подборе сырья необходимо учитывать, что только из органической части сухой массы можно произвести метан [9,10]. Поэтому содержание органической сухой массы в соотношении с общей массой является главным критерием для выбора составляющих смеси. Так, сырье с высоким содержанием воды (например барда) приносит по сравнению с количеством вносимого материала небольшое количество газа, так как из воды он не выделяется.

Содержание метана в биогазе определяется в первую очередь составом сырья. Максимальное его количество получается из протеинов — 71 %, жиры дают 68 %, а углеводороды — лишь 50 % [5, 9]. Поэтому предпочтение отдается смесям сырья с высоким содержанием жиров и протеинов, таких как отходы зерна, свекла и картофель.

В среднем выход газа из энергетических растений составляет 0,3 м3 метана на 1 кг органического сухого субстрата с отклонениями до ±30 % [5]. Существенная разница проявляется при расчете выхода газа с 1 га посевной площади. Например, у свеклы и силосных сортов кукурузы по сравнению с другими культурами он составляет свыше 6000 м3/га [9], поэтому силос из кукурузы является самым используемым сырьем для биогазовых установок.

Зерно и клубнеплоды хоть и имеют высокий выход газа, но с 1 га возделываемой площади он будет составлять около 3000 м3/га, что в два раза ниже, чем у кукурузного силоса из-за меньшего количества биомассы.

Повышение эффективности биогазовой установки определяется подбором компонентов по однородности и степенью предварительного их измельчения, последнее влияет на количество произведенного газа через длительность периода брожения. Твердые материалы, в особенности растительного происхождения, в составе смеси не должны превышать 12 % и быть предварительно измельчены до размеров частиц не более 30 мм с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств перед подачей в ферментатор [9, 10].

Огромный потенциал отходов растениеводства, отходов очистки и переработки зернового сырья остается в настоящий момент невостребованным (рапсовая солома, солома зерновых, свекольная и картофельная ботва и т. д.). Для их измельчения и смешивания с твердой фракцией навоза перед подачей в ферментатор нами предлагается специальная установка (рис. 3), в которой растительное сырье загружается в приемный бункер 10 и попадает на вращающиеся с одинаковой угловой скоростью рифленые (с насечками) вальцы 9, затем проходит второй ряд вальцов 8 угловая скорость вращения которых больше чем скорость вальцов 9, в результате чего оно плющится, истирается растягивается и разрывается, а затем подается к шнеку 7, которым подпрес-совывается и поступает к измельчителю ножевого типа с подвижными 13 и неподвижными 11 ножами, между которыми размещены распорные шайбы 12 определенной толщины. Для перемещения блока неподвижных ножей предусмотрены регулировочные болты 14. От механических поломок ножи 13 и 11 предохраняет автомат отключения 15. Измельчающий аппарат приводится в работу электродвигателем 1 с помощью клиноременной передачи со шкивами 2 и 6.

Для защиты измельчителя от поломок на валу шнека 3 жестко закреплен специальный поводок 4 со срезной предохранительной шпилькой 5. Регулировка степени измельчения сырья достигается изменением количества ножей режущего аппарата и угла установки лезвия первого подвижного ножа 13 аппарата относительно конца витка шнека 7. Измельченное до определенной величины частиц растительное сырье поступает в смесительную камеру 17, в которую через другой приемный бункер 19 дозированно, посредством шнека 20, подается твердая фракция навоза, предварительно проходящая через матрицу 18 и частично измельчаеющаяся.

Рис. 3. Конструктивная схема предлагаемого измельчителя-смесителя отходов растениеводства и животноводства: 1, 25, 32 — электродвигатели; 2, 6, 21, 26, 31 — шкивы; 3, 24, 28 — валы; 4, 23 — поводки; 5, 16, 22 — срезные предохранительные

шпильки; 7, 20 — шнеки; 8, 9 — вальцы; 10, 19 — приемные бункера; 11- неподвижные ножи; 12 — распорные шайбы; 13 — подвижные ножи;

14 — регулировочные болты; 15 — автомат отключения; 17- смесительная камера; 18 — матрица; 27 — форсунки; 29 — конический шнек-смеситель; 30 — выгрузное окно

Здесь происходит их смешивание с доизмельчением посредством вертикально установленного конического шнека-смесителя 29 со специальными ножами для доизмельчения, а также предварительное увлажнение посредством впрыска через форсунки 27 воды или подготовленной навозной жижи. Затем увлажненная, измельченная и гомогенизированная смесь через выгрузное окно 30 поступает в накопитель для дальнейшего смешивания с жидкой фракцией навоза до заданной влажности и подачи насосом в ферментатор или посредством системы шнеков напрямую попадает туда. Применение данной установки позволит измельчать отходы растениеводства до размеров частиц, способных разлагаться в реакторе в короткие сроки брожения, например, рапсовую солому, отходы после очистки зерна и другое, а также твердый навоз с одновременным их смешиванием и увлажнением, повышая тем самым выход биогаза и эффективность биогазовой установки.

Заключение. Представлен потенциал, которым обладают предприятия республики для производства биогаза. Выявлены и проанализированы факторы, влияющие на процесс его получения из различных типов сырья, определено оптимальное их соотношение с учетом повышения выхода биогаза, улучшения его качества, определены критерии, по которым следует подбирать сырье для биогазовых установок.

Обоснована необходимость смешивания сырья и предварительной его подготовки перед подачей в ферментатор с анализом существующих технологий и оборудования, на основании которого разработана и предложена конструкция установки для измельчения и смешивания отходов животноводства и растениеводства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агропрактик. Эффективные удобрения и биогаз: два в одном [Электронный ресурс]. — 2012. — Режим доступа: http://agropraktik.ru/blog/Renewable_Energy/16.html. -Дата доступа: 16.01.2013.

2. Деловой портал BEL.BIZ. Биогаз как альтернатива «российской трубе» [Электронный ресурс]. — 2012. — Режим доступа: http: // economics. bel. biz/ articles/ biogaz_ kak_altemativa_rossijskoj_trube /. — Дата доступа: 26.11.2012.

3. ПРООН. Проект «Содействие развитию биогазовых технологий в Узбекистане». Т — Дата доступа: 21.09.2012.

4. Росбиогаз. Руководство по биогазовым технологиям [Электронный ресурс]. -2012. — Режим доступа: http: //www. rosbiogas. ru/literatura/rukovodstvo-po-biogazovim-texnologiyam / — Дата доступа: 06.11.2012.

5. Барбара, Э. Биогазовые установки: практ. пособие / Э. Барбара, Ш. Хайнц. -2006. — 238 с.

6. Цыганов, А.Р. Биоэнергетика (Энергетические возможности биомассы): монография / А.Р. Цыганов, А.В. Клочков. — Минск, 2011. — 141 с.

7. Студенческий клуб «Альтернатива». Сборник научных трудов студентов России. Биогазификация органических отходов сельскохозяйственного производства [Электронный ресурс]. — 2011. — Режим доступа: http://cs-alternativa.ru/text/1806/4 — Дата доступа: 18.10.2012.

8. Агроперспектива. А у нас биогаз [Электронный ресурс]. — 2012. — Режим доступа: http://www.agroperspectiva.com/ru/free_article/190. — Дата доступа: 06.02.2013.

9. Баадер, В. Биогаз: теория и практика / В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер; пер. с нем. и предисл. М.И. Серебряного. — М.: Колос, 1982. — 148 с.

10. Биомасса как источник энергии: пер. с англ. / под ред. С. Соуфера, О. Заборски. -Минск: Мир, 1985. — 368 с.

(PDF) Оптимизация состава сырья на сельскохозяйственной биогазовой установке

Тенденции рецензируемых статей в возобновляемой энергии, 3

Tr Ren Energy, 2017, Том 3, № 1, 61-75. DOI: 10.17737 / tre.2017.3.1.0031 74

[6] Чен, Ю., Ченг, Дж. Дж., и Кример, К. С. (2008). Ингибирование анаэробного процесса пищеварения

: обзор. Технология биоресурсов, 99 (10), 4044-4064.

[7] Хартманн, Х., Аринг, Б. К. (2005). Анаэробное сбраживание органической фракции твердых бытовых отходов

: влияние совместного сбраживания с навозом.Вода

исследования, 39 (8), 1543-1552.

[8] Линке, Б., Муха, И., Виттум, Г., и Плогстес, В. (2013). Мезофильный анаэробный

совместное сбраживание коровьего навоза и биогазовых культур на полномасштабных биогазовых установках Германии:

модель для расчета влияния гидравлического времени удерживания и пропорции VS урожая

в смеси на выход метана из метантенка и из дигестата

хранения при разных температурах. Технология биоресурсов, 130, 689-695.

[9] Уорд, А. Дж., Хоббс, П. Дж., Холлиман, П. Дж. И Джонс, Д. Л. (2008). Оптимизация

анаэробного переваривания сельскохозяйственных ресурсов. Технология биоресурсов,

99 (17), 7928-7940.

[10] Амон, Т., Амон, Б., Криворучко, В., Махмюллер, А., Хопфнер-Сикст, К.,

Бодироза, В., Хрбек, Р., Фридель, Дж., Пётч , E., и Wagentristl, H. (2007).

Производство метана путем анаэробного сбраживания различных энергетических культур, выращиваемых в

устойчивых севооборотах.Технология биоресурсов, 98 (17), 3204-3212.

[11] Амон, Т., Амон, Б., Криворучко, В., Цоллич, В., Майер, К., и Грубер, Л.

(2007). Производство биогаза из кукурузы и навоза молочного скота — влияние состава биомассы

на выход метана. Сельское хозяйство, экосистемы и

Окружающая среда, 118 (1), 173-182.

[12] Nielsen, L.H., Hjort-Gregersen, K., Thygesen, P., and Christensen, J.

Samfundsøkonomiske analyzer fbiogasfællesanlæg.В: Proc., DAKOFA-

конференция по органи- зации.

[13] Мёллер, Х. Б., Соммер, С. Г., и Аринг, Б. К. (2004). Биологическая деградация

и выбросы парниковых газов при предварительном хранении жидкого навоза.

Журнал качества окружающей среды, 33 (1), 27-36.

[14] Ву, X., Яо, В., Чжу, Дж., И Миллер, К. (2010). Производительность по биогазу и CH 4 за счет

совместного переваривания свиного навоза с тремя растительными остатками в качестве внешнего источника углерода.

Технология биоресурсов, 101 (11), 4042-4047.

[15] Куетос, М. Дж., Гомес, X., Отеро, М., и Моран, А. (2008). Анаэробное сбраживание

твердых отходов скотобойни (ТБО) в лабораторных масштабах: влияние со-

сбраживания с органической фракцией твердых бытовых отходов (ТБО).

Журнал биохимической инженерии, 40 (1), 99-106.

[16] Кавинато, К., Фатоне, Ф., Бользонелла, Д., и Паван, П. (2010). Thermophilic

анаэробное совместное сбраживание навоза КРС с агроотходами и энергетическими культурами:

сравнение экспериментального и полномасштабного опыта.Технология биоресурсов, 101 (2),

545-550.

[17] Буаллагуи, Х., Шейх, Р. Б., Маруани, Л., и Хамди, М. (2003). Мезофильный

Производство биогаза из фруктовых и овощных отходов в трубчатом варочном котле.

Технология биоресурсов, 86 (1), 85-89.

[18] Эрнандес-Берриэль, М. К., Маркес-Бенавидес, Л., Гонсалес-Перес, Д. и

Буэнростро-Дельгадо, О. (2008). Влияние влажностных режимов на анаэробную деградацию твердых бытовых отходов города Метепек (Мексика)

.Отходы

Управление, 28, S14-S20.

[19] Gruber, W. (2007). Biogasanlagen in der Landwirtschaft. Verbraucherschultz,

Ernährung, Landwirtschaft, 1453.

[20] Group, B. T. (2003). BTG Анаэробное пищеварение.

Сырой биогаз

Определение

Термин «биогаз» используется как общий термин для энергетических газов, которые образуются микроорганизмами из биотических веществ в бескислородных условиях (сточные воды, газ из органических отходов, ферментативный газ).Биогаз — это горючий газ, образующийся в результате ферментации (анаэробного сбраживания) биомассы. Он производится на биогазовых установках путем ферментации возобновляемого сырья и / или отходов. Для использования биогаза содержание метана является наиболее важным параметром. Среднее количество метана в сыром биогазе составляет 60%. Если биогаз должен использоваться в качестве топлива или подаваться в существующую сеть природного газа, его необходимо модернизировать.

Производственный процесс

Биогаз образуется в результате естественного процесса микробного разложения органических веществ в бескислородных условиях.Процесс состоит из четырех этапов, каждый из которых осуществляется микроорганизмами с разным метаболическим типом. Для получения дополнительной информации перейдите по ссылке.

Сырье

Используемое сырье представляет собой биогенные материалы, такие как:

Ферментируемые остатки, содержащие биомассу (осадок сточных вод, биоразлагаемые отходы, пищевые остатки,…)
Остатки животноводства (навоз)
Ранее неиспользованные растения / части растений (промежуточные плоды, растительные остатки)
Энергетические культуры (кукуруза, сахарная свекла)

Сырье влияет на состав газа и содержание метана в газе.Большая часть сырья, в частности навоз и растительные остатки, как правило, бесплатна, поэтому это сырье имеет наибольший экономический потенциал для производства биогаза.

Правовая база

Европейский стандарт DIN EN 16723-1: 2017-0: Природный газ и биометан для использования на транспорте и биометан для закачки в сеть природного газа — Часть 1: Технические условия на биометан для закачки в сеть природного газа , определяет общие рамки требований к качеству улучшенного биогаза.

Директива о свалках (2003/33 / EC: Решение Совета от 19 декабря 2002 г., устанавливающее критерии и процедуры приема отходов на свалки в соответствии со Статьей 16 и Приложением II к Директиве 1999/31 / EC) является правовой основой для производство свалочного газа.

Приложение

В большинстве установок биогаз используется непосредственно на месте для производства тепла и электроэнергии с помощью газового двигателя, генератора и теплообменника. Другие варианты — модернизировать биогаз для закачки в сеть или для прямого использования на транспорте.

Экстренный анализ биогазовых систем на основе различного сырья

Загрязнение окружающей среды и энергетический кризис ограничивают развитие Китая, и использование возобновляемых источников энергии является эффективной стратегией для уменьшения ущерба. Биогазовая инженерия быстро разработала атрибуты для решения экологических проблем и создания возобновляемого источника энергии — биогаза. В этой статье материалы двух различных биогазовых установок были проанализированы методом аварийной обработки. Один из них — это биогазовый проект, деградированный материал которого — фекалии (система BPF), а другой — тот, где деградированный материал — кукурузная солома (система BPC).В результате эколого-экономическая стоимость БПФ и БКК составляет 28 300 долл. США в год и 8 100 долл. США в год соответственно. Принимая во внимание валюту, окружающую среду и человеческие ресурсы, оба биогазовых проекта обладают способностью удалять отходы и имеют потенциал для развития. Доля производства биогаза намного больше, чем производства удобрений; Таким образом, в будущем следует сделать упор на использование удобрений. Для сравнения, BPF лучше, чем BPC, с точки зрения эколого-экономических преимуществ, преимуществ для окружающей среды и устойчивости.Причина в сложности сезонного сбора и деградации кукурузной соломы. Таким образом, предлагается комбинировать БКК с другим сырьем.

1. Введение

Китай — крупнейшая развивающаяся страна мира с населением более 1,3 миллиарда человек. С развитием экономики и индустриализации проблемы чрезмерного энергопотребления существенно влияют на будущее Китая. Поиск новых источников энергии для замены ископаемого топлива является актуальной задачей для Китая [1–5].Анаэробное сбраживание — одна из наиболее подходящих технологий для решения этих проблем. В Китае есть большие ресурсы биомассы, особенно солома сельскохозяйственных культур, остатки леса, навоз домашнего скота и птицы, а также различные виды городских и промышленных органических отходов и сточных вод [2]. Такое достаточное количество материалов способствует развитию биогаза, особенно крупных и средних биогазовых проектов.

В 2003 году была реализована «агроэкологическая» программа, которая создала благоприятные условия для развития биогазовых проектов.Согласно статистике (приведенной на Рисунке 1), выход биогаза в 2009 году в 1,75 раза больше, чем в 2003 году. Кроме того, развитие биогазовых проектов также положительно влияет на смежные отрасли, такие как обрабатывающее производство, строительные материалы и строительное машиностроение. Все они принесли хорошие экономические, социальные и другие преимущества [6].

По мере увеличения количества биогазовых проектов, биогазовые экологические системы привлекают все больше и больше внимания.Экологическая система биогаза представляет собой комплекс, состоящий из сельского хозяйства, окружающей среды, энергетики, общества и других соответствующих секторов. Цели биогазовой экологической системы — производство энергоносителя из возобновляемых ресурсов и достижение множества экологических выгод. Были предприняты некоторые исследования биогазовых экологических систем, но в основном основное внимание уделялось технической оценке, экономической выгоде и потокам энергии [7–13]. Методы исследования экологической системы биогаза включают учет эксергии, энергетический анализ, оценку жизненного цикла и аварийный анализ, которые были разработаны за последние 30 лет.Emergy выбрана в этой статье, потому что это особенно подходящий инструмент для оценки системы сельскохозяйственного производства. Emergy фокусируется на сложной экосистеме на стыке естественных и человеческих систем, которая включает в себя многие предметные области, не только системы экологии, экосистемной экологии, энергетики, науки о ресурсах, наук об окружающей среде, систематики, науки о Земле и других естественных наук, но и а также те, что относятся к экономике, социологии, прогнозированию и другим гуманитарным наукам [14, 15].Метод Emergy объединяет все меры, и все показатели входов в процессе формирования преобразуются в солнечную эмерджету (sej) и солнечную трансформацию (sej / J). Таким образом, можно рассчитать как экологическую, так и экономическую ценность, что упрощает процесс оценки.
Все исследования, упомянутые ранее, сосредоточены на одном виде биогазовых установок, и материалы, используемые в качестве входных, не дифференцируются. Однако с развитием биогазовой технологии появилось несколько видов биогазовых материалов.В настоящее время основными материалами для анаэробной ферментации являются солома и фекалии, а процесс и параметры их ферментации (температура, концентрация, коэффициент дефлегмации, режим перемешивания и т. Д.) Сильно различаются. Таким образом, анализ системы биогазового проекта может быть исчерпывающим и правильным только с учетом различных характеристик материалов. В этом документе для сравнения выбраны два репрезентативных биогазовых проекта, и для анализа их характеристик используется аварийный. Целью этого исследования является оценка эколого-экономической выгоды, пользы для окружающей среды и возможности устойчивого развития двух различных видов сырья (кукурузной соломы и фекалий) в системе производства биогаза и заложить теоретическую основу для обобщения экологического производства биогаза. система.Все расчеты должны быть максимально прозрачными, чтобы результаты можно было использовать в будущих анализах.
2. Материалы и методы
2.1. Учебная площадка
Два биогазовых проекта, изучаемые в этой статье, различаются по разложенным материалам; один — кукурузная солома, а другой — фекалии. Все данные получены по результатам исследования сайта за весь год.
2.1.1. Система BPF
Биогазовый проект, где разложившимся материалом являются фекалии (BPF), расположен на западе деревни Хэгэчжуанг района Чаоян в Пекине.Общий объем инвестиций в биогазовую установку составляет 2 600 000 юаней, площадь которой составляет 2930 м ². БНФ начал свою работу в октябре 2010 года, перерабатывая фекалии из трех деревень: Найдонг, Хэгэчжуан и Найси. Этот биогазовый проект решил проблему загрязнения фекалиями и улучшил качество жизни в деревне.
Технология БПФ — реактор непрерывного действия с мешалкой (CSTR), материал бака — эмалированная прессованная сталь. Емкость БПФ составляет 400 м³, он имеет интегрированный резервуар для хранения сжиженного газа, в том числе объем хранения жидкости 224 м³ и объем хранения газа 200 м³.Биогазовый проект может переваривать 10-20 т твердого навоза и 25 т бытовых сточных вод в день, а выход биогаза составляет 650 м³ / сут. При обычном управлении концентрация ферментации поддерживается на уровне 6-10% за счет обратного флегма биогазовой суспензии. Солнечная система — одна из важнейших частей всей биогазовой установки, поскольку она может повышать температуру питательных материалов до 5 ° C зимой. Кроме того, часть биогаза на выходе нагревается для поддержания температуры ферментации. Весной и осенью будет отапливаться 250 м³ биогаза, а мощность составит 400 м³.Летом из-за высокой температуры нагревать биогазовый бак не нужно; Таким образом, весь биогаз в объеме 650 м³ будет экспортирован. Зимой отапливается 350 м³ биогаза и 300 м³ биогаза идет на экспорт. Кроме того, зимой будет поставляться 113 кг угля в сутки, этого хватит на 4 месяца; Итак, количество угля составляет 13,6 т / год.
2.1.2. Система BPC
Другой биогазовый проект, где деградировавшим материалом является BPC, расположен в деревне Дунъяочжуан страны Цин в провинции Хэбэй, где хорошо развита растениеводство.Из-за этого существует ряд видов стеблей соломы из отходов сельскохозяйственных культур, а окружающая среда была загрязнена из-за складирования и преднамеренного сжигания соломы. В 1999 году был построен первый подземный резервуар для биогаза CSTR объемом 1000 м³. Однако в тот период технология была незрелой; Итак, биогазовый резервуар не может быть запущен. После этого в 2005 году был успешно построен биогазовый резервуар с кирпично-бетонной конструкцией объемом 400 м³, который стал первым в Китае. Однако из-за ограничений строительных материалов и технологий этот биогазовый проект сейчас не работает.Благодаря обобщению опыта строительных работ и совершенствованию технологий в 2006 году был построен новый резервуар для биогаза объемом 400 м³. После отладки и запуска он был официально введен в эксплуатацию в 2007 году и стал образцом для биогазового проекта в Китае.
Технология BPC — реактор с восходящим потоком твердых веществ (USR), а материал резервуара — сварная стальная плита. Общий объем БПК составляет 400 м³ с производительностью обработки 900 кг кукурузной соломы в сутки. Чтобы поддерживать концентрацию корма, нужно добавлять 2 ~ 3 т воды в день.Температура ферментации составляет 44 ~ 55 ° C, а производительность по производству биогаза составляет 480 м³ / сут. Для всей биогазовой системы требуется 200 м³ биогаза в сутки зимой и 120 м³ / сутки весной и осенью. Чистый объем биогаза составляет 280 м³ / сут зимой и 360 м³ / сут весной и осенью. Поскольку нет необходимости его нагревать, чистый выход биогаза летом составляет 470 м³ / сутки. Так же, как и БПФ, для нагрева биогазового резервуара используется 150 кг / сутки угля, который длится около 4 месяцев, а количество угля составляет 18 т / год.
2.2. Экстренный учет
Необработанные входные и выходные данные двух биогазовых систем записываются за весь 2011 год. Подробности аварийного учета можно найти в работах Одума [16]. Процесс аварийного учета состоит из двух этапов. Первый — определить границы системы, а затем составить таблицу непредвиденных оценок. Следующим шагом является суммирование всех дополнительных вкладов от независимых входов и оценки биогазовых систем, как показано в установленной системе показателей аварийной ситуации.
Эмерджентная система показана на Рисунке 2. Входные ресурсы разделены на три части: бесплатные местные возобновляемые ресурсы (RR), включающие сырье (фекалии / кукурузная солома), солнечная энергия и подземный полив, приобретенные возобновляемые ресурсы (RP) включают человеческий труд и приобретенные невозобновляемые ресурсы (NP), включая строительные материалы, уголь и электричество. Все продукты, включая биогаз и остатки биогаза, являются выходом системы (Y). В процессе подсчета все экономические ценности конвертируются в солнечную эмерджету (sej).А затем солнечная эмерджентность превращается в эмерджентно-денежную стоимость (Em $) через эмерджентно-денежное соотношение. В этой статье эмерджентно-денежная стоимость (Em $) представляет собой не только макроэкономическую ценность возникающего потока, но и эколого-экономическую ценность, которая оценивает экоэффективность, воздействие на окружающую среду и устойчивость системы.

2.3. Индекс оценки чрезвычайных ситуаций
Для анализа этих двух типов биогазовых систем с точки зрения эколого-экономической выгоды, экологической выгоды и способности к устойчивому развитию в данной работе используются десять оценочных индексов.
2.3.1. Коэффициент непредвиденных закупок (PER)
Это соотношение затрат, возникающих в результате обратной связи социальной экономики, и общих затрат, возникающих при возникновении ситуации. Это зависит от степени зависимости системы от внешних ресурсов.
2.3.2. Естественная чрезвычайная ситуация / чрезвычайная ситуация с закупками
Это соотношение представляет собой исходную прибыль от природных ресурсов, деленную на входную возникающую обратную связь социальной экономики, которая показывает состояние промышленной конкурентоспособности.
2.3.3. Коэффициент непредвиденных инвестиций (EIR)
Это соотношение затрат на возникновение обратной связи социальной экономики и затрат на появление природных ресурсов, которое показывает стоимость системы.
2.3.4. Коэффициент рентабельности для чрезвычайных ситуаций (EYR)
Это соотношение общего объема производства и затрат, возникающих при обратной связи социальной экономики, которое представляет ситуацию в системе производства.
2.3.5. Коэффициент аварийной самообеспеченности (ESR)
ESR показывает способность системы к самообслуживанию. Это выход из природы, деленный на общий объем выхода системы.
2.3.6. Коэффициент обработки отходов (% W)
Это отношение количества отходов (для биогазового проекта, это означает сырье, такое как кукурузная солома и фекалии) к общему объему выбросов системы.Это значение показывает способность обработки отходов всей системы.
2.3.7. Коэффициент экологической нагрузки (ELR)
Это важный показатель окружающей среды, [который означает давление на окружающую среду со стороны системы]. Он равен отношению общей невозобновляемой аварийной энергии, деленной на возобновляемую аварийную энергию.
2.3.8. Коэффициент отдачи обратной связи (FYR)
Этот коэффициент означает возникновение системной обратной связи (для биогазовой системы, это часть биогаза, которая нагревается), деленное на возникновение экономической обратной связи, что показывает способность системы к самоорганизации.
2.3.9. Коэффициент возобновляемой энергии (% R)
Это соотношение возобновляемой резервной и исходной мощности системы, что означает возобновляемую собственность системы.
2.3.10. Коэффициент устойчивости для чрезвычайных ситуаций (ESR)
Этот оценочный индекс показывает состояние устойчивости системы, которое равно EYR, деленному на ELR.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Экстренный учет
Как показано в Таблице 1, общий аварийный ввод системы BPC составляет sej / год, из которых RR, RP и NP составляют 62%, 3% и 35%, соответственно (показано на Рисунке 3) .Выходной выход биогазовой системы состоит из остатков биогаза и биогаза, а остатки биогаза состоят из трех частей: азотных удобрений, фосфорных удобрений и калийных удобрений. Как показано на Рисунке 4, биогаз является наиболее важным производством, выход которого составляет сейдж / год и составляет 99% от общего выхода выброса. Доля остатков биогаза составляет всего 1%.
9025 [1], 1996 год. 6 долл. США 9025 79024 9024 и 15 Marche Bastianini 9027 J и др. 9025, 2005 [19] удобрение
№ Артикул ^a Единицы Исходная дата Transformity Каталожные номера Solar Emergy (sej / год) ($)
Местные возобновляемые ресурсы
1 Подземная вода J 0
2 Кукурузная солома J Odum, 1996 [16] 3180
3180
Возобновляемая покупка исходные данные
3 Человеческий труд J Си и Цинь, 2006 [17] 5804
5804
Невозобновляемые закупленные вводы
4 Стальная пластина 9025 9025 9024 9025 9025 2004 [18] 846
5 Оборудование, полиэтиленовые трубы ^b долларов США Коричневый и Ульгиати, 2004 [18] Стоимость строительных работ ^b долларов США Си и Цинь, 2006 г. [17] 9024 2 605
7 Расходы на техническое обслуживание долларов США Си и Цинь, 2006 [17] 605
Odum, 1996 [16] 2177
9 Электричество J Xi и Qin, 2006 [173 Протеиновый порошок Си и Цинь, 2006 [17] 931
Всего (NP) 12491
Общий ввод 90 242 21475
Обратная связь по системе
11 Биогаз (с подогревом) J
Всего (F) 7666
Bastianoni and Marchettini, 2000 [15] 28996
13 Азотные удобрения г 145
14 Фосфорные удобрения г Zhang et al., 2005 [19] 213 214 г Zhang et al., 2005 [19] 193
Общий урожай (Y) 29553
^a Местными невозобновляемыми ресурсами можно пренебречь.
^b Предметы разделены на срок службы 20 лет.

Исходя из данных в таблице 2, общий аварийный ввод системы BPF составляет sej / год, из которых RR, RP и NP составляют 88%, 1% и 11% соответственно (Рисунок 5). Что касается RR, твердый навоз и моча (включая смывные сточные воды) составляют 46,50% и 53,50% соответственно. Как и в системе BPC, выходная мощность биогазовой системы также состоит из остатков биогаза и биогаза.Как показано на Рисунке 6, биогаз является наиболее важным производством, выход которого составляет сейдж / год и составляет 75% от общего выхода выброса. Оставшаяся часть остатков биогаза делится на три части: азотные удобрения (3%), фосфорные удобрения (17%) и калийные удобрения (5%).
902 9025 4 9024 9024 9024 9024 9024 9024 9025 и Цинь, 2006 [17]^{05 ⁰⁵} долларов США 9025 Xi 2006 [17] Co, 2006 год. 9024 9024 9024 9024 9024 9024 9024 9024 9024 9024 9024 9024 9024 11 9025 9025 9025 9025 9025 9025 [15] удобрения
№ Изделие ^a Единицы Исходная дата Transformity Каталожные номера Solar Emergy (sej / год) ($)
Местные возобновляемые ресурсы
1 Sunlight J 0
2 Твердый навоз J Odum, 1996 [16] 0
3 9024 , 1996 [16] 0
Итого (RR) 902 42 0
Возобновляемые закупаемые ресурсы
4353
Всего (RP)
Приобретенные невозобновляемые ресурсы
5 Стоимость строительных работ ^b
6 Оборудование, ПЭ трубы ^{b 9 0167} долларов США Си и Цинь, 2006 год [17] 5200
7 Дополнительные работы ^b долларов США долларов США X долларов США 713
8 Расходы на техническое обслуживание долларов США Си и Цинь, 2006 год [17] 605
J Odum, 1996 [16] 738
10 Электроэнергия J Xi 175 Xi 175 11 Xi 175
Всего (NP) 11391
Общий вход Биогаз (с подогревом) J Bastianoni and Marchettini, 2000 [15] 13881
13881
Урожайность 9025 9025 28561
13 Азотные удобрения г Zhang et al., 2005 [19] 1838
14 Фосфорные удобрения г Zhang et al., 2005 [19] 683 г Zhang et al., 2005 [19] 6796
Общий урожай (Y)
44039
^a Местными невозобновляемыми ресурсами можно пренебречь.
^b Предметы разделены на срок службы 20 лет.

По сравнению с системой BPC, входная выходная мощность системы BPF на 4,38 × 10 ¹⁷ sej / год больше, чем BPC, потому что RR составляет большую часть системы BPF. В противном случае, по выходу системы БКК, выход биогаза составляет 99%, а биогазового навоза — 1%; По выходу системы БПФ выход биогаза составляет 75%, биогазового навоза — 25%. Причина в различии в характере материалов для разложения, строительном масштабе и технологии разложения.Для системы BPC главной целью является производство биогаза; Итак, мы называем этот вид биогазового проекта энергоэкологическим. С другой стороны, система BPF реализует задачу по эффективному обращению с навозом и сточными водами, которая тяготеет к энергоэкологическому типу.
3.2. Эколого-экономический анализ
Биогазовый проект представляет собой одну из схем экологической циркуляции сельскохозяйственных отходов, имеющую отношение к сельскохозяйственным отходам, и эколого-экономические выгоды могут быть измерены с помощью чрезвычайной денежной стоимости, которая представляет собой особую форму чрезвычайной денежной стоимости, отраженную в экономический рынок.
В таблице 3 общие инвестиционные фонды BPF и BPC составляют 15 700 долларов США в год и 21 500 долларов США в год, соответственно. Ресурсы БНФ (фекалии) покупать не нужно; Итак, инвестиционные фонды системы БПФ включают РП и НП, а фонды системы БКК — РР, РП и НП. Таким образом, система БНФ может ослабить давление со стороны правительства и быть достойной широкого продвижения. Напротив, ресурсы BPC (кукурузная солома) необходимо покупать из-за их широкого применения, например, в качестве топлива для нагрева воды и топлива для брикетирования.Кроме того, перед анаэробным сбраживанием солому необходимо измельчить. И дополнительные добавки, такие как протеиновый порошок, необходимы в процессе анаэробного пищеварения. Таким образом, RP и NP системы BPC выше, чем у BPF. Кроме того, система БПФ имеет систему солнечного отопления, которая снижает количество угля и электроэнергии; Таким образом, вся потребляемая энергия меньше, чем BPC.
4,86 9024 × 10 483 × 10 ⁴
Артикул BPC BPF
RR 3.18 × 10 ³ /
RP 5,80 × 10 ³ 4,35 × 10 ³
NP 1,25 × 10 ⁴
,1
Всего на входе 2,15 × 10 ⁴ 1,57 × 10 ⁴
Биогаз (на выходе) 2,90 × 10 ⁴ Азотные удобрения 1.45 × 10 ² 1,84 × 10 ³
Фосфорное удобрение 2,18 × 10 ² 6,84 × 10 ³
9016
9016 6,80 × 10 ³
Общая урожайность 2,96 × 10 ⁴ 4,40 × 10 ⁴
Эколого-экономическое значение 0,81165 10
Выходы систем BPF и BPC составляют 44 000 долларов США в год и 29 600 долларов США в год соответственно. Основная причина заключается в большом разрыве экономической ценности производства остатков биогаза, что вызывает различия между технологиями двух биогазовых проектов. Эколого-экономическая ценность систем БПФ и БКК составляет 28 300 долл. США в год и 8 100 долл. США в год соответственно. Поскольку оба материала являются возобновляемыми природными ресурсами, два биогазовых проекта имеют высокую эколого-экономическую ценность и значительные экологические преимущества для окружающей среды.Большая часть биогаза из проекта может удовлетворить потребности в энергии; биогазовый навоз можно использовать в качестве органического удобрения для сельскохозяйственных культур, овощей и фруктов. Таким образом, все они улучшают экологическую ценность.
3.3. Анализ индексов оценки аварийных ситуаций
Все индексы оценки аварийных ситуаций классифицируются по эколого-экономической выгоде, экологической выгоде и способности к устойчивому развитию (показано в таблице 4).
915ER2 9024 выгода от экстр.38 9025 5,0
Изделие Оценочный индекс BPC BPF
0,12
Естественный аварийный / приобретенный аварийный 1,62 7,26
Норма инвестирования в аварийный сектор (EIR) 0,62 0,14
9024 Коэффициент доходности 13,95
Коэффициент самообеспечения на случай чрезвычайной ситуации (СОЭ) 0,62 0,88
Экологические выгоды Коэффициент переработки отходов (% W) 61.30 87,89
Коэффициент экологической нагрузки (ELR) 0,53 0,13
Устойчивое развитие Коэффициент доходности по обратной связи (FYR) коэффициент (% R) 65,15 88,70
Индекс устойчивости (ESI) 16,57 109,50
3.3.1. Эколого-экономическая выгода
PER, естественная аварийная / закупочная аварийная ситуация, EIR и ESR системы BPF в 0,32, 4,49, 0,22 и 1,42 раза больше, чем система BPC, соответственно. Это указывает на то, что система BPF меньше зависит от возобновляемых ресурсов и имеет большую конкурентоспособность, более высокую эффективность использования природных ресурсов и способность к самообеспечению, чем системы BPC. Это связано с тем, что материал BPC, кукурузная солома, необходимо закупить, а материал BPF, фекалии, не нуждается в финансовой поддержке.
Что касается чистого вклада в экономику, то, хотя обратная связь, возникающая у двух систем, кажется одинаковой, EYR системы BPF примерно в 1,57 раза больше, чем у систем BPC, потому что система BPF имеет гораздо больший выход, Это означает, что система BPF отличается низкой стоимостью, хорошей производственной эффективностью, высокой эффективностью использования в чрезвычайных ситуациях и конкурентоспособностью.
Учитывая все предыдущие показатели, система БПФ имеет более высокий эколого-экономический эффект, чем система БКК.
3.3.2. Экологические преимущества
% W системы BPF примерно в 1,43 раза больше, чем у систем BPC. Сырье для системы БПФ — навоз, птица и моча. А общий объем ферментации составляет 624 м ³, который состоит из реактора первичной ферментации (400 м ³) и реактора вторичной ферментации (224 м ³). С другой стороны, сырьем для системы BPC является только солома с объемом ферментации 480 м ³. Объемы обработки отходов системы BPF и системы BPC, преобразованные в ценность солнечной энергии, составляют sej / год и sej / год, что означает, что система BPF имеет более высокую эффективность разложения.
ELR — важный показатель, отражающий степень влияния системы на окружающую среду. ELR для систем BPF и BPC равны 0,13 и 0,53, что меньше 1. Результаты показывают, что две системы оказывают небольшое влияние на окружающую среду. Однако, благодаря более высокому коэффициенту выхода возобновляемых источников энергии и большему количеству обрабатываемых отходов, система БПФ имеет гораздо более высокие экологические преимущества.
3.3.3. Анализ способности устойчивого развития
Чтобы проанализировать способность устойчивого развития, необходимо рассмотреть три части: FYR,% R и ESI.
Первый индекс — FYR. FYR — это отношение аварийной обратной связи системы (для биогазовой системы это часть нагреваемого биогаза), деленное на возникновение экономической обратной связи. Возникновение экономической обратной связи для BPF и BPC составляет sej / yr и sej / yr, в то время как возникновение само-обратной связи — sej / yr и sej / yr. Предыдущие результаты являются результатом количества энергии, используемой для нагрева реактора первичной ферментации на 400 м³ и реакторов вторичной ферментации на 224 м³. FYR BPF в 1,96 раза больше, чем BPC, что означает, что способность к самоорганизации BPF намного лучше, чем у BPC.
Другой индекс -% R, который указывает на возобновляемый характер биогазовой системы. И возобновляемые источники энергии, и новые технологии, посвященные BPF, — это больше, чем система BPC. При этом% R БПФ в 1,36 раза больше, чем у системы БКК. Результаты показывают, что способность системы возобновляемого характера BPF лучше.
Последний индекс, ESI, устанавливает взаимосвязь между окружающей средой и возникающими явлениями. Совершенная биогазовая система имеет не только высокую производительность, но и далеко идущее влияние.ESI BPF в 6,61 раза больше, чем система BPC, что показывает, что система BPF имеет большие возможности для устойчивого развития.
4. Заключение
Крупные и средние биогазовые проекты, в которых используются кукурузная солома и фекалии, имеют высокую эколого-экономическую выгоду. В этом исследовании эколого-экономическая ценность систем БПФ и БКК составляет 28 300 долл. США в год и 8 100 долл. США в год соответственно. В соответствии с денежными, экологическими и человеческими факторами производства оба типа биогазовых проектов обладают большим потенциалом развития.
Что касается всех вводимых ресурсов, возобновляемые природные ресурсы составляют наибольший процент, что означает, что обе системы обладают хорошей способностью обрабатывать сельскохозяйственные отходы (фекалии и солому). В системе BPC количество выходящего биогаза намного больше, чем остатков биогаза. В связи с быстрым развитием биогазовых проектов переработка отходов и сточных вод стала актуальной темой, а комплексная утилизация остатков биогаза стала основной задачей. Следовательно, необходимо усовершенствовать технологию, чтобы эффективно использовать остатки биогаза.
С точки зрения анализа точки возникновения, система BPF превосходит систему BPC в аспектах эколого-экономической выгоды, экологической выгоды и способности устойчивого развития. Этот результат связан с проблемами сезонного сбора и деградации кукурузной соломы. Что касается этой ситуации, система BPC может быть рассмотрена, если анаэробное сбраживание сочетается с другим сырьем, таким как птичий и домашний навоз, моча и бытовой мусор.
Приложения
A.
Примечания к Таблице 1: (1) Подземная вода Количество: 2500 кг / сутки Стандартная энергетическая ценность: 4 кДж / кг Энергия: 2500 кг / сутки × 4 × 10 ³ Дж / кг × 365 дней / год = 3,65 × 10 ⁹ Дж / год (2) Кукурузная солома Количество: 900 кг / день Стандартная энергетическая ценность: 14355,72 кДж / кг Энергия: 900 кг / день × 14355,72 × 10 ³ Дж / кг × 365 дней / год = 4,72 × 10 ¹² Дж / год (3) Количество рабочих дней человека: 4 × 365 дней в год = 1460 дней в год Стандартная энергетическая ценность: 12600 кДж / день Энергия: 1460 дней в год × 12600 кДж / день = 1,84 × 10 ¹⁰ Дж / год (4) Количество стальных листов: 3.5 × 10 ⁷ г / 20 лет = 1,75 × 10 ⁶ г / год (5) Оборудование, полиэтиленовые трубы Количество: (
0/20 лет) RMB / 8,27 = 5,44 × 10
³ (2000 долларов США) (6) Стоимость строительных работ Количество: (100000/20 лет) RMB / 8,27 = 6,05 × 10 ² (2000 долларов США) (7) Стоимость обслуживания Количество: 5000 RMB / 8,27 = 6,05 × 10 ² (2000 долларов США) $) (8) Количество угля: 18000 кг / год Стандартная энергетическая ценность: 26777,6 кДж / кг Энергия: 18000 кг / год × 26777,6 кДж / кг = 4,82 × 10 ¹¹ Дж / год (9) Количество электроэнергии: 30000 кВт · ч / год. Нормативная энергетическая ценность: 3598.24 кДж / кВт · ч Энергия: 30000 кВт · ч / год × 3598,24 кДж / кВт · ч = 1,08 × 10 ¹¹ Дж / год (10) Белковый порошок Количество: (182,5 кг / год × 4,2 юаней / кг) / 8,27 = 9,27 × 10 ¹ (2000 долларов США) (11) Биогаз (с подогревом) Количество: 39600 м ³ / год Стандартная энергетическая ценность: 20920 кДж / м ³ Энергия: 39600 м ³ / год × 20920 кДж / м ³ = 8,28 × 10 ¹¹ Дж / год Число: 76500 м ³ / год Стандартное значение энергии: 20920 кДж / м ³ Энергия: 76500 м ³ / год × 20920 кДж / м ³ = 1.60 × 10 ¹² Дж / год (12) Биогаз (выход) Количество: 133200 м ³ / год Стандартная энергетическая ценность: 20920 кДж / м ³ Энергия: 133200 м ³ / год × 20920 кДж / м ³ = 2,79 × 10 ¹² Дж / год Число: 157500 м ³ / год Стандартная энергетическая ценность: 20920 кДж / м ³ Энергия: 157500 м ³ / год × 20920 кДж / м ³ = 3,29 × 10 ¹² Дж / год (13) Количество азотных удобрений: 6,58 × 10 ⁵ г / год (14) Количество фосфатных удобрений: 3.29 × 10 ⁵ г / год (15) Калийные удобрения Количество: 4,94 × 10 ⁵ г / год
B.
Примечания к таблице 2: (1) Солнечная энергия Стандартное значение энергии: 4,1868 × 10 ³ Дж / кг · k Энергия: 50 м ³ / d × 10 ³ кг / м ³ × 120 d / год × 4,1868 × 10 ³ Дж / (кг · k) × 5 k = 1,26 × 10 ¹¹ Дж / год (2) Количество твердых удобрений: 4,015 × 10 ⁶ кг / год Всего твердого: 18% Стандартная энергетическая ценность: 13500 кДж / кг Энергия: 4.015 × 10 ⁶ кг / год × 18% × 13500 кДж / кг = 9,76 × 10 ¹² Дж / год (3) Моча (включая промывные сточные воды) Количество: 12410 м ³ / год Стандартное значение энергии: 6,43 × 10 ⁶ Дж / м ³ Энергия: 12410 м ³ / год × 6,43 × 10 ⁶ Дж / м ³ = 7,98 × 10 ¹⁰ Дж / год (4) Рабочие дни человека: 3 × 365 дней в год = 1095 дней в год Стандартная энергетическая ценность: 12600 кДж / день Энергия: 1095 дней в год × 12600 кДж / кг = 1,38 × 10 ¹⁰ Дж / год (5) Стоимость строительных работ Число: (734000 / 30 лет) RMB / 8.27 = 2,96 × 10 ³ (2000 долларов США) (6) Оборудование, полиэтиленовые трубы Номер: (1289000/30 лет) RMB / 8,27 = 5,20 × 10 ³ (2000 долларов США) (7) Номер вспомогательной работы: (176000/30 лет) RMB / 8,27 = 7,10 × 10 ² (2000 долларов США) (8) Стоимость обслуживания Количество: 5000 RMB / 8,27 = 6,05 × 10 ² (2000 долларов США) (9) Количество угля: 13600 кг / год Стандартная энергетическая ценность: 26777,6 кДж / кг Энергия: 13600 кг / год × 26777,6 кДж / кг = 3,64 × 10 ¹¹ Дж / год (10) Количество электроэнергии: 20221 кВт · ч Стандартная энергетическая ценность: 3598.24 кДж / кВт · ч / год Энергия: 20221 кВт · ч / год × 3598,24 кДж / кВт · ч = 7,28 × 10 ¹⁰ Дж / год (11) Биогаз (с подогревом) Количество: 76500 м ³ / год Стандартная энергетическая ценность: 20920 кДж / м ³ Энергия: 76500 м ³ / год × 20920 кДж / м ³ = 1,60 × 10 ¹² Дж / год (12) Биогаз (выход) Число: 157500 м ³ / год Стандартная энергетическая ценность: 20920 кДж / м ³ Энергия: 157500 м ³ / год × 20920 кДж / м ³ = 3,29 × 10 ¹² Дж / год (13) Азотные удобрения Количество: 8.63 × 10 ³ кг / год (14) Количество фосфорных удобрений: 1,02 × 10 ⁴ кг / год (15) Количество калийных удобрений: 1,73 × 10 ⁴ кг / год.
Благодарности
Исследования поддерживаются Национальной программой исследований и разработок в области ключевых технологий Китая (№№ 2008BADC4B03 и 2009BAC64B08).
Производство биогаза — обзор
17.3.5 Сырье
Самым важным начальным вопросом при рассмотрении применения систем анаэробного сбраживания является сырье для процесса.Варочные котлы обычно могут принимать любой биоразлагаемый материал; однако, если целью является производство биогаза, уровень гниения является ключевым фактором в его успешном применении. Чем более гнилостный (усвояемый) материал, тем выше возможный выход газа из системы.
Состав субстрата является основным фактором, определяющим выход метана и скорость образования метана при вываривании биомассы. Доступны методы для определения характеристик состава сырья, в то время как такие параметры, как анализ твердых веществ, элементный и органический анализ, важны для проектирования и эксплуатации варочного котла.
Анаэробы могут расщеплять материал с разной степенью успеха — от легкого в случае короткоцепочечных углеводородов, таких как сахара, до более длительных периодов времени в случае целлюлозы и гемицеллюлозы. Анаэробные микроорганизмы не могут расщеплять длинноцепочечные древесные молекулы, такие как лигнин. Анаэробные варочные котлы изначально проектировались для работы с осадком сточных вод и навозом. Однако сточные воды и навоз не являются материалом с наибольшим потенциалом для анаэробного переваривания, поскольку биоразлагаемый материал уже получил большую часть энергии, потребляемой животным, которое его произвело.Поэтому многие варочные котлы работают с совместным сбраживанием двух или более типов сырья. Например, в варочном котле на ферме, который использует молочный навоз в качестве основного сырья, добыча газа может быть значительно увеличена путем добавления второго сырья, например трава и кукуруза (типичное сырье на месте) или различные побочные органические продукты, такие как отходы скотобойни, жиры, масла и жир из ресторанов, органические бытовые отходы и т. д. (типичное сырье за пределами площадки). Дигесторы, перерабатывающие специальные энергетические культуры, могут достичь высокого уровня деградации и производства биогаза.Системы, использующие только жидкий навоз, как правило, дешевле, но производят гораздо меньше энергии, чем системы, использующие такие культуры, как кукуруза и травяной силос; за счет использования небольшого количества растительного материала (30%) установка AD может увеличить выработку энергии в десять раз, всего лишь в три раза превышая капитальные затраты по сравнению с системой, работающей только на жидком навозе.
Второе соображение, связанное с сырьем, — это влажность. Сушильные, штабелируемые субстраты, такие как пищевые и дворовые отходы, подходят для разложения в камерах типа туннеля. Системы туннельного типа также обычно имеют почти нулевой сброс сточных вод, поэтому такой тип системы имеет преимущества там, где сброс жидкостей из метантенка является препятствием.Чем влажнее материал, тем больше он подходит для работы со стандартными насосами вместо энергоемких бетононасосов и физических средств передвижения. Кроме того, чем больше смачивается материал, тем больший объем и площадь он занимает по сравнению с уровнем выделяемого газа. Содержание влаги в целевом сырье также будет влиять на то, какой тип системы применяется для его обработки. Чтобы использовать анаэробный варочный котел с высоким содержанием твердых веществ для разбавленного сырья, следует применять наполнители, такие как компост, для увеличения твердого содержания входящего материала.Еще одним ключевым моментом является соотношение углерода и азота в исходном материале. Это соотношение представляет собой баланс пищи, необходимой микробу для роста. Оптимальное соотношение C: N для «пищи» микроба составляет 20–30: 1. Избыток азота может привести к угнетению пищеварения аммиаком.
Уровень загрязнения исходного материала является ключевым фактором. Если сырье для варочных котлов имеет значительные уровни физических загрязнителей, таких как пластик, стекло или металлы, то для использования материала потребуется предварительная обработка.Если его не удалить, варочные котлы могут быть заблокированы и не будут работать эффективно. Исходя из этого понимания, проектируются установки для механической биологической очистки. Чем выше уровень предварительной обработки сырья, тем больше потребуется технологического оборудования, и, следовательно, проект будет иметь более высокие капитальные затраты.
После сортировки или просеивания для удаления любых физических загрязнителей, таких как металлы и пластмассы из сырья, материал часто измельчают, измельчают и механически или гидравлически измельчают, чтобы увеличить площадь поверхности, доступную для микробов в варочных котлах и, следовательно, увеличить скорость пищеварения.Мацерация твердых веществ может быть достигнута с помощью измельчающего насоса для перекачки исходного материала в герметичный варочный котел, где происходит анаэробная обработка.
Производство биогаза и разнообразие метаногенных микроорганизмов
Сельское хозяйство, пищевая промышленность и производство — это лишь некоторые из областей, в которых можно использовать анаэробные технологии. В настоящее время анаэробные технологии в основном используются для очистки сточных вод, обработки твердых отходов или для производства электрической и тепловой энергии при переработке энергетических культур.Однако существует четкая тенденция к более интенсивному использованию этой технологии в переработке биомассы и биоразлагаемых отходов, а также в производстве водорода или биометана. Во всем мире работает огромное количество анаэробных варочных котлов, но очень мало информации о влиянии различных комбинаций субстратов на сообщество метаногенов. Это связано с тем, что каждый из анаэробных варочных котлов имеет собственное уникальное микробное сообщество. Для наиболее эффективного управления анаэробными процессами было бы важно знать состав консорциума анаэробных микроорганизмов, присутствующих в анаэробных варочных котлах, обрабатывающих различные входные комбинации сырья.В данной статье описывается влияние входящего сырья на разнообразие метаногенового сообщества. Было обнаружено, что два преобладающих микроорганизма в анаэробных переваривающих веществах на 99% идентичны по последовательностям гена 16S рРНК родам Methanoculleus и Thermogymnomonas , депонированным в GenBank.
1 Введение
Анаэробное сбраживание — это естественный процесс, при котором микроорганизмы разлагают органические материалы, основным конечным продуктом которого является биогаз и другие продукты ферментации.Этот процесс может происходить на болотах, заболоченных территориях и в пищеварительном тракте жвачных животных [1]. Анаэробные микроорганизмы также активны на свалках, где они могут разлагать захороненные биологические отходы. Биогаз можно собирать и использовать в качестве потенциального источника возобновляемой энергии [2]. В основном процесс происходит в анаэробной среде за счет деятельности широких групп микроорганизмов, которые разлагают органический материал и производят метан (CH ₄) и диоксид углерода (CO ₂) в газообразной форме, известной как биогаз [3, 4, 5, 6].Анаэробы играют важную роль в создании стабильной среды на различных этапах переваривания метана [7, 8]. Сбраживание метана предлагает эффективное средство снижения загрязнения, которое превосходит то, что достигается с помощью обычных аэробных процессов. Анаэробные варочные котлы десятилетиями использовались на городских очистных сооружениях, а в последнее время стали применяться для обработки промышленных и сельскохозяйственных отходов [9, 10, 11, 12, 13]. Обычно, используя органические материалы в качестве основного сырья, системы производят биогаз, который содержит от 55% до 70% CH ₄ и от 30% до 45% CO ₂ [14, 15, 16].
Обсуждается недавний прогресс биогазовой технологии в развитии молекулярной биологии метаногенов и в эксплуатации улучшенных анаэробных варочных котлов. Однако широко не сообщалось о преобладании метаногенных популяций микроорганизмов под влиянием типа субстрата в метановых анаэробных варочных котлах.
Целью данного исследования было сравнение разнообразия метаногенных популяций в метан-анаэробных переваривающих веществах с необычным соотношением вводимого исходного количества субстрата с использованием амплификации фрагментов генов и секвенирования Illumina.Выбранные биогазовые установки никогда ранее не изучались.
2 Материалы и методы
Анаэробные варочные котлы расположены в Модржице, Братчице, Панове, Ювально, Горни Бенешове, Русине и Лоденице в Чешской Республике (рис. 1).
Рис.1
Карта расположения биогазовых установок (Чехия)
2.1 Отбор проб и характеристика субстратов в анаэробных варочных котлах
Пробы были взяты из реакторов различных биогазовых установок.Пробы отбирали непосредственно из реакторов в стерильные сосуды для проб. После отбора пробы хранились в термоконтейнерах и отправлялись в лабораторию для дальнейшего анализа. Каждый из реакторов обрабатывал различный тип субстрата, который описан в таблице 1.
Таблица 1
Тип субстрата в анаэробном варочном котле
Номер образца Расположение ферментера Основная подложка Комбинация исходных субстратов (%)
1 Modřice первичный ил, биологический ил 50: 50
2 Братчице кукурузный силос, цельнозерновой силос, птичий помет 63:31: 6
3 Панов кукурузный силос, птичий помет 92: 8
4 Ювально кукурузный силос, жом сахарной свеклы, цельнозерновой силос, навоз КРС 44: 44: 6: 6
5 Горни Бенешов кукурузный силос, жом сахарной свеклы, цельнозерновой силос, навоз КРС, травяной силос 29: 39: 12: 15: 5
6 Русин кукурузный силос, жом сахарной свеклы 70: 30
7 Лоденице кукурузный силос, жом сахарной свеклы 75: 25
2.2 Аналитические методы
Были определены pH, окислительно-восстановительный потенциал, температура, общее содержание твердых веществ, содержание летучих твердых веществ и состав биогаза в каждом анаэробном варочном котле (таблица 2). Общее содержание твердых веществ (TS) определяли сушкой при 105 ± 5 ° C с последующим охлаждением в эксикаторе и взвешивали при достижении постоянного веса, EcoCELL 111 (BMT Medical Technology Ltd., Брно, Чешская Республика) использовали согласно Чешской Стандартный метод (CSN EN 14346, 2007) [17]. Содержание летучих твердых веществ (VS) определяли сжиганием образцов в муфельной печи при 550 ° C ± 5 ° C согласно Чешскому стандартному методу (CSN EN 15169, 2007) [18] с использованием печи LMH 11/12. (LAC, Ltd., Райград, Чехия). PH и окислительно-восстановительный потенциал определяли с помощью pH / Cond meter 3320 (WTW GmbH, Динслакен, Германия) в соответствии со стандартными процедурами (CSN EN 12176, 1999) [19].
Таблица 2
Физико-химические характеристики ферментации в биореакторах
Номер биореактора Температура (° C) pH Редокс (мВ) Сухой остаток (%) Летучие твердые вещества (%) Состав биогаза
CH ₄ (% _об.) CO ₂ (% _об.) H ₂ (% _об.) Прочее (% _об.)
1 34 7 -3.1 5,09 59,13 47 48 0,0055 4,99
2 43 8,3 -75 10,16 75,23 51,5 47 0,0045 1,49
3 49 8 -58 10.33 79,46 48 47 0,0050 4,99
4 48 7,69 -38,5 8,84 78,85 49 48 0,0035 2,99
5 49 7,85 -47.4 7,87 77,52 52 46 0,0060 1,99
6 48 7,63 -34,7 8,52 79,15 48 48 0,0040 3,99
7 44 7.65 -36 7,9 78,51 50,5 47 0,0035 2,49
Температуру образцов определяли с помощью высокоточного термометра RTD PT100 HH804U (OMEGA Engineering, Стэмфорд, США). Состав биогаза определяли с помощью газоанализатора Dräger X-am 7000 (Dräger Safety AG & Co. KGaA, Любек, Германия).
2.3 Выделение ДНК из собранных образцов
Мини-набор QIAamp Fast DNA Stool Mini Kit (QIAGEN GmbH, Хильден, Германия) обеспечивает быструю и простую очистку общей ДНК из свежих или замороженных образцов стула и использовался для экстракции ДНК из образцов анаэробных дигестеров. Экстракцию ДНК проводили в соответствии с руководством производителя с небольшими корректировками, как описано ниже. Вкратце, 100 мг каждого образца смешивали с 1,4 мл буфера ASL (QIAGEN GmbH, Хильден, Германия) и инкубировали при 95 ° C в течение 10 минут.После центрифугирования в супернатант добавляли планшет InhibitEX для удаления примесей и ингибиторов ПЦР. После центрифугирования 200 мкл супернатанта добавляли к 15 мкл раствора протеиназы K и также добавляли 200 мкл буфера AL (QIAGEN GmbH, Hilden, Германия). Смесь инкубировали при 70 ° C в течение 10 минут, охлаждали и добавляли 200 мкл этанола (96-100%). Затем супернатант центрифугировали через колонку набора QIAamp с последующими двумя промываниями буферами AW1 и AW2 (QIAGEN GmbH, Хильден, Германия).Для элюции ДНК использовали 200 мкл элюирующего буфера.
2.4 Амплификация и секвенирование
Для амплификации вариабельных областей V3 и V4 фрагментов гена 16S рРНК использовали универсальные праймеры [20]. Праймеры были помечены молекулярными штрих-кодами для идентификации образца. Для реакции ПЦР использовали Maxima ™ Probe qPCR Master Mix (Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA). Условия цикла: 95 ° C в течение 10 минут, затем 30 циклов инкубации при 94 ° C в течение 30 секунд, 60 ° C в течение 30 секунд и 72 ° C в течение 120 секунд, и заключительный этап продления при 72 ° C в течение 2 минут. .Продукты ПЦР визуализировали с помощью электрофореза в 1,5% агарозных гелях с использованием ДНК, очищенной из геля с использованием набора для экстракции гелей QIAquick (Qiagen GmbH, Hilden, Германия). ДНК количественно определяли с использованием анализа дцДНК Quant-iTPicoGreen (Thermo Fisher Scientific, Уолтем, США), и эквимолярные количества продуктов ПЦР объединяли вместе.
Очищенных ампликонов секвенировали по парным концам на платформе Illumina Mi-Seq. Пакет анализа данных QIIME был использован для анализа данных 16S рРНК [21].Качественная фильтрация необработанных последовательностей выполнялась в соответствии с распределениями базовых показателей качества, средним базовым содержанием на чтение и распределением GC в чтениях. Химеры и чтения, которые не сгруппировались с другими последовательностями, были удалены. Полученные последовательности с квалификационными баллами выше 20 были укорачены до той же длины 350 п.н. и классифицированы с помощью RDP Seqmatch с уровнем дискриминации операционной таксономической единицы (OTU), установленным на 97%. Относительная численность таксономических групп была рассчитана для микроорганизмов, обнаруженных в этом исследовании.Последовательности сравнивали с использованием функции BLAST Национального центра биотехнологической информации (NCBI) [22].
Последовательности были загружены в Geneious 7.1.9 для сравнительного геномного анализа [23]. Выравнивание последовательностей выполнялось в Geneious 7.1.9 с использованием Clustal W с матрицей стоимости BLOSUM, а кластеризация выполнялась методом объединения соседей [24].
2.5 Статистический анализ
Результаты обработаны методами вариационной статистики и проанализированы с помощью программы Statistica 12 (www.statistica.software.informer.com) и Origin 7.0 (www.origin-lab.com). Значение статистической достоверности параметров проверяли с помощью критерия Фишера (F-критерий). Оценка достоверности различия статистических характеристик альтернативных наборов данных проверялась с помощью t-критерия. Получение уравнений аппроксимации функций экспериментальных данных производилось методом наименьших квадратов [25]. Рассчитана доля влияния (η ²,%) температуры, pH и окислительно-восстановительного потенциала на микробное разнообразие, коэффициент Фишера и надежность эффекта [26].
3 Результаты
Как показали результаты наших исследований, производство состава биогаза зависело от соотношения основного субстрата в конкретных анаэробных варочных котлах. Самый низкий уровень образовавшегося метана (47%) был обнаружен в анаэробных варочных котлах, расположенных в Модржице. Это можно объяснить тем фактом, что данный анаэробный варочный котел представляет собой установку для очистки сточных вод, которая не является типичным биогазовым реактором в отличие от анаэробных варочных котлов 2–7. Самое высокое производство метана (52%) среди всех типичных анаэробных варочных котлов было обнаружено в реакторе со смесью субстратов, включая кукурузный силос, жом сахарной свеклы, силос из цельного зерна, навоз крупного рогатого скота и силос из трав в соотношении 29:39:12. : 15: 5 соответственно.
Основные роды были исследованы в различных ферментерах путем амплификации гена 16S рРНК и секвенирования Illumina. Наибольшее разнообразие метаногенных микроорганизмов было обнаружено в анаэробных варочных котлах из Моджице, где использовались два типа субстрата (первичный ил и биологический ил, 50:50). Наиболее многочисленные идентифицированные роды включали: Methanoculleus , Thermogymnomonas , Methano-bacterium , Methanolinea , Methanosaeta , Methanobrevibacter , The1853 и Methanmoplillum Methanmoplillum .
Таблица 3
Самый распространенный из родов архей в анаэробных варочных котлах
Номер ферментера Количество архей родов (OUT · ml ^–1) Всего
Метанокуллеус Термогимномонас Метанобактерии Метанимикрококк Метанолина Метаносаэта Метанобревибактер Метаноспирилл Термоплазмы Термопротеи
1 195 135 65 nd 95 25 10 25 10 5 565
2 1630 70 5 10 nd nd nd Nd nd nd 1715
3 270 10 nd nd nd nd nd Nd nd nd 280
4 865 300 nd nd nd nd nd Nd nd nd 1165
5 390 50 5 nd nd nd nd Nd nd nd 445
6 1695 90 nd nd nd nd nd Nd nd nd 1785
7 485 75 5 nd nd nd nd Nd nd nd 565
Однако не все эти виды среди этого широкого диапазона были обнаружены в других типичных биогазовых реакторах.Род Methanimicrococcus не был обнаружен в ферментере станции очистки сточных вод, но он присутствовал (0,6%) только в анаэробных варочных котлах (2), которые включали в себя следующие субстраты: кукурузный силос, силос из цельных культур и птичий помет в пропорции из 63: 31: 6 соответственно. Methanobacterium присутствовал в тех же анаэробных варочных котлах (0,29%), а также в анаэробных варочных котлах 5 (1,12%) и 7 (0,88%). Два рода, Methanoculleus и Thermogymnomonas , были доминирующими метаногенными микроорганизмами во всех анаэробных ферментах.Общее количество из родов архей было разным в каждом анаэробном варочном котле; однако статистически значимой разницы в добыче метана не было. Наибольшее количество метаногенных родов ( Methanoculleus и Thermogymnomonas ) обнаружено в анаэробном варочном котле 6 (кукурузный силос и жом сахарной свеклы — 70:30), где выработка метана достигала 48%. Производство метана было самым высоким в анаэробном варочном котле 5 (52%), несмотря на то, что эти роды не были обнаружены в значительном количестве (445 OUT · мл ⁴).Очевидно, производство метана зависело не от количества метаногенов, а от типа и соотношения конкретного потребляемого субстрата в анаэробных варочных котлах.
По нашим данным, процентное соотношение Methanoculleus и Thermogymnomonas в анаэробных варочных котлах (в%) составляло 35:24 в Модрице, 95: 4 в Братчице, 96: 4 в Панове, 74:26 в Úvalno , 88:11 в Горни Бенешове, 95: 5 в Русине и 86:13 в Лоденице (рис. 2A). Ввиду того, что наибольшее разнообразие популяций архей наблюдалось в анаэробных варочных котлах водоочистной станции, расположенной в Модржице, численность следующих родов была определена следующим образом: Methanoculleus (34.51%), Thermogymnomonas (23,89%), Methanobacterium (11,50%), Methanolinea (16,81%), Methanosaeta (4,42%), Methanobrevibacter (1,77%), (1,77%), ), Thermo-Plasmata (1,77%) и Thermoprotei (0,88%) (рис.2 B ).
Рис.2
Соотношение родов архей во всех проанализированных анаэробных ферментах (A), разнообразие популяций архей , наблюдаемых в анаэробном варочном котле очистных сооружений (B)
Для оценки генетических связей метаногенных популяций архей в каждом анаэробном переваривателе сравнивали последовательности их гена 16S рРНК и последовательности штаммов из GenBank.Геномные последовательности метаногенных архей хранятся в GenBank под номером доступа. KY120416, KY194698, KY123253, KY123349, KY123345, KY123354, KY123353, KY123343, KY123344, KY123348, KY123356, KY123351, KY123347, KY123355, KY123352, KY123357, KY123350, KY123342, KY123346, KY123358, KY172647, KY172644, KY172648, KY172661, KY172660. Было построено филогенетическое дерево этих взаимоотношений в каждом ферментере (рис. 3). Идентичность последовательностей гена 16S рРНК Archaea из разных анаэробных переработчиков штаммов из GenBank показана на рис.3, 4.
Фиг.3
Филогенетическое дерево архей отношений отдельно в каждом анаэробном варочном котле: Модржице ( A ), Братчице ( B ), Панов ( C ), valno ( D ), Horní Benešov ( E E ) Русин ( F ) и Лоденице ( G )
Фиг.4
Филогенетическое дерево, показывающее взаимосвязи между архей во всех анаэробных варочных котлах
На основе всех последовательностей 16S рРНК, гена Archaea из различных анаэробных переваривающих веществ, было построено филогенетическое дерево, демонстрирующее генетические отношения в каждом ферментере вместе.Идентичность последовательностей гена 16S рРНК с разными штаммами из GenBank показана на рис. 4. Обнаруженные родов архей были идентичны Methanoculleus bourgensis изоляту ВА1, Methanomassiliicoccus sp. клон Z3C13_14ARC22, Thermogymnomonas sp. клон BEMA11B1-1D3, Methanoculleus sp. клон ARK275, Methanoculleus thermophilus штамм V2.8, Methanoculleus sp. клон BAMC-1, Methanoculleus sp.клон ARK2_6E, Methanobacterium sp. MB1, Thermogymnomonas sp. клон BEM12D-2F1, Methanoculleus sp. clone 44-20, Thermogymnomonas sp. клон BEM12D-2F1, Methanobrevibacter sp. clone AL4_7, Methanimicrococcus sp. клон AL4_4, Methanobacterium sp. clone g12-52, Methanolinea sp. клон P02-A, Methanosaeta sp. clone A5_45, Methanobrevibacter woesei штамм Ch4126, Methanosaeta sp.клон AWET3cm70, Methanospirillum sp. клон КА7, Methanospirillum sp. (LN717042.1), Thermogymnomonas sp. клон BEMA11B1-1D3, Thermogymnomonas sp. клон BEM12D-2F1, Thermoplasmata архей (LN796137.1), Methanobacteriaceae клон архей Dh26, Thermoprotei клон архей: YLA08.
Для исследования влияния температуры, pH, окислительно-восстановительного потенциала, TS и VS на состав биогаза (CH ₄, CO ₂, H ₂ и другие газы) был проведен множественный регрессионный анализ.С помощью регрессионного анализа определена функция, демонстрирующая характер влияния параметров модели (температура, pH, окислительно-восстановительный потенциал и др.) На зависимые переменные (CH ₄, CO ₂, H ₂ и остальные). . В общем, уравнение регрессии выглядит следующим образом:
Y знак равно а 1 Икс 1 + а 2 Икс 2 + а 3 Икс 3 + а 4 Икс 4 + а 5 Икс 5
, где X ₁ — температура, X ₂ — pH, X ₃ — окислительно-восстановительный потенциал, X ₄ — общее количество твердых веществ, X ₅ — летучие твердые вещества, а ₁, a ₂, a ₃, a ₄, a ₅, рекламный коэффициент для каждого X _1,2,3,4,5, Y — зависимая переменная.
По результатам этого анализа зависимость от исследуемых факторов была распределена на основе экспериментальных данных для температуры (a ₁), pH (a ₂), окислительно-восстановительного потенциала (a ₃), общего твердого вещества (a ₄) и летучих твердых веществ (a ₅) (Таблица 4).
Таблица 4
Коэффициенты влияния исследуемых факторов на состав биогаза
Зависимая переменная (Y) R р ² Коэффициенты фактора ф
а ₁ а ₂ а ₃ а ₄ а ₅
CH ₄ 0.999 ± 0,999 -0,106 ± 6,948 ± -0,069 ± -2,46 ± 0,241 ± 9105,31
0,61 0,13 0,49 0,03 0,45 0,11
co ₂ 0,999 ± 0.999 -0,079 ± 7,019 ± 0,196 ± 1,029 ± -0,051 ± 11212,99
0,53 0,11 0,42 0,02 0,38 0,10
H ₂ 0,997 ± 0,995 0.0003 ± 0,002 ± 0,001 ± 0,001 ± 0,001 ± 73,896
0,001 0,0001 0,001 0,001 0,001 0,001
Остальное 0,987 ± 0,975 0,194 ± 0.985 ± 0,141 ± 1,695 ± -0,284 ± 16,12
1,02 0,22 0,82 0,05 0,75 0,19
Анализ коэффициентов регрессии позволил установить степень и влияние фактора для каждой эффективной переменной.Наиболее важными параметрами, влияющими на производство метана, были обнаруженный pH (a ₂) и общее содержание твердых веществ (a ₄), которые достигли 6,948 ± 0,49 ( P > 0,99) и -2,46 ± 0,45 ( P > 0.95) соответственно. Отрицательный знак коэффициента (₄) в моделях множественной регрессии показал, что увеличение общего содержания твердых веществ (₄) привело к снижению уровня CH ₄. В свою очередь, повышение pH (a ₂) вызвало накопление CH ₄ в ферментере.Уровни других газов зависели (1,695 ± 0,75) от общего содержания твердых веществ (₄). Значительного влияния pH на уровень H ₂ не наблюдается. Множественные коэффициенты корреляции и коэффициенты определения CH ₄, CO ₂, H ₂ и других газов в этом исследовании указывают на тесную взаимосвязь переменных с эффективными факторами. Коэффициент детерминации показал, что доля влияния каждого параметра на уровень CH ₄ и H ₂ рассчитывалась в диапазоне от 0.975 до 0,999. Регрессионный анализ показал, что температура (a ₁), pH (a ₂), окислительно-восстановительный потенциал (a ₃), общее количество твердых веществ (a ₄) и летучих твердых веществ (a ₅) для изменчивости Параметры продукции CH ₄ и H ₂ в анаэробных варочных котлах были важны от 97,5% до 99,9%.
4 Обсуждение
Множественные коэффициенты корреляции и коэффициенты детерминации указывают на тесную взаимосвязь с процентом производства биогаза и исследуемыми факторами.
Коэффициент корреляции и детерминации до 0,99. Коэффициент детерминации показывает долю влияния выбранных параметров на эффективный знак. Эти результаты показывают, что модель адекватна экспериментальным данным и проверена с использованием критерия Фишера [26].
Биогаз, состоящий из метана и диоксида углерода, является конечным продуктом процесса анаэробного сбраживания. В этом процессе участвует широкий круг микроорганизмов, включая гидролитические, ацидогенные и ацетогенные бактерии и, наконец, метаногенные Archaea [27].Микроорганизмы, производящие метан, очень стабильны и гибки, но они также очень часто не классифицируются. Результаты нашей работы согласуются с другими научными статьями [1, 9, 28, 29, 30]. Виды рода Methanoculleus , по-видимому, играют ключевую роль в различных системах ферментера биогаза [30, 31, 32, 33].
Доминирующим метаногеном, обнаруженным во всех оцененных анаэробных ферментных реакторах, был Methanoculleus bourgensis . В других публикациях утверждается, что Methanoculleus bourgensis был выделен из ферментеров, выполняющих синтрофическое окисление ацетата при высоких концентрациях аммония [34, 35, 36, 37].К сожалению, Methanosaeta , Methanobacterium и Methanocorpusculum отрицательно коррелировали с высокими концентрациями аммония, что может свидетельствовать о том, что применение метаногенного Archaea адаптировано к конкретному сырью [38]. Fotidis et al. (2013) и Schnürer et al. (1996) заявили, что в анаэробных переваривающих продуктах можно наблюдать синтрофическую ассоциацию между Methanoculleus bourgensis и Clostridium ultunense , ацетатокисляющей бактерией.Биоаугментация с участием Methanoculleus spp. в культуре вместе с синтрофными бактериями, окисляющими ацетат, представляется возможным подходом для уменьшения периода адаптации в анаэробных варочных котлах, обрабатывающих субстраты с высокими концентрациями аммония / аммиака [35, 39].
По результатам анализа последовательности гена 16S рРНК изолят классифицируется как представитель вида Methanoculleus bourgensis , идентичность последовательности 99% с геном 16S рРНК штамма MS2T [40, 41].Геномная ДНК штамма BA1 была выделена с использованием секвенирования с применением протокола парных концов в системе Illumina MiSeq. В нашей работе, используя тот же подход, последовательности Methanoculleus bourgensis преобладали во всех анаэробных варочках [30, 41].
Другой род, обнаруженный в варочных котлах, — это Thermogymnomonas . Этот штамм, термоацидофильный археон без клеточной стенки, был выделен из сольфатарного поля в Охваку-дани, Хаконэ, Япония. Клетки представляли собой кокки неправильной формы, иногда дольчатые, чашеобразные или квадратные, и разного размера.Диаметр клеток варьировал от 0,8 до 8,0 мкм [29]. Этот штамм был идентифицирован Itoh et al. (2007) как Thermogymnomonas acidicola . Штамм рос при температурах от 38 ° C до 68 ° C (оптимум 60 ° C) и в диапазоне pH 1,8–4,0 (оптимум pH 3,0).
К порядку из Thermoplasmatales принадлежит штамм IC-189 ^T, несмотря на его различный метаболизм. Это облигатный аэробный микроорганизм с гетеротрофным метаболизмом, что отличает его от видов родов Thermoplasma , Picrophilus и Ferroplasma (порядок Thermoplasmatales ).Штамм IC-189 ^T требует для роста дрожжевого экстракта в сочетании с глюкозой и маннозой в качестве источника энергии и углерода [29].
Метаногенные популяции микроорганизмов зависят от различного типа и начального соотношения количества субстрата в анаэробных варочных котлах, как описано в статье [42]. Два доминирующих морфотипа этих микроорганизмов в анаэробных переваривающих ферментах на 99% идентичны последовательностям гена 16S рРНК родов Methanoculleus и Thermogymnomonas , депонированных в GenBank.Обнаружено наибольшее разнообразие морфотипов, генетически сходных с родами Methanoculleus , Thermogymnomonas , Methanobacterium , Methanolinea , Methanosaeta , Methanobrevibacter , Methanobrevibacter , очистные сооружения сточных вод.
С другой стороны, следует отметить, что разнообразие метаногенных микроорганизмов и их производство биогаза могут зависеть от других бактерий в биореакторе, включая популяцию сульфатредуцирующих бактерий [5].Эти бактерии могут использовать также органические соединения и производить токсичный сероводород, а также могут конкурировать за субстрат или донор электронов (водород) [43, 44, 45, 46]. Эта конкуренция и производство высоких концентраций сероводорода может подавлять метаногенез Archaea . Однако одним из решений может быть использование различных соединений [47, 48, 49, 50, 51], которые могут ингибировать эту бактериальную группу и их сульфатредукцию.
Последовательности гена 16S рРНК этих микроорганизмов из анаэробных переваривающих веществ метана по сравнению с последовательностями штаммов из GenBank и филогенетических деревьев могут показать их генетическое родство.Количество и разнообразие родов, а также производство метана зависит от соотношения основных субстратов в каждом анаэробном варочном котле. Наибольшее образование метана (52%) было обнаружено в реакторе со смесью субстратов, которая включала силос кукурузы, жом сахарной свеклы, силос из цельного зерна, навоз крупного рогатого скота и силос из трав в соотношении 29: 39: 12: 15: 5. , соответственно.
5 Выводы
Метаногенные Археи были выделены из различных анаэробных переваривающих веществ, и было обнаружено их разнообразие под действием различных субстратов.Новые изоляты этих микроорганизмов и их изучение важны для оптимизации производства биогаза и его качества. Кроме того, это исследование обеспечивает лучшее понимание взаимодействия между метаногенными Archaea и другими физиологическими бактериальными группами в процессе метаногенеза в анаэробных ферментных фермах и то, как различные субстраты влияют на это взаимодействие.
Исследование финансировалось Университетом Масарика (проект TAČR GAMA — внутренний проект CTT MU «Технология качественной очистки биогаза». Регистрационный номер проекта: 51047).Авторы выражают признательность за институциональную поддержку факультета сельскохозяйственных наук Университета Менделя в Брно, финансируемую Министерством образования, молодежи и спорта Чешской Республики.
Ссылка
[1] Крич К., Аугенштейн Д., Батмале Дж. П., Бенеманн Дж., Рутледж Б. Салур Д., Биометан из молочных отходов. Справочник по производству и использованию возобновляемого природного газа в Калифорнии. USDA Сельское развитие. 2005 Поиск в Google Scholar
[2] Wilkie A., Биометан из биомассы. В: Harwood C., Demain A. (ed), Biowaste and Biofuels, ASM Press, Washington., 2008, стр. 195-205. Поиск в Google Scholar
[3] Аринг Б., Ибрагим А.А., Младеновска З., Effect повышения температуры с 55 до 65 ° C на производительность и динамику микробной популяции анаэробного реактора по переработке навоза КРС. Water Resour., 2001, 35, 2446-2452. Поиск в Google Scholar
[4] Зиемински К., Фроц М., Процесс метановой ферментации как анаэробное сбраживание биомассы: трансформации, стадии и микроорганизмы.Африканский. J. Biotech., 2012, 11, 4127-4139 Искать в Google Scholar
[5] Кушкевич И., Витезова М., Витез Т., Бартош М., Производство биогаза: взаимосвязь между метаногенными и сульфатредуцирующими микроорганизмами. Open Life Sciences, 2017, 12, 82-91. Поиск в Google Scholar
[6] Bouallagui H., Torrijos M., Godon J., Moletta R., Cheikh R., Touhami Y. и др., Микробный мониторинг с помощью молекулярных инструментов двухфазного анаэробного ферментера для обработки фруктовых и овощных отходов. Biotechnol.Lett. ,, 26, 857-862 Искать в Google Scholar
[7] Конрад Р., Вклад водорода в производство метана и контроль концентрации водорода в метаногенных почвах и отложениях. FEMS Microbiol. Ecol., 1999, 28, 193-202 Поиск в Google Scholar
[8] Демирель Б., Шерер П., Роль ацетотрофных и гидрогенотрофных метаногенов во время анаэробного преобразования биомассы в метан: обзор. Rev. Environ. Sci. Biotechnol., 2008, 7, 173-190. Поиск в Google Scholar
[9] Griffin M.Э., МакМахон К.Д., Маки Р.И., Раскин Л., Динамика метаногенного населения при запуске анаэробных варочных котлов для обработки твердых бытовых отходов и твердых биологических веществ. Biotechnol. Eng., 2000, 57, 342-355 Поиск в Google Scholar
[10] Гротенхейс Дж. Т., Смит М., Плугге С. М., Юаньшенг Х., Ламмерен А. А., Стамс А. Дж., Бактериологический состав и структура гранулированного ила, адаптированные к различным субстратам . Appl. Environ. Microbiol., 1991, 57, 1942-1949 Искать в Google Scholar
[11] Ильин В.К., Корнюшенкова И.Н., Старкова Л.В., Лауринявичюс К.С. Изучение метаногенеза при биоутилизации растительных остатков. Acta Astronautica, 2005, 56, 465-470. Поиск в Google Scholar
[12] Йекель У., Туммес К., Кемпфер П., Производство и окисление термофильного метана в компосте. FEMS Microbiol. Ecol., 2005, 52, 175-184. Поиск в Google Scholar
[13] Ядвика, Сантош, Срикришнан Т.Р., Кохли С., Рана В., Увеличение производства биогаза из твердых субстратов с использованием различных методов.Bioresour Technol., 2004, 95, 1-10 Искать в Google Scholar
[14] Шерер П.А., Фоллмер Г.Р., Фахури Т., Мартенсен С., Разработка метаногенного процесса для исчерпывающего разложения органической фракции городских серых отходов в термофильных и гипертермофильные состояния. Water Sci. Technol., 2000, 41, 83-91. Искать в Google Scholar
[15] Шинк Б., Энергетика синтрофической кооперации при метаногенной деградации. Microb. Мол. Биол. Rev., 1997, 61, 262-280. Поиск в Google Scholar
[16] Weiland P., Производство биогаза: состояние и перспективы. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2010, 85, 849-860 Искать в Google Scholar
[17] CSN EN 14346, 2007. Характеристика отходов — Расчет сухого вещества путем определения сухого остатка или содержания воды. Чешский институт стандартов. Искать в Google Scholar
[18] CSN EN 15169, 2007. Характеристика отходов — Определение потерь при возгорании в отходах, шламах и отложениях. Чешский институт стандартов. Искать в Google Scholar
[19] CSN EN 12176, 1999.Характеристика ила — Определение значения pH. Чешский институт стандартов. Искать в Google Scholar
[20] Носса К.В., Обердорф В.Е., Янг Л., Аас Дж.А., Пастер Б.Дж., Десантис Т.З., Дизайн праймеров гена 16S рРНК для пиросеквенирования 454 микробиома передней кишки человека. World J. Gastroenterol., 2010, 16, 4135-4144 Поиск в Google Scholar
[21] Caporaso JG, Kuczynski J., Stombaugh J., Bittinger K., Bushman FD, Costello EK, et al., QIIME позволяет анализировать данных о секвенировании с высокой пропускной способностью.Nat. Методы, 2010, 7, 335-336 Поиск в Google Scholar
[22] Альтшул С.Ф., Гиш В., Милле В., Майерс Э.В., Липман Д.Д., Базовый инструмент поиска с локальным выравниванием. J. Mol. Biol., 1990, 215, 403-410. Поиск в Google Scholar
[23] Кирс М., Мойр Р., Уилсон А., Стоунс-Хавас С., Чунг М., Старрок С., Geneious Basic: интегрированный и расширяемая программная платформа для настольных ПК для организации и анализа данных последовательности. Биоинформатика, 2012, 28, 1647-1649. Поиск в Google Scholar
[24] Ларкин М.А., Блэкшилдс Г., Браун Н.П., Ченна Р., МакГеттиган П.А., МакВильям Х., Кластал У. и Clustal X, версия 2.0. Bioinformatics 2007, 23, 2947-2948. Искать в Google Scholar
[25] Чен П.Ю., Попович П.М. Корреляция: параметрические и непараметрические измерения. Серия документов Sage University о количественных приложениях в социальных науках. 2002 Поиск в Google Scholar
[26] Бейли Н.Т.Дж., Статистические методы в биологии, третье изд. Издательство Кембриджского университета, Кембридж. 1995 Поиск в Google Scholar
[27] Zeikus J.Г. Биология метаногенных бактерий. Бакт. Rev., 1977, 41, 514-541 Поиск в Google Scholar
[28] Амон Т., Амон Б., Криворучко В., Цоллич В., Майер К., Грубер Л., Производство биогаза из кукурузы и молочного скота навоз — влияние состава биомассы на выход метана. Agric. Ecosys. Environ., 2007, 118, 173-182. Поиск в Google Scholar
[29] Ито Т., Йошикава Н., Такашина Т., Thermogymnomonas acidicola gen. nov., sp. nov., новый термоацидофильный архей без клеточной стенки из отряда Thermoplasmatales, выделенный из сольфатарной почвы в Хаконе, Япония.Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 2007, 57, 2557-2561. Поиск в Google Scholar
[30] Маус И., Вибберг Д., Винклер А., Пюлер А., Шнурер А., Шлютера А., Полная последовательность генома метаногена Methanoculleus bourgensis BA1, выделенный из генома биогазового реактора, Announcements, 2016, 4, e00568-16 Поиск в Google Scholar
[31] Chynoweth DP, Turick CE, Owens JM, Jerger DE, Peck MW, Биохимический метановый потенциал биомассы и сырья . Biomass Bioen., 1993, 5, 95-111 Искать в Google Scholar
[32] Jaenicke S., Андер К., Бекель Т., Бисдорф Р., Дрёге М., Гартеманн К. Х., Сравнительный и совместный анализ двух наборов метагеномных данных из биогазового ферментера, полученных с помощью 454-пиросеквенирования, PLoS One, 2011, 6, e14519 Поиск в Google Scholar
[33] Штольце Ю., Закжевски М., Маус И., Эйкмейер Ф., Янике С., Роттманн Н., Сравнительная метагеномика производящих биогаз микробных сообществ на промышленных биогазовых установках, работающих в условиях влажной или сухой ферментации . Biotechnol Biofuels, 2015, 8, 14 Искать в Google Scholar
[34] Moestedt J., Мюллер Б., Вестерхольм М., Шнюрер А., Порог аммиака для ингибирования анаэробного переваривания тонкой барды и важность скорости загрузки органических веществ. Microb. Biotechnol., 2016, 9, 180-194. Поиск в Google Scholar
[35] Вестерхольм М., Левен Л., Шнюрер А., Биоаугментация синтрофной ацетат-окисляющей культуры в биогазовых реакторах, подвергающихся воздействию возрастающих уровней аммиака. Appl. Environ. Microbiol., 2012, 78, 7619-7625 Искать в Google Scholar
[36] Westerholm M., Müller B., Исакссон С., Шнюрер А., Влияние микроэлементов и температуры на микробные сообщества и связь с производительностью биогазового реактора при высоких уровнях аммиака. Biotechnol. Биотопливо, 2015, 8, 154 Поиск в Google Scholar
[37] Зиганшина Е.Е., Белостоцкий Д.Е., Шушляев Р.В., Милуйков В.А., Ванков П.Ю., Зиганшин А.М., Разнообразие микробного сообщества в анаэробных реакторах, переваривающих отходы индейки, Курица. J. Microbiol. Биотехнология, 2014; 24, 1464-772 Искать в Google Scholar
[38] Зиганшин А.М., Зиганшина Е.Е., Кляйнштайбер С., Николауш М., Сравнительный анализ метаногенных сообществ в различных лабораторных анаэробных дигестерах. Archaea, 2016, ID статьи 3401272, 12 страниц Поиск в Google Scholar
[39] Фотидис И.А., Ван Х., Фидель Н.Р., Луо Г., Каракашев Д.Б., Ангелидаки И., Биоаугментация как решение для увеличения производства метана из богатый аммиаком субстрат. Environ. Sci. Technol., 2014, 48, 7669-7676 Искать в Google Scholar
[40] Maus I., Wibberg D., Stantscheff R., Stolze Y., Blom J., Eikmeyer F.G., Анализ аннотированной последовательности генома Methanoculleus bourgensis MS2 (T), связанной с доминирующими метаногенами в биогазпроизводящих растениях. J. Biotechnol., 2014, 201, 43-53. Поиск в Google Scholar
[41] Маус И., Вибберг Д., Станчефф Р., Эйкмейер Ф.Г., Сеффнер А., Боэлтер Дж., Полная последовательность генома гидрогенотрофных , метаногенная архея Methanoculleus bourgensis, штамм MS2 (T), выделенная из варочного котла ила сточных вод.J. Bacteriol., 2012, 194, 5487-5488. Поиск в Google Scholar
[42] Сундберг К., Аль-Соуд В.А., Ларссон М., Альм Э., Йекта С.С., Свенссон Б.Х., Соренсен С.Дж., Карлссон А. 454 пиросеквенирования анализа богатства бактерий и архей в 21 полномасштабном биогазовом варочном котле. FEMS Microbiol Ecol., 2013; 85, 612-626 Искать в Google Scholar
[43] Кушкевич И.В., Кинетические свойства пируват-ферредоксиноксидоредуктазы кишечных сульфатредуктазных бактерий Desulfovibrio piger Vib-7 и Desulfomicrobium sp.Стержень-9. Польский журнал микробиологии, 2015; 64, 107-114 Искать в Google Scholar
[44] Кушкевич И., Фафула Р., Парак Т., Бартос М., Активность Na + / K + -активированной Mg2 + -зависимой гидролазы АТФ в бесклеточных экстрактах сульфатредуцирующие бактерии Desulfovibrio piger Vib-7 и Desulfomicrobium sp. Стержень-9. Acta Vet Brno., 2015; 84, 3-12 Искать в Google Scholar
[45] Кушкевич И.В., Активность и кинетические свойства фосфотрансацетилазы кишечных сульфатредуцирующих бактерий.Acta Biochimica Polonica, 2015; 62, 1037-108 Искать в Google Scholar
[46] Кушкевич И., Витезова М., Федрова М., Вочьянова З., Паракова Л., Хошек Ю., Кинетические свойства роста кишечных сульфатредуцирующих бактерий, выделенных из здоровые мыши и мыши с язвенным колитом. Acta Vet Brno, 2017; 86, 405-411 Искать в Google Scholar
[47] Кушкевич И., Коллар П., Сухи П., Парак К., Паук К., Имрамовский А., Активность отдельных салициламидов против кишечных сульфатредуцирующих бактерий.Neuroendocrinol Lett., 2015; 36, 106-113 Искать в Google Scholar
[48] Кушкевич И., Коллар П., Феррейра А.Л., Пальма Д., Антимикробное действие производных салициламида против кишечных сульфатредуцирующих бактерий. J Appl Biome., 2016; 14, 125-130 Искать в Google Scholar
[49] Кушкевич И., Витезова М., Кос Й., Коллар П., Ямпилек Дж., Влияние выбранных 8-гидроксихинолин-2-карбоксанилидов на жизнеспособность и сульфатный метаболизм Десульфовибрион свиней. J. App.Biomed., 2018; 16, 1-6 Искать в Google Scholar
[50] Кушкевич И., Ковач Ю., Витезова М., Витез Т., Бартош М., Разнообразие сульфатредуцирующих бактерий в семи биореакторах. Arch. Microbiol., 2018; 200, 1–6 Искать в Google Scholar
[51] Ковач Й., Кушкевич И., Новая модификация среды культивирования для выделения и роста кишечных сульфатредуцирующих бактерий. Продолжить. Междунар. PhD Stud. Конф. MendelNet 2017; 702-707 Искать в Google Scholar
Анаэробное сбраживание — Европейская ассоциация производителей биомассы
Анаэробное сбраживание (AD) означает бактериальное разложение органических материалов в отсутствие кислорода.В результате этого биохимического процесса образуется газ, называемый биогазом.
AD драйверы
Европейский Союз взял на себя обязательство сократить выбросы парниковых газов в среднем на 20% к 2020 году и на 40% к 2030 году по сравнению с 1990 годом. В настоящее время в сельском хозяйстве прогнозируется сокращение выбросов парниковых газов на 17% к 2020 году, отчасти за счет сокращения использования удобрения и повышение урожайности. На сельскохозяйственный сектор приходится более 40% антропогенных выбросов метана и более 50% выбросов закиси азота.Основными источниками метана являются кишечная ферментация и обработка навоза, в то время как закись азота в основном образуется в результате оборота азота в удобрениях, навозе и растительных остатках, а также косвенно от оборота азота, теряемого в окружающую среду в результате испарения аммиака или выщелачивания нитратов. И метан, и закись азота являются мощными парниковыми газами с потенциалом глобального потепления (для 100-летнего временного горизонта), который, соответственно, в 21 и 310 раз выше, чем у CO2. Значительное сокращение выбросов парниковых газов возможно, если выбросы метана и закиси азота могут быть сокращены за счет улучшения методов управления.
Биогазовая установка, Великобритания (Задача 37 МЭА)
Анаэробное сбраживание (AD) дает возможность производить возобновляемую энергию из органических отходов на децентрализованных участках, производя богатый метаном биогаз из навоза (человеческого и животного) и растительных остатков. Помимо поставок возобновляемой энергии, заводы AD имеют и другие положительные эффекты, включая укрепление систем управления рециркуляцией замкнутого цикла, сокращение выбросов от хранилищ навоза и производство ценных органических удобрений.Это также может создать новые источники дохода для фермеров. В настоящее время используется менее одного процента потенциальных выгод от AD. Причины этого включают препятствия, такие как законодательная база и отсутствие экономических стимулов для потенциальных инвесторов. Такие страны, как Дания, Германия, Австрия и Швеция, продвигают эффективные механизмы производства биогаза из органических отходов по политическим меркам.
Технология AD
В процессе анаэробного сбраживания, как упоминалось выше, бактериальное разложение органических материалов в отсутствие кислорода производит биогаз, и процесс происходит в следующие четыре этапа:
Гидролиз: крупные полимеры расщепляются ферментами
Ацидогенез: наиболее важны ацидогенетические ферментации, основным конечным продуктом является ацетат.Летучие жирные кислоты также производятся вместе с диоксидом углерода и водородом.
Ацетогенез: Распад летучих кислот до ацетата и водорода.
Метаногенез: Ацетат, водород превращаются в метан и диоксид углерода.
Источник: Немецкая ассоциация биогаза
В процессах ферментации в основном различают два различных диапазона температур:
мезофильная температура от 25 до 35 ° C
термофильная температура от 49 до 60 ° C
Большинство сельскохозяйственных биогазовых установок работают при мезофильных температурах.Термофильные температуры применяются в основном на крупных централизованных биогазовых установках с совместным сбраживанием, где требуются более строгие санитарные требования.
Генеральный проект биогазовой установки
Биогазовая установка представляет собой нечто большее, чем просто газонепроницаемую яму для навоза или резервуар для разложения, она обычно состоит из четырех элементов:
Производственная установка, которая включает в себя анаэробный варочный котел, возможно, сборный резервуар и / или санитарную установку и систему удаления навоза.
Система хранения и модернизации газа
Оборудование для утилизации газа и навоза
Источник: Немецкая ассоциация биогаза
Режим кормления может быть непрерывным или прерывистым. В системах периодического действия свежий субстрат вместе с посевным материалом расщепленного материала подают в реакционный сосуд. В течение одного-двух дней материал аэрируют для повышения температуры.В течение следующих двух или трех недель субстрат разлагается анаэробно, сначала с увеличением суточной добычи газа. Достигнув максимума примерно через 10-14 дней, добыча газа снова снижается, достигая плато примерно в половину максимальной добычи. Для компенсации неустойчивого газообразования от трех до четырех варочных котлов периодического действия работают параллельно, но заполняются в разное время. Системы периодического действия до сих пор не очень распространены для сельскохозяйственных биогазовых установок. Другой формой прерывистого процесса проектирования являются системы хранения.Они объединяют ферментер и накопительный резервуар в одном резервуаре. Объединенный резервуар для ферментации и хранения медленно заполняется свежим навозом в зависимости от произведенного количества. Преимущество этой системы — невысокие затраты. Проблемы возникают из-за высоких тепловых потерь и неустойчивой скорости газообразования.
Модернизация биогаза
Обычно произведенный биогаз необходимо высушить и слить для получения конденсированной воды и биологической или химической очистки от h3S, Nh4 и микроэлементов. Дальнейшие шаги по модернизации для увеличения содержания Ch5, мембранного разделения CO2 и повышения давления биогаза могут быть предприняты в зависимости от цели использования.
Энергоэффективность биогазовых установок
Чистый выход энергии в биогазовых системах, использующих различное сырье, варьируется в зависимости от расстояния транспортировки, средств транспортировки, методов преобразования и потребностей в обращении с сырьем и остатками сбраживания. Для шведских условий с точки зрения жизненного цикла оказывается, что для расстояний транспортировки до 50 км энергия, необходимая для работы биогазовых систем, обычно соответствует 30-50% содержания энергии в производимом биогазе.Все сырье можно было транспортировать на расстояние более 150 км, некоторые сухие отходы — до 700 км, до того, как энергетический баланс станет отрицательным. Чем выше содержание воды в сырье, тем более чувствительна чистая выработка энергии к расстоянию транспортировки. Данные о выходе биогаза из разного сырья сильно различаются, поэтому оценки выхода биогаза сильно влияют на чистый выход энергии. Несмотря на присущие им неопределенности, общий вывод состоит в том, что полезный ввод энергии в исследуемых биогазовых системах обычно значительно превышает выход энергии в виде произведенного биогаза.
Энергозатраты при различных операциях обработки и транспортировки для доставки различного сырья на биогазовую установку и для транспортировки сброженных остатков, а также выход биогаза из различных ресурсов биомассы. Значения в скобках указывают интервал, найденный в литературе.
Сырье
Расчетное содержание сухого вещества
(%)
Потребляемая энергия
Энергетическая мощность
Обращение с сырьем (ГДж / т сухой массы)
Транспорт сырья (МДж / т сухих, км)
Транспорт сброженных остатков
(МДж / т сухих, км)
Расчетный выход биогаза (ГДж / т сухой массы)
Лейковые культуры
23
1.7
4,8
20
11
(9,5-17)
Ботва сахарной свеклы + листья
19
0,6
5,8
20
11
(8,5-14)
Навоз — свиньи
8
н / д
14
14
7
(5.6-8,5)
Навоз — коровий
8
н / д
14
14
6,2
(5,6-8,5)
Отходы убоя
17
н / д
11
20
9,4
Жироотделитель осадка
4
н / д
80
20
22
(20-27)
Городские органические отходы
30
0.6
15
20
14
(8,8-19)
Заключение
Биогаз может внести значительный вклад в устойчивое восстановление энергии в сельском хозяйстве и в органическую фракцию отходов. Количество сельскохозяйственных и муниципальных органических отходов, используемых в настоящее время для производства энергии, очень велико. Энергетическая политика ЕС обеспечивает основу для гораздо более широкого будущего применения биогаза анаэробного сбраживания.
Ссылки
Биогазовый барометр Eurobserver: http://www.energies-renouvelables.org/observ-er/stat_baro/observ/baro212biogas.pdf
Frontiers | Последовательная параметрическая оптимизация производства метана из различных источников лесного сырья
Введение
Наша экономика и производство сильно зависят от использования ископаемого топлива, что приводит ко многим осложнениям, таким как экологические проблемы и небезопасность энергоснабжения.Использование ископаемого топлива приводит к выбросу огромного количества углекислого газа в атмосферу, что усугубляет глобальное потепление. Более того, помимо двуокиси углерода, в атмосферу выбрасываются другие загрязнители, такие как окись углерода, углеводороды, твердые частицы и т. Д., Что отрицательно сказывается на здоровье населения. Одной из важных проблем, с которыми сталкиваются многие страны мира, является отсутствие энергетической безопасности, поскольку большинству стран необходимо импортировать ископаемое топливо. Чтобы свести к минимуму негативные последствия использования неустойчивых источников энергии, исследователи сосредотачиваются на разработке возобновляемых видов топлива, которые можно производить, используя внутренние источники.До сих пор наиболее распространенными источниками биотоплива были этанол, биодизель и биогаз.
Биогаз, газообразное биотопливо, состоит в основном из диоксида углерода (CO ₂) и метана (CH ₄), но присутствуют и другие второстепенные газы (такие как сероводород и водород) и влага. Соотношение между двумя основными газами влияет на энергосодержание биогаза, которое, по оценкам, составляет от 18 630 кДж / м ³ до 26 081 кДж / м ³ (Romano et al., 2009), тогда как природный газ имеет с содержанием энергии примерно 37000 кДж / м ³ (Martin et al., 2013). Основное применение биогаза — это производство электроэнергии путем сжигания в оборудовании ТЭЦ (комбинированное производство тепла и электроэнергии) или в качестве топлива для транспортных средств (Jeihanipour et al., 2013). Чтобы биогаз можно было использовать в качестве автомобильного топлива, необходимо повысить энергоемкость биогаза за счет увеличения концентрации метана. По этой причине углекислый газ и другие газы следует удалять с помощью таких процессов, как криогенное разделение, химическая абсорбция, мембранное разделение, адсорбция при переменном давлении и адсорбция при колебании температуры (Kapdi et al., 2005; Молино и др., 2013). Наконец, улучшенный биогаз сжижается или сжимается. До недавнего времени только небольшие объемы биогаза направлялись в транспортный сектор (Naik et al., 2010), хотя было бы более важно использовать биогаз в качестве топлива, а не для производства электроэнергии (из-за большого количества альтернатив) .
Одно из преимуществ использования биогаза в качестве топлива заключается в том, что его можно использовать непосредственно в транспортных средствах, требуя всего лишь нескольких модификаций, таких как установка специального топливного бака.Использование метана в качестве автомобильного топлива способствует снижению выбросов парниковых газов (ПГ), поскольку практически не выделяет никаких ПГ. Более того, выброс других газов, таких как оксид углерода, углеводороды, соединения серы и оксиды азота, незначителен (Swedish Gas Association, 2011). Тем не менее, производство биогаза считается более эффективным с точки зрения ресурсоэффективности с соотношением выхода и входа, достигающим значений 28 (Jeihanipour et al., 2013; Zheng et al., 2014). Для сравнения, такое же соотношение для биоэтанола рассчитано равным 3,7 для бразильской модели (где сахарный тростник является сырьем) и только 1,1 для модели США (где используется кукуруза; De Oliveira et al., 2005).
Производство биогаза происходит путем анаэробного сбраживания, которое представляет собой сложный многоступенчатый биохимический процесс. Каждый этап этого процесса катализируется отдельной группой микроорганизмов, где все они работают вместе как «сообщество», превращая органические молекулы в биогаз (Li et al., 2011; Parawira, 2012). Анаэробное сбраживание состоит из стадии гидролиза, стадии ацидогенеза, стадии ацетогенеза и стадии метаногенеза. На первом этапе сложные молекулы, такие как полисахариды, гидролизуются до более простых молекул, которые на втором этапе превращаются в летучие жирные кислоты (ЛЖК) и спирты. ЛЖК, длина которых превышает длину уксусной кислоты, превращаются в ацетат, CO ₂ и h3 с помощью ацетогенов, тогда как на последней стадии ЛЖК превращаются в CH ₄ и CO ₂ метаногенами (Mshandete et al., 2005; Adu-Gyamfi et al., 2012). Из-за того, что скорость производства ЛЖК выше, чем скорость потребления ЛЖК, если процесс не сбалансирован, существует риск накопления ЛЖК, что приведет к снижению pH и последующему ингибированию метаногенеза. Анаэробное сбраживание обычно проводится в мезофильных условиях (25–35 ° C) или термофильных условиях (45–60 ° C), при этом термофильное сбраживание имеет некоторые положительные характеристики, такие как более высокая метаногенная активность, более быстрый процесс и меньше проблем с загрязнением (Lesteur et al. al., 2010; Xia et al., 2013). В конце анаэробного сбраживания произведенный дигестат можно использовать в качестве биоудобрения, поскольку он богат азотом, фосфором и калием, что также имеет своеобразную реологию (Adu-Gyamfi et al., 2012; Kafle et al. , 2014).
В настоящее время наиболее часто используемыми материалами для производства биогаза являются навоз, пищевые отходы и городские сточные воды. Использование этого сырья оказалось очень полезным, поскольку уже были достигнуты высокие урожаи, что привело к строительству и эксплуатации коммерческих единиц.С другой стороны, возрастающая потребность в биогазе приводит к острой необходимости включения нового возобновляемого сырья в производственную линию биогаза. Лигноцеллюлозная биомасса является отличным кандидатом для использования в качестве сырья и в последние годы вызвала большой интерес исследователей. Его можно получать из различных источников, таких как сельскохозяйственные остатки и лесные остатки. Лесное хозяйство — очень важная часть шведской экономики, и общий объем древостоя в Швеции составляет приблизительно 3 000 миллионов м3 ³ с ежегодным увеличением древостоя на 40 миллионов м3 ³ (www.svenskttra.se), что является результатом очень хорошего ведения лесного хозяйства. Основными породами деревьев в Швеции являются ель обыкновенная ( Picea abies ), сосна обыкновенная ( Pinus sylvestris ) и береза ( Betula pendula и B. pubescens ), что составляет 41, 40 и 18%. от общего объема древостоя.
Лигноцеллюлозные материалы имеют низкую перевариваемость, поэтому выход метана низкий, что делает необходимым этап предварительной обработки перед перевариванием. Были оценены различные виды предварительной обработки с целью увеличения выхода метана из лесной биомассы, такие как паровой взрыв (Nakamura and Mtui, 2003; Horn et al., 2011), ионные жидкости (Тегаммар и др., 2012; Кабир и др., 2014), органосоль (Кабир и др., 2015) и сверхкритическая вода (Йошида и др., 2010). С другой стороны, предварительная обработка может привести к разложению сахаров и образованию ингибирующих соединений, которые могут препятствовать анаэробному пищеварению. Чтобы снизить уровень ингибиторов, можно использовать процесс детоксикации. Во время ферментации этанола уже были оценены различные методы детоксикации, такие как обработка восстанавливающими агентами (Alriksson et al., 2011; Xiros and Olsson, 2014), с лакказой (Moreno et al., 2013) или с растворами линейного полиэтиленимина (Cannela et al., 2014), но мало что известно о влиянии детоксикации на анаэробное пищеварение. Наконец, несмотря на тот факт, что микроорганизмы, присутствующие в иле, способны использовать нерастворимые углеводы, наша группа ранее показала, что добавление гидролитических ферментов может увеличить выход метана (Matsakas et al., 2014).
По этой причине целью данной работы была оценка возможности использования основных древесных пород в Швеции в качестве сырья для анаэробного сбраживания.Кроме того, было исследовано влияние предварительной гидротермальной обработки, детоксикации суспензии и ферментативного гидролиза на выход метана.
Материалы и методы
Сырье и ферменты
Необработанные лесные остатки предоставлены SLU (Умео, Швеция). Общие твердые вещества (TS) и летучие твердые вещества (VS) материалов были следующими (мас. / Мас.): Ель, 90,81% TS и 90,49% VS; сосна, 91,45% TS и 91,26% VS; береза, 92,07% ТС и 91,86% ВС. Термофильный анаэробный ил, использованный во время этой работы, был собран на биогазовой установке в Бодене, Швеция, где ил сточных вод и пищевые отходы перевариваются совместно.
Целлюлолитические ферменты, использованные в этой работе, представляли собой коммерческие растворы ферментов Celluclast ^® 1,5 л и Novozym ^® 188 (Novozymes A / S, Багсвэрд, Дания) в соотношении 5: 1 об. / Об. Активность смеси составила 83 единицы фильтровальной бумаги (FPU) / мл. Ферментативную детоксикацию проводили с использованием лакказы гриба Pycnoporus cinnabarinus , любезно предоставленной Beldem (Бельгия), с заявленной активностью 13 МЕ / мл.
Предварительная обработка остатков леса
Гидротермальная предварительная очистка проводилась на заводе SEKAB в Эрншельдсвике (Швеция) в непрерывном режиме. Диоксид серы использовался в качестве катализатора во время предварительной обработки в концентрации 1 кг на 40 кг биомассы (Soudham et al., 2011). Различные источники биомассы были предварительно обработаны при различных комбинациях времени выдержки и температуры (Таблица 1), и pH после предварительной обработки варьировался в зависимости от степени тяжести процесса (Таблица 1).Полученные суспензии имели различное содержание твердых веществ, которое в терминах TS и VS было следующим (мас. / Мас.): Предварительно обработанная ель, 25,81% TS и 25,55% VS; ель мягкая предварительно обработанная, 23,48% TS и 23,28% VS; сосна, 19,51% TS и 19,38% VS; береза, 21,69% ТС и 21,60% ВС.
ТАБЛИЦА 1. Условия предварительной обработки материалов, использованных во время этой работы.
Ферментативное осахаривание предварительно обработанных суспензий
Для оценки эффекта предварительной обработки на ферментативную перевариваемость суспензий была проведена серия экспериментов по ферментативному осахариванию.В эти эксперименты были включены как необработанные, так и обработанные материалы. При использовании предварительно обработанных материалов, чтобы облегчить обращение, небольшие количества суспензий перед экспериментами сушили при 70 ° C. Ферментативный гидролиз проводили при содержании твердых веществ 3% мас. / Об. В термомиксере Эппендорфа при 50 ° C в течение 24 часов. PH раствора доводили до 5, используя 100 мМ цитрат-фосфатный буфер. Азид натрия в концентрации 0,01% масс. / Об. Добавляли к смеси, чтобы предотвратить микробное загрязнение.Образцы через 0 и 24 часа инкубации центрифугировали, а супернатанты анализировали на наличие растворимых сахаров.
Детоксикация суспензий
В ходе этой работы были оценены два различных процесса детоксикации: химический и ферментативный. Химическая детоксикация заключалась в обработке дитионитом натрия. Концентрация дитионита натрия была установлена на уровне 10 мМ или 1 мМ, и обработка проводилась одновременно с анаэробным перевариванием. После добавления соли измеряли pH ила, чтобы убедиться, что это не повлияло на него.
Обработку лакказой проводили перед расщеплением в течение 12 ч при 50 ° C в аэробных условиях. Суспензии разбавляли дистиллированной водой, чтобы получить конечную концентрацию твердых веществ 10% мас. / Об., И использованная ферментная нагрузка составляла 10 МЕ / г VS. Наконец, pH суспензии был увеличен до 5,5 добавлением соответствующих количеств NaOH.
Ферментативная обработка суспензий целлюлолитическими ферментами
Для ферментативной обработки суспензий использовали два различных процесса, а именно обработку вместе с перевариванием и предварительное осахаривание.Во время одновременной обработки целлюлолитические ферменты добавляли к илу в начале пищеварения. С другой стороны, когда была включена стадия предварительного осахаривания, суспензии разбавляли до концентрации твердого вещества 10% мас. / Об. И осахаривание происходило при 50 ° C в течение 12 часов. PH также поддерживали на уровне 5,5 добавлением NaOH. В обеих конфигурациях применяли две загрузки фермента (15 FPU / г VS и 30 FPU / г VS), чтобы оценить влияние активности фермента на выход метана.Наконец, стоит упомянуть, что когда обработка лакказой применялась к конкретной суспензии, то обе ферментативные обработки выполнялись одновременно (в случае предварительного осахаривания).
Испытания биохимического метанового потенциала (BMP)
Для оценки перевариваемости субстратов использовали тесты BMP. Более конкретно, тесты BMP были выполнены с использованием системы AMPTS II (Bioprocess Control AB, Лунд, Швеция). Система состоит из трех частей: колбы для разложения, блока фиксации CO ₂ и блока расходомера.Колбы для разложения представляют собой стеклянные бутыли объемом 500 мл; они были заполнены 400 г ила и субстратом. Блок фиксации СО2 состоит из стеклянных бутылок емкостью 100 мл; они были заполнены приблизительно 80 мл 3 М NaOH для «улавливания» всех других газов, кроме метана. Тимолфталеин добавляли в качестве индикатора pH, чтобы проверить, что раствор остается активным. Наконец, блок расходомера состоит из массива ячеек расходомера, в которых производится подсчет метана. Значения объема метана соотносятся с нормализованным объемом.
В каждую серию экспериментов также были включены два контрольных образца. Первый из них содержал отстой, чтобы рассчитать количество метана, произведенного органической нагрузкой, оставшейся в отстое, а второй контроль содержал фермент (целлюлазы или лакказа, отдельно или вместе), который использовался для подсчета количества метана, образующегося при переваривании ферментов. Значения метана как из ила, так и из ферментов вычитали из общего количества метана, чтобы рассчитать выход метана только из субстрата.Наконец, был также включен положительный контроль, когда в качестве сырья использовалась целлюлоза avicel, чтобы оценить качество ила.
Переваривание проводили в двух экземплярах, и отношение I / S (отношение инокулята к твердому веществу) было установлено равным 2 в единицах VS. Переваривание проводили при 55 ° C, и в каждую колбу добавляли минеральный и солевой раствор, состав которых описан в другом месте (Antonopoulou and Lyberatos, 2013). Перед перевариванием колбы промывали барботером примерно на 1 час.5 мин с азотом, чтобы удалить кислород.
Аналитические методы
TS и зольность определяли гравиметрически после сушки в течение 24 ч при 105 ° C и обжига в течение 2 ч при 550 ° C соответственно. Чтобы определить содержание VS, содержание золы вычитали из содержания TS. Общее количество восстанавливающих сахаров во время экспериментов по ферментативному гидролизу определяли в соответствии с методом DNS (Miller, 1959). Ферментативная активность смеси Celluclast ^® 1.5L и Novozym ^® 188 определяли стандартным методом активности фильтровальной бумаги (Ghose, 1987). Сахара из структурного анализа углеводов, а также ингибиторы определяли с использованием аппарата для ВЭЖХ, оснащенного детектором Series 200 RI (показатель преломления) (PerkinElmer). Более конкретно, во время анализа сахара использовали Aminex HPX-87P с ультрачистой водой в качестве подвижной фазы. Скорость потока была установлена на 6 мл / мин, и колонка поддерживалась при 85 ° C. Для ингибиторов использовали колонку Aminex HPX-87H с 5 мМ H ₂ SO ₄ в качестве подвижной фазы.Скорость потока была установлена на 0,6 мл / мин, и колонка поддерживалась при 65 ° C.
Результаты
Выходы метана из необработанных материалов
На начальном этапе работы оценивалась возможность использования необработанной ели, сосны и березы в качестве сырья для анаэробного сбраживания. Наибольший урожай был получен с березы, и он достиг всего 17,5 ± 1,9 мл CH ₄ / г ТС, тогда как урожай, полученный от ели и сосны, был еще ниже (рис. 1). В попытке повысить выход метана мы изучили эффект добавления целлюлолитических ферментов.Как описано ранее, анаэробный ил способен гидролизовать нерастворимые углеводы, такие как целлюлоза. С другой стороны, добавление внешних ферментов может облегчить этот процесс и улучшить выход метана. Применяли две различные загрузки фермента, а именно 15 FPU / г и 30 FPU / г. Присутствие ферментов улучшило выход метана из всех материалов, при этом самый высокий выход (40 ± 3 мл CH ₄ / г VS) был получен при использовании 30 FPU / г для березы (рис. 1). С другой стороны, добавление фермента немного улучшило урожай ели.Несмотря на то, что выходы были улучшены по сравнению с перевариванием без добавления ферментов, выходы были низкими, чтобы их можно было рассматривать как эффективное анаэробное сбраживание.
РИСУНОК 1. Выход метана из необработанных материалов без добавления ферментов (первый столбец) и с добавлением 15 FPU / г фермента (второй столбец) и 30 FPU / г фермента (третий столбец).
Влияние предварительной гидротермальной обработки на усвояемость остатков и выход метана
На этом этапе работ на заводе SEKAB (Örnsköldsvik, Швеция) была использована предварительная гидротермальная обработка с использованием SO ₂ в качестве катализатора.Материалы обрабатывали при различных комбинациях температуры и времени выдержки, что привело к разному pH после предварительной обработки (таблица 1). Обработанные материалы собирали в виде суспензии с общим содержанием твердых веществ от 19,5 до 25,8% мас. / Об., А состав жидкости (в ингибиторах) и твердых фракций представлен в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. Структурный анализ и анализ ингибитора твердой и жидкой фракций соответственно.
На первом этапе была исследована усвояемость предварительно обработанных материалов.По этой причине суспензии, полученные после предварительной обработки, переваривали при низкой концентрации твердых веществ с использованием ферментной нагрузки 10 FPU / г твердых веществ. Предварительная обработка улучшила высвобождение редуцирующих сахаров до 6,7 раз по сравнению с необработанными материалами (рис. 2). Наибольшее улучшение наблюдалось для березы, тогда как для ели интенсивная предварительная обработка лишь незначительно улучшила осахаривание по сравнению с мягкой предварительной обработкой.
РИСУНОК 2. Высвобождение TRS из необработанных материалов (темно-серый) и предварительно обработанных материалов (светло-серый) через 24 часа ферментативного расщепления с ферментной нагрузкой 10 FPU / г и содержанием твердых веществ 3% мас. / Мас. Для предварительно обработанной ели первая и вторая полоски представляют мягкие и тяжелые условия обработки соответственно.
На следующем этапе также оценивали влияние предварительной обработки на анаэробный ил. Как видно на Рисунке 3, выход метана из всех типов лесных материалов значительно улучшился по сравнению с выходом метана без предварительной обработки. Наибольший выход метана был получен для березы, достигнув 254,1 ± 3 мл Ch5 / г ТС, что примерно в 14,5 раз превышало выход, полученный из необработанной березы.С другой стороны, самый низкий урожай наблюдался у ели, подвергнутой легкой предварительной обработке, и достигал лишь 95,4 ± 2,5 мл Ch5 / г VS. При использовании материалов из мягкой древесины выход метана линейно увеличивался по мере увеличения SF (рис. 4).
РИСУНОК 3. Выход метана из материалов, подвергнутых предварительной гидротермальной обработке.
РИСУНОК 4. Корреляция между выходом метана и SF при предварительной обработке.
Влияние детоксификации суспензий на выход метана
В ходе этой работы мы изучали влияние ферментативного и химического подходов (основанных на использовании лакказы и дитионата натрия соответственно) на детоксикацию образовавшихся ингибиторов.Ферментативная обработка проводилась в течение 12 часов до анаэробного расщепления, чтобы фермент действовал в присутствии кислорода. Ферментная нагрузка была установлена на уровне 10 Ед / г VS. С другой стороны, химическая обработка происходила одновременно с пищеварением.
При использовании 10 мМ дитионита натрия концентрация, которая ранее была признана оптимальной для детоксикации гидролизатов ели для производства этанола (Alriksson et al., 2011), он подавлял анаэробное расщепление (данные не показаны), и это ингибирующий эффект все еще наблюдался до некоторой степени, даже когда концентрация была снижена до 1 мМ (рис. 5).Эти результаты показывают, что, несмотря на то, что дитионит натрия можно использовать для детоксикации гидролизатов при ферментации этанола, он не подходит для использования при анаэробном сбраживании. С другой стороны, когда лакказа использовалась для детоксикации, она оказалась более эффективной для лесного сырья, которое было предварительно обработано в более жестких условиях, и повысила выход метана из ели и сосны на 14,3 и 9,8% соответственно (рис. ).
РИСУНОК 5. Выходы метана из недетоксифицированного материала (первый столбец), материала, детоксифицированного дитионитом натрия (второй столбец), и материала, детоксифицированного с помощью лакказы (третий столбец).
Влияние обработки целлюлазой на выход метана
Были исследованы две различные конфигурации процесса: гидролиз одновременно с анаэробным перевариванием и отдельный этап осахаривания перед перевариванием. В обеих конфигурациях использовали две загрузки фермента (15 и 30 FPU / г VS). Добавление ферментов улучшило выход метана в обеих конфигурациях процесса с обеими ферментными нагрузками (рис. 6). Хотя оба процесса были полезными, обработка перед осахариванием дала более высокий выход метана, чем одновременная обработка всех материалов, кроме березы.Из всех материалов сосна показала наименьшую степень улучшения при включении ферментов. С другой стороны, наибольшее улучшение наблюдалось у ели (как мягкой, так и сильно обработанной). Самый высокий выход метана был получен из березы, когда ферментативная обработка проводилась одновременно с вывариванием, с использованием ферментной нагрузки 15 FPU / г VS. Этот выход достиг 304,8 ± 6,35 мLCH ₄ / г VS, тогда как увеличение ферментативной нагрузки не приводило к дальнейшему улучшению выхода метана.
РИСУНОК 6. Влияние ферментативной обработки на выход метана, когда она имела место до (A) и вместе с (B) переваривания. Первый столбец представляет собой контроль без добавления фермента, а второй и третий столбцы представляют собой добавление фермента при нагрузке 15 FPU / г и 30 FPU / г, соответственно.
Обсуждение
В ходе этой работы различные источники лесной биомассы были оценены как сырье для анаэробного сбраживания. Первоначально оценивалась способность переваривать лесной материал без какой-либо обработки.Несмотря на то, что был продемонстрирован высокий выход метана из необработанных сельскохозяйственных остатков (Bauer et al., 2009; Lei et al., 2010), лесные остатки считаются более «жестким» сырьем, и по этой причине урожайность, полученная из необработанных материалов часто бывает очень мало (Nakamura and Mtui, 2003; Yoshida et al., 2010). Аналогичные (низкие) результаты по выходу метана были также получены во время этой работы при использовании необработанных материалов, достигая максимального значения 17,5 ± 1,9 мл CH ₄ / г ТС при использовании березы (рис. 1).Добавление целлюлолитических ферментов облегчило анаэробное пищеварение и улучшило выход метана, получаемого из лесных материалов. Из результатов, описанных выше, можно сделать вывод, что необработанные лесные материалы нельзя использовать в качестве сырья для анаэробного сбраживания, так как полученные урожаи были очень низкими даже с добавлением целлюлазы.
Обычно, когда лигноцеллюлозные материалы используются для анаэробного переваривания, считается, что лимитирующей стадией процесса является гидролиз полисахаридов (холоцеллюлозы или целлюлозы и гемицеллюлозы) до мономерных сахаров (Parawira, 2012).Из-за сложной природы холоцеллюлозы и лигнина необработанные материалы обладают высокой устойчивостью к атакам микробов. Чтобы снизить устойчивость холоцеллюлозы к деградации, перед перевариванием требуется некоторая предварительная обработка (Bruni et al., 2010). В ходе нашей работы применялась предварительная гидротермальная обработка, в которой в качестве катализатора использовался диоксид серы. Гидротермальная предварительная обработка считается эффективным методом обработки лигноцеллюлозной биомассы и широко изучалась при производстве этанола из лигноцеллюлозной биомассы (Negro et al., 2003; Мацакас и Христакопулос, 2013 г .; Nitsos et al., 2013; Paschos et al., 2015). Все предварительно обработанные материалы продемонстрировали увеличение выхода метана, достигающее максимального значения 254,1 ± 3 мл CH ₄ / г ТС при использовании березы. Урожайность сосны и ели была ниже, чем у березы, при этом у мягкой предварительно обработанной ели были самые низкие результаты среди всех предварительно обработанных материалов. Разницу в выходе метана, полученную при использовании березы и других лесных материалов, можно объяснить тем фактом, что береза относится к лиственным породам, а ель и сосна — к хвойным породам.Известно, что древесина хвойных пород более упорна, чем древесина твердых пород (Kim and Hong, 2001; Palonen et al., 2004; Mirahmadi et al., 2010), и эту разницу в устойчивости обычно связывают с различными типами лигнина, поскольку древесина твердых пород содержит смесь гваяцильных и сирингильных звеньев, а древесина хвойных пород содержит в основном гваяцильные звенья в лигнине (Taherzadeh and Karimi, 2008). Этим можно объяснить более низкий урожай хвойных пород в ходе этой работы.
Такое же значительное улучшение выхода метана было также описано Салехианом и Карими (2013) из ветвей сосны, когда они были предварительно обработаны щелочью.Такой же положительный эффект предварительной обработки на выход метана из лигноцеллюлозных материалов был обнаружен также у березы после парового взрыва (Vivekanand et al., 2013), у ели и сосны после предварительной щелочной обработки (Mirahmadi et al., 2010) и у ели, предварительно обработанной ионные жидкости (Тегаммар и др., 2012).
Хотя процесс предварительной обработки приводит к более легкой гидролизуемой биомассе и последующему более высокому образованию метана, во время этого процесса могут образовываться ингибирующие соединения. Эти соединения в основном получают из углеводной фракции или лигниновой фракции.Этими ингибиторами могут быть гидроксиметилфурфурол (HMF) от разложения сахаров C6, фурфурол от разложения сахаров C5 и полимерный лигнин или ароматические соединения, такие как сиреневый альдегид или 4-гидроксибензойная кислота, от разложения лигнина. Кроме того, могут быть получены слабые органические кислоты, такие как муравьиная кислота и уксусная кислота. Во время анаэробного сбраживания алифатические кислоты не являются проблемой (в отличие от ферментации этанола), поскольку они могут потребляться на стадии метаногенеза. Кроме того, не было обнаружено, что HMF и фурфурол ингибируют переваривание ксилозы, и они могут потребляться илом и производить метан (Barakat et al., 2012). С другой стороны, фенольные соединения, которые высвобождаются из лигнина, такие как фенол, коричный альдегид или 4-гидроксибензойная кислота, могут быть потенциальными ингибиторами анаэробного осадка (Sierra-Alvarez and Lettinga, 1991; Hernandez and Edyvean, 2008). Такие фенольные соединения были обнаружены в гидролизатах влажного окисленного и взорванного паром жома сахарного тростника (Martín et al., 2007; Kayembe et al., 2013).
Ферментативные обработки на основе лакказы использовались для улучшения ферментируемости предварительно обработанных суспензий за счет уменьшения количества фенольных соединений (Jönsson et al., 1998; Хурадо и др., 2009; Морено и др., 2012). С другой стороны, преимущество использования химических восстановителей для детоксикации заключается в том, что их можно применять во время ферментации, и нет необходимости в отдельной стадии (Cavka et al., 2011). Также было упомянуто, что обычно оксианионы серы (например, дитионит натрия) действуют посредством сульфонатных ароматических соединений и фурановых альдегидов (Cavka et al., 2011). Дитионит натрия оказался полезным для улучшения ферментируемости предварительно обработанной лигноцеллюлозной биомассы (Alriksson et al., 2011; Ксирос и Олссон, 2014). Несмотря на то, что обработка дитионитом натрия была эффективной в снижении ингибирующего эффекта при ферментации этанола, во время нашего испытания это привело к снижению выхода метана (рис. 5). С другой стороны, обработка лакказы улучшила выход метана на ели и сосне, подвергнутой интенсивной обработке. В обоих материалах SF был выше 4, и это могло привести к образованию большего количества ингибиторов, чем для материалов, обработанных с более низким SF. Для материалов, которые были предварительно обработаны при более низком SF, обработка лакказой не оказала никакого влияния на выход метана.Различие в эффекте детоксикации лакказы также можно объяснить концентрацией ингибиторов в жидкой фракции. Как видно из Таблицы 2, количества HMF и фурфурола были выше у ели и сосны, подвергнутых предварительной обработке, за которыми следовали береза и ель, подвергавшаяся легкой предварительной обработке. Более того, левулиновая кислота была обнаружена только у ели и сосны, подвергнутых строгой предварительной обработке (Таблица 2).
Наконец, мы исследовали влияние обработки суспензий целлюлазой на выход метана. Как упоминалось ранее, гидролиз углеводов до мономерных сахаров считается частью, ограничивающей скорость анаэробного расщепления лигноцеллюлозной биомассы.Консорциум, присутствующий в анаэробном иле, обладает способностью секретировать лигноцеллюлолитические ферменты и расщеплять полимерные углеводы. С другой стороны, было показано, что добавление раствора внешнего фермента может повысить эффективность разложения нерастворимых углеводов (Antonopoulou, Lyberatos, 2013; Matsakas et al., 2014). Использование целлюлолитических ферментов для увеличения выхода метана, когда лигноцеллюлозная биомасса используется в качестве сырья, не очень распространена в литературе, несмотря на положительный эффект, который она оказывает.С другой стороны, ферменты больше используются для обработки других материалов, таких как зерна пшеницы (Sonakya et al., 2001), твердые бытовые отходы (Rintala and Ahring, 1994) и сточные воды молочных производств (Mendez et al., 2006). Также было продемонстрировано, что стадия добавления ферментов имеет важное влияние на выход метана. Например, Romano et al. (2009) пришли к выводу, что добавление фермента — либо на той же стадии переваривания, либо в качестве предварительного гидролиза — не улучшило выход метана из ростков пшеницы Jose Tall.С другой стороны, они обнаружили улучшение с 220 мLCH ₄ / г VS до 290 мLCH ₄ / г VS, когда ферменты добавляли на первой стадии двухэтапного анаэробного расщепления. Во время нашей работы присутствие ферментов было благоприятным для выхода метана независимо от стадии включения ферментов (до или одновременно с перевариванием) и ферментной нагрузки. В целом одновременная ферментативная обработка была более эффективной для всех материалов, кроме березы. Добавление более высоких ферментов было полезно для ели и предварительно гидролизованной сосны.С другой стороны, более высокая активность ферментов не влияла на выход метана из березы и оказывала отрицательное влияние на сосну, когда ее обрабатывали одновременно с перевариванием. Наивысшие результаты были получены для березы, достигая 304,8 ± 6,35 мLCH ₄ / г VS, когда ферментная нагрузка составляла 15 FPU / г VS, применялась перед перевариванием. Это хорошо согласуется с результатами, полученными ранее, когда береза была признана наиболее эффективным сырьем независимо от обработки. Лесные материалы также использовались другими исследователями после различных видов предварительной обработки (Таблица 3).Доказано, что береза является наиболее эффективным материалом для анаэробного сбраживания, тогда как предварительная обработка всегда приводила к увеличению выхода метана. Хотя некоторые работы продемонстрировали более высокий выход метана, улучшение выхода метана по сравнению с необработанными материалами, достигнутое во время нашей работы, было самым высоким (Таблица 3).
ТАБЛИЦА 3. Сравнение результатов, полученных в ходе этой работы, с другими исследовательскими работами в литературе.
Заключение
Мы продемонстрировали, что лесные остатки могут быть эффективным сырьем для анаэробного сбраживания. Из-за их сложной структуры необходима предварительная обработка материалов для увеличения выхода метана. В ходе нашей работы мы обнаружили, что предварительная гидротермальная обработка может быстро увеличить производство метана из всех используемых материалов. Когда предварительная обработка проводится в тяжелых условиях, необходима детоксикация. Мы также обнаружили, что детоксикация дитионитом натрия приводит к частичному ингибированию процесса — в отличие от ферментации этанола, где такая детоксикация полезна.С другой стороны, детоксикация с помощью лакказы может улучшить выход метана. Наконец, введение ферментативной обработки приводит к дальнейшему повышению выхода метана. Обработка, проводимая вместе с пищеварением, оказалась полезной для ели и сосны, тогда как предварительное осахаривание было более подходящим для березы. Все материалы были успешно использованы для эффективного анаэробного сбраживания, что привело к высоким выходам 179,9 мл CH ₄ / г VS и 304,8 мл CH ₄ / г VS для сосны и березы, соответственно, и 259.4 мл CH ₄ / г VS и 276,3 мл CH ₄ / г VS для ели, подвергнутой мягкой и жесткой предварительной обработке, соответственно. Эти выходы являются одними из самых высоких, продемонстрированных в литературе, в то время как мы также продемонстрировали способность облегчить анаэробное пищеварение путем ферментативной детоксикации и осахаривания.
Авторские взносы
Все авторы (LM, UR и PC) совместно внесли свой вклад во все аспекты работы, описанные в рукописи. Все авторы читали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Заявление о конфликте интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Благодарности
Мы благодарим Bio4Energy, среду стратегических исследований, назначенную правительством Швеции, за поддержку этой работы. LM также благодарит Фонд Кемпе за финансовую поддержку.
Сноски
http: // www.svenskttra.se/MediaBinaryLoader.axd?MediaArchive_FileID=eb34da70-248d-4e78-b7cf-9592aca6c0db&FileName=Forest.pdf
Список литературы
Аду-Гьямфи, Н., Рао Равелла, С., и Хоббс, П. Дж. (2012). Оптимизация анаэробного сбраживания за счет выбора иммобилизующей поверхности для увеличения производства метана. Биоресурсы. Technol. 120, 248–255. DOI: 10.1016 / j.biortech.2012.06.042
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Альрикссон, Б., Кавка, А., и Йонссон, Л. Дж. (2011). Повышение ферментируемости ферментативных гидролизатов лигноцеллюлозы за счет химической детоксикации in-situ с помощью редуцирующих сахаров. Биоресурсы. Technol. 102, 1254–1263. DOI: 10.1016 / j.biortech.2010.08.037
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Антонопулу, Г., Либератос, Г. (2013). Влияние предварительной обработки биомассы сладкого сорго на образование метана. Валоризация отходов биомассы 4, 583–591.DOI: 10.1007 / s12649-012-9183-x
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Баракат, А., Монлау, Ф., Стейер, Дж. П., и Каррере, Х. (2012). Влияние производных лигнина и фурановых соединений, содержащихся в лигноцеллюлозных гидролизатах, на производство биометана. Биоресурсы. Technol. 104, 90–99. DOI: 10.1016 / j.biortech.2011.10.060
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бауэр А., Беш П., Фридл А. и Амон Т. (2009). Анализ метанового потенциала соломы пшеницы, взорванной паром, и оценка выхода энергии при комбинированном производстве этанола и метана. J. Biotechnol. 142, 50–55. DOI: 10.1016 / j.jbiotec.2009.01.017
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бруни, Э., Дженсен, А. П., и Ангелидаки, И. (2010). Сравнительное исследование механической, гидротермальной, химической и ферментативной обработки расщепленных биоволокон для улучшения производства биогаза. Биоресурсы. Technol. 101, 8713–8717. DOI: 10.1016 / j.biortech.2010.06.108
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Каннела, Д., Свединг, П. В., и Йоргенсен, Х. (2014). Детоксикация PEI предварительно обработанной ели для ферментации этанолом с высоким содержанием твердых веществ. Заявл. Энергия 132, 394–403. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2014.07.038
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кавка, А., Алрикссон, Б., Анлунд, М., и Йонссон, Л. Дж. (2011). Влияние оксианионов серы на ингибиторы ферментации на основе лигноцеллюлозы. Biotechnol. Bioeng. 108, 2592–2599. DOI: 10.1002 / бит. 23244
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Де Оливейра, М.E. D., Vaughan, B.E., и Rykiel, E.J. (2005). Этанол как топливо: энергия, баланс углекислого газа и экологический след. Bioscience 55, 593–602. DOI: 10.1641 / 0006-3568 (2005) 055 [0593: EAFECD] 2.0.CO; 2
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Эрнандес, Дж. Э., и Эдивин, Р. Дж. Дж. (2008). Ингибирование производства биогаза и биоразлагаемости замещенными фенольными соединениями в анаэробном иле. J. Hazard. Mater. 160, 20–28. DOI: 10.1016 / j.jhazmat.2008.02.075
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хорн, С. Дж., Эстевес, М. М., Нильсен, Х. К., Линьордет, Р., и Эйсинк, Г. Х. (2011). Производство биогаза и осахаривание Salix, предварительно обработанного в различных условиях парового взрыва. Биоресурсы. Technol. 102, 7932–7936. DOI: 10.1016 / j.biortech.2011.06.042
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Джейханипур, А., Асланзаде, С., Раджендран, К., Баласубраманян, Г., и Тахерзаде, М. Дж. (2013). Высокопроизводительное производство биогаза из текстильных отходов с использованием двухэтапного процесса. Обновить. Энергия 52, 128–135. DOI: 10.1016 / j.renene.2012.10.042
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Йонссон, Л. Дж., Палмквист, Э., Нильвебрант, Н. О., и Хан-Хэгердал, Б. (1998). Детоксикация гидролизатов древесины лакказой и пероксидазой из грибка белой гнили Trametes versicolor . Заявл. Microbiol. Biotechnol. 49, 693–697.
Google Scholar
Хурадо, М., Прието, А., Мартинес-Алькала, А., Мартинес, А. Т., и Мартинес, М. Дж. (2009). Лакказная детоксикация паровой взрыва пшеничной соломы для получения биоэтанола второго поколения. Биоресурсы. Technol. 100, 6378–6384. DOI: 10.1016 / j.biortech.2009.07.049
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кабир, М. К., Раджендран, К., Тахерзаде, М. Дж., И Хорват, И. С. (2015). Экспериментальная и экономическая оценка биоконверсии лесных остатков в биогаз с использованием предварительной обработки органосольв. Биоресурсы. Technol. 178, 201–208. DOI: 10.1016 / j.biortech.2014.07.064
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кабир М. М., Никлассон К., Тахерзаде М. Дж. И Хорват И. С. (2014). Производство биогаза из лигноцеллюлоз путем предварительной обработки N-метилморфолин-N-оксида (NMMO): эффекты восстановления и повторного использования NMMO. Биоресурсы. Technol. 161, 449–450.
PubMed Аннотация | Google Scholar
Кафле, Г. К., Бхаттарай, С., Ким, С., и Чен, Л. (2014). Влияние соотношения кормов и микробов на анаэробное переваривание отходов пекинской капусты в мезофильных и термофильных условиях: биогазовый потенциал и кинетическое исследование. J. Environ. Управлять. 133, 293–301. DOI: 10.1016 / j.jenvman.2013.12.006
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Капди, С. С., Виджай, В. К., Раджеш, С. К., и Прасад, Р. (2005). Очистка, сжатие и хранение биогаза: перспективы и перспективы в контексте Индии. Обновить. Energy 30, 1195–1202. DOI: 10.1016 / j.renene.2004.09.012
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кайембе К., Басосила Л., Мпиана П. Т., Сикулисимва П. К. и Мбую К. (2013). Ингибирующее действие фенольных мономеров на метаногенез при анаэробном пищеварении. Br. Microbiol. Res. J. 31, 32–41. DOI: 10.9734 / BMRJ / 2013/2291
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ким, К. Х., и Хонг, Дж. (2001). Предварительная обработка лигноцеллюлозы сверхкритическим CO2 усиливает ферментативный гидролиз целлюлозы. Биоресурсы. Technol. 77, 139–144. DOI: 10.1016 / S0960-8524 (00) 00147-4
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лей, З., Чен, Дж., Чжан, З., и Сугиура, Н. (2010). Производство метана из рисовой соломы с акклиматизированным анаэробным илом: эффект добавления фосфатов. Биоресурсы. Technol. 101, 4343–4348. DOI: 10.1016 / j.biortech.2010.01.083
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лестер, М., Беллон-Морель, В., Гонсалес, К., Латриль, Э., Роджер, Дж. М., Джанква, Г. и др. (2010). Альтернативные методы определения анаэробной биоразлагаемости: обзор. Process Biochem. 45, 431–440. DOI: 10.1016 / j.procbio.2009.11.018
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ли Ю., Парк С. Ю. и Чжу Дж. (2011). Твердотельное анаэробное сбраживание для производства метана из органических отходов. Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 15, 821–826. DOI: 10.1016 / j.rser.2010.07.042
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мартин, К., Клинке, Х. Б., Марсет, М., Гарсия, Л., Эрнандес, Э. и Томсен, А. Б. (2007). Изучение фенольных соединений, образующихся при предварительной обработке жома сахарного тростника мокрым окислением и паровым взрывом. Holzforschung 61, 483–487.
Google Scholar
Мартин, М. Р., Форнеро, Дж. Дж., Старт, Р., Мец, Л., и Ангенент, Л. Т. (2013). Биопроцесс с одной культурой Methanothermobacter thermautotrophicus для улучшения биогаза в варочном котле путем преобразования CO2 в Ch5 с помощью h3. Археи 2013, 157529. doi: 10.1155 / 2013/157529
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст
Мацакас, Л., и Христакопулос, П. (2013). Ферментация сжиженного жмыха сладкого сорго, подвергнутого предварительной гидротермической обработке, в этанол с высоким содержанием твердых веществ. Биоресурсы. Technol. 127, 202–208. DOI: 10.1016 / j.biortech.2012.09.107
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мацакас, Л., Рова, У., и Христакопулос, П.(2014). Оценка сушеных стеблей сладкого сорго как сырья для производства метана. Biomed Res. Int. 2014, 731731. DOI: 10.1155 / 2014/731731
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мендес, А. А., Перейра, Э. Б., и де Кастро, Х. Ф. (2006). Влияние предварительной обработки богатыми липидами сточными водами ферментативным гидролизом на анаэробное биоразложение. Biochem. Англ. J. 32, 185–190. DOI: 10.1016 / j.bej.2006.09.021
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Миллер, Г.Л. (1959). Использование реактива динитросалициловой кислоты для определения редуцирующего сахара. Анал. Chem. 31, 426–428. DOI: 10.1021 / ac60147a030
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мирахмади К., Кабир М. М., Джейханипур А., Карими К. и Тахерзаде М. Дж. (2010). Предварительная щелочная обработка ели и березы для улучшения производства биоэтанола и биогаза. Биоресурсы 5, 928–938.
Google Scholar
Мохсензаде, А., Джейханипур, А., Карими К. и Тахерзаде М. Дж. (2012). Предварительная щелочная обработка ели хвойных пород и березы лиственных пород с помощью NaOH / тиомочевины, NaOH / мочевины, NaOH / мочевины / тиомочевины и NaOH / PEG для улучшения производства этанола и биогаза. J. Chem. Technol. Biotechnol. 87, 1209–1214.
Google Scholar
Молино А., Мильори М., Динг Ю., Биксон Б., Джордано Г. и Браччо Г. (2013). Повышение качества биогаза с помощью мембранного процесса: моделирование в масштабе пилотной установки и конечного использования для закачки в сеть. Топливо 107, 585–592. DOI: 10.1016 / j.fuel.2012.10.058
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Морено А. Д., Ибарра Д., Фернандес Дж. Л. и Баллестерос М. (2012). Различные стратегии детоксикации лакказы для производства этанола из лигноцеллюлозной биомассы термотолерантными дрожжами Kluyveromyces marxianus CECT 10875. Биоресурсы. Technol. 106, 101–109. DOI: 10.1016 / j.biortech.2011.11.108
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Морено, А.Д., Томас-Пейо, Э., Ибарра, Д., Баллестерос, М., и Олссон, Л. (2013). Обработка лакказы in situ повышает ферментируемость взорванной паром соломы пшеницы в процессах SSCF при высокой плотности сухого вещества. Биоресурсы. Technol. 143, 337–343. DOI: 10.1016 / j.biortech.2013.06.011
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мшандете А., Бьёмссон Л., Киваиси А. К., Рубиндамаюги С. Т. и Маттиассон Б. (2005). Улучшение анаэробного периодического переваривания отходов сизалевой целлюлозы с помощью предварительной мезофильной аэробной обработки. Water Res. 39, 1569–1575. DOI: 10.1016 / j.watres.2004.11.037
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Наик, С. Н., Гоуд, В. В., Рут, П. К., и Далай, А. К. (2010). Производство биотоплива первого и второго поколения: всесторонний обзор. Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 14, 578–597.
Google Scholar
Накамура Ю. и Мтуи Г. (2003). Анаэробная ферментация древесной биомассы, обработанной различными методами. Biotechnol. Bioprocess Eng. 8, 179–182. DOI: 10.1007 / BF023
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Негро, М. Дж., Мансанарес, П., Баллестерос, И., Оливия, Дж. М., Кабаньяс, А., и Баллестерос, М. (2003). Условия гидротермальной предварительной обработки для увеличения производства этанола из биомассы тополя. Заявл. Biochem. Biotechnol. 105, 87–100. DOI: 10.1385 / ABAB: 105: 1-3: 87
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ницос, К.К., Матис, К. А., Триантафиллидис, К. С. (2013). Оптимизация гидротермальной обработки лигноцеллюлозной биомассы в процессе производства биоэтанола. ChemSusChem 6, 110–122. DOI: 10.1002 / cssc.201200546
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Палонен, Х., Томсен, А. Б., Тенканен, М., Шмидт, А. С., и Виикари, Л. (2004). Оценка предварительной обработки влажным окислением для ферментативного гидролиза мягкой древесины. Заявл. Biochem. Biotechnol. 117, 1–17. DOI: 10.1385 / ABAB: 117: 1: 01
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Parawira, W. (2012). Исследования и применение ферментов в биотехнологической интенсификации производства биогаза. Crit. Rev. Biotechnol. 32, 172–186. DOI: 10.3109 / 07388551.2011.595384
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Пашос, Т., Ксирос, К., и Кристакопулос, П. (2015). Одновременное осахаривание и ферментация совместными культурами Fusarium oxysporum и Saccharomyces cerevisaeen увеличивает производство этанола из разжиженной пшеничной соломы с высоким содержанием сухого вещества. Ind. Crops Prod. 76, 793–802. DOI: 10.1016 / j.indcrop.2015.07.061
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ринтала Дж. И Аринг Б. (1994). Термофильное анаэробное сбраживание твердых бытовых отходов с разделением источников: влияние добавок ферментов. Заявл. Microbiol. Biotechnol. 40, 916–919. DOI: 10.1007 / BF00173999
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Романо Р. Т., Чжан Р., Тетер С. и МакГарви Дж. А. (2009). Влияние добавления ферментов на анаэробное переваривание травы пшеницы Jose Tall. Биоресурсы. Technol. 100, 4564–4571. DOI: 10.1016 / j.biortech.2008.12.065
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Салехиан П., Карими К. (2013). Предварительная щелочная обработка для улучшения производства биогаза и этанола из различных частей отходов сосны. Ind. Eng. Chem. Res. 52, 972–978. DOI: 10.1021 / ie302805c
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Салехиан, П., Карими, К., Зилуэй, Х., и Джейханипур, А.(2013). Улучшение производства биогаза из древесины сосны путем предварительной обработки щелочью. Топливо 106, 484–489. DOI: 10.1016 / j.fuel.2012.12.092
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сьерра-Альварес, Р., Леттинга, Г. (1991). Метаногенная токсичность лигнинов сточных вод и родственных лигнину соединений. J. Chem. Technol. Biotechnol. 50, 443–455. DOI: 10.1002 / jctb.280500403
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Сонакья, В., Райзада, Н., и Кали, В. (2001). Микробное и ферментативное улучшение анаэробного сбраживания биомассы отходов. Biotechnol. Lett. 23, 1463–1466. DOI: 10.3109 / 07388551.2011.595384
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Судэм, В. П., Альрикссон, Б., и Йонссон, Л. Дж. (2011). Восстановители улучшают ферментативный гидролиз целлюлозных субстратов в присутствии жидкости для предварительной обработки. J. Biotechnol. 155, 244–250. DOI: 10.1016 / j.jbiotec.2011.06.026
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Шведская газовая ассоциация (2011 г.). Биогаз в Швеции. Энергигаз Свериге . Стокгольм: Шведская газовая ассоциация.
Тахерзаде, М. Дж., И Карими, К. (2008). Предварительная обработка лигноцеллюлозных отходов для улучшения производства этанола и биогаза: обзор. Внутр. J. Mol. Sci. 9, 1621–1651. DOI: 10.3390 / ijms
21
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Тегаммар, А., Карими К., Хорват И. С. и Тахерзаде М. Дж. (2012). Повышенное производство биогаза из рисовой соломы, соломы тритикале и ели хвойных пород путем предварительной обработки NMMO. Биомасса Биоэнергетика 36, 116–120. DOI: 10.1016 / j.biombioe.2011.10.019
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Вивекананд В., Олсен Э. Ф., Эйсинк В. Г. Х. и Хорн С. Дж. (2013). Влияние различных условий парового взрыва на метановый потенциал и ферментативное осахаривание березы. Биоресурсы.Technol. 127, 343–349. DOI: 10.1016 / j.biortech.2012.09.118
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ся, Ю., Фанг, Х. Х. П., и Чжан, Т. (2013). Недавние исследования термофильной анаэробной биоконверсии лигноцеллюлозной биомассы. RSC Adv. 3, 15528–15542. DOI: 10.1039 / c3ra40866c
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ксирос, К., и Олссон, Л. (2014). Сравнение стратегий преодоления ингибирующих эффектов при ферментации лигноцеллюлозных гидролизатов в условиях высокой плотности. Биомасса Биоэнергетика 65, 79–90. DOI: 10.1016 / j.biombioe.2014.03.060
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Йошида К., Мияфудзи Х. и Сака С. (2010). Производство метана из органических кислот, полученных сверхкритической очисткой воды из японского бука. J. Wood Sci. 56, 160–165. DOI: 10.1007 / s10086-009-1074-9
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Zheng, Y., Zhao, J., Xu, F., and Li, Y. (2014). Предварительная обработка лигноцеллюлозной биомассы для увеличения производства биогаза. Прог. Энергия сгорания. Sci. 42, 35–53. DOI: 10.1016 / j.pecs.2014.01.001
CrossRef Полный текст | Google Scholar
.

Номер образца	Расположение ферментера	Основная подложка	Комбинация исходных субстратов (%)
1	Modřice	первичный ил, биологический ил	50: 50
2	Братчице	кукурузный силос, цельнозерновой силос, птичий помет	63:31: 6
3	Панов	кукурузный силос, птичий помет	92: 8
4	Ювально	кукурузный силос, жом сахарной свеклы, цельнозерновой силос, навоз КРС	44: 44: 6: 6
5	Горни Бенешов	кукурузный силос, жом сахарной свеклы, цельнозерновой силос, навоз КРС, травяной силос	29: 39: 12: 15: 5
6	Русин	кукурузный силос, жом сахарной свеклы	70: 30
7	Лоденице	кукурузный силос, жом сахарной свеклы	75: 25

Номер биореактора	Температура (° C)	pH	Редокс (мВ)	Сухой остаток (%)	Летучие твердые вещества (%)	Состав биогаза
						CH ₄ (% _об.)	CO ₂ (% _об.)	H ₂ (% _об.)	Прочее (% _об.)
1	34	7	-3.1	5,09	59,13	47	48	0,0055	4,99
2	43	8,3	-75	10,16	75,23	51,5	47	0,0045	1,49
3	49	8	-58	10.33	79,46	48	47	0,0050	4,99
4	48	7,69	-38,5	8,84	78,85	49	48	0,0035	2,99
5	49	7,85	-47.4	7,87	77,52	52	46	0,0060	1,99
6	48	7,63	-34,7	8,52	79,15	48	48	0,0040	3,99
7	44	7.65	-36	7,9	78,51	50,5	47	0,0035	2,49

Номер ферментера	Количество архей родов (OUT · ml ^–1)										Всего

	Метанокуллеус	Термогимномонас	Метанобактерии	Метанимикрококк	Метанолина	Метаносаэта	Метанобревибактер	Метаноспирилл	Термоплазмы	Термопротеи
1	195	135	65	nd	95	25	10	25	10	5	565
2	1630	70	5	10	nd	nd	nd	Nd	nd	nd	1715
3	270	10	nd	nd	nd	nd	nd	Nd	nd	nd	280
4	865	300	nd	nd	nd	nd	nd	Nd	nd	nd	1165
5	390	50	5	nd	nd	nd	nd	Nd	nd	nd	445
6	1695	90	nd	nd	nd	nd	nd	Nd	nd	nd	1785
7	485	75	5	nd	nd	nd	nd	Nd	nd	nd	565

Зависимая переменная (Y)	R	р ²	Коэффициенты фактора					ф

			а ₁	а ₂	а ₃	а ₄	а ₅
CH ₄	0.999 ±	0,999	-0,106 ±	6,948 ±	-0,069 ±	-2,46 ±	0,241 ±	9105,31
	0,61		0,13	0,49	0,03	0,45	0,11
co ₂	0,999 ±	0.999	-0,079 ±	7,019 ±	0,196 ±	1,029 ±	-0,051 ±	11212,99
	0,53		0,11	0,42	0,02	0,38	0,10
H ₂	0,997 ±	0,995	0.0003 ±	0,002 ±	0,001 ±	0,001 ±	0,001 ±	73,896
	0,001		0,0001	0,001	0,001	0,001	0,001
Остальное	0,987 ±	0,975	0,194 ±	0.985 ±	0,141 ±	1,695 ±	-0,284 ±	16,12
	1,02		0,22	0,82	0,05	0,75	0,19

Сырье	Расчетное содержание сухого вещества (%)	Потребляемая энергия			Энергетическая мощность
Сырье	Расчетное содержание сухого вещества (%)	Обращение с сырьем (ГДж / т сухой массы)	Транспорт сырья (МДж / т сухих, км)	Транспорт сброженных остатков (МДж / т сухих, км)	Расчетный выход биогаза (ГДж / т сухой массы)
Лейковые культуры	23	1.7	4,8	20	11	(9,5-17)
Ботва сахарной свеклы + листья	19	0,6	5,8	20	11	(8,5-14)
Навоз — свиньи	8	н / д	14	14	7	(5.6-8,5)
Навоз — коровий	8	н / д	14	14	6,2	(5,6-8,5)
Отходы убоя	17	н / д	11	20	9,4
Жироотделитель осадка	4	н / д	80	20	22	(20-27)
Городские органические отходы	30	0.6	15	20	14	(8,8-19)