Биореакторы для получения биогаза цена: Биореактор для получения биогаза БУГ-3

Опубликовано в Разное
/
12 Май 1973

Содержание

Биореакторы для получения биогаза цена. Биогенератор – устройство, применение, затраты и окупаемость


Биогазовые установки

Биогазовые установки

 

Биогазовые установки LANDCO представляют собой прибыльное решение утилизации органических отходов для получения тепло- и электроэнергии, удобрений и чистой воды. 

 

Главные преимущества технологии LANDCO:

  • Сокращение биогазового цикла и, соответственно, числа и объема биореакторов
  • Использование российских комплектующих в соответствии с требованиями политики импортозамещения
  • Возможность эффективной работы на стоках влажностью 98-99% позволяет решить проблему стоков свинокомлпексов и предприятий пищевой промышленности объемом свыше 500 м куб в сутки
  • Возможность работы на птичьем помете и прочих технически сложных в обработке видах отходов в чистом виде
  • Очистка переброженной массы в гранулированные NPK удобрения и чистую воду

 

 

Технология LANDCO SA
Классическая технология

Биогазовый

цикл

Использования биогазового цикла высокой интенсивности, сокращения цикла разложения сырья в биогаз и объема ферментеров Длительный срок разложения сырья, в несколько раз больший объем биогазовых реакторов, высокие капзатраты

Возможность

использования

российских

компонентов

Имеется в условиях снижения необходимого объема биореакторов Не имеется . Значительные объем биоректоров требует использования дорогостоящих метериалов, например стали со стеклоэмалированным покрытием от зарубежный поставщиков

Возможность

эффективной

работы на

стоках

влажностью 98-

99%

Имеется. Использование запатентованной технологии с временем брожения 8-10 часов позволяет решить проблему очистки значительных объемов жидких органических отходов свинокомплексов и предприятий пищевой промышленности с высокой влажностью и значительно сократить объем ферментеров и размер капитальных затрат. Неэффективно. Необходимость использования силоса, жома и дополнительных органических отходов для увеличения выхода биогаза, что увеличивает число и объем реакторов, требует создания хранилищ зеленой массы, увеличивает объем переброженной массы и сложность ее очистки

Очистка

переброженной

массы

Имеется. Отсутствие капитальных и операционных затрат на хранение, вывоз и внесение переброженного субстрата — основной статьи расходов биогазовых станций, нет необходимости создания лагун. Биогазовые установки LANDCO в первую очередь представляют собой центр полной переработки органических отходов с получением чистой воды и NPK удобрений -дополнительных источников выручки, компенсирующим все операционные расходы биогазовой станции
Не имеется. В процессе брожения в субстрате увеличивается содержания аммония, ведущего к образованию нитратов и нитритов. В результате применения традиционной биогазовой технологии из одного вида отходов образуется еще более опасный для экологии продукт — переброженный субстрат. Его переработка и соответствия процесса анаэробного сбраживания этим целям умышленно не принимаются в расчет, поскольку требует инвестиций на создание лагун и вывоз субстрата на поля.
Рентабельность Окупаемость возможна на инвестиционном цикле за счет отказа от лагун и прочих традиционных способов очистки. Сочетание нескольких источников прибыли и не требует «зеленых» тарифов на электроэнергию и иных форм субсидирования Окупаемость возможна только в условиях государственныхдотаций, при этом не решается проблема отходов.
Выводы Технология LANDCO требует на порядок меньшего объема реакторов; полный цикл переработки переброженных в станции отходов отменяет необходимость использования лагун, а также обеспечивает дополнительный источник выручки от экспорта удобрений. Традиционные технологии требуют значительных инвестиций на биореакторы большого объема, хранение силоса и жома, хранение и вывоз переброженного субстрата, при этом экологическая проблема не решается, потребность в традиционных системах очистки сохраняется.

Безотходная технология LANDCO и передовые инженерные решения обеспечивают сочетание нескольких источников выручки, благодаря чему инвестпроекты биогазовых станций не требуют субсидий и имеют срок окупаемости от 3 до 5 лет.

Биогазовая установка LANDCO, безусловно, имеет меньшую стоимость киловатта установленной мощности с традиционными решениями, но такое сравнение теряет смысл, поскольку установка представляет собой в первую очередь объект переработки отходов, который окупается только за счет экологической составляющей и предоставляет получение прочих источников выручки в качестве «бонуса».

Традиционные биогазовые технологии, напротив, являются исключительно дотационными энергетическими проектами, не решающими проблемы отходов. В процессе брожения в субстрате увеличивается содержания аммония, ведущего к образованию нитратов и нитритов. В итоге в результате применения традиционной биогазовой технологии из одного вида отходов образуется еще более опасный для экологии продукт. Этот продукт поставщики классических биогазовых станций предлагают называть биудобрением и хранить его в лагунах, после чего вывозить на поля. Применение традиционных биогазовых технологий требует огромных инвестиций на хранение и вывоз отходов, при этом экологическая проблема не решается. В ЕС под влиянием экологических проблем, рождаемых развитой сетью биогазовых станций, работающих на зеленой массе, а не на отходах АПК, с 2014 года были приняты поправки в законодательство об обходах, обязывающих собственников биогазовых станций заниматься реальной переработкой отходов, с получением чистой воды и комплексных микробиологических удобрений. Кроме того, специальных тарифов на электроэнергию лишились станции, работающие исключительно на зеленой массе.

 

Биогазовые установки LANDCO позволяют отказаться от следующих элементов классической технологии: 

 

 

biogas.su

Биогенераторная установка для производства биогаза

Переработка органических отходов с одновременным получением высококалорийного биогаза – перспективнейшее направление. Осуществляется данный процесс с помощью биогенераторной установки.

Использование полученного топлива

Сфера применения биогаза довольно широка, и в первую очередь биогенераторы представляют интерес для собственников фермерских хозяйств, а также для владельцев дачных участков – именно там много органических отходов, а значит, потенциального сырья.

На этом виде топлива прекрасно функционируют когенерационные электростанции – вырабатывающие и электричество, и тепло.

Кроме обогрева жилья, биогаз может использоваться для заправки автомобилей – к примеру, автогигант «Volvo» даже выпускает автобусы на таком топливе.

Использование биогенератора имеет массу преимуществ.

Главные достоинства:

  • способствует улучшению санитарной обстановки в районе и экологической ситуации в целом;
  • позволяет экономить средства на оплате энергоносителей за счет применения биогаза как топлива для собственной мини-электростанции;
  • дает возможность получить достаточное количество безопасных в экологическом плане удобрений, благодаря деятельности анаэробных бактерий насыщенных азотом и фосфором и без патогенной флоры и семян сорняковых видов растений. Отказ от химических удобрений в свою очередь положительно влияет на качество грунтовых вод.

Принцип действия установки

Конструкции используются самые различные, однако процесс в них протекает один и тот же.

Органические отходы помещаются в специальный контейнер, где происходит естественный процесс разложения (благодаря жизнедеятельности бактерий) с выделением газовой смеси, более чем на 60 процентов состоящей из метана и на 25-35 процентов – из углекислого газа, а также незначительных примесей водорода и сероводорода.

Получение этого газа, аналогичного природному, – и есть главная цель использования биогенераторной установки. Также имеется «побочный» эффект – качественные и биологически чистые удобрения.

Чтобы процесс протекал быстрее, используются мешалки.

Важным условием для «работы» метановых бактерий является поддержание температурного режима – то есть, использование систем подогрева.

Промышленная биогазовая установка состоит из:

  • стальной герметичной емкости. На поверхность стали наносится специальное покрытие;
  • бункера – приемника биомассы;
  • шнекового насоса – для перекачки сырья в емкость;
  • подведенного водопровода – для придания биомассе необходимой консистенции с помощью воды;
  • погружной мешалки с электроприводом;
  • системы подогрева;
  • поливинилхлоридного газольдера. В нем накапливается газовая смесь.

Как правило, биогенератор промышленного типа оснащается автоматической системой управления.

Биогенератор своими руками

Биореактор, изготовленный самостоятельно, может прослужить много лет. Основой для него чаще всего служит ПВХ-емкость, вкопанная в яму. В качестве материала для изготовления подойдет бетон, можно также просто выложить яму кирпичом – однако стоит принимать во внимание, что от герметичности будет зависеть производительность агрегата: для жизнедеятельности метановых бактерий нужно изолировать их от воздуха.

Установка накрывается куполом, вверху устанавливается газоотводящая трубка.

Сверху такое сооружение, в которое вручную загружается сырье – биомасса, накрывают изолирующей пленкой.

Компрессором накопившееся топливо можно перегнать в баллоны.

5 тонн отходов, подогретых змеевиком и без доступа кислорода, уже через несколько дней начнут давать газ – примерно по 30-40 кубометров в день, но это при обеспечении всех технологических условий, таких как температурно-влажностный режим, герметичность и другие.

На практике обеспечить требуемые условия непросто.

Сырье для производства биогаза

Биомасса – к примеру, сельскохозяйственные отходы – фактически бесплатное сырье для производства биогаза.

Естественно, стекло и пластик в этом случае бесполезны.

Отличным материалом является навоз, птичий помет, стебли растений, в том числе такой энергетической культуры, как силосной кукурузы, пищевые отходы, испорченное зерно, отходы бойни, рыбного цеха и пилорамы.

При этом самая насыщенная метаном смесь получается из переработки жира.

Допускается смешивание различных видов отходов – как животного, так и растительного происхождения.

Стоит ли овчинка выделки?

В Китае, странах Европы биогазовые установки применяются давно. Что же стало камнем преткновения для распространения биогенераторов в российских подворьях? Все дело в особенностях использования.

Кроме достаточного количества сырья, нужно учитывать климатические условия региона. Эффективная работа установки возможна в теплом климате, так как часть вырабатываемой энергии нужна для поддержки самого процесса гниения, и в холодное время года эта часть довольно значительна.

Впрочем, для более суровых условий возможно использование биогенератора специальной конструкции. Терморегуляция требует определенных затрат, поэтому нужны тщательные подсчеты расходов на обогрев, по результатам которых будет понятно, выгодно ли в данном случае получать метан в процессе разложения биомассы.

Биогенераторы, сделанные своими руками, как правило, дают небольшой выход биогаза.

Таким образом, главный аргумент в пользу покупки готового биогенератора: профессиональные модели, собранные на заводе, имеют КПД гораздо выше, и затраты на приобретение такой установки окупятся через год.

diskmag.ru

ТехноАгроСервис — Биоустановки «БУГ»

Создано 20 Ноябрь 2016 Просмотров: 2760 Предлагаем Вам уникальные недорогие биоустановки – комплекс «БУГ» российского производства – для переработки отходов животноводства и птицеводства в органическое удобрение с получением биогаза.

 

Биоустановка БУГ — технологический комплекс для переработки всех видов органических отходов (навоза КРС, МРС, свиного навоза, птичьего помета) и получения высокоэффективного жидкого органического удобрения путем термофильного брожения биомассы, а также выработки попутного биогаза.Используя комплекс БУГ, вы обеспечите свое предприятие, а возможно и близлежащие жилые дома, дешевой электроэнергией, теплом и газом.Установив оборудование, вы будете получать высокоэффективное экологически чистое жидкое органическое удобрение. Вы забудете о покупке дорогостоящих удобрений и полностью обеспечите потребности своего хозяйства в подкормке сельскохозяйственных культур, увеличите их урожаи в 2-3 раза.В итоге вы сможете значительно повысить эффективность своего предприятия без особых дополнительных затрат.

НАЗНАЧЕНИЕ:

  1. Переработка отходов сельскохозяйственного производства, пищевой и перерабатывающей отрасли, объектов общепита и пр.
  2. Обеспечение предприятий малого и среднего бизнеса, крестьянских хозяйств, частных подворий, жилых домов собственной дешевой электроэнергией.
  3. Возможность обустройства автономной независимой системы отопления и теплоснабжения сельскохозяйственных, промышленных и жилых объектов.
  4. Выработка высококачественных органических удобрений и биогаза для собственных хозяйственных нужд.

ПРЕИМУЩЕСТВА:

  1. Решение проблем утилизации всех видов органических отходов собственного и соседних хозяйств.
  2. Получение высокоэффективных экологически чистых жидких органических удобрений, пользующихся большим спросом на рынке.
  3. Полное обеспечение собственных потребностей в подкормке сельскохозяйственных культур и увеличение их урожайности в 2-3 раза.
  4. Снижение расходов на отопление, электричество, газ.

Навоз КРС смешивается с водой в равных пропорциях (1:1). Полученный субстрат загружается фекальным насосом в биореактор. При поддержании постоянной температуры 52 °С масса перемешивается  автоматическим устройством четыре раза в сутки по 15 минут для сбивания корки и активизации процесса брожения. Через 7-10 дней начинается фаза активного брожения биомассы с выделением биогаза, который собирается в газгольдере и начинается непрерывный технологический процесс производства биоудобрений.Ежесуточно из биореактора сливается готовое жидкое удобрение и загружается субстрат в одинаковом объеме, пропорционально объему биореактора.В случае с 12-кубовым биореактором «БУГ-3» производительность комплекса повышается за счет растягивания процесса брожения и разделения на этапы, путем применения горизонтальной конструкции.В результате переработки органических отходов получается удобрение и биогаз.Экологически чистое органическое удобрение, помимо всех необходимых для растений макро- и микроэлементов, содержит активные биологические стимуляторы класса ауксинов, существенно увеличивающих выход урожая. Удобрение действует сразу послевнесения в почву. Полностью отсутствует патогенная флора. Удобрение нетоксично, пожаробезопасно, не образует вредных соединений при внесении в почву. Соответствует 4 классу опасности по воздействию на организм человека.Биогаз, получаемый в процессе брожения биомассы, на 55-60% состоит из метана и на 40-45% из углекислого газа. На биогазе могут работать газовые водонагреватели, обогреватели воздуха, газогенераторные установки.

Описание биоустановок «БУГ»

Комплекс БУГ-1

Комплекс БУГ-1 предназначен для переработки всех видов органических отходов– навоза КРС, свиного навоза, птичьего помета и т.д. и получения высокоэффективного органически чистого жидкого удобрения, а также попутного биогаза.

Комплекс БУГ-1 осуществляет биотехнологическую переработку навоза и рассчитан для ферм крупного рогатого скота на 15-20 голов, свиноферм на 150-180 голов, птицеферм на 1500-1800 голов.

Комплекс БУГ-1 состоит из биореактора объёмом 6 куб.м.и газгольдера рабочим объёмом 2 куб.м.

Комплекс БУГ-3

Комплекс БУГ-3 предназначен для переработки всех видов органических отходов и производства органического удобрения. Комплекс БУГ-3 имеет рабочий объем 12 куб.м.и предназначен для ферм КРС на 60-80 голов, свиноферм на 600-700 голов, птицеферм на 6000-7000 голов.

Комплекс БУГ-3 состоит из биореактора на 12 куб.м. и газгольдера объемом 2 куб.м и обладает повышенной производительностью за счет усовершенствованного процесса сбраживания. Это достигается благодаря горизонтальной конструкции оборудования.

 

Принцип работы

Первоначально в биореактор БУГ-1 фекальным насосом загружается 6 куб.м. субстрата, состоящего из навоза, благополучного в ветеринарном отношени ивлажностью 85%, и воды, смешанных в пропорции 1:1. В биореакторе автоматически поддерживается постоянная температура +52°С. Четыре раза в сутки на 15 минут автоматически включается перемешивающее устройство, которое сбивает корку на поверхности для более активного брожения и выделения биогаза. Через 7-10 дней начинается процесс активного брожения с выделением биогаза, который собирается в газгольдере. Далее идет непрерывный технологический процесс. Ежесуточно сливается 10% от рабочего объёма биореактора готового жидкого удобрения (600 литров) и, соответственно, пополняется 10% субстрата. При этом ежесуточный выход биогаза составляет от 6-8 куб.м. и более в зависимости от состава навоза.

В биореактор БУГ-3 первоначально субстрат загружается частями по 20% от общего объема до полного заполнения в течение 5 суток. Через 7-10 дней после начала процесса активного брожения ежесуточно загружается и одновременно сливается 20% от рабочего объема. Ежесуточный выход биогаза может составлять 12-25 куб.м

БИОГАЗ

В состав биогаза входит 55-60% метана и 40-45% углекислого газа. На этом газу могут работать бытовые газовые приборы, включая газовые водонагреватели, обогреватели воздуха и газогенераторы.

Технические характеристики комплекса БУГ-3

п/п

Характеристика

Параметр

Примечание

1 Объем загрузки субстрата (рабочий объем) 12,0 м³  

2

Время выхода на рабочий режим

4-7 суток

зависит от состава субстрата

3

Кол-во дополняемого субстрата в сутки

1,8 м³

навоз с водой в соотношении 1:1

4 Кол-во получаемого удобрения в сутки 1,8 м³  
5 Тип теплоносителя вода  
6 Объем теплоносителя 3,2 м³  
7 Температурный режим 52-53 Сº  
8 Периодичность перемешивания субстрата не менее 4-х раз в сутки по 10-15 мин
9 Поддержание температурного режима автоматическое  
10 Привод побудителя механический  

11

Привод подъема субстрата

механизированный

фекальный насос

СМ80-50-200/4Б

входит в доп-ную комплектацию

12

Рабочий объем газгольдера

2,3 м³

давление газа в газгольдере– до 0,04 кгс/см²

13

Количество получаемого биогаза в сутки

12-25 м³

зависит от состава и

качества субстрата

14

Состав газа

метан – 55-60%

СО2 – 45-40%

зависит от состава и

качества субстрата

15

Используемая жидкость в газгольдере

вода

при t <0 Сº

необходимо использовать незамерзающую жидкость (отработанное моторное масло)

16 Объем жидкости в газгольдере 2,8 м³  

17

Габаритные размеры биореактора

длина – 5630 мм

ширина – 2000 мм высота – 2300 мм

расположение–

горизонтальное

18

Габаритные размеры газгольдера

высота – 3212 мм

диаметр – 1595 мм

с поднятым

поплавком

19 Масса биореактора 3500 кг  
20 Масса газгольдера 600 кг  

 

Состав комплекса БУГ-3

п/п

Наименование

Примечание

1 Биореактор  
2 Газгольдер  
3 Ваннадля подготовкисубстрата  
4 Фекальный насостипаСМ80-50-200/4Б  
5 Резервуар для сбораготовой продукции  
6 Потребителигаза дополнительно

 

1. БИОРЕАКТОР

Биореактор предназначен непосредственно для производства удобрения, получаемого путем термофильного брожения субстрата.

Состав биореактора

п/п

Наименование

Обозначение

Кол-во,

шт.

Примечание

1 Бак   1  
2 Корпус   1  
3 Теплоизоляция   1  
4 Люкскрышкой   1  
5 Затвор   1  
6 Крышка   1  
7 Вал слопастями   1  

8

Мотор-редуктор

INNOVARI 4,0 кВт 20 об/мин

1

 
9 Температурный контроллер TZ4ST24R 1  
10 Термопара TW-S 1  

11

Электронагреватель трубчатый

ТЭН 100А13/5.0Р220

ГОСТ 13268-88

2

 

12

Шкаф с электроаппаратурой

 

1

 

 

Устройство и принцип работы

Биореактор (рис.1) представляет собой, расположенную горизонтально, цилиндрическую емкость, внутри которой расположена система перегородок, предназначенная для правильного направления движения потока субстрата и для разделения всего объема субстрата на части, находящиеся на разной стадии брожения.

В нижней части биореактора находится водяная рубашка–полость заполненная водой, через которую происходит подогрев емкости с субстратом. Нагрев воды осуществляется двумя ТЭНами (1), по 5 кВ ткаждый, в автоматическом режиме до температуры 52-53°С.

В верхней части биореактора расположен люк (2), в котором имеется вентиль (3) для отвода получаемого газа. Люк закрыт герметично.

На боковых торцевых сторонах имеются технологические герметично закрытые отверстия (4), предназначенные для полного слива субстрата и для очистки и промывки внутренней емкости биореактора.

Внутри биореактора расположен горизонтально вал с лопастями для перемешивания субстрата и разрушения поверхностной пленки, образующейся при брожении. Вал закреплен на подшипниках качения расположенных в торцевых сторонах емкости в опорах (5). В боковой части с одной стороны закреплен мотор-редуктор (6) вращающий вал.

В верхней части емкости со стороны редуктора расположено отверстие (7) для загрузки субстрата. Слив готового удобрения осуществляется с противоположной стороны через отверстие для слива (8) расположенное в гидрозатворе (9).

Рис.1

Таймер, размещенный в шкафу, настраивается на необходимое время перемешивания и отключает мотор-редуктор побудителя автоматически.

Для заполнения воды в рубашку установлен заливной патрубок, а для ее слива предусмотрен вентиль.

 

2. Газгольдер

Газгольдер (рис.2) предназначен для сбора газа.

Состав газгольдера

п/п

Наименование

Кол-во,

шт.

1 Бак 1
2 Поплавок 1
3 Трубкагазовая 1
4 Ограничитель 2
Устройство и принцип работы

Бак газгольдера (1) заполняется жидкостью, через него, выше уровня жидкости, проходит газовая трубка, через которую газ, образующийся в биореакторе, свободно попадает в поплавок (2), где скапливается, поднимая его по направляющим (3).

Поплавок не должен выходить из жидкости, что обеспечивается ограничителями (4). Через выходной патрубок (5), расположенный в верхней части поплавка газ проходит к газовому оборудованию.

В нижней части газгольдера находится кран (6) для слива жидкости.

Смотрите также

tass.kz

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/м3 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.

biogaz-russia.ru

Биогазовая установка для частного дома. Инструкция, фото, видео

Автор newwebpower На чтение 11 мин. Просмотров 785 Опубликовано Обновлено

В статье о получении биогаза приводились теоретические основы производства газа метана из биомассы путем анаэробного сбраживания.

Была объяснена роль бактерий в поэтапном преобразовании органических веществ с описанием необходимых условий для наиболее интенсивного получения биогаза. В данной статье будут приведены практические реализации биогазовых установок, с описанием некоторых самодельных конструкций.

Поскольку цены на энергоносители растут, и у многих собственников животноводческих ферм и малых хозяйств существуют проблемы с утилизацией отходов, появились в продаже промышленные комплексы по производству биогаза и небольшие  биогазовые установки для частного дома. Пользуясь поисковиками, пользователь сети Интернет сможет легко найти доступное готовое решение, чтобы биогазовая установка и цена на нее соответствовали запросам,  выйти на связь с поставщиками оборудования и договориться о постройке биогазового генератора у себя дома или на хозяйстве.

Промышленный комплекс по производству биогаза

Биореактор – основа биогазовой установки

Емкость, в которой происходит анаэробное разложение биомассы, называют биореактором, ферментатором, или метантанком. Биореакторы бывают полностью герметичными, с фиксированным или плавающим куполом, имеющие конструкцию водолазного колокола. Колокольные психрофильные (не требующие подогрева) биореакторы имеют вид открытого резервуара с жидкой биомассой, в которую погружена емкость в виде цилиндра или колокола, где собирается биогаз.

Собравшийся биогаз оказывает давление на цилиндр, из-за чего тот приподнимается над резервуаром. Таким образом, колокол также выполняет функцию газгольдера – временного хранилища образовавшегося газа.

Биореактор с плавающим куполом

Недостатком колокольной конструкции биогазового реактора является невозможность перемешивания субстрата и его подогрева в холодные периоды года. Также негативным фактором является сильный запах, и антисанитария из-за открытой поверхности части субстрата.

К тому же, часть образовавшегося газа улетучится в атмосферу, загрязняя окружающую среду. Поэтому данные биореакторы используются лишь в кустарных биогазовых установках в бедных странах с жарким климатом.

Еще один пример биореактора с плавающим куполом

Ради предотвращения загрязнения окружающей среды и исключения неприятного запаха реакторы биогазовых установок для дома и больших производств имеют конструкцию с фиксированным куполом. Форма конструкции в процессе газообразования большого значения не имеет, но при использовании цилиндра с крышей в виде купола достигается значительная экономия строительных материалов. Биореакторы с фиксированным куполом снабжаются патрубками для добавления новых порций биомассы и отбора отработанного субстрата.

Разновидность биореактора с фиксированным куполом

Основные типы биогазовых установок

Поскольку наиболее приемлемой является конструкция с фиксированным куполом, то большинство готовых решений биореакторов имеют данный тип. В зависимости от способа загрузки биореакторы имеют различную конструкцию и подразделяются на:

  • Порционные, с разовой загрузкой всей биомассы, и с последующей полной выгрузкой после отработки сырья. Основным недостатком данного типа биореакторов является неравномерность выделения газа в течение переработки субстрата;
  • непрерывной загрузкой и выгрузкой сырья, благодаря чему достигается равномерное выделение биогаза. Благодаря конструкции биореактора во время загрузки и выгрузки не прекращается производство биогаза и не происходит утечек, так как патрубки, по которым осуществляется добавление и удаление биомассы, выполнены в виде гидрозатвора, предотвращающего вытекание газа.
Пример порционного биореактора

Порционные биогазовые реакторы могут иметь любую конструкцию, предотвращающую утечку газа. Так, например, в свое время в Австралии были популярны канальные метантанки с эластичным надувающимся сводом, где небольшое избыточное давление внутри биореактора надувало пузырь из прочного полипропилена. При достижении определенного уровня давления внутри биореактора, включался компрессор, откачивающий выработанный биогаз.

Канальные биореакторы с эластичным газгольдером

Тип брожения в данной биогазовой установке может быть мезофильным (со слабым подогревом). Из-за большой площади раздувающегося купола, канальные биореакторы могут устанавливаться только в отапливаемых помещениях, или в регионах с жарким климатом. Достоинством конструкции является отсутствие необходимости в промежуточном ресивере, но большим недостатком является уязвимость эластичного купола к механическим повреждениям.

Большой канальный биореактор с эластичным газгольдером

В последнее время набирают популярности порционные биореакторы с сухой ферментацией навоза без добавления воды в субстрат. Поскольку в навозе имеется своя влажность, ее будет достаточно для жизнедеятельности организмов, хотя интенсивность реакций уменьшится.

Биореакторы сухого типа имеют вид герметичного гаража с плотно закрывающимися дверьми. Биомасса загружается в реактор при помощи фронтального погрузчика и остается в таком состоянии до завершения полного цикла газообразования (примерно полгода), при этом не требуется добавления субстрата и его перемешивания.

Порционный биореактор с загрузкой через герметично закрывающуюся дверь

Биогазовая установка своими руками

Следует заметить, что у большинства биореакторов, как правило, герметичной является только зона газообразования, а жидкая биомасса на входе и выходе пребывает под атмосферным давлением.  Избыточное давление внутри биореактора вытесняет часть жидкого субстрата в патрубки, из-за чего уровень биомассы в них несколько выше, чем внутри емкости.

Красными линиями на схеме указана разница уровней в биореакторе и патрубках

Данные конструкции самодельных биореакторов являются популярными среди народных мастеров, которые самостоятельно изготавливают биогазовые установки своими руками для дома, допускающие многоразовую ручную загрузку и выгрузку субстрата. При изготовлении биореакторов своими руками многие мастера ставят эксперименты с полностью герметичными емкостями, применяя в качестве газгольдера несколько резиновых камер от шин колес крупной автотехники.

Рисунок газгольдера, сделанного из тракторных камер

На видео ниже энтузиаст самодельного производства биогаза на примере бочек, заполненных птичьим пометом, доказывает возможность реального получения горючего газа в домашних условиях, перерабатывая в полезное удобрение отходы из птичника. Единственное, что можно добавить к конструкции, описанной в данном видеоролике, так это то, что нужно поставить манометр и предохранительный клапан на самодельный биореактор.


Расчеты продуктивности биореактора

Количество биогаза определяется массой и качеством используемого сырья. В сети интернет можно найти таблицы, где указано количество отходов, производимых различными животными, но хозяевам, которым приходится каждый день убирать навоз, данная теория ни к чему, так как они благодаря собственной практике знают количество и массу будущего субстрата. Исходя из наличия возобновляемых каждый день запасов сырья, можно рассчитать требуемый объем биореактора и ежедневное производство биогаза.

Таблица получения количества навоза от некоторых животным с приблизительным расчетом выхода биогаза

После произведенных расчетов и утвержденной конструкции биореактора можно приступить к его постройке. Материалом может служить железобетонная емкость, залитая в земле, или кирпичная кладка, герметизированная специальным покрытием, которым обрабатывают бассейны.

Также возможна постройка основной емкости домашней биогазовой установки из железа, покрытого антикоррозионным материалом. Малые промышленные биореакторы часто делают из химически стойких пластиковых резервуаров большого объема.

Строительство биореактора из кирпичной кладки

В промышленных биогазовых установках применяются электронные системы контроля и различные реактивы для коррекции химического состава субстрата и его уровня кислотности, а также добавляются в биомассу специальные вещества – энзимы и витамины, стимулирующие размножение и жизнедеятельность микроорганизмов внутри биореактора. В процессе развития микробиологии создаются все более устойчивые и эффективные штаммы бактерий метаногенов, которые можно приобрести у занимающихся производством биогаза фирм.

Из графика видно, что с применением энзимов максимальный выход биогаза наступает в два раза быстрее
Необходимость в откачивании и очистке биогаза

Постоянная выработка газа в биореакторе любой конструкции приводит к необходимости откачивания биогаза. Некоторые примитивные биогазовые установки могут сжигать полученный газ прямо в горелке, установленной неподалеку, но нестабильность избыточного давления в биореакторе может привести к исчезновению пламени с последующим выбросом ядовитого газа. Применение такой примитивной биогазовой установки, подключенной к плите категорически недопустимо из-за возможности отравления ядовитыми компонентами неочищенного биогаза.

Пламя горелки при горении биогаза должно быть чистым, ровным и стабильным

Поэтому практически любая схема биогазовой установки включает в себя емкости для хранения газа и систему его очистки. В качестве самодельного комплекса очистки можно применить водяной фильтр, и самодельную емкость, наполненную металлической стружкой, или приобрести профессиональные системы фильтрации. Емкость для временного хранения биогаза может быть выполнена из камер от автошин, из которых газ время от времени откачивается компрессором в стандартные пропановые баллоны для хранения и последующего употребления.

В некоторых африканских странах для хранения и транспортировки биогаза используют надувные газгольдеры в виде подушки

Как альтернативу обязательному применению газгольдера можно воспринимать усовершенствованный биореактор с плавающим куполом. Усовершенствование состоит в добавлении концентрической перегородки, которая образует водяной карман, действующий наподобие гидрозатвора и не допускающий соприкосновения биомассы с воздухом. Давление внутри плавающего купола будет зависеть от его веса. Пропуская газ через систему очистки и редуктор, его можно использовать в бытовой плите, периодически стравливая из биореактора.

Биореактор с плавающим куполом и водяным карманом
Измельчение и перемешивание субстрата в биореакторе

Перемешивание биомассы является важной составляющей процесса образования биогаза, обеспечивая бактериям доступ к питательным веществам, которые могут сбиться в ком на дне биореактора. Чтобы частицы биомассы лучше перемешивались в биореакторе, их нужно измельчить механическим или ручным способом до загрузки в метантанк. В настоящий момент в промышленных и самодельных биогазовых установках применяются три способа перемешивания субстрата:

  1. механические мешалки, приводимые в действие электродвигателем или вручную;
  2. циркуляционное перемешивание при помощи насоса или гребного винта, перекачивающего субстрат внутри биореактора;
  3. барботажное перемешивание при помощи продувки уже имеющимся биогазом жидкой биомассы. Недостатком данного способа является образование пены на поверхности субстрата.
Стрелкой указан перемешивающий циркуляционный винт в самодельном биореакторе

Механическое перемешивание субстрата внутри биореактора может осуществляться вручную, или автоматически, путем включения электродвигателя при помощи электронного таймера. Водоструйное или барботажное перемешивание биомассы может осуществляться только при помощи электродвигателей, управляемых вручную или при помощи программного алгоритма.

В данном биореакторе установлено механическое перемешивающее устройство
Подогрев субстрата в мезофильных и термофильных биогазовых установках

Оптимальной для газообразования является температура субстрата в пределах 35-50ºC. Для поддержания данной температуры в биореактор могут устанавливаться различные системы обогрева – водяные, паровые, электрические. Контроль температуры должен производиться при помощи термореле или термопар, подключенных к исполнительному механизму, регулирующему отопление биореактора.

Категорически запрещается подогревать биореактор открытым пламенем – в случае утечки биогаза возможен взрыв!

Также нужно помнить, что открытое пламя будет перегревать стенки биореактора, и внутри его биомасса будет пригорать. Пригоревший субстрат понизит теплоотдачу и качество подогрева, а раскаленная стенка биореактора будет быстро разрушаться. Одним из лучших вариантов является водяной подогрев из обратной трубы системы отопления дома. Нужно установить систему электрических вентилей для возможности отключения подогрева биореактора или подключения обогрева субстрата напрямую от котла, если будет слишком холодно.

Электрическая и водяная система обогрева биореактора

Подогрев субстрата в биореакторе при помощи ТЭНов будет выгоден лишь в случае наличия альтернативного электричества, получаемого от ветрогенератора или солнечных батарей. В данном случае ТЭНы могут быть подключены напрямую к генератору или батарее, что исключит из схемы дорогие преобразователи напряжения. Чтобы снизить потери тепла и уменьшить расходы на подогрев субстрата в биореакторе нужно его максимально утеплить с помощью различных утеплителей.

Утепление биореактора термоизоляционным материалом

Практические опыты, неизбежные при постройке биогазовых установок своими руками

Сколько бы литературы не прочитал начинающий энтузиаст самостоятельного производства биогаза, и сколько бы видеороликов не пересмотрел, на практике многое придется познавать самому, и результаты, как правило, будут далеки от расчетных.

Поэтому, многие начинающие мастера идут по пути самостоятельных экспериментов по получению биогаза, начиная с малых емкостей, определяя, сколько газа из имеющегося сырья дает его небольшая экспериментальная биогазовая установка. Цены на комплектующие, выход метана и будущие расходы на постройку полноценной рабочей биогазовой установки будут определять ее рентабельность и целесообразность.



В приведенном выше видеоролике мастер демонстрирует возможности своей биогазовой установки, засекая, сколько биогаза получится за одни сутки. В его случае, при закачке в ресивер компрессора восьми атмосфер, объем получившегося газа после перерасчетов с учетом объема емкости 24л будет около 0,2 м².

Данный объем биогаза, полученный из двухсотлитровой бочки, не является значительным, но, как показано в следующем видео этого мастера, такого количества газа хватит на час горения одной конфорки плиты (15 мин умножить на четыре атмосферы баллона, который в два раза больше ресивера).


В другом видеоролике ниже мастер рассказывает о получении биогаза и биологически чистых удобрений путем переработки в биогазовой установке органических отходов. Нужно иметь в виду, что ценность экологических удобрений может превысить стоимость полученного газа, и тогда биогаз станет полезным побочным продутом процесса изготовления качественных удобрений. Еще одним полезным свойством органического сырья является возможность его хранения некоторый период для использования в нужное время.

Из навоза — биогаз, из биогаза


Предприниматель Серик Кажиев из Карасуского района Костанайской области в 2009 году привез в Казахстан оборудование по переработке коровьего навоза в газ метан, из которого затем образуется электроэнергия.

60 ПРОЦЕНТОВ НАВОЗА — ГАЗ

— Технология получения биогаза в Европе применяется в течение 30 лет. Там в основном используют свиной навоз. Это первая в Казахстане установка по получению биогаза, — говорит предприниматель Серик Кажиев.

Кажиев рассказывает, что на установку оборудования было потрачено полтора года. Привезти этот аппарат было инициативой его компании. Эта мысль пришла в 2008 году по время выставки в Германии.

— У нас есть около пяти тысяч крупного рогатого скота. Одна корова ежегодно оставляет до девяти тонн навоза. В год нам требуется 16 тысяч тонн навоза. Смешивая навоз с водой, закладываем его в два ферментатора в установке. Пока мы получаем только газ метан. 60 процентов навоза — это газ. Есть два импортных двигателя, которые работают за счет газа, затем при помощи двух генераторов превращаем его в электроэнергию, — говорит Серик Кажиев.

По словам Кажиева, цена установки, привезенной из Украины, — 400 миллионов тенге. Он говорит, что в стране есть и другие установки по производству биогаза, однако все они самодельные и небольшие.

Аппарат, который сейчас производит газ из навоза, работает не в полную мощность.

— Когда привезли аппарат, никто не знал, с какими проблемами придется столкнуться. Нет разрешения на самостоятельное получение энергии. Говорят, то один документ нужен, то другой, так и тянется всё, — говорит Кажиев.

Работник животноводческой фермы. Иллюстративное фото.
У аппарата, который запустили в этом году, по словам Кажиева, мощность ежегодной выработки электроэнергии составляет три миллиона 752 киловатт, чего достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией саму компанию да еще несколько поселков. Компании предпринимателя ежегодно требуется один миллион 200 тысяч киловатт. При получении разрешения на производство электроэнергии оставшуюся часть энергии можно продавать энергетическим компаниям, делится своими планами предприниматель.

Он считает свой аппарат экологически и экономически выгодным и надеется, что в ближайшие несколько месяцев будет решен вопрос, связанный с техническими проблемами.

ГОРОДУ — ПРИРОДНЫЙ ГАЗ, ГЛУБИНКАМ — БИОГАЗ

По словам эколога Мусагали Дуамбекова, получение газа посредством установки по производству биогаза — выгодное дело, однако фермеры этим не занимаются.

— Может быть, электроэнергия для них дешевле, чем переход на такие технологии. Поэтому в стране технология использования биогаза развивается не интенсивно. Только некоторая часть фермеров поддерживает эти начинания, — говорит эколог.

Мусагали Дуамбеков считает, что сам процесс установки такого оборудования требует больших затрат. Он сравнивает газ метан, получаемый при помощи установки по производству биогаза, и природный газ:

Мусагали Дуамбеков, лидер экологического движения.
— У обычного используемого в быту газа чистота и коэффициент горения высокий. Однако его сложно довезти до хозяйств, расположенных в степи. Поэтому в больших городах будет выгоднее использовать голубое топливо, в отдаленных районах — технологию биогаза. Однако фермеры, занятые другими проблемами, не обращают на это внимания. Я не слышал, чтобы министерство сельского хозяйства выделило средства на технологию биогаза. По-моему, для развития этой сферы должны быть определенные предложения со стороны министерства.

По словам эколога, установки биогаза могут производить газ и электроэнергию, необходимые только для одного хозяйства.

Некоторые компании по продаже аппаратов биогаза привозят их из Китая, некоторые предлагают украинские аппараты.

МИНИСТЕРСТВО ТОЖЕ ЗАНЯТО НАВОЗОМ

По словам Марата Калиаскарова, заместителя генерального директора Казахского научно-исследовательского института по механизации и электрификации сельского хозяйства, разговоры об установках биогаза в Казахстане ведутся с 1990-х годов.

— Исследования в этом направлении во всем мире ведутся издавна. В Индии, Китае, Америке хорошо поставлено дело по быстрому использованию навоза, накапливающегося в большом количестве, — говорит Марат Калиаскаров.

По его словам, правительство, министерство сельского хозяйства, государственная компания «КазАгроИнновация» уделяют достаточное внимание этой сфере, ведется работа по 42 бюджетным планам.

Индийские женщины несут на голове высушенный коровий навоз. Иллюстративное фото.
— Работа была начата в прошлой трехлетке. Возле сооружений с крупным рогатым скотом, установив биореакторы в пять кубов, предназначенные для переработки навоза, мы провели ряд исследований. Теперь в планах стоит увеличение объемов этих биореакторов, — говорит Марат Калиаскаров.

Специалист говорит, что биореакторы, которые выпускаются сейчас, предназначены для исследовательских работ и поэтому их цена еще не определена, но она будет дешевле, чем на импортные установки.

По словам Марата Калиаскарова, сейчас казахстанские фермеры проявляют интерес к биореакторам, только необходимо предварительно проводить хорошую разъяснительную работу в селах.

Представитель научно-исследовательского института говорит, что не знает о проблеме костанайского предпринимателя Серика Кажиева, однако, если это необходимо, обещает оказать помощь.

По словам сотрудника пресс-службы министерства сельского хозяйства, в их ведомстве также не в курсе проблем бизнесмена Серика Кажиева из Костанайской области.

Биогазовая установка для частного дома своими руками


Рачительный хозяин мечтает о дешевых энергоресурсах, эффективной утилизации отходов и получении удобрений. Домашняя биогазовая установка своими руками – это недорогой способ воплощения мечты в реальность.

Самостоятельная сборка такого оборудования обойдется в разумные деньги, а вырабатываемый газ станет хорошим подспорьем в хозяйстве: его можно использовать для приготовления пищи, отопления дома и других нужд.

Давайте попробуем разобраться в специфике работы этого оборудования, его преимуществах и недостатках. А также в том, возможно ли самостоятельно построить биогазовую установку и будет ли она эффективна.

Содержание статьи:

Специфика получения биогаза

Биогаз образуется в результате брожения биологического субстрата. Его разлагают гидролизные, кислото- и метанообразующие бактерии. Смесь вырабатываемых бактериями газов получается горючей, т.к. содержит большой процент метана.

По своим свойствам она практически не отличается от природного газа, который используется для промышленных и бытовых нужд.

При желании каждый владелец дома может приобрести биогазовую установку промышленного изготовления, но это дорого, а окупаются вложения в течение 7-10 лет. Поэтому имеет смысл приложить усилия и сделать биореактор своими руками

Биогаз – экологически чистое топливо, а технология его получения не оказывает особого влияния на окружающую среду. Более того, в качестве сырья для биогаза используют отходы жизнедеятельности, которые нуждаются в утилизации.

Их помещают в биореактор, где происходит переработка:

  • в течение некоторого времени биомасса подвергается воздействию бактерий. Срок брожения зависит от объема сырья;
  • в результате деятельности анаэробных бактерий выделяется горючая смесь газов, в состав которой входят метан (60%), углекислый газ (35%) и некоторые другие газы (5%). Также при брожении в небольших количествах выделяется потенциально опасный сероводород. Он ядовит, поэтому крайне нежелательно, чтобы люди подвергались его воздействию;
  • смесь газов из биореактора очищается и поступает в газгольдер, где хранится до момента использования по назначению;
  • газ из газгольдера можно использовать точно так же, как природный. Он поступает к бытовым приборам – газовым печам, отопительным котлам и т.п.;
  • разложившуюся биомассу необходимо регулярно удалять из ферментатора. Это дополнительные трудозатраты, однако усилия окупаются. После брожения сырье превращается в высококачественное удобрение, которое используют на полях и огородах.

Биогазовая установка выгодна для владельца частного дома только в том случае, если у него есть постоянный доступ к отходам животноводческих ферм. В среднем из 1 м.куб. субстрата можно получить 70-80 м.куб. биогаза, но выработка газа идет неравномерно и зависит от многих факторов, в т.ч. температуры биомассы. Это осложняет расчеты.

Биогазовые установки идеально подходят для фермерских хозяйств. Отходы жизнедеятельности животных способны дать достаточно газа для полноценного обогрева жилых помещений и хозяйственных построек

Чтобы процесс получения газа был стабильным и непрерывным, лучше всего строить несколько биогазовых установок, а субстрат в ферментаторы закладывать с разницей во времени. Такие установки работают параллельно, а сырье в них загружают последовательно.

Это гарантирует постоянную выработку газа, благодаря чему можно добиться его непрерывного поступления к бытовым приборам.

В идеале биореактор должен подогреваться. Каждые 10 градусов тепла увеличивают выработку газа вдвое. Хотя обустройство подогрева требует вложений, это окупается большей эффективностью конструкции

Самодельное , собранное из подручных материалов, обходится гораздо дешевле установок промышленного производства. Его эффективность ниже, но вполне соответствует вложенным средствам. Если есть доступ к навозу и желание приложить собственные усилия для сборки и обслуживания конструкции, это очень выгодно.

Преимущества и недостатки системы

Биогазовые установки имеют немало преимуществ, но и недостатков хватает, поэтому перед началом проектирования и строительства следует все взвесить:

  • Утилизация отходов. Благодаря биогазовой установке можно получить максимум пользы от мусора, от которого все равно пришлось бы избавляться. Эта утилизация менее опасна для окружающей среды, чем закапывание отходов.
  • Возобновляемость сырья. Биомасса – это не уголь и не природный газ, добыча которых истощает запасы ресурсов. При ведении сельского хозяйства сырье появляется постоянно.
  • Относительная небольшое количество СО2. При получении газа окружающая среда не загрязняется, а вот при его использовании в атмосферу выделяется небольшое количество двуокиси углерода. Оно не опасно и не способно критично изменить экологию, т.к. его поглощают растения в процессе роста.
  • Умеренное выделение серы. При сгорании биогаза в атмосферу попадает небольшое количество серы. Это негативное явление, однако его масштабы познаются в сравнении: при сжигании природного газа загрязнение окружающей среды окислами серы гораздо больше.
  • Стабильная работа. Производство биогаза более стабильно, чем работа или ветряков. Если энергией солнца и ветра нельзя управлять, то биогазовые установки зависят от деятельности человека.
  • Можно использовать несколько установок. Газ – это всегда риски. Чтобы снизить потенциальный ущерб в случае аварии, можно рассредоточить по участку несколько биогазовых установок. Если правильно спроектировать и собрать систему из нескольких ферментаторов, она будет работать стабильнее, чем один крупный биореактор.
  • Выгоды для сельского хозяйства. Для получения биомассы высаживают некоторые виды растений. Можно выбрать такие, которые улучшают состояние грунта. Например, сорго снижает эрозию почвы, улучшает ее качество.

У биогаза есть и недостатки. Хотя это относительно чистое топливо, оно все же загрязняет атмосферу. Также могут возникать проблемы с поставками растительной биомассы.

Безответственные владельцы установок нередко заготавливают ее так, что истощают землю и нарушают экологический баланс.

Расчет рентабельности установки

В качестве сырья для производства биогаза обычно используют коровий навоз. Одна взрослая корова может дать его столько, чтобы обеспечить 1.5 м.куб. топлива; свинья – 0.2 м.куб.; курица или кроль (в зависимости от массы тела) – 0.01-0.02 м.куб. Чтобы понять, много это или мало, можно сравнить с более привычными видами ресурсов.

Галерея изображений

Фото из

Устройство биореактора из утепленной пластиковой емкости

Удобный транспорт для перевозки субстрата

Компактная установка промышленного производства

Биогазовая установка на молочной ферме

1 м.куб. биогаза обеспечивает такое же количество тепловой энергии, как:

  • дрова – 3.5 кг;
  • уголь – 1-2 кг;
  • электричество – 9-10 кВт/ч.

Если знать примерный вес сельскохозяйственных отходов, которые будут доступны в течение ближайших лет, и количество необходимой энергии, можно просчитать рентабельность биогазовой установки.

Один из главных недостатков добычи биогаза – запах. Возможность использования небольших компостных куч – это большой плюс, но придется терпеть неудобства и тщательно контролировать процесс, чтобы не спровоцировать распространение болезнетворных микроорганизмов

Для закладки в биореактор готовят субстрат, в который входят несколько компонентов в таких пропорциях:

  • навоз (лучше всего коровий или свиной) – 1.5 т;
  • органические отходы (это могут быть перегнившие листья или другие компоненты растительного происхождения) – 3.5 т;
  • подогретая до 35 градусов вода (количество теплой воды рассчитывают так, чтобы ее масса составляла 65-75% от общего количества органики).

Расчет субстрата сделан для одной закладки на полгода, если исходить из умеренного потребления газа. Примерно через 10-15 дней процесс ферментации даст первые результаты: газ появится в небольших количествах и начнет заполнять хранилище. Через 30 дней можно ожидать полноценной выработки топлива.

Оборудование для производства биогаза пока еще не особенно распространено в нашей стране. Во многом это связано с плохой информированностью людей о преимуществах и особенностях работы биогазовых систем. В Китае и Индии многие небольшие фермерские хозяйства оборудованы кустарными установками для получения дополнительного чистого топлива

Если установка работает правильно, объем биогаза постепенно будет увеличиваться, пока субстрат не перегниет. Производительность конструкции напрямую зависит от скорости брожения биомассы, которая в свою очередь связана с температурой и влажностью субстрата.

Инструкция по самостоятельному строительству

Если нет опыта в сборке сложных систем, имеет смысл подобрать в сети или разработать самый простой чертеж биогазовой установки для частного дома.

Чем проще конструкция, тем она надежнее и долговечнее. Позже, когда появятся навыки строительства и обращения с системой, можно будет переделать оборудование или смонтировать дополнительную установку.

В дорогих конструкциях промышленного производства предусмотрены системы перемешивания биомассы, автоматического подогрева, очистки газа и т.д. Бытовое оборудование не так сложно. Лучше собрать простую установку, а потом добавить элементы, в которых возникнет необходимость

При расчете объема ферментатора стоит ориентироваться на 5 м.куб. Такая установка позволяет получить количество газа, необходимое для обогрева частного дома площадью 50 м.кв., если в качестве источника тепла используют газовый котел или печь.

Это усредненный показатель, т.к. калорийность биогаза обычно не выше 6000 ккал/м.куб.

Чтобы процесс ферментации протекал более-менее стабильно, нужно добиться правильного температурного режима. Для этого биореактор устанавливают в земляной яме или заранее продумывают надежную теплоизоляцию. Постоянный подогрев субстрата можно обеспечить, если под основание ферментатора подвести трубу водяного отопления

Строительство биогазовой установки можно разделить на несколько этапов.

Этап 1 – подготовка ямы под биореактор

Практически вся биогазовая установка находится под землей, поэтому многое зависит от того, как была вырыта и отделана яма. Есть несколько вариантов укрепления стенок и герметизации ямы – пластик, бетон, полимерные кольца.

Оптимальное решение – покупка готовых полимерных колец с глухим дном. Они обойдутся дороже подручных материалов, зато не потребуется дополнительная герметизация. Полимеры чувствительны к механическим нагрузкам, зато не боятся влаги и химически агрессивных веществ. Они не подлежат ремонту, но при необходимости их легко будет заменить.

От подготовки стен и днища биореактора зависит интенсивность брожения субстрата и выход газа, поэтому яму тщательно укрепляют, утепляют и герметизируют. Это самый сложный и трудоемкий этап работ

Этап 2 – обустройство газового дренажа

Покупка и монтаж специальных мешалок для биогазовых установок – дорогое удовольствие. Систему можно удешевить, обустроив газовый дренаж. Он представляет собой вертикально установленные полимерные , в которых проделано множество отверстий.

При расчете длины труб дренажа следует ориентироваться на запланированную глубину заполнения биореактора. Верхние части труб должны быть выше этого уровня.

Для газового дренажа можно выбрать металлические или полимерные трубы. Первые прочнее, а вторые устойчивее к химическим воздействиям. Лучше отдать предпочтение полимерам, т.к. металл быстро проржавеет и сгниет

В готовый биореактор можно сразу загрузить субстрат. Его накрывают пленкой, чтобы выделяющийся в процессе ферментации газ находился под небольшим давлением. Когда будет готов купол, это обеспечит нормальную подачу биометана по отводящей трубе.

Этап 3 – монтаж купола и труб

Завершающий этап сборки простейшей биогазовой установки – это монтаж купольной верхней части. В самой высокой точке купола устанавливают газоотводящую трубу и протягивают ее к , без которого не обойтись.

Емкость биореактора закрывают плотной крышкой. Чтобы предотвратить смешивание биометана с воздухом, обустраивают гидрозатвор. Также он служит для очистки газа. Нужно предусмотреть спусковой клапан, который сработает, если давление в ферментаторе будет слишком высоким.

Более подробно отом, как сделать биогаз из навоза читайте  .

Свободное пространство биореактора в какой-то мере выполняет функции хранилища газа, однако этого недостаточно для безопасной работы установки. Газ должен потребляться постоянно, иначе возможен взрыв от избыточного давления под куполом

Способы подогрева биореактора

Микроорганизмы, перерабатывающие субстрат, есть в биомассе постоянно, однако для их интенсивного размножения нужна температура 38 градусов и выше.

Для подогрева в холодный период можно использовать змеевик, подсоединенный к системе отопления дома, или электрические нагреватели. Первый способ экономически выгоднее, поэтому чаще используют именно его.

Биогазовую установку необязательно заглублять в землю, есть и другие варианты обустройства. Пример работы системы, собранной из бочек, приведен в видеоролике ниже.

Проще всего обустроить подогрев снизу, проложив трубу от системы отопления, но эффективность работы такого теплообменника относительно низка. Лучше обустроить внешний обогрев, в идеале – паром, чтобы биомасса не перегревалась

Выводы и полезное видео по теме

Хотя в сборке и обустройстве биогазового оборудования нет ничего сложного, нужно быть предельно внимательным к деталям. Ошибки недопустимы, т.к. могут привести к взрывам и разрушениям. Предлагаем видеоинструкции, которые помогут разобраться в устройстве установок, правильно их собрать и дополнить полезными приспособлениями для более удобного использования биогаза.

В видеоролике рассказано, как устроена и работает стандартная биогазовая установка:

Пример самодельной биогазовой установки. Видеоурок по обустройству системы своими руками:

Видеоинструкция по сборке биогазовой установки из бочки:

Описание процесса изготовления мешалок для субстрата:

Подробное описание работы самодельного газового хранилища:

Какой бы простой ни была биогазовая установка, выбранная для частного дома, не стоит на ней экономить. Если есть возможность, лучше купить разборный биореактор промышленного производства.

Если нет – изготовить из качественных и устойчивых материалов: полимеров, бетона или нержавеющей стали. Это позволит создать по-настоящему надежную и безопасную систему газоснабжения дома.

Появились вопросы по теме статьи, нашли недочеты или есть ценная информация, которой вы можете поделиться с нашими читателями? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии, задавайте вопросы, делитесь опытом.

Выставка технологий на ЦАКИК 2019: Биогаз

Биогаз – образуется в результате брожения органического субстрата. Его разлагают гидролизные, кислотные и метанобразующие бактерии. Смесь вырабатываемых бактериями газов получается горючей, так как содержит большой процент метана. 

В качестве сырья для биогаза используют разнообразные отходы. Технологии шагнули так далеко, что дают возможность получать биогаз практически из любого сырья органического происхождения. Однако разные его виды имеют разную долю сухого вещества на килограмм, выход биогаза и содержание в нем метана. Именно поэтому вид отходов играет большую роль при расчете важных технических и экономических показателей. Очень важную роль играет соблюдение температурного режима. Образование биогаза в природе происходит при значениях температур от 0 до 90° С. Однако наибольшей эффективности процесса можно добиться при поддержании постоянной температуры и если биореактор производящий газ теплоизолирован.

Назначение технологии:  получении газа, тепла и электрической энергии из отходов сельхозпроизводства и навоза.

На  учебном видеоролике  показана биогазовая установка на экоферме Дениса Тена из Алма-атинскй области Казахстана.  Бытовая биогазовая установка объемом 10 м3 позволяет получать тепло и газ из сельскохозяйственных отходов, птичьего помета и  и навоза овец и коз. Фермер использует полученный газ для обогрева дома площадью около 100 м2, нагрева воды и приготовления пищи на кухне. Биогазовая установка для теплоизоляции накрыта сверху куполом, внутри которого установлены датчики позволяющие контролировать работу биореактора, часть помещения под куполом используется как теплица, там же размещен аквариум для аквапоники. Самый главный продукт, по мнению Дениса Тэна, это не только вырабатываемый биогазовой установкой -газ, метан, а остаток брожения органического субстрата, который является ценным органическим удобрением. Оно используется для жидкой подкормки овощей на огороде фермера и  является главным продуктом фермерского хозяйства для продажи садоводам и фермерам развивающим бизнес в органическом сельском хозяйстве.

Для стран, где развито животноводство и птицеводство проблема переработки навоза, птичьего помета и биологических отходов достаточно актуальна. Если отходы животноводства традиционно используются как удобрения на полях, то птичий помет в виду его токсичности ухудшает экологическую ситуацию и по этому, используется для получения газа на биогазовых установках, либо для изготовления топливных гранул. Многие сельскохозяйственные предприятия и фермерские хозяйства, особенно птицеводческие могут обеспечиваться электро и тепловой энергией исключительно за счет собственных ресурсов и получения биогаза.

В условиях изменения климата, одной из адаптационных стратегий в энергетическом секторе может стать развитие энергоснабжения и теплоснабжения домохозяйств с опорой на собственные силы. В этом случае диверсификация источников энергии, внедрение биогаза, будет служить более эффективному использованию сельскохозяйственных отходов и поможет смягчить уязвимость фермерских хозяйств перед неблагоприятными воздействием изменением климата.


 


Биогазовые установки и возможности их модернизации — Энергетика и промышленность России — № 19 (255) октябрь 2014 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 19 (255) октябрь 2014 года

Одним из видов таких источников является биогаз. Исследования в этой области, несмотря на известные трудности, проводятся в Республике Казахстан. В значительно меньшем объеме работы проходят в России, хотя полномасштабное развитие биогазовой отрасли здесь, по мнению автора, позволило бы решить ряд важных экономических задач.

Следует отметить, что основным недостатком биогазовой энергетики является значительный вес удельных капитальных затрат (в расчете на единицу мощности), невысокая рентабельность проектов, а также проблемы с организацией сбыта энергии посредством централизованных сетей.

Несмотря на это, в нашей стране наблюдается увеличение спроса на биогазовые установки (БГУ), как для малых потребителей (с объемом метантенка 3‑20 кубических метров), так и для средних (с объемом метантенка 30‑100 кубометров).

Комплексный подход

Современные технологии производства, по возможности, должны быть связаны между собой таким образом, что конечный цикл одного из них становится началом другого цикла, благодаря чему достигается практически полная безотходность и интенсификация производства. Именно такой комплексный подход, когда отходы и побочные продукты одного производства выступают в качестве сырья или полуфабрикатов для другого, поможет решить проблему устойчивого развития общества.

Известно, что животные не полностью усваивают энергию растительных кормов и более половины ее уходит в навоз, который является, после того или иного вида переработки, ценным органическим удобрением.

Содержание животных на фермах приводит к увеличению концентрации объемов навоза и навозных стоков в хозяйствах. А это дает возможность организовать их переработку не только в удобрения, но и в биогаз, не загрязняя окружающую среду. При этом биогаз по сути своей становится возобновляемым источником энергии (ВИЭ).

Комплексный подход в производственной деятельности, когда «отходы», в том числе органические, тепловые, водные, газо-воздушные, перерабатываются в технологической цепочке производства, минимально отражается на качестве окружающей среды, на продуктивности зональных экосистем.

Структура установки

Обычно под биогазовой установкой подразумевается комплекс инженерных сооружений, состоящий из устройств:

• подготовки сырья;

• производства биогаза и удобрений;

• очистки и хранения биогаза;

• производства электроэнергии и тепла;

• автоматизированной системы управления БГУ.

Метантенк БГУ должен быть герметичен, в него не должно быть доступа кислорода, так как только при отсутствии кислорода возможна жизнедеятельность метано­образующих бактерий.

Оптимальная температура метаногенеза зависит от вида перерабатываемого установкой субстрата (органических отходов).

Контрольно-измерительные приборы, устанавливаемые на метантенке, должны обеспечивать контроль уровня субстрата в нем, температуры и давления внутри него.

Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья, однако наиболее эффективно использование биогазовых технологий для переработки отходов животноводческих и птицеводческих ферм и сточных вод, так как они характеризуются постоянством потока отходов во времени и простотой их сбора.

Сырье для биогаза

Поскольку сырьем для получения биогаза может служить широкий спектр органических отходов, на многих существующих установках используется добавка к обрабатываемым веществам так называемой зеленой массы. Конечно, измельчение зеленой массы приводит к дополнительным затратам энергии.

Активный обмен веществ и высокая скорость биохимических обменных процессов в метантенке достигаются за счет максимального поддерживания и непрерывного обновления величин граничных поверхностей между твердой и жидкой фазами. Поэтому твердые материалы, в особенности растительного происхождения, должны быть предварительно подготовлены с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств, чтобы получить частицы возможно меньшего размера. Доля взвешенных в жидкости твердых частиц в значительной мере зависит от технических средств, которые используются для получения тщательного перемешивания, гидравлического транспортирования субстрата и отделения биогаза. Современные БГУ позволяют перерабатывать субстраты с содержанием сухого вещества до 12 процентов, если размер волокнистых или стеблевых элементов не превышает 30 миллиметров.

В метантенке необходимо организовать периодическое перемешивание субстрата, которое обеспечивает эффективную и стабильную работу установки. Цель перемешивания – высвобождение образованного биогаза, примешивание свежего субстрата и бактерий (прививка), предотвращение образования корки и осадка, недопущение образования участков разной температуры внутри метантенка, обеспечение равномерного распределения популяции бактерий, предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь метантенка. При выборе метода перемешивания нужно учитывать, что процесс сбраживания представляет собой процесс жизнедеятельности симбиоза различных штаммов бактерий и при разрушении этого сообщества процесс ферментации будет непродуктивным до образования нового сообщества бактерий. Поэтому слишком частое или продолжительное перемешивание вредно. Рекомендуется медленное перемешивание субстрата через каждые 4‑6 часов.

Оптимальное перемешивание сырья повышает выход биогаза до 50 процентов.

Режимы производства

БГУ обеспечивают утилизацию (переработку) органических отходов в следующих режимах.

1. В психрофильном режиме. Оптимальная температура в метантенке 15‑20 °С, но может быть и ниже. В таком режиме отходы перерабатываются 30‑40 дней. Психрофильный режим обычно используется в летнее время года в случае, когда тепло и количество субстрата (отходов) значительно меньше обычного, например из‑за выпаса скота.

2. В мезофильном режиме. При температуре 30‑40 °С органические отходы перерабатываются 7‑15 дней, в зависимости от вида отходов.

3. В термофильном режиме. При температуре 52‑56 °С органические отходы перерабатываются за 5‑10 дней, при этом качество газа и удобрений, по ряду показателей, обычно ниже, чем в мезофильном режиме. Кроме того, в термофильном режиме традиционно потребляется больше энергии для обогрева. Он подходит большего всего тем, у кого основная задача – переработать большое количество отходов. При оптимизации работы установки и состава отходов можно ускорить переработку даже до 3‑4 дней. Выгода от работы в термофильном режиме в том, что резко снижается стоимость 1 кВт установленной мощности БГУ.

Требования к допустимым пределам колебания температуры субстрата, для оптимального газо­образования, тем жестче, чем выше температура процесса ферментации: при психрофильном температурном режиме ± 2 °С в час, мезофильном – ± 1 °С в час, термофильном – ± 0,5 °С в час.

Поскольку, например, в Московском регионе среднегодовая температура исходного субстрата составляет около 10 °С, а температура окружающей среды около 4 °С, то необходимость в системе подогрева субстрата и поддержания его температуры в процессе ферментации очевидна. До 60 процентов полученного биогаза тратится на собственные нужды БГУ. При этом наиболее энергоемким является процесс нагрева субстрата, суточной дозы загрузки метантенка, на который идет около 95 процентов энергии, расходуемой на собственные нужды установки.

Наиболее распространенной системой подогрева является внешняя система подогрева с водонагревательным котлом (котельной установкой), работающим на биогазе, электричестве или твердом топливе, где теплоносителем является вода с температурой около 60 °С. Более высокая температура теплоносителя повышает риск налипания взвешенных частиц на поверхности теплообменника – теплообменники рекомендуется располагать в зоне действия перемешивающего устройства.

Возможности применения

В состав биогаза входит примерно 55‑60 процентов биометана и 40‑45 процентов углекислого газа. На этом газу могут работать бытовые газовые приборы, включая газовые водонагреватели, обогреватели воздуха и газогенераторы. Биометан – продукт, получаемый путем очищения биогаза от СО2, используемый как биотопливо (ГОСТ Р 52808‑2007).

Биогаз легче воздуха (1,05‑1,2 кг /м 3 ), поэтому стремится вверх.

Оптимальный способ накопления биогаза зависит от того, для каких целей он будет использован. При прямом сжигании биогаза в горелках котлов и двигателях внутреннего сгорания не требуются большие газгольдеры. В этих случаях они должны обеспечивать выравнивание неравномерностей газовыделения и улучшение условий последующего горения, в зависимости от типа и выдерживаемого давления объем газгольдера составляет от одной пятой до одной третьей объема реактора. Пластиковые газгольдеры применяют для сбора биогаза в простых, совмещенных установках, где пластиком покрывают открытую емкость, служащую в качестве реактора, или отдельный пластиковый агрегат соединяют с реактором. Газгольдер должен вмещать суточный объем вырабатываемого биогаза. Стальные газгольдеры делят на газгольдеры низкого (0,01‑0,05 кгс / см 2 ), среднего (8‑10 кгс / см 2 ) и высокого (200 кгс / см 2 ) давления. Стальные газгольдеры низкого давления оправданы только в случае большого расстояния (минимум 50‑100 метров) от установки до использующих биогаз приборов. В других случаях следует рассматривать возможность использования более дешевого пластикового газгольдера.

В газгольдеры среднего и высокого давления газ закачивается с помощью компрессора. Агрегаты высокого давления используют для заправки автомашин и баллонов.

Привлекательно применение биогаза для факельного обогрева теплиц. Кроме поступления углекислого газа из газгольдера происходит образование углекислого газа при сгорании биометана, производится освещение теплиц и одновременно образуется вода, увлажняющая воздух.

Биогаз позволяет существенно снизить суточную потребность домашнего хозяйства в газе для приготовления пищи и подогрева воды. Обычно она составляет 2‑3 кубометра природного газа в сутки. Это эквивалентно 3,5‑5 кубометров биогаза.

Еще одно направление использования составных компонентов биогаза – утилизация углекислого газа, содержащегося в нем в количестве около 40 процентов. Извлекая углекислый газ путем отмывки (в отличие от биометана, он растворяется в воде), можно подавать его в теплицы, где он служит «воздушным удобрением», увеличивая продуктивность растений.

Преимущества солнечного соляного пруда

Мы рассмотрим традиционную БГУ и установку, метантенк которой размещен на дне солнечного соляного пруда.

Использование для биогаза солнечных соляных прудов имеет ряд отличительных особенностей. Так, например, для БГУ с ССП не требуется здания (помещения) для размещения метантенка.

Не требуется система подогрева субстрата от теплоносителя биогазовой котельной установки (подогрев осуществляется от теплоты рассола солнечного соляного пруда) и система вентиляции с резервным электропитанием. Не требуется система контроля концентрации газов в воздухе помещения метантенка (контроль герметичности метантенка осуществляется по отсутствию / наличию пузырьков биогаза, поднимающегося на поверхность зеркала ССП), оборудование для размораживания сырья зимой, система пожаротушения. Но нужен навес (помещение) для пульта управления (в традиционном варианте последний расположен в здании, где находится метантенк). Поскольку солнечный соляной пруд может одновременно являться и противопожарным водоемом, это предотвращает расход части средств.

БГУ должна располагаться, по возможности, ближе к источникам перерабатываемого сырья (местам содержания животных, складирования отходов и т. д.). Тепловую энергию ССП можно будет использовать для горячего водоснабжения ферм.

Поскольку подогрев субстрата в метантенке, размещенном на дне ССП, осуществляется от теплоты рассола пруда, то режимы ферментации в нем в течение летнего периода различны. Они зависят от температуры, которой обладает рассол.

Весной при переходе с мезофильного на термофильный режим, для повышения температуры субстрата в метантенке объемом 20 кубометров с 35 до 53 °С требуется около 420 кВт-ч теплоты. При использовании для этой цели теплоты рассола пруда площадью 78,5 квадратного метра (диаметр пруда 10 метров) температура рассола понизится примерно на 6 ºС.

Осенью, когда температура в ССП понижается, для поддержания эффективного температурного режима анаэробной обработки отходов животноводства к ним можно добавлять высокоэнергетические компоненты, увеличивающие выделение экзотермической теплоты при ферментации (сахарный жом, отходы пищевой промышленности с высоким содержанием жиров, силос, клеверозлаковая смесь и т. п.).

То, что работа в термофильном режиме и использование теплоты рассола ССП, вместо биогаза, для поддержания температуры ферментации имеет свои неоспоримые преимущества, подтверждается результатами испытаний БГУ в фермерском хозяйстве Республики Казахстан.

Результаты испытаний

Они были проведены сотрудниками Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства.

Биореактор испытывался в режиме биообработки жидкого навоза, поступающего на обработку из коровника на сорок голов. Технология содержания животных – смешанная (стойлово-выгульная).

В результате испытаний установлено, что биогазовая установка соответствует требованиям ГОСТ 31343‑2007.

Производительность установки по биогазу составляет – 6,5‑11,5 м 3  / сут., по удобрению – 0,5‑0,7 т / сут., объем биореактора – 5 кубометров, температура субстрата в биореакторе соответствует термофильному режиму – 52‑54 °С, расход биогаза на нагрев – 6,2 м 3  / сут., доза загрузки – 10 процентов, плотность полученного удобрения – 964,9 кг / м 3 , массовая доля сухого вещества – 4,7 процента, эффективность обеззараживания навоза – 99 процентов.

По результатам проведенной в Казахстане работы следует, что для БГУ, метантенк которой размещен в ССП, для ускорения начала термофильного режима весной и мезофильного осенью, а также снижения времени перерыва в выработке биогаза целесообразно готовить в термостатированной емкости субстрат с колонией термофильных (мезофильных) бактерий анаэробного вида.

В связи с тем, что БГУ обоих типов могут работать как в мезофильном, так и в термофильном режиме ферментации, вырабатываемые ими два вида удобрений будут одинаковы.

Различие будет в товарных объемах этих видов удобрений и биогаза (биометана), поскольку в традиционной установке значительная часть биогаза используется на поддержание температуры термофильного режима, а это не всегда приветствуется в хозяйствах и часто будет вынуждать собственника переходить на мезофильный режим работы.

Самое главное – разработка и регистрация стандарта предприятия на эффлюент – органическое удобрение, полученное в результате анаэробной переработки органических отходов в метантенках (фугата – жидкой фракции эффлюента, шлама – твердой фракции эффлюента) (ГОСТ Р 52808‑2007).

Ведь только при условии надлежащей реализации эффлюента возможен коммерческий успех любого биогазового проекта.

Принцип работы

Перспективным представляется более расширенное использование солнечной энергии, аккумулированной солнечным соляным прудом.

Энергию солнечного соляного рва (пруда в форме кольца, охватывающего придонную боковую поверхность метантенка) можно использовать для подогрева субстрата и для больших биогазовых установок.

Метантенк размещен на дне пруда, в который поступает прямое солнечное излучение и отраженное от боковой наружной поверхности метантенка солнечное излучение.

Поддержание необходимой температуры ферментации в метантенке за счет использования солнечной энергии (теплоты рассола рва) обеспечивается следующим образом.

При заполнении наружного и внутреннего кольцевых зазоров водой поступление тепла из солнечного соляного пруда к субстрату в метантенке максимально. Это обеспечивает, при необходимости, ускоренный нагрев сырья до требуемой температуры ферментации. После нагрева субстрата до требуемой температуры производится слив воды из наружного или внутреннего зазоров, и их осушение. В результате интенсивность поступления тепла из солнечного соляного пруда через воздушные зазоры уменьшается в десятки-сотни раз по сравнению с тем, когда они были заполнены водой. Можно осушать и один из зазоров.

Дальнейшее поддержание температуры субстрата в требуемых пределах можно обеспечивать как за счет синхронного регулирования подачи «горячего» сырья и отвода эффлюента, так и за счет периодического заполнения зазоров водой и создания в этих зазорах низкого вакуума.

Такая комбинированная установка генерации биогаза может обеспечить работу метантенка в термофильном режиме, в первую очередь в странах с жарким климатом (Киргизия, Узбекистан, Таджикистан), без затрат вырабатываемого биогаза на собственные технологические нужды. Это очень актуально, если затем биометан используется в качестве моторного топлива, для обжига кирпича, освещения, для производства асфальта, выработки пара и для других технологических процессов, где нужна температура, намного превышающая 100 °С.

В зазоре наружном, при осушенном внутреннем, в течение всего летнего периода можно подогревать воду для приготовления субстрата.

Кроме того, можно подогревать воду весной, для использования при поливе в теплицах и парниках, обеспечивая поддержание в них приемлемой температуры не только воздуха, но и грунта, т. к., например, в мае естественная средняя месячная температура почвы на юге Омской области на глубине 0,4 метра составляет 8,7 °С, на глубине 0,8 метра – 5,1 °С, а на глубине 1,6 метра – всего 0,9 °С.

При наружном зазоре прокачкой холодной воды по внутреннему можно охлаждать субстрат.

Для более эффективного аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным рвом с северной стороны метантенка надо установить отражатель (концентратор солнечной энергии), который будет направлять отраженное солнечное излучение в северную часть рва (пруда) в наиболее солнечное время.

Дополнительные достоинства

Использование в технологическом производстве биогаза солнечной энергии позволяет обеспечить его летнее и осеннее производство с наибольшей эффективностью, что особенно важно в районах, отрезанных от крупных энергетических центров из‑за разлива рек, бездорожья и т. д.

БГУ такого типа позволят более эффективно обеспечивать за счет вырабатываемого удобрения поддержание плодородия почв, предотвращать свободную эмиссию биометана в атмосферу.

Прибыль от эксплуатации БГУ зависит от многих факторов, включая продажи «побочных» продуктов. Самую значительную прибавку к прибыли от продажи биометана можно получать от реализации жидких удобрений, поскольку это высоколиквидная продукция, пользующаяся постоянным спросом. Спрос на удобрения есть всегда, поскольку непреложным фактором функционирования аграрной биосистемы является баланс между внесением в почву и выносом из нее энергии в виде питательных веществ: внесение их должно быть не менее выноса.

При выработке биогаза использование солнечной энергии для подогрева субстрата в большом метантенке позволит летом и осенью применять термофильный режим ферментации. В этом случае, при том же объеме метантенка, выход биогаза увеличится в полтора-два раза.

Стоимость БГУ с солнечным соляным прудом значительно ниже стоимости традиционной БГУ при одинаковых объемах метантенков. При этом использование термофильного режима ферментации в них дополнительно ведет к снижению стоимости 1 кВт их установленной мощности.

За летний период эксплуатации БГУ с ССП при работе большую часть времени в термофильном режиме можно получать больше товарного биогаза по сравнению с традиционной БГУ.

Поскольку эффективность обеззараживания удобрения у БГУ с ССП выше, то и доход от реализации удобрений будет также выше.

Модернизация с использованием соляного пруда БГУ позволит уменьшить вес удельных капитальных затрат в полтора-два раза (в расчете на единицу мощности) и повысить рентабельность биогазовых проектов.

Биогенераторы для отопления дома — Система отопления

Трудно помыслить жизнедеятельность проживающего в России без обогрева квартиры. Любой житель хочет ознакомиться: что сделать, чтобы модернизировать отопительный комплекс жилища. Абсолютно в каждом регионе России нужно в особое время обогревать дачу. Всем россиянам известно, что топливо для обогрева перманентно дорожает. На интернет ресурсе опубликовано множество разнообразных обогревательных систем дачи, применяющих исключительно различные принципы вырабатывания тепла. Опубликованные схемы получения тепла возможно реализовывать гибридно или самостоятельно.

Обзор оборудования, используемого для генерации энергии по средствам утилизации бытовых отходов применительно к загородному дому

Речь идет о современных биогазовых установках, используемых для получения электрической энергии. Они вполне успешно дополняют ряд устройств, относящихся к альтернативной энергетике, и вполне могут способствовать существенному сокращению расходов на потребление электрической энергии.

Например, в Германии, жители которой славятся своим хозяйственным подходом к использованию имеющихся в их распоряжении материальных и сырьевых ресурсов, количество биогазовых установок неуклонно растет.

Изобретение биогазовой установки можно смело относить к гениальным разработкам, позволяющим получать доход из отходов. Как и все гениальное, она весьма проста. Основная идея состоит в том, что все биологические отходы способны к сбраживанию, в ходе которого выделяется газ, состоящий сразу из нескольких компонентов, одним из которых является метан.

Остается только провести накопление биологического газа, а затем сжечь его, получив тепло и электрическую энергию.

Разумеется, процесс представляет интерес только в том случае, если он ведется с минимальной долей использования ручного труда и в автоматическом режиме. Следует отметить, что после переработки биологических масс, остается сухая фракция, пригодная для использования в качестве органического удобрения.

Как видно из приведенной схемы, биогазовая установка состоит из нескольких составляющих частей.

Ее работа начинается с загрузки в резервуар биологических отходов, их перемешивании и предварительном подогреве.

Для справки: при компостировании биологических отходов выделяется значительное количество тепловой энергии, что, порой, приводит к самовозгоранию мест их захоронения.

В принципе, биогазовая установка могла бы работать и без предварительного подогрева, заложенного в нее исходного сырья, но при этом процесс ферментации мог бы затянуться во времени, особенно, если ее использование велось бы в зимнее время года.

Интенсивный процесс разложения биологической массы бактериями начинается при температуре 38градусов Цельсия. Выделяемый в это время газ направляется в газовый коллектор. Оставшаяся после брожения биологическая масса загружается в специальный резервуар, высушивается, измельчается и используется в качестве удобрений.

Каждый человек, знакомый с процессами брожения, знает, что выделяемый при этом газ имеет высокое давление, способное поднять тяжелое тесто, а также «взорвать» плотно укупоренную консервную банку. Это значит, что газ в газовом коллекторе имеет избыточное давление, по отношению к атмосферному, величина которого зависит от количества перерабатываемых отходов и объема газового коллектора.

Дальнейшее использование полученного газа может вестись по двум направлениям:

Газ сжигается. Полученное тепло используется для отопления и для получения электрической энергии.

В первом случае возможно одновременное получение и электричества и тепла. При этом следует обратить внимание, что при использовании полученного в биореакторе газа для получения электричества не происходит выработка углекислого газа и не наносится никакого вреда экологии.

Напротив, происходит утилизация биологических отходов и улучшение экологической ситуации на планете.

Идея ясна, но как обстоят дела на практике?

На сегодняшний день можно купить готовую установку по производству биогаза или пойти привычным для большинства граждан путем и собрать эту установку самому.

Оборудование, выпускаемое промышленностью и специально предназначенное для получения биогаза, рассчитано на переработку отходов животноводства, производимых небольшой фермой. Как правило, речь идет о хозяйствах, в работе которых занята одна семья.

Это значит, что покупать установку для получения биогаза и использования ее в загородном доме целесообразно только при наличии собственного, хотя бы небольшого, фермерского хозяйства.

Если в домашнем хозяйстве одна курица или кошка, количество биологических отходов невелико, но при этом есть огромное желание получить и использовать биогаз, лучше сделать биогазовую установку своими руками из подручного материала.

Что можно купить для производства биогаза…

Следует обратить внимание, что купить оборудование, рассчитанное на получение биогаза и переработку отходов в промышленных масштабах несложно, намного труднее найти то, что можно использовать в собственном доме или на дачном участке.

На рисунке приведена схема одного из самых распространенных биореакторов » БУГ-1″, выпускаемых нашей промышленностью и предназначенных для использования в частных домовладениях. Они рассчитаны на небольшое количество биологической массы.

Минимальный объем количества перерабатываемой органической массы в сутки для поддержания процесса выработки газа должен занимать одну треть кубического метра.

Устройство состоит из биореактора и газгольдера. Дополнительно в комплекте может идти накопительный резервуар, предназначенный для сбора отходов, а также контейнер, для складирования сухого остатка, полученного после переработки биологической массы.

Все составляющие элементы конструкции, кроме газгольдера, могут быть изготовлены самостоятельно

Как работает биореактор

Все полученные биологические отходы поступают в специальный накопительный резервуар. Здесь они могут храниться определенное время. Это необходимо в том случае, если количество отходов больше, чем может быть загружено в биореактор.

Перед использованием, биологическая масса смешивается с водой в равных пропорциях и подается в реактор с помощью специального фекального насоса, где она перемешивается и подогревается до 38 градусов. Этой температуры достаточно для начала процесса брожения. В дальнейшем биологическую массу подогревать не нужно: процесс ферментации идет с выделением тепловой энергии.

Как правило, интенсивное выделение биологического газа начинается на седьмые, иногда на десятые сутки брожения. С этого момента он может быть непрерывным. Для его поддержание необходимо ежедневно удалять отработанный остаток и добавлять новую порцию биологической массы. При этом нужно проверять уровень температуры в резервуаре, следить за тем, чтобы давление газа не превысило допустимого значения, и несколько раз в сутки перемешивать биологическую массу, делая ее консистенцию однородной.

Для удобства ведения процесса необходима система автоматического контроля всех перечисленных параметров. Учитывая то, что процесс ферментации идет интенсивнее при использовании измельченных органических отходов, в систему может быть включена специальная мельница, позволяющая привести всю используемую биологическую массу в однородное состояние.

Полученный при этом биогаз в большей части (более 50%) состоит из метана. В его состав также может входить углекислый газ и сероводород (2-3%). Газ может быть использован для сжигания в обычных газовых печах, котлах или водонагревателях.

По теплотворной способности газ незначительно уступает обычному природному газу из магистрального газопровода. Разница полученных тепловых эффектов при их сжигании составляет не более 10%.

Это значит, что простая ферментация биологических масс, проводимая в сельских хозяйствах, может идти намного быстрее, позволяя более эффективно использовать получаемые биологические удобрения. К тому же при этом вырабатывается ценный биологический газ.

Как устроить биореактор в частном доме

Как видно из приведенной схемы, основным составляющим элементом биореактора является резервуар, предназначенный для ферментации отходов. В условиях частного приусадебного хозяйства его можно с успехом заменить бетонной емкостью, оборудованной специальным отверстием, расположенным в основании, для удаления органического остатка. При этом оно должно плотно закрываться, обеспечивая герметичность системы.

Размер резервуара определяется исходя из реального количества перерабатываемых отходов. В рабочем состоянии он должен быть заполнен не менее, чем на 50%. Если отходов немного, не обязательно делать емкость из железобетона, можно использовать подходящую бочку из металла с хорошо выполненными сварными швами.

Но при этом следует помнить, что при переработке ведра навоза вряд ли удастся получить количество биогаза, достаточное для отопления загородного дома. Иными словами, выход готового газа пропорционален количеству переработанного органического сырья. Он может быть получен быстрее или медленнее, в зависимости от интенсивности процесса ферментации, но при этом его количество будет соответствовать массе используемых для этого отходов.

При непрерывной работе биореактора ежедневно необходимо добавлять новую порцию органических отходов и удалять переработанный остаток. Это можно делать без остановки процесса ферментации.

При работе биореактора в условиях русской зимы необходимо обеспечить подогрев перерабатываемой биомассы. Для этого можно использовать обычный змеевик, по которому циркулирует теплоноситель из отопительной системы. Можно использовать электрические нагревательные элементы, установленные в основание емкости или прямой нагрев электрическими отопительными приборами.

Но при этом важно понимать, что процесс брожения возможен только при температуре биологической массы в 38 градусов Цельсия. Иначе выхода газа придется ждать до лета, когда процесс брожения начнется естественным путем.

Для тех, кто решил получать биогаз самостоятельно, нужно знать, что из одной тонны биологического сырья можно получить 100м3 газа. При этом время производства зависит от того, идет ли уже процесс ферментации или он только что начался, а также какова температура исходного сырья.

Дело в том, что бактерии, отвечающие за выработку метана, уже находятся в самом сырье, но их активность возможна только при соответствующей температуре. Для нормального течения процесса необходимо установить систему подогрева с автоматическим контролем, включающуюся при поступлении в резервуар новой холодной партии сырья, и выключающей подогрев при достижении в системе заданного уровня температуры.

Ничего сложного в этом нет. Такие системы установлены в каждом водогрейном котле и могут быть свободно куплены в магазине газового оборудования.

Вырабатываемый газ выводится через отверстие, находящееся в верхней части крышки, закрывающей резервуар. Лучше всего газ отводить через жидкостный затвор, исключающий возможность его смешивания с воздухом.

Регулировать давление газа можно при помощи крышки. Для этого достаточно так подобрать ее вес, чтобы она играла роль сбросного клапана. При этом, если давление в системе соответствует норме, газ проходит жидкостной затвор и поступает в газгольдер. Если выработка биогаза идет слишком интенсивно и ив системе возникает избыточное давление, крышка резервуара приподнимается и происходит сброс лишнего количества выработанного газа.

Регулировать вес такого импровизированного клапана можно при помощи простой гири.

Еще одна проблема при изготовлении собственного биогенератора может заключаться в перемешивании ферментируемых масс. Для этого можно использовать простое устройство, напоминающее обычный бытовой миксер, приводимый в движение через вал, выведенный в отверстие, расположенное в крышке резервуара.

Как видите, получение и использование биогаза не миф, а реальность. Устройство такой установки довольно простое, а все сложность состоит в сборе необходимого количества биологических отходов.

Источник: http://building-forum.ru/energiya/biogaz.php

Если у Вас есть дом или дача и нет газа, то Вам знакомы все проблемы с отеплением.

Поберегите своё время для полезных занятий, а эти проблемки предоставьте решать нам. Мы поставим Вам биогенератор для загородного дома который обеспечит все нужды Вашего дома по отоплению, а Вас обеспечит комфортом.

Биогенератор позволяет:

Получать газ для отопительных приборов, газовых плит и для реализации.

В комплект даже самой простой установки входит оборудование для накопления и сжижения газа, и два стандартных баллона 25 и 50 л. Для хранения.

Для реализации проекта по снабжению Вашего дома газом, Вам надо зайти на сайт и выбрать подходящее оборудование и заказать выезд менеджера для заключения договора — бесплатно (предоплата за оборудование 50% после заключения договора, полная оплата после сдачи объекта в эксплуатацию). Гарантия 1 год. Сервисное обслуживание в течении гарантийного срока бесплатное, далее по договору обслуживания. Сервисное обслуживание – это ежегодные ревизии оборудования: проверки герметичности и др.

Если у Вас уже установлено устаревшее оборудование типа автономных пластиковых септиков, то наша фирма поможет решить все вопросы по их обслуживанию, подключив Ваш септик к биогенератору, что автоматически решает проблемы чистки септика.

Предварительные консультации и заказ выездного инженера у менеджера-консультанта по т. 89175407250 8(49672)-76620

Город: Серпухов

22 марта 2013 г. в 20:12

Источник: http://www.barahla.net/services/252/4328915.html

Простейшая биогазовая установка своими руками для отопления дома

Растущая с каждым годом стоимость угля и природного газа заставляет задуматься многих хозяев о более рациональном использовании органических отходов. Ведь, действительно, каждая семья после себя оставляет множество отходов жизнедеятельности, которые с успехом можно использовать для обогрева своего жилища.

В большинстве азиатских стран почти в каждом подворье установлены самодельные биогазовые установки самой простейшей конструкции – с ручной загрузкой сырья, без подогрева и практически без перемешивания разлагающейся биомассы. На рисунке представлен чертеж такого простого биогенератора, который можно сделать самостоятельно своими руками за несколько дней из подручных материалов.

Реактор выкладывается из кирпича, отливается из бетона или изготавливается из стали (лучше нержавеющей). Поскольку в процессе разложения биомассы происходит множество химических реакций, поверхность стенок биореактора необходимо защитить антикоррозионным покрытием. Чем качественнее покрытие, тем дольше прослужит без ремонта биогазовая установка. С появлением в продаже листов поливинилхлорида, многие хозяева предпочитают изготавливать биогазовую установку своими руками именно из ПВХ. ПВХ имеет отличную механическую прочность, легко и быстро сваривается в любой конфигурации, не боится агрессивной среды.

Многие практические пособия и видеоуроки рекомендуют изготавливать ферментатор из расчета, что на отопление дома площадью около 50 квадратных метров понадобиться около 3,5-4 кубометров биогаза в час. Поскольку калорийность биогаза из домашней биогазовой установки очень сильно колеблется в зависимости от качества субстракта и температурного режима протекания реакции и редко превышает 6000 ккал/м3, стоит разрабатывать чертежи биогазовой установки из расчета объема ферментатора не менее 5 кубометров полезного объема. В таком случае увеличенный объем биогенератора позволит количественным расходом менее калорийного топлива обогреть жилье с помощью котла или печи, чьи горелки рассчитаны на использование высококалорийного природного газа.

Чтобы стабилизировать температурный режим работы биогенератора, рекомендуется либо строить биогазовую установку в земляной яме, либо изготавливать качественную теплоизоляцию. Стоит четко понимать, что оборудуя биогазовую установку системой подогрева, можно существенно повысить выход газа. В среднем повышение температуры на каждые 10 градусов увеличивает выход биометана вдвое! То есть, используя отвод от водяного отопления дома под основание биогенератора, можно регулировать процесс газообразования и даже при небольшом объеме биореактора полностью обеспечить теплоснабжение частного дома и подворья.

Поскольку процесс образования газа имеет неравномерный характер, а закладки одного кубометра биомассы хватает только на 70-80 кубометров биометана, рекомендуем изготавливать несколько биогазовых установок, работающих параллельно, со сдвигом во времени загрузки исходного сырья в несколько дней. Такой подход позволит обеспечить равномерное бесперебойное газоснабжение дома, соответственно постоянную безаварийную работу отопительного котла и газовой печи.

Источник: http://elektrogenerator.net/Biogeneratory/otoplenie_doma.html

ВВЕДЕНИЕ

Наверное, не каждый знает, что самые обычные органические отходы любого сельского подворья — навоз животных, огородная ботва, сорняки и другая «органика» — в определенных условиях могут стать источником столь необходимого в домашнем хозяйстве горючего газа, который сгодится и для приготовления пищи, и отопления помещения, и получения горячей воды.

В настоящее время, когда налицо известные трудности с традиционными видами топлива (уголь, нефтепродукты и т. п.), а о стоимости их и говорить не приходится, биогаз если не полностью, то хотя бы частично обеспечит потребности сельских жителей, владельцев дачных и садовых участков в топливе. Кроме того, при переработке отходов с целью производства биогаза эти отходы полностью идут в дело, в результате не только улучшается санитарное состояние территории, уничтожаются возбудители инфекционных заболеваний, исчезает неприятный запах гниющих растений, гибнут семена сорняков, но и образуются ценнейшие высоко­качественные органические удобрения, обладающие повышенным гумусным потенциалом.

Но чтобы каждый желающий мог соорудить на своем подворье простейшую биогазовую установку собственными руками, полезно иметь представление об основных особенностях технологии получения биогаза из органических отходов, а также о факторах, влияющих на производительность биогазовых установок, и о конструкции этих установок.

Получение биогаза из органических отходов основано на свойстве последних выделять горючий газ в результате так называемого «метанового сбраживания» в анаэробных (без доступа воздуха) условиях. Биогаз, образующийся при метановом сбраживании, представляет собой смесь, состоящую из 50. 80% метана, 20. 50% углекислого газа, примерно 1 % сероводорода, а также включающую в себя незначительное количество некоторых других газов (азота, кислорода, водорода, аммиака, закиси углерода и др.). Напомним, что 1 м3 метана при сгорании выделяет энергию, равную примерно 20. 25 МДж.

В свою очередь, «метановое сбраживание» происходит при разложении органических веществ в результате жизнедеятельности двух основных групп микроорганизмов. Одна группа микроорганизмов, обычно называемая кислотообразующими бактериями, или бродильными микроорганизмами, расщепляет сложные органические соединения (клетчатку, белки, жиры и др.) в более простые, при этом в сбражи-ваемой среде появляются первичные продукты брожения — летучие жирные кислоты, низшие спирты, водород, окись углерода, уксусная и муравьиная кислоты и др. Эти менее сложные органические вещества являются источником питания для второй группы бактерий — метанообразующих, которые превращают органические кислоты в требуемый метан, а также углекислый газ и др.

В этом сложном комплексе превращений участвует великое множество микроорганизмов, по некоторым данным — до тысячи видов, но главное из них все-таки метанообразующие бактерии. Отметим, что метанообразующие бактерии значительно медленнее размножаются и более чувствительны к изменениям окружающей среды, чем кислотообразующие микроорганизмы-бродильщики, поэтому вначале в сбраживаемой среде накапливаются летучие кислоты, а первую стадию метанового сбраживания называют кислотной. Потом скорости образования и переработки кислот выравниваются, так что в дальнейшем разложение субстрата и образование газа идут одновременно. И естественно, от условий, которые создаются для жизнедеятельности метанообразующих бактерий, зависит интенсив­ность газовыделения.

Как кислотообразующие, так и метанообразующие бактерии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. Считается, что в навозе крупного рогатого скота имеется полный набор микроорганизмов, необходимых для его сбраживания. И подтверждением этому является то, что в рубце и кишечнике жвачных животных постоянно идет процесс метанообразования. Следова­тельно, нет необходимости применять для получения биогаза чистые культуры мета-нообразующих бактерий для того, чтобы вызвать процесс брожения. Достаточно лишь обеспечить для уже имеющихся в субстрате бактерий подходящие условия для их жизнедеятельности.

Для создания таких условий органические отходы сбраживают в специальных бродильных камерах (биореакторах), где поддерживают строго анаэробную среду, а также соответствующие температурный и кислотный (рН) режимы, давление и другие необходимые условия.

А теперь, прежде чем перейти к рассмотрению различных конструкций биогазовых установок, остановимся коротко на основных факторах, влияющих на эффективность работы (производительность) подобных установок. Знание этих факторов просто обязательно, так как только оно позволит сделать биоустановку по-настоящему рентабельной и не превратит работу по получению столь не­обходимого газа в бесполезное перелопачивание навоза!

Для эффективной работы установки, производящей биогаз, кроме строго анаэробной среды, придется соблюдать ряд требований. Во-первых, поддерживать в реакторе оптимальные температурный и кислотный режимы. Во-вторых, постоянно следить за наличием питательных веществ в сбраживаемой среде, обеспечивая низкое содержание в данной среде веществ-ингибиторов, то есть веществ, пре­пятствующих жизнедеятельности микроорганизмов.

Вообще-то образование метана идет в достаточно широком интервале температур (8. 60° С), при этом при определенных температурах в процессе сбраживания участвуют определенные виды бактерий.

Обычно различают три характерных уровня температур, предпочтительных для отдельных видов бактерий. Психрофильный режим идет при температуре 8. 20° С, мезофильный — при 25. 40° С, термофильный — при 45. 60° С. Более производительны термофильный и мезофильный режимы сбраживания, однако все три режима имеют как свои преимущества, так и недостатки. Режимы с более высокими температурами требуют больших затрат энергии на поддержание оптимальной температуры, зато здесь благодаря сокращению продолжительности сбраживания удается значительно сократить объем биореактора и таким образом увеличить производительность биогазовой установки. Однако часто поддержание в биомассе высоких температур на практике связано с большими затратами энергии на обогрев и термоизоляцию биореакторов, что в свою очередь значительно удорожает процесс получения биогаза. Так, стоимость энергии, необходимой для подогрева содержимого бродильной камеры при термофильном сбраживании, настолько велика, что перевешивает всякие выгоды, связанные с более быстрым, чем в других случаях, сбраживанием. Отсюда следует, что в условиях домашнего хозяйства практическое значение имеет только мезофильное (25. 40° С) или психрофильное (8. 200 С) метановое сбраживание. (О способах обеспечения соответствующих температурных режимов этих способов сбраживания будет рассказано ниже.)

Для нормального протекания брожения необходима слабощелочная реакция среды (рН=7. 8). При оптимальной (ровной) активности кислотообразующих и метановых бактерий (то есть при установившемся процессе брожения) значение рН поддерживается в желательных пределах «автоматически». Однако иногда кислотообразующие бактерии начинают размножаться быстрее, чем метановые, из-за чего концентрация летучих жирных кислот в бродильной камере возрастает и происходит так называемое «закисление», в результате чего выход биогаза снижается, а кислотность биомассы увеличивается. В этом случае в содержимое биореактора следует добавить горячую воду, известковое молоко, соду. При нарушении баланса между азотом и углеродом его восстанавливают добавлением в биомассу коровьей мочи.

Основой беспрепятственного размножения анаэробных бактерий служит, естественно, наличие питательных веществ в сбраживаемой среде. И почти все питательные вещества, необходимые для роста метановых бактерий, содержат экскременты животных, являющиеся основным сырьем для производства биогаза. Разнообразие видового состава метано-образующих бактерий позволяет использовать практически все виды жидких и твердых органических отходов. Но лучшая органическая масса для получения биогаза — навоз крупного рогатого скота в смеси с растительными остатками (влажность биомассы не менее 85. 90%).

Сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Не способствуют «работе» микроорганизмов и некоторые неорганические вещества, поэтому нельзя, например, использовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стирки белья синтетическими моющими средствами.

Выработка биогаза зависит и от многих других причин. Например, на поверхности органической массы периодически образуется плавающая корка, мешающая выходу биогаза. Поэтому ее необходимо устранять, перемешивая содержимое биореактора 1. 2 раза в сутки. Перемешивание способствует также равномерному распределению температуры и кислотности в биомассе, находящейся в камере сбраживания.

Для полного разложения органического вещества, как правило, необходимо длительное время. При этом продолжительность сбраживания, учитывая присущую данному виду отходов скорость разложения, зависит от требуемой степени разложения органического вещества. Обычно максимальный выход биогаза и лучшие по качеству удобрения наблюдаются при разложении органического вещества (навоза) до 30. 33%. Заметим, что при пребывании биомассы в биореакторе в течение 14. 15 дней полнота ее разложения составляет 25%.

При непрерывном способе сбраживания, когда выгрузка определенного объема «отработавшего» в реакторе органического вещества происходит одновременно с загрузкой такого же объема свежего материала, выделяется наибольшее количество биогаза. И при такой организации процесса для малогабаритных биогазовых установок в приусадебных хозяйствах доза ежесуточной загрузки обычно не превышает 4. 5% полезного объема камеры сбраживания.

Установки для производства биогаза из органических отходов обычно подразделяют на четыре основных типа:

  • без подвода тепла и без перемешивания сбраживаемой биомассы;
  • без подвода тепла, но с перемешиванием сбраживаемой биомассы;
  • с подводом тепла и с перемешиванием биомассы;
  • с подводом тепла, с перемешиванием биомассы и со средствами контроля и управления процессом сбраживания.

Понятно, что обязательные компоненты биогазовой установки — сам биореактор и газгольдер для сбора биогаза, ну а устройства для подогрева биомассы, ее перемешивания, а также средства контроля — вещи весьма полезные, но можно обойтись и без них.

Биореактор — основа любой биогазовой установки, и к его конструкции предъявляются достаточно жесткие требования. Так, корпус биореактора должен быть достаточно прочен при абсолютной герметичности его стенок. Обязательны хорошая теплоизоляция стенок и их способность надежно противостоять коррозии. При этом необходимо предусмотреть возможность загрузки и опорожнения реактора, а также доступ к его внутреннему пространству для обслуживания.

Формы реакторов весьма разнообразны. Так, с точки зрения создания наиболее благоприятных условий для перемешивания жидкого субстрата, накапливания газа, отвода осадков и разрушения образующейся корки представляется целесообразным использование резервуара, формой напоминающего яйцо (рис. 1, а). Крупные реакторы такой формы обычно сооружают из бетона, поэтому для них ха­рактерна высокая стоимость изготовления, что существенно ограничивает их применение. Зато подобные реакторы меньших объемов достаточно несложно выполнить из стеклопластика, то есть из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном, и обходятся они не так уж и дорого.

Источник: http://www.nashekodom.ru/index.php?id=76&Itemid=75&option=com_content&view=article

Смотрите также:
10 августа 2021 года

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 были разработаны 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, полученной 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.г. трава и кукуруза (типичное сырье на предприятии) 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 предприятия). Дигесторы, перерабатывающие специальные энергетические культуры, могут достичь высоких уровней разложения 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 навозной жиже.

Второе соображение, связанное с сырьем, — это влажность. Сушильные, штабелируемые субстраты, такие как пищевые и дворовые отходы, подходят для разложения в камерах типа туннелей. 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 влажнее 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 частиц 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 N 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 частиц может быть достигнута с помощью измельчающего насоса для перекачки исходного материала в герметичный варочный котел, где происходит анаэробная обработка.

Последние тенденции в производстве биодизеля и биогаза

Резюме

Биодизель и биогаз — два очень важных источника возобновляемой энергии во всем мире, особенно в странах ЕС. В то время как биодизель используется почти исключительно в качестве транспортного топлива, биогаз в основном используется для производства электроэнергии и тепла. Применение более сложных технологий очистки при производстве чистого биометана из биогаза позволяет его доставить в сеть природного газа и в дальнейшем использовать в качестве транспортного топлива.В то время как биогаз производится в основном из отходов (свалки, навоз, отстой от очистки сточных вод, сельскохозяйственные отходы), биодизельное топливо в ЕС в основном производится из рапса или других масличных культур, которые используются в пищу, что вызывает опасения по поводу « продуктов питания или топлива ». . Чтобы смягчить эту проблему, были предприняты значительные усилия по использованию непродовольственного сырья для производства биодизеля. К ним относятся все виды отработанных масел и жиров, но в последнее время больше внимания уделяется производству микробных масел путем культивирования микроорганизмов, которые способны накапливать большое количество липидов в своей биомассе.Многообещающие кандидаты для производства липидов микробами могут быть найдены среди различных штаммов мицелиальных грибов, дрожжей, бактерий и микроводорослей. В качестве исходного сырья представляют интерес сельскохозяйственные отходы, богатые углеводами, а также различное лигноцеллюлозное сырье, требующее решения некоторых технических проблем. В этой работе также рассматриваются восстановление и очистка биодизеля и биогаза.

Ключевые слова: биодизель, биогаз, микробные липиды, переэтерификация, анаэробное сбраживание, извлечение и очистка

ВВЕДЕНИЕ

Невозобновляемое ископаемое сырье (нефть, уголь и природный газ) по-прежнему является наиболее используемым источником энергии и химикаты, из которых примерно три четверти используется для производства электроэнергии и тепла, а почти четверть используется в качестве топлива для транспорта.Лишь несколько процентов ископаемого сырья используется для производства химикатов и полимерных материалов ( 1 ).

Многие важные факторы, такие как уязвимая зависимость мировой экономики от ископаемого сырья, политические вопросы, связанные с важными нефтедобывающими странами, выбросы парниковых газов и изменения климата, переместили внимание многих правительств на изучение альтернатив использования возобновляемых источников энергии ( 2 , 3 ).

В течение последних нескольких десятилетий производство и использование биотоплива (биодизель, биогаз и топливо на основе биоэтанола) вызвали значительный интерес как подходящее средство частичной замены ископаемого топлива.Биотопливо, полученное из растительной биомассы, считается возобновляемым и представляет собой экологически приемлемый источник энергии, что дает возможность в значительной степени сократить и заменить потребление ископаемого топлива ( 4 ). Здесь будут подробно рассмотрены тенденции производства и использования биодизеля и биогаза.

БИОДИЗЕЛЬ

Общее использование сельскохозяйственных земель для производства биотоплива достигло 71 млн га, из которых биодизель составляет 24%, а биоэтанол 62% ( 5 , 6 ).Физико-химические свойства биодизеля очень близки к свойствам дизельного топлива, и, следовательно, биодизель или его смеси могут использоваться в дизельных двигателях с небольшими модификациями или без них. Чаще всего используется смесь B20, смесь биодизеля и нефтяного дизельного топлива в соотношении 1: 5. Марка B100 подразумевает чистый биодизель, который можно смешивать на любом уровне с нефтяным дизельным топливом, а его более высокая температура вспышки делает его более безопасным топливом для использования, обращения и хранения с использованием существующих дизельных цистерн и оборудования.

По сравнению с нефтяным дизельным топливом биодизельное топливо имеет более высокое цетановое число.Он также содержит около 10 атомов кислорода в различных жирных кислотах, присутствующих в этом топливе, и совсем не содержит ароматических соединений. Как следствие, биодизельное топливо имеет более низкие выбросы углеводородов и окиси углерода. Кроме того, атомы углерода в биодизельном топливе не происходят из органических отложений в земной коре. Они получены из современного атмосферного углекислого газа, который был зафиксирован фотосинтезом в богатых маслом растениях. Следовательно, углекислый газ, образующийся при сжигании биодизеля, обычно является частью продолжающегося углеродного цикла на Земле и, таким образом, оказывает гораздо меньшее влияние на выбросы парниковых газов.Выбросы парниковых газов биодизельного топлива (B100) в 4,5 раза ниже, чем у бензина, и в 3 раза ниже, чем у нефтяного дизельного топлива ( 7 ). Хотя уровни NO x в биодизеле немного выше, чем в нефтяном дизельном топливе, биодизель считается более экологически чистым, поскольку его использование может значительно снизить чистые выбросы углерода и глобальное потепление ( 7 , 8 ).

Производство биодизеля из растительных масел известно с 1853 года, когда ученые Э.Даффи и Дж. Патрик успешно производят биодизельное топливо из этого сырья ( 9 ). Рудольф Дизель, изобретатель дизельного двигателя, изучал различные виды топлива (, например, порошкообразного угля на арахисовое масло) и использовал арахисовое масло в качестве топлива для одного из своих двигателей на Парижской выставке 1900 года. Первый нефтяной кризис в 20-м веке (1970-е годы) ) поднял вопрос об использовании растительных масел в качестве альтернативы нефти для производства биодизеля ( 9 ). Растительные масла являются возобновляемыми, доступными, портативными и биоразлагаемыми, они имеют высокое теплосодержание и низкое содержание серы и ароматических соединений.Используемые растительные масла очень вязкие, их вязкость в 10-20 раз выше, чем у нефтяного дизельного топлива. Это основная проблема их использования в двигателях с воспламенением от сжатия. Поэтому их пришлось модифицировать для использования в качестве дизельного топлива ( 10 ). Одним из наиболее распространенных методов, используемых для снижения вязкости масла в биодизельной промышленности, является переэтерификация растительного масла или животного жира спиртом с использованием или без использования катализатора ( 11 ).

Биодизель можно производить из различных видов сырья, и их выбор в основном зависит от климата и географического положения места производства.Следовательно, рапсовое и подсолнечное масла в основном используются в Европе; соевое масло преобладает в Соединенных Штатах, рапсовое масло в Канаде, а пальмовое масло преобладает в тропических странах ( 12 ). Поскольку все эти масла используются в пищу, их использование для производства биотоплива подняло спор «пищевые продукты против топлива ». Они считаются биодизельным сырьем первого поколения. Сырье для биодизеля второго поколения получают из непищевых источников, например, из понгамии, ятрофы, каранжи, а также микроводорослей и других микроорганизмов.Отработанное масло для жарки ( 13 ) и отходы скотобойни ( например, жир, кровь, кости, обрезки связок, мертвые животные, мертвые плаценты, и т. Д. ) ( 14 16 ) и обрабатывающей промышленности ( например, сало, мясокостная мука) ( 17 ) также могут быть отнесены к этой категории.

Важно отметить, что стоимость биодизеля из исходного биодизельного сырья первого поколения в настоящее время на 30% выше, чем стоимость дизельного топлива на нефтяной основе ( 7 ).Кроме того, по оценкам, 60-80% затрат на производство биодизеля связано со стоимостью сырья. Все это делает использование дешевого биодизельного сырья второго поколения очень привлекательной альтернативой.

В 2013 году в мире было произведено 28,9 млрд литров биодизеля ( 5 ). Ожидается, что к 2024 году мировое производство биодизеля достигнет 39 миллиардов литров, что на 27% больше, чем в 2014 году (; 5 ). Европейский Союз является основным производителем биодизеля. США, Бразилия, Аргентина, Индонезия и Таиланд вместе с ЕС производят 85% всего биодизеля во всем мире.

Прогнозы мирового производства и потребления биодизеля в 2024 году ( 5 )

Биодизель является наиболее важным биотопливом в Европе. Это составляет почти 80% рынка транспортного биотоплива ( 18 ). Наиболее интенсивный рост рынка наблюдался в период с 2006 по 2009 год. В этот период емкость рынка увеличилась почти в четыре раза, но затем рост замедлился с 2010 по 2012 год, а в 2013 и 2014 годах емкость уменьшалась на два процента каждый год. В настоящее время ожидается, что производственные мощности ЕС по производству биодизеля останутся на уровне примерно 25 миллиардов литров ( 18 ).Германия, Франция и страны Бенилюкса являются основными производителями в ЕС. Однако использование биодизеля увеличилось с 45% в 2013 году до 50% в 2014 году из-за увеличения внутреннего производства и снижения импорта ( 18 ).

Основным сырьем для биодизеля в ЕС является рапсовое масло. В 2012 году на него приходилось 66%, но в 2014 году его использование упало до 55% из-за увеличения использования пальмового масла и переработанного масла для жарки ( 18 ). Пальмовое масло является вторым сырьем для производства биодизеля в странах Бенилюкса, Испании, Финляндии и Франции.Соевое масло используется в Испании, Франции, Германии, Португалии и Италии. Однако использование соевого и пальмового масла в обычном биодизельном топливе ограничено, главным образом из-за их вязкости и пригодности для использования в зимних условиях. Однако эти препятствия можно обойти, используя рапсовое масло, соевое масло и исходную смесь пальмового масла. Животные жиры используются в основном в Германии и Великобритании. Подсолнечное масло составляет 3% от общего количества сырья для производства биодизеля и в основном используется во Франции и Греции, в то время как хлопковое и сосновое масло используются в Греции и Швеции, соответственно ( 18 ).

Потребление биодизеля в ЕС достигло пика в 2011 году, но снизилось в 2012 и 2013 годах. Что касается потребления биодизеля, то в 2014 году лидерами были Франция, Германия, Италия и Великобритания ( 18 ). Они потребляли 58% всего биодизеля в ЕС-28.

ПРОИЗВОДСТВО БИОДИЗЕЛЯ ИЗ


РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

Существует четыре возможных способа использования масел и жиров для дизельного топлива: ( i ) прямое смешивание, ( ii ) пиролиз (термический крекинг), ( iii ) эмульгирование (микроэмульсии) и ( iv ) переэтерификация ( 19 ).

Непосредственное использование масел и жиров (в частности) в дизельных двигателях может привести к серьезным повреждениям из-за высокой вязкости, содержания свободных жирных кислот, кислотности, образования смол, окисления и полимеризации во время хранения и сгорания, загустения смазочного масла, и т. Д. ( 20 ).

Биодизель, полученный методами пиролиза и микроэмульсии, относится к неполному сгоранию из-за низкого цетанового числа. Таким образом, переэтерификация (или алкоголиз) на данный момент остается наиболее удобным методом производства биодизельного топлива из растительных масел и жиров ( 21 , 22 ), и он будет рассмотрен в следующих разделах.

Переэтерификация как метод производства биодизеля

При переэтерификации триглицериды из растительных масел и животных жиров реагируют со спиртом в присутствии сильной кислоты или основания. В этой реакции сложноэфирные связи между жирными кислотами (ЖК) и -ОН группами глицерина разрушаются, и свободные жирные кислоты (СЖК) образуют новые сложноэфирные связи с молекулами спирта, присутствующими в смеси для переэтерификации. В конце реакции остается смесь жирных кислот, сложных алкиловых эфиров и глицерина ( 23 ).

Метанол, этанол, пропанол, бутанол и амиловый спирт могут использоваться при переэтерификации, но преимущественно используются метанол и этанол. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME) производятся в присутствии метанола, а этиловые эфиры жирных кислот (FAEE) — в присутствии этанола. Оба сложных эфира используются в качестве биодизеля ( 11 ). Эффективность процесса переэтерификации зависит от нескольких факторов, таких как тип катализатора, температура, отношение спирта к маслу, содержание воды и свободных жирных кислот, и т. Д. ( 24 ).

Спирт и триглицериды в маслах и жирах недостаточно смешиваются для образования однофазной смеси. Таким образом, многофазный характер реакционной смеси приводит к недостаточному контакту между реагентами и, следовательно, к очень медленной реакции переэтерификации. Использование катализаторов может решить эту проблему, облегчая контакт между реагентами и, следовательно, увеличивая скорость реакции и выход биодизельного топлива ( 25 ).

Катализаторы можно разделить на гомогенные и гетерогенные.Гомогенные катализаторы действуют в той же жидкой фазе, что и реагенты, в то время как гетерогенные катализаторы обычно представляют собой твердые вещества, которые действуют в другой фазе, чем реагенты. Кроме того, оба могут быть кислотными или щелочными соединениями ( 22 ). Реакция, катализируемая основанием, лучше подходит для масел с меньшим количеством FFA, тогда как реакция, катализируемая кислотой, более удобна для масел с более высоким содержанием FFA ( 26 ).

Гомогенно-каталитическая переэтерификация

Наиболее широко используемые кислоты в гомогенной каталитической переэтерификации — это серная кислота, сульфоновая кислота, соляная кислота, органическая сульфоновая кислота, сульфат железа, и т. Д., но первые три обычно предпочитают из-за их сильной кислотности и низкой стоимости ( 27 ). Кислотные катализаторы нечувствительны к содержанию FFA в масле. Это предотвращает побочные реакции, такие как омыление, и, следовательно, приводит к получению высококачественного глицерина в качестве побочного продукта. Однако гомогенная кислотно-каталитическая переэтерификация очень чувствительна к присутствию воды даже при массовой доле 0,1% в реакционной смеси, тогда как 5% воды почти полностью останавливают реакцию ( 28 ).Гомогенные основные катализаторы (в основном алкоксиды и гидроксиды щелочных металлов или карбонаты натрия или калия) широко используются для промышленных переэтерификаций ( 20 ). Гидроксиды натрия или калия в основном используются из-за их растворимости в метаноле, образуя метоксиды натрия или калия, которые являются фактическими каталитическими агентами для реакции переэтерификации ( 22 ). Гомогенные основные катализаторы широко используются, поскольку они обеспечивают умеренные рабочие условия, высокую каталитическую активность и широко доступны по умеренным ценам ( 29 ).Процессы можно проводить при низких температуре и давлении (333-338 К и 140-420 кПа соответственно) с низкими массовыми долями катализатора (0,5-2%) ( 30 ). Выходы биодизеля в диапазоне от 94 до 99% обычно достигаются при использовании гидроксида натрия или калия с массовой долей от 0,5 до 1%, соотношении метанола к маслу 6: 1 и температуре 45-80 ° C. В этих условиях растительные масла полностью переэтерифицируются за несколько часов ( 31 ).

Однако восстановление продуктов и катализаторов требует сложных процедур из-за гомогенной фазы смеси.Это делает процесс непрактичным и экономически непривлекательным. Помимо этого, основные катализаторы реагируют с FFA, обычно присутствующими в масле, и поэтому образуются нежелательные побочные продукты, такие как мыло ( 32 ), которое портит катализатор и снижает выход сложного эфира, но также препятствует успешному отделению глицерина от биодизельного топлива ( 33 ). Следовательно, содержание FFA в масле должно быть как можно более низким (менее 0,5%), чтобы избежать омыления ( 13 ).

Переэтерификация масел с высоким содержанием FFA также может быть достигнута с использованием двухэтапного процесса.На первом этапе проводят катализируемый кислотой процесс, в котором происходит этерификация FFA до FAME, в то время как второй этап включает переэтерификацию, катализируемую основанием ( 34 ). Также сообщалось, что двухэтапный процесс также может быть достигнут с использованием щелочного катализа на обеих стадиях. Увеличение выхода на 10% регистрировали с использованием двухступенчатого щелочного катализа сырья, содержащего 4% FFA ( 35 ).

Гетерогенно-каталитическая переэтерификация

Гетерогенные основные катализаторы — это такие материалы, как гидроталькиты и цеолиты, которые содержат щелочные оксиды или щелочноземельные металлы, нанесенные на большую площадь поверхности ( 27 ).Возможные преимущества гетерогенных процессов — более высокий выход биодизеля, более высокая чистота глицерина, более низкие затраты на катализатор и техническое обслуживание. Однако потребление энергии и затраты значительно выше ( 20 ). Сравнение гомогенной и гетерогенной каталитической переэтерификации показывает, что гетерогенный процесс характеризуется экстремальными условиями реакции. Выход биодизеля 95% может быть достигнут при использовании катализаторов MgO, CaO и TiO 2 при температурах до 200 ° C ( 36 ).

Процесс с гетерогенным катализатором Esterfip-H коммерчески используется для производства биодизельного топлива ( 27 ). Он не требует восстановления катализатора или стадий водной обработки и приводит к высокому выходу биодизельного топлива и бессолевому глицерину с чистотой 98% по сравнению с гомогенно-каталитическим процессом, где может быть достигнута чистота глицерина менее 80%.

Гетерогенные твердые кислотные катализаторы также используются во многих промышленных процессах. Основными преимуществами являются нечувствительность к содержанию FFA, отсутствие стадии очистки, легкое отделение катализатора и меньшая проблема коррозии ( 20 ).Некоторыми из часто исследуемых твердых кислотных катализаторов являются стеарат цинка / SiO 2 , MoO 3 / ZrO 2 , WO 3 / ZrO 2 , WO 3 / ZrO 2 -Al 2 O 3 , MoO 3 / SiO 2 , TPA / ZrO 2 и этаноат цинка / SiO 2 ( 27 ).

Однако использование гетерогенных катализаторов на твердой основе кажется более приемлемым для промышленного применения из-за упрощения процессов производства и очистки, уменьшения количества основных сточных вод, уменьшения размеров технологического оборудования и снижения воздействия на окружающую среду. и технологические затраты ( 37 ).Также было обнаружено, что твердые основные катализаторы более активны, чем твердые кислотные катализаторы ( 38 ). Разработки гетерогенных катализаторов для производства биодизеля широко исследовались во многих работах ( 22 , 27 , 37 , 39 ). CaO является наиболее часто применяемым твердым основным катализатором из-за следующих преимуществ: длительный срок службы катализатора, высокая активность, умеренные условия реакции и дешевые природные источники выделения кальция (, например, яичная скорлупа или скорлупа моллюсков) ( 22 ).Имеются сообщения об использовании ультразвуковой технологии для улучшения массопереноса между двумя несмешивающимися жидкостями в гетерогенной системе в лабораторном масштабе ( 40 , 41 ).

Ферментативная каталитическая переэтерификация

Катализируемые ферментами реакции переэтерификации широко изучены. Использование ферментов, таких как липазы, обеспечивает многочисленные экологические и экономические преимущества, такие как: ( i ) использование умеренных температур реакции, ( ii ) высокая селективность и специфичность транс / этерификации, ( iii ) более широкий диапазон субстратов благодаря способность этерифицировать как связанные с глицеридом, так и неэтерифицированные жирные кислоты за одну стадию, ( iv ) использование отношения низшего спирта к маслу ( v ) предотвращение побочных реакций (отсутствие пены), более легкое разделение и извлечение продукта за счет производства бокового потока глицерина с минимальным содержанием примесей и воды, ( vi ) устранение затрат на обработку, связанных с извлечением химических катализаторов, ( vii ) биоразлагаемость ферментов и приемлемость для окружающей среды, и ( viii ) возможность для повторного использования ферментов и повышения стабильности за счет иммобилизации ферментов ( 7 ).Однако есть некоторые недостатки, в основном связанные с более высокими производственными затратами, более низкими скоростями реакции, ингибированием ферментов и потерей активности (обычно в течение 100 дней работы). Несмотря на эти недостатки, катализируемый ферментами процесс, используемый для производства биодизельного топлива, в настоящее время рассматривается как экологически безопасная альтернатива, имеющая хорошие возможности для коммерческого использования, когда доступны новые, менее дорогие и более эффективные биокатализаторы ( 7 , 42 ), особенно с внедрение технологии рекомбинантных ДНК ( 43 ).

Кроме того, предварительная обработка липаз может иметь положительное влияние на повышение продуктивности и восстановление активности ферментов ( 44 ). А именно, предварительная обработка липазы Rhizopus oryzae соевым маслом перед иммобилизацией увеличивала активность липазы в 20 раз по сравнению с необработанной липазой ( 45 ).

Липазы, подобные триацилглицеринлипазе (EC 3.1.1.3), ответственны за гидролиз триглицеридов (TG), состоящих из длинноцепочечных жирных кислот, до глицерина и жирных кислот ( 46 , 47 ).С другой стороны, эстеразы (, например, EC 3.1.1.1, гидролазы сложных эфиров карбоксильных групп) предпочитают гидролизовать только триглицериды, состоящие из короткоцепочечных жирных кислот (менее шести атомов углерода). И липазы, и эстеразы относятся к классу гидролаз (EC 3.1.x.x). По происхождению липазы можно разделить на липазы растений, животных или микробов ( 7 ). Однако для производства биодизеля наиболее широко используются липазы микробов, продуцируемые нитчатыми грибами, дрожжами и бактериями. Среди них наиболее часто используемые источники ферментов относятся к порядкам Candida , Pseudomonas и Rhizopus ( 7 ).Использование высококачественных ферментов приводит к конверсии более 90%. Происхождение конкретной липазы оказывает значительное влияние на оптимальные параметры для ее применения. Оптимальные температуры варьируются от 30 до 50 ° C, и, следовательно, время реакции также может значительно отличаться. Например, иммобилизованной липазе Pseudomonas cepacia потребовалось 8 часов для проведения переэтерификации масла ятрофы этанолом, но потребовалось 90 часов для того же фермента в свободной форме, чтобы переэтерифицировать соевое масло метанолом ( 48 ).Следовательно, помимо происхождения липазы, на эффективность ферментативного процесса влияют многие другие параметры ( например, температура реакции , активность воды, свободный по сравнению с иммобилизованным ферментом , соотношение спирта к маслу, выбор спирта, и т. Д. ). . Эти параметры оказывают значительное влияние на максимальный выход биодизеля, время реакции и время жизни фермента ( 48 ).

Отобранные штаммы Mucor miehei , Rhizopus oryzae , Candida antarctica и Pseudomonas cepacia считаются основными продуцирующими липазу организмами ( 49 ).Основная проблема использования растворимых ферментов заключается в том, что они обычно доставляются в стабилизированных водных растворах (с добавлением консерванта для подавления роста микробов, , например, бензоат , и со стабилизатором для предотвращения денатурации ферментов, , например, глицерин или сорбитол). ) ( 50 ). Как уже упоминалось, вода является химическим загрязнителем в реакции переэтерификации. Таким образом, чтобы смягчить это препятствие, ферментный препарат можно высушить вымораживанием для удаления воды, но это создает новые трудности, такие как снижение активности фермента, аллергенность порошка фермента и невозможность восстановления и повторного использования фермента ( 50 ).

Иммобилизация ферментов — это процесс прикрепления ферментов к твердому поддерживающему материалу химическими или физическими способами ( 51 ). Стабильность липазы в производстве биодизеля может быть значительно увеличена с помощью адекватной техники иммобилизации. Иммобилизация обеспечивает лучшую стабильность при производстве биодизеля и возможность повторного использования ( 52 ). Для иммобилизации ферментов доступен ряд методов и носителей, и их выбор зависит от природы фермента и субстрата, а также от типа реакции.Для промышленного применения материалы носителя выбираются на основе свойств текучести, низкой стоимости, нетоксичности и максимальной загрузки биокатализатора при сохранении желаемых характеристик текучести, эксплуатационной прочности, доступности и простоты иммобилизации ( 7 ). Стандартные методы иммобилизации, которые можно использовать при катализируемой ферментами переэтерификации, включают адсорбцию, ковалентное присоединение, захват и перекрестное сшивание ( 53 ). Сообщается о высоких выходах биодизеля в диапазоне от 95 до 100% при использовании иммобилизованных липаз из Pseudomonas cepacia , Thermomyces lanuginosus и Candida antarctica на различных маслах (подсолнечное, рапсовое, и т. Д.)) и спиртов ( 54 56 ). Сообщалось об очень высокой стабильности повторно используемых иммобилизованных липаз (почти без потери активности после 200 циклов) ( 56 ).

Покрытые белком микрокристаллы (PCMC) и агрегаты сшитых ферментов (CLEAs) также являются многообещающими методами иммобилизации ( 57 ). PCMC представляют собой водорастворимые частицы микронного размера, покрытые биокатализатором (ами). Они образуются в ходе одностадийного процесса, при котором происходит одновременная дегидратация и иммобилизация белка на поверхности микрокристаллов ( 57 ).CLEA образуются путем сшивания кристаллов фермента. Благодаря однородным заполненным растворителем каналам во всем твердом микропористом теле кристалла CLEA очень активны. Следовательно, они более стабильны, активны и энантиоселективны, чем их соответствующая солюбилизированная форма ( 58 ). Несколько сообщений об успешном применении этих двух методов иммобилизации для производства биодизеля можно найти в литературе ( 59 63 ). Однако иммобилизованные ферменты намного дороже свободных ферментов ( 50 ).

В попытке избежать сложных требований по извлечению ферментов и очистке для иммобилизации свободной (внеклеточной) липазы иммобилизация целых микробных клеток, содержащих внутриклеточную или мембраносвязанную липазу, была тщательно изучена с целью разработки менее дорогостоящего источника иммобилизованного биокатализатора. для производства биодизеля ( 7 ). Для этого можно использовать доступные промышленные культуры, а приготовление иммобилизованных целых клеток намного дешевле, чем получение иммобилизованных ферментов.Следовательно, это может значительно снизить стоимость переэтерификации ( 7 , 64 , 65 ).

Наиболее часто используемыми биореакторами для производства ферментативного биодизеля являются реактор периодического действия с мешалкой (STR) и реакторы с насадочным слоем (PBR). В STR фермент (свободный или иммобилизованный) диспергируется в реакционной смеси путем перемешивания, тогда как в PBR иммобилизованный фермент помещается в колонку. Оба типа биореакторов могут работать в непрерывном режиме, что снижает эксплуатационные расходы.Непрерывный PBR превосходит периодический PBR благодаря автоматизированному контролю и эксплуатации, снижению затрат на рабочую силу, стабильным условиям работы и простому контролю качества продукции. Другие конфигурации биореакторов включают псевдоожиженный слой, расширяющийся слой, реакторы с рециркуляционной мембраной и статические смесители ( 7 ).

Некаталитическая переэтерификация

Из-за ряда недостатков реакций переэтерификации с помощью катализатора исследования по разработке эффективных некаталитических реакций привлекли некоторое внимание.К настоящему времени описаны два некаталитических процесса переэтерификации: так называемый процесс BIOX (или сорастворитель) и процесс сверхкритического спирта ( 20 ).

Некаталитическая переэтерификация происходит очень медленно из-за низкой растворимости метанола в масле. Эту проблему можно смягчить, используя сорастворитель, растворимый как в метаноле, так и в масле. В этом отношении тетрагидрофуран был выбран в качестве возможного сорастворителя, поскольку он имеет низкую температуру кипения, близкую к метанолу, что позволяет работать при довольно низкой температуре (30 ° C) ( 20 ).В однофазном двухступенчатом непрерывном процессе при относительно низком давлении и температуре как ТГ, так и СЖК успешно превращаются в биодизельное топливо. Однако из-за опасной и токсичной природы тетрагидрофурана его необходимо полностью удалить как из глицерина, так и из биодизеля ( 20 ). Однако сообщалось, что и тетрагидрофуран, и избыток спирта могут быть извлечены за одну стадию ( 66 ).

В процессе сверхкритического спирта некаталитическая переэтерификация осуществляется за счет высокого давления и температуры ( 25 ).В сверхкритических условиях диэлектрическая проницаемость спирта снижается, что увеличивает растворимость ТГ в спирте, что, следовательно, также увеличивает скорость реакции переэтерификации. Эта технология имеет несколько преимуществ: ( i ) нечувствительность к присутствию FFA и воды в реакционной смеси, ( ii ) высокая скорость реакции, ( iii ) непрерывный режим работы и ( iv ) промывка водой. не требуется на этапе восстановления продукта ( 13 ).Однако недостатками процесса сверхкритического спирта являются требования к высокому давлению (20-60 МПа) и температуре (250-400 ° C) с высоким соотношением метанола к маслу (около 42: 1), что увеличивает производственные затраты ( 20 ). Сообщалось об успешном применении технологии сверхкритического метанола для переэтерификации пальмового масла в реакторной системе периодического действия ( 67 ) и для кокосового и косточкового пальмового масла в процессе непрерывной переэтерификации ( 68 ).Кроме того, бескатализаторское превращение рапсового масла в бутиловые эфиры жирных кислот с помощью микроволнового излучения также было изучено, и высокая эффективность переэтерификации рапсового масла 1-бутанолом наблюдалась только в околокритических или сверхкритических условиях ( 69 ).

Выделение и очистка биодизеля

Неочищенное биодизельное топливо, полученное после переэтерификации, представляет собой смесь МЭЖК, глицерина, избытка спирта и примесей мыла, образующихся во время реакции, неизвлеченного катализатора, воды, а также непрореагировавших моно-, ди- и триглицериды ( 70 ).После завершения переэтерификации неочищенное биодизельное топливо оставляют на 8-24 ч для осаждения глицерина. Разделение глицерина осуществляется в основном в декантационных воронках или центрифугированием с последующим удалением избытка спирта дистилляцией или выпариванием при атмосферном давлении или вакууме. Затем биодизельное топливо подвергают стадии промывки, чтобы удалить следы катализатора, мыла, глицерина и других примесей. Обычные методы промывки: промывка с перемешиванием или смешиванием, промывка туманом, промывка пузырьками и промывка при перемешивании ( 70 ).Для получения заданной чистоты биодизеля можно применять как один, так и комбинацию двух или более методов промывки. Существуют также другие методы промывки, такие как промывка фосфорной кислотой, силикагелем, силикатами магния или ионообменными смолами для поглощения примесей ( 70 72 ).

После мойки биодизельное топливо все еще содержит следы воды, которые необходимо удалить из-за проблем с коррозией и гелеобразованием, которые могут повредить дизельный двигатель. Рекомендуется снизить содержание воды в конечном биодизельном топливе до уровня менее 500 мг / л ( 70 ).Удаление воды может производиться отстаиванием, нагреванием и использованием химикатов. Нагревание биодизеля (, например, путем перемешивания при 110-120 ° C в течение примерно 20 минут или 90-110 ° C под вакуумом в течение 20 минут до 1 часа) также помогает удалить оставшийся спирт ( 70 ). Также может быть проведена сушка с использованием осушающих агентов, таких как безводный сульфат натрия и сульфат магния, или молекулярные сита 4 Å. Самый чистый биодизель получается путем дистилляции. Различные фракции МЭЖК собираются при 90-240 ° C под вакуумом или атмосферным давлением ( 70 , 73 ).

ПРОИЗВОДСТВО БИОДИЗЕЛЯ ИЗ


МИКРОБНЫХ ЛИПИДОВ

Обеспокоенность по поводу глобальной нехватки сельскохозяйственных земель для растущего населения и конкуренции производства биотоплива с производством продуктов питания для ценных пахотных земель повысили интерес к производству микробных липидов (также называемых микробными маслами, однокомпонентными). клеточные липиды или одноклеточные масла) в качестве непищевого сырья для производства биодизеля ( 74 ). Микробные масла имеют такой же состав ТГ и ЖК, что и растительные масла.Кроме того, производство микробных масел имеет некоторые технические преимущества, такие как короткий жизненный цикл производства, меньшие затраты труда, меньшая зависимость от сезона и климата и более простой процесс масштабирования ( 75 ).

Микроорганизмы и сырье для производства липидов

Микробные масла производятся многими так называемыми маслянистыми микроорганизмами, которые встречаются среди грибов (плесени и дрожжи), микроводорослей и бактерий ( 76 ). Масляный микроорганизм способен накапливать более 20% «масла» в сухой массе в форме липидов, прежде всего в виде ТАГ и ЖК ( 77 ).Однако не все из них подходят для производства биодизеля ( 78 ). Основные масляные микроорганизмы, используемые для микробного производства масла, описаны в работе Subramaniam et al . ( 79 ). Многие маслянистые микроорганизмы (плесень, дрожжи и бактерии) производят липиды из органических субстратов, богатых сахаром или крахмалом (первое поколение микробного производства масла) или из лигноцеллюлозных материалов (второе поколение). Следовательно, разновидности энергетических культур и отходы сельского хозяйства и промышленности (в основном пищевая промышленность, деревообрабатывающая и бумажная промышленность, и т. Д.)) были исследованы в качестве возможного исходного сырья ( 79 ). Масляные микроводоросли, как автотрофные микроорганизмы, могут продуцировать липиды непосредственно из CO 2 , и это считается третьим поколением производства микробного масла.

Накопление масла в микробных клетках во время роста на органических субстратах является признаком несбалансированного метаболизма. Рост новых клеток с минимальным уровнем липидов будет происходить, если в питательной среде присутствуют все необходимые питательные вещества.Но если источник углерода добавлен в избытке, то некоторые другие питательные вещества в питательной среде станут ограничивающими, и рост клеток будет остановлен. Обычно ограничивающим питательным веществом является азот, обычно в форме NH 4 + ( 80 ), поэтому накопление липидов внутри клетки можно легко регулировать, регулируя соотношение C: N в питательной среде. При высоком соотношении C: N клетки продолжают ассимилировать источник углерода, но азотное голодание остановит синтез белка и нуклеиновых кислот, а затем метаболизм клетки направит избыток углерода на биосинтез липидов и отложение липидов в дискретных липидных телах внутри клетки. в качестве материала для хранения углерода и энергии ( 81 , 82 ).Следовательно, поддержание оптимального соотношения C: N в питательной среде является наиболее важным параметром производства микробного масла.

Среди моносахаридов глюкоза является наиболее распространенным источником углерода, но фруктоза, манноза и галактоза также подходят для роста некоторых видов. Помимо моносахаридов, эффективными источниками углерода также считаются дисахариды (сахароза и лактоза) и полисахариды (, например, крахмал). Патока сахарной свеклы ( 83 , 84 ) и меласса сахарного тростника ( 85 , 86 ) были исследованы как источники углерода для микробного производства масла.Кассава, картофель, топинамбур и сорго также имеют высокое содержание ферментируемых олиго- и полисахаридов. Они изучаются как альтернативное сырье для микробного производства масла, особенно потому, что они способны расти на земле с низкими требованиями к обслуживанию и устойчивыми в долгосрочной перспективе. Тем не менее, конкуренция с производством пищевых продуктов и экономическими соображениями еще предстоит решить ( 87 ).

Многие побочные промышленные продукты, пищевые продукты и другие органические отходы также могут быть использованы в качестве источников углерода для производства липидов, поскольку они являются дешевым сырьем, в изобилии и доступны во многих отраслях промышленности.Однако из-за их неоднородного состава и возможного загрязнения токсичными соединениями их использование для производства микробных масел должно быть тщательно продумано. Большие количества побочного продукта глицерина остаются после реакции переэтерификации в биодизельной промышленности, и, таким образом, потенциал глицерина в качестве углеродного субстрата для производства микробного масла был тщательно изучен ( 82 , 87 ).

Сырье, содержащее лигноцеллюлозу, чаще всего используется в качестве источника углерода для микробного производства масла, которое можно рассматривать как потенциальное биодизельное топливо второго поколения.Производство микробного масла из лигноцеллюлозной биомассы требует трех основных этапов: ( i ) гидролиз лигноцеллюлозы до сбраживаемых сахаров, ( ii ) микробное преобразование сахаров в масло, депонированное в микробных клетках, и ( iii ) производство биодизельного топлива. из микробного масла ( 88 ). Масляные дрожжи и штаммы грибов являются основными исследуемыми организмами в превращении целлюлозы в липиды. Биосинтез липидов — более медленный процесс, чем ферментация этанола.Однако, будучи аэробным процессом, он может без проблем преобразовывать ксилозу в липиды, которые необходимо решать при ферментации лигноцеллюлозного биоэтанола. По-прежнему существует много проблем при культивировании маслянистых штаммов на лигноцеллюлозных гидролизатах: ( i ) наличие различных сахаров в гидролизате, ( ii ) ограниченные концентрации сахаров, ( iii ) потребность в богатых азотом коммерческих ферментах ( целлюлазы и гемицеллюлазы), что ухудшает контроль соотношения C: N, и ( iv ) образование ингибиторов (фурфурол, гидроксиметилфурфурол, фенолы, и др.)) на этапе предварительной обработки ( 89 ). Заявленные теоретические выходы составляют 0,32 г на 1 г сахара из глюкозы и 0,34 г на 1 г сахара из ксилозы ( 90 ), но достигнутые практические выходы составляют около 0,22 г липидов на 1 г глюкозы ( 81 ).

Оптимальные температуры для роста маслянистых микроорганизмов: 25-35 ° C для водорослей, 25-30 ° C для дрожжей и 20-28 ° C для плесени, а оптимальный диапазон pH обычно 6-9 для водорослей и 4- 7 для дрожжей и плесневых грибов ( 89 ).

Масличные дрожжи — одноклеточные грибы, которые могут накапливать более 40% (по массе) масла, а некоторые штаммы дрожжей могут достигать 70% (по массе) в контролируемых условиях. Их можно выращивать на различных сахарах (глюкоза, манноза, фруктоза, галактоза, ксилоза, арабиноза, сахароза или лактоза) и глицерине. Они растут с высокой скоростью, и их масло имеет профиль ТГ, аналогичный профилю растительных масел, хотя он отличается от штамма к штамму ( 79 ).

Дрожжевые штаммы Cryptococcus albidus , Lipomyces lipofera , Lipomyces starkeyi , Rhodosporidium toruloides , Rhodotorula glutinis , Trichosporonullulans и Trichosporon pullulansrow в контролируемых условиях выращивания в условиях и Trichosporon pullulans могут накапливать масла Yarolullulans.Среди ЖК, содержащихся в дрожжевых ТГ, преобладают миристиновая, пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты. Масла этих дрожжей были успешно преобразованы в биодизельное топливо с помощью ферментативных или химических катализаторов ( 91 ). Rhodosporidium sp., Rhodotorula sp. и Lipomyces sp. было обнаружено, что в их сухой биомассе накапливается до 70% липидов. Наиболее эффективные маслянистые дрожжи Cryptococcus curvatus могут накапливать до 90% (по массе) липидов.Для сравнения: Saccharomyces cerevisiae и пищевые дрожжи Candida utilis едва ли могут накапливать более 5-10% (по массе) липидов ( 78 ).

Биомасса некоторых маслянистых нитчатых грибов может быть получена с использованием почти 80% масла в пересчете на сухую массу. Их масла содержат высокую концентрацию γ-линоленовой кислоты (GLA) и арахидоновой кислоты, поэтому они рассматриваются для производства этих ценных продуктов, которые более рентабельны, чем биодизель ( 79 ).Например, липиды, производимые Mortierella isabellina , содержат 20% линолевой кислоты, 20% пальмитиновой кислоты и 50% олеиновой кислоты. M. isabellina было предложено использовать для производства ценных жирных кислот для фармацевтических препаратов, а также для производства биодизельного топлива ( 92 ). Также сообщалось о подобных многообещающих результатах с Mortierella alliacea штаммом YN-15 ( 93 ).

Липиды, продуцируемые бактериями, обычно сильно отличаются от других микробных масел, и только небольшое количество бактерий может производить масла, которые можно использовать для производства биодизельного топлива.Следовательно, бактерии в основном используются для производства некоторых специальных липидов, таких как полиненасыщенные жирные кислоты и некоторые жирные кислоты с разветвленной цепью ( 91 ). Однако такие виды, как Mycobacterium , Streptomyces , Rhodococcus и Nocardia , могут накапливать ТАГ в высоких концентрациях. Бактерии группы Actinomycetes могут накапливать до 70% липидов при выращивании на глюкозе с высоким соотношением C: N ( 79 , 94 ). Также сообщалось, что Gordonia sp.DG может накапливать 72% липидов в конце стационарной фазы, в то время как максимальное содержание липидов, накопленное R. opacus PD630, составляло 80% в начале стационарной фазы ( 86 ).

Для производства биодизеля только маслянистые микроорганизмы с высоким содержанием стеариновой кислоты (C18: 0) и олеиновой кислоты (C18: 1) могут представлять интерес, поскольку они имитируют свойства ценных масел для производства биодизеля. ( 78 ). Для этой цели Neurospora crassa был генетически модифицирован путем удаления гликогенсинтазы и усиления ацетил-КоА-синтазы, что приводит к более чем 2-кратному накоплению ЖК на лигноцеллюлозной биомассе, предварительно обработанной разбавленной кислотой ( 95 ).Это показывает, что потенциал генетической и метаболической инженерии улучшений производства микробного масла, безусловно, многообещающий и все еще далеко не изучен.

Микроводоросли считаются «миниатюрными биохимическими заводами, работающими от солнечного света», и рассматриваются как потенциальный источник биодизельного топлива третьего поколения. Они способны производить большие количества липидов и углеводородов в присутствии солнечного света и углекислого газа из дымовых газов ( 96 ).В целом, объемная доля CO 2 от 2 до 15% оказалась подходящей для поддержания благоприятной скорости роста и выхода липидов ( 87 ). Кроме того, они могут производить несколько различных типов возобновляемого биотоплива, например биодизель, биодизель, получаемый фотобиологически, и метан, получаемый анаэробным перевариванием биомассы водорослей ( 78 ). Многие виды микроводорослей существуют в виде отдельных клеток или простых скоплений из нескольких клеток, что позволяет им быстро расти и накапливать больше масла.Некоторые быстрорастущие виды можно собирать непрерывно на ежедневной основе, что обеспечивает высокую продуктивность биомассы на площади ( 97 ). Многие микроводоросли богаты жирными кислотами омега-3 и омега-6, а также незаменимыми аминокислотами, такими как лейцин, изолейцин, валин, и т. Д. В некоторых микроводорослях может накапливаться более 80% ТГА с богатым профилем жирных кислот. в ТВС C16 и C18 ( 98 ). Среднее содержание липидов колеблется от 1 до 70%, но может достигать 90% от сухой массы при определенных условиях ( 99 ).Однако микроводорослям требуется гораздо больше времени, чем масляным дрожжам или грибам для достижения значительного выхода липидов (по крайней мере, две недели). Следовательно, необходим лучший отбор и / или развитие высокопродуктивных маслянистых микроводорослей, которые способны быстро улавливать и использовать CO 2 , устойчивы к токсичным компонентам, таким как SO x и NO x в дымовых газах. и обладают хорошей приспособляемостью к температурным и световым колебаниям ( 87 ).

Доступны различные методы выделения липидов из водорослей, в том числе обычные, при которых липиды экстрагируются растворителями, а затем превращаются в метиловые эфиры жирных кислот (FAME) посредством переэтерификации .Сложность экстракции липидов из водорослей является лимитирующим этапом этого процесса. Поэтому разрабатываются инновационные методы, такие как метод жидкостной экстракции под давлением ( 100 ) или переэтерификация на месте биомассы в биодизельное топливо ( 101 , 102 ). Метод экстракции жидкостью под давлением был успешно использован для экстракции полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) из Nannochloropsis oculata , где максимальный выход жирных кислот 16,7% по массе наблюдался во время экстракции биомассы водорослей этанолом ( 100 ).

Переэтерификация in-situ биомассы в биодизельное топливо характеризуется экстракцией липидов и переэтерификацией за один этап. Таким образом, можно избежать стадии экстракции липидов по сравнению с обычным процессом экстракции липидов, что положительно сказывается на стоимости промышленного процесса. Этот метод использовался для производства биодизельного топлива из биомассы Botryococcus braunii в обычном реакторе периодического действия (CBR) и реакторе экстракции с обратным холодильником (RER) ( 101 ).В RER наблюдался выход биодизеля на уровне 80,6% по массе, что значительно выше, чем в CBR (64,5% по массе). Эффективность этого метода зависит от температуры, дозировки катализатора и размера частиц сухой биомассы водорослей, а также от использования сорастворителя в реакционной смеси. На основании полученных результатов было замечено, что увеличение выхода FAME связано с уменьшением размера частиц биомассы и увеличением доли сорастворителя в реакционной системе. Кроме того, добавление сорастворителя также вызывает увеличение содержания насыщенных и мононенасыщенных метиловых эфиров и улучшает его стабильность ( 101 , 102 ).

Режимы биопроцесса для микробного производства липидов

Для микробного производства масла были применены различные режимы биопроцесса, такие как периодический, периодический с подпиткой и непрерывный режим. Способ производства является важным параметром для оптимизации производства липидов как с технической, так и с экономической точки зрения ( 82 ). Большинство исследований проводилось с использованием периодического культивирования ( 79 , 81 , 82 , 103 105 ).

Повторные периодические культивирования были изучены Велосо et al. ( 106 ) с использованием Phaeodactylum tricornutum , Chiu et al. ( 107 ) с Nannochloropsis oculata , Hsieh and Wu ( 108 ) с Chlorella sp. И Feng et al. ( 109 ) с Chlorella vulgaris .

Периодический режим с подпиткой — удобный способ получения биомассы в высокой концентрации путем периодической или непрерывной подачи питательных веществ, чтобы избежать ингибирования субстрата или репрессии катаболита ( 79 ).Процесс проводится в два этапа. Первый этап соответствует чистой фазе роста с соотношением C: N питательной среды, оптимизированным для быстрого размножения микробных клеток. Второй этап проводится с высоким соотношением C: N (ограничение азота), что способствует накоплению липидов в уже выращенных клетках ( 82 , 110 , 111 ).

Имеется лишь несколько отчетов о производстве микробного масла в непрерывном режиме. В непрерывном режиме свежая питательная среда непрерывно подается в хорошо перемешиваемый биореактор, а отработанная среда из биореактора одновременно удаляется, чтобы поддерживать постоянный чистый объем реактора.В непрерывном режиме накопление липидов сильно зависит от степени разбавления и соотношения C: N питательной среды ( 82 ). Например, в непрерывной культуре Yarrowia lipolytica , культивируемой на сыром глицерине в непрерывных культурах с ограничением азота, Папаниколау и Аггелис ( 112 ) получили содержание липидов 43% по массе, но с низкой объемной продуктивностью 1,2 г / кг. (L · ч). Кроме того, во время непрерывного культивирования Trichosporon oleaginosus на глюкозосодержащей среде с различным соотношением C: N содержание липидов в клетках составляло более 50% сухой массы клеток при общей продуктивности накопления липидов 0.67 г / (л · ч) ( 113 ). Различные исследования продукции микробных липидов разными штаммами микробов из различного сырья представлены в ( 111 , 114 130 ).

Таблица 1

Различные исследования продукции микробных липидов из различного сырья

9080occe8 9080 9080 9080 9080 9080 908 9080 9080 9080 9080 9080 9080 картофельный крахмал 9080 Xyyerella isabellina5 Предварительная обработка кислотой и щелочью 9129
Ферментативный гидролиз
Смесь глюкозы,
ксилозы и ацетата в качестве источников углерода 90docblcus 90docblcus 9080ocblcus 28,3 9080 908 партия
Виды Источник углерода Режим культивирования w (липид) /% Примечание
Aspergillus oryzae Жмых сахарного тростника Партия 19.6 Предварительная обработка разбавленной кислотой
Ферментативный гидролиз
(114 )
Chlorella pyrenoidosa CO 2 Партия 26,8 26,8 509 )
Cryptococcus sp. Глюкоза Партия 63,5 ( 111 )
Глюкоза Подача с подпиткой 63.5
Кукурузный початок Подача с подпиткой 61,3 Предварительная обработка кислотой
Ферментативный гидролиз
Crytococce 9080 — ( 116 )
Ацетат натрия Партия 24.5
Этанол Партия 24,9
Летучие жирные кислоты 9080 9080 9080 Партия 24,1
Lipomyces starkeyi Глюкоза Партия 23.7 (117 )
Глюкоза Съедобные партии 27,0
Початки кукурузного початка Партия 47,0 Товарный продукт
гидролизата кислоты кукурузного початка
( 118 )
Mortierella isabellina (119 )
Пшеничная солома Партия 53,0 Предварительная обработка разбавленной кислотой ( 120 )
908 64,3 Кислотный гидролиз ( 121 )
Кукурузная солома
Просо
Мискантус
Гигантский тростник
Партия 24.8
35,6
32,2
21,2
Предварительная обработка разбавленной кислотой
Ферментативный гидролиз
Глюкоза и ксилоза как источники углерода
( 122 )
Кукурузная крупа ( 123 )
Mucor plumbeus Жмых сахарного тростника Партия 23.8 Предварительная обработка разбавленной кислотой
Ферментативный гидролиз
( 114 )
Nannochloropsis sp. Городские сточные воды и морская вода Партия 59,9 15% CO 2 аэрация ( 124 )
Rhodococcus opacus PD630 LOBL809.8 Автогидролиз
(предварительная обработка горячей водой)
(125 )
Sweetgum 28,6
Sweetgum 17,5
Rhodosporidium toruloides articus 3 Экстракт артишока J. ( 126 )
Подача с подпиткой 40,1 Экстракт артишока J.
J. гидролизат артишока
-кислотный гидролиз
Rhodosporidium toruloides Кукурузная солома Партия 58.67 Предварительная обработка разбавленной кислотой и щелочью ( 127 )
Растворенный кислород —
— партия с подпиткой
59,81 61,54
Онлайн-партия с подпиткой 58.76
Rhodotorula 90lyce980 1 ( 128 )
партия с подпиткой 60,7
Rhodotorula mucilaginosa 9080 9080 Предварительная обработка разбавленной кислотой
Ферментативный гидролиз
( 114 )
Scenedesmus obliquus CO 2 Партия 24.40 50% CO 2 ( 115 )
CO 2 Партия 38,9 10% CO 2 (8 129 ) Thamnidium elegans Глюкоза Партия 69,5 ( 130 )
Фруктоза 70.4
Сахароза 70,0

Восстановление микробных липидов перед трансэтерификацией, проведенное для восстановления

липидов. После этого клетки можно либо высушить, либо разрушить перед экстракцией липидов.

Для сбора клеток из бульона можно использовать следующие методы: центрифугирование, фильтрация, коагуляция или флокуляция ( 89 ).Сухая биомасса клеток после сбора приводит к более высокому выходу липидов после экстракции — больше, чем экстракция разрушенной влажной биомассы клеток (более низкий выход). Разрушение клеток может быть выполнено путем измельчения, гомогенизации под высоким давлением, обработки ультразвуком, микроволновой обработки, ферментативного гидролиза клеточных стенок и кислотного гидролиза. Все эти методы дорогие, но и сушка тоже. Сбор клеток также является дорогостоящим процессом (особенно при низкой концентрации клеток), поэтому необходимо много улучшений, чтобы сделать извлечение микробных липидов экономичным ( 89 ).

Экстракция липидов проводится с помощью органических растворителей (хлороформ, метанол или гексан), обычно по методу Блая и Дайера или Сокслета ( 89 ). Чтобы избежать энергоемкого восстановления растворителя, экстракцию можно проводить с помощью сверхкритических жидкостей (CO 2 или N 2 ). Сухая или влажная клеточная биомасса также может использоваться для переэтерификации. В этих случаях экстракция и переэтерификация происходят одновременно. Масло из микроводорослей было получено гидротермальным ожижением, и эта технология также предлагается для липидных биоперерабатывающих заводов на основе лигноцеллюлозы ( 89 ).

БИОГАЗ

Производство биогаза — это хорошо известная технология, которая приносит много преимуществ, как экономических, так и экологических, поскольку биогаз — это возобновляемый источник энергии, получаемый за счет дешевой и экологически чистой переработки органических отходов, и он снижает выбросы парниковых газов. Производство биогаза — это также процесс санитарии, который уменьшает количество патогенных микроорганизмов в органических отходах, удаляет запахи и мух и производит органические удобрения, которые приносят экономические выгоды фермерам ( 131 ).Доступность при низких затратах и ​​возможность использовать широкий спектр сырья делает биогаз очень полезным топливом, которое можно использовать для производства тепла, пара, электричества, водорода или даже в качестве транспортного топлива ( 132 ).

Биогаз образуется из органических материалов под действием микроорганизмов в отсутствие воздуха в процессе, называемом анаэробным сбраживанием или метаногенезом. Природа сырья и условия анаэробного сбраживания оказывают значительное влияние на химический состав биогаза.Сырой биогаз в основном содержит метан в количестве от 40 до 75% и диоксид углерода от 15 до 60% ( 133 ). После удаления CO 2 и других примесей, которые, однако, присутствуют в следовых количествах, конечный продукт называется биометаном, обычно содержащим 95-97% CH 4 и 1-3% CO 2 ( 133 ). Биометан может заменить природный газ в качестве сырья для производства химикатов и материалов ( 132 ).

Самый высокий выход биогаза коррелирует с содержанием жира в бульоне, но для преобразования жиров требуется длительное время удерживания из-за их низкой биодоступности.В случае углеводов и белков наблюдаются гораздо более высокие скорости превращения при более низких выходах газа ( 132 ). Количество добываемого газа зависит от нескольких факторов, таких как температура, pH и щелочность, скорость гидравлической и органической нагрузки, токсичные соединения, тип субстрата и общее содержание твердых и летучих твердых веществ ( 134 ). Сильные одревесневшие органические вещества (, например, древесина) не подходят для производства биогаза, поскольку их анаэробное разложение происходит очень медленно ( 132 ).

Анаэробное сбраживание в основном связано с обработкой навоза (коров, свиней, кур, и т.д. ) и осадка сточных вод. Однако для достижения более высокого выхода биогаза сегодня большинство биогазовых установок переваривают навоз с добавлением косубстратов (, например, энергетических культур, органические отходы сельскохозяйственных производств, пищевые отходы, бытовые биоотходы домашних хозяйств, и т. Д. ). ( 132 ). В целом, сельскохозяйственные остатки и навоз составляют более 80% потенциального сырья для производства биогаза ( 132 ).

В 2014 году производство биогаза (по объему) увеличилось до прибл. 58,7 миллиарда Нм 3 (1,27 ЭДж; средний коэффициент плотности энергии 21,6 МДж / Нм 3 ; 0,3584 ПВт · ч) ( 135 ). В производстве биогаза доминируют Европа и Азия, где ведущими производителями являются Германия и Китай, за которыми следуют США ( 135 ). В Европе производится 49,8% мирового биогаза, за которым следуют 31,9% в Азии, 16,7% в Северной и Южной Америке и 1,6% в остальном мире ( 135 ). Сектор биогаза в Европе очень разнообразен.Германия и Великобритания — два крупнейших производителя биогаза в ЕС. Германия производит 92% биогаза из сельскохозяйственных культур и остатков, в то время как Великобритания, Болгария, Эстония и Португалия больше ориентированы на газ, образующийся на свалках и отстойных сточных водах. Другие страны обычно полагаются на более разнообразные комбинации сырья. В Европе большая часть биогаза используется для производства электроэнергии и / или тепла. Согласно статистическому отчету Европейской биогазовой ассоциации (EBA) за 2017 год ( 136 ), производство биогаза значительно увеличилось с 2011 года: производство выросло с 752 ГВт · ч в 2011 году до 17 264 ГВт · ч в 2016 году.Только в Европе в 2016 году производство биогаза увеличилось на 40% (4971 ГВт · ч). В 2016 году наибольший рост производства биогаза наблюдался в Германии (900 ГВт · час), Франции (133 ГВт · час) и Швеции (78 ГВт · час). Некоторые из крупных газодобывающих предприятий очищают биогаз до биометана, который можно доставлять в сеть природного газа или использовать в качестве транспортного топлива. Количество этих объектов растет, особенно в Германии и Австрии. В 2015 году 97 тонн нефтяного эквивалента (тнэ) (1 тнэ = 41,87 ГДж = 11.63 МВт · ч) в Швеции, 30 т н.э. в Германии и 0,5 т н.э. в Австрии биогаза использовалось в качестве транспортного топлива ( 137 ). США являются основным производителем биогаза в обеих Америках с объемом производства 8,48 млрд. Нм 3 . В США действуют 2200 биогазовых установок (в основном очистные сооружения). Однако производство биогаза в последние несколько лет было медленным, хотя по оценкам Министерства энергетики США, в США есть потенциал для строительства более 13 000 заводов (производящих более 40 ТВт · ч электроэнергии).Согласно мировым статистическим данным, производство биогаза значительно увеличилось с 2000 года. В период с 2000 по 2014 год среднегодовой рост производства биогаза составил 11,2% ( 135 ). Прогноз производства биогаза в Европе в 2017 и 2018 годах — это дальнейшее увеличение производства биогаза на 3-5% (в 2018 году ожидается достижение значения 16985 тыс. Тн.т.; 1 тыс. Тнэ = 11,63 ГВт · ч = 41,87 ГДж). Однако ожидается, что биогаз на свалках и из осадка сточных вод будет стагнировать, но производство биогаза из сельскохозяйственного сырья будет увеличиваться ( 137 ).Подобная ситуация, вероятно, будет и на глобальном уровне.

ТЕХНОЛОГИЯ АНАЭРОБНОГО ПИЩЕВАРЕНИЯ


ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА

Анаэробное сбраживание (AD) — это биологический процесс, в котором органическое вещество разлагается рядом микроорганизмов, производящих биогаз в бескислородных условиях ( 138 ). AD можно разделить на четыре стадии (гидролиз, ацидогенез, ацетогенез / дегидрирование и метанирование). Процесс начинается с гидролиза органического материала (разложения сложных органических полимеров до простых растворимых мономеров) внеклеточными ферментами, которые продуцируются гидролитическими микробами.В этом процессе сложные углеводы, белки и липиды гидролизуются до простых сахаров, аминокислот, глицерина и жирных кислот соответственно. Эти небольшие молекулы затем преобразуются посредством ферментации ацидогенными бактериями в смесь летучих жирных кислот (ЛЖК) и спиртов. После этого ацетогенные бактерии преобразуют ЛЖК в ацетат, диоксид углерода и водород. Эти соединения являются субстратами для конечной стадии производства метана, называемой метанированием (или метаногенезом; 139 ).

нашей эры — очень сложный биохимический процесс, который требует большого количества видов бактерий в консорциуме, чтобы гидролизовать и сбраживать органический материал до биогаза. Большинство этих видов являются строгими анаэробами, такими как Clostridia , Bacteriocides и Bifidobacteria , но также могут присутствовать факультативные анаэробы, такие как Streptococci и Enterobacteriaceae ( 132 ). Ацетогенные бактерии, продуцирующие водород, включают такие бактерии, как Acetobacterium woodii и Clostridium aceticum ( 132 ).Метаногенные бактерии производят метан из ацетата, водорода и углекислого газа. Все метаногенные бактерии способны образовывать метан из CO 2 и водорода, но только некоторые виды ( Methanosarcina barkeri , Methanococcus mazei и Methanotrix soehngenii ) могут разлагать ацетат до CH 4 и CO 2 . ( 132 ). Поскольку все микробы в консорциуме тесно связаны друг с другом, процесс фактически может осуществляться в два этапа ( 140 ).Среди четырех микробных групп метаногенные бактерии растут наиболее медленно и наиболее чувствительны к изменениям условий окружающей среды. Это делает метаногенез лимитирующим этапом всего процесса БА. Однако при разложении лигноцеллюлозного сырья из-за его неподатливой структуры гидролиз может стать лимитирующей стадией. По этой причине перед анаэробным сбраживанием требуется предварительная обработка лигноцеллюлозных материалов, чтобы добиться более эффективного микробного разложения целлюлозы и гемицеллюлозы, что в конечном итоге приведет к увеличению выхода биогаза ( 139 ).

Переваривание проводят при мезофильных (35-42 ° C) или термофильных (45-60 ° C) температурах ( 132 ). Колебания температуры отрицательно влияют на биопроцесс, поэтому поддержание температуры необходимо для крупномасштабной операции. Биосинтез метана происходит в относительно узком интервале pH (6,5-8,5) с оптимумом между 7,0 и 8,0. Он может сильно подавляться при pH ниже 6,0 или выше 8,5. Накопление аммиака вызывает повышение pH из-за деградации белка, в то время как накопление VFA связано со снижением pH.ЛЖК являются ключевым промежуточным звеном в процессе, и в высоких концентрациях они могут ингибировать метаногенез.

Молекулы, содержащие углерод, азот, фосфор и серу, считаются макроэлементами. Рост микробной биомассы в AD очень низкий, поэтому соотношение питательных веществ поддерживается на уровне C: N: P: S = 600: 15: 5: 1, соответственно ( 132 ). Такой состав макроэлементов способствует высокой метаболической активности в отношении производства метана. Микроэлементы, такие как кобальт, железо, селен, никель, молибден и вольфрам, считаются микроэлементами, которые важны для оптимального физиологического состояния микробного консорциума, который проводит процесс AD ( 132 ).Добавление микроэлементов имеет решающее значение для AD, когда энергетические культуры используются в качестве единственного субстрата для производства биогаза ( 132 ). Необходимые концентрации микроэлементов крайне низкие, от 0,05 до 0,06 мг / л. Единственное исключение — железо, поскольку его уровень держится в пределах 1-10 мг / л ( 131 , 141 ).

Существует два общих типа биопроцессов AD ( 132 ): ( i ) влажное (или жидкое анаэробное расщепление, , т.е. LAD) и ( ii ) сухое (или твердотельное анаэробное расщепление, i. .е. SS-AD) биопроцесс. В этих биопроцессах могут использоваться различные конфигурации биореакторов, и их в целом можно разделить на три основные группы: () обычные анаэробные биореакторы (биореактор периодического действия с анаэробным секвенированием, биореактор с непрерывным перемешиванием и анаэробный биореактор с поршневым потоком), ( ii ) биореакторы для удержания ила (анаэробный контактный биореактор, биореактор с внутренней циркуляцией, реактор с восходящим потоком анаэробного слоя ила, анаэробный твердотельный биореактор с восходящим потоком, анаэробный биореактор с перегородками) и ( iii ) анаэробные мембранные реакторы (анаэробный биореактор с фильтром , анаэробный реактор с псевдоожиженным слоем и слой расширенного гранулированного ила) ( 142 ).

LAD (или влажные) биопроцессы работают с менее чем 10% общего содержания твердых веществ в бульоне, чтобы обеспечить хорошее перемешивание в баковых варочных котлах ( 132 ). Биопроцессы SS-AD (или сухие) работают в диапазоне содержания твердых веществ 15-35%. Влажные биопроцессы удобнее использовать в непрерывном режиме, и они широко используются в сельскохозяйственном секторе ( 132 ). Биопроцессы LAD имеют более высокую скорость реакции и более короткое время удерживания, но обычно считается, что SS-AD более предпочтителен из-за необходимого меньшего объема реактора, а это подразумевает меньшие затраты энергии и более легкое обращение с отходящими потоками ( 143 ).

Вертикальный реактор непрерывного действия с мешалкой (CSTR) является наиболее распространенной конфигурацией реактора, используемой для LAD ( 132 ). Однородность бульона в CSTR может быть достигнута за счет механического, гидравлического или пневматического перемешивания. Однако механические мешалки (с медленным или быстрым вращением) используются примерно в 90% биогазовых установок. Мешалки с быстрым вращением работают несколько раз в день, в то время как мешалки с медленным вращением работают более или менее непрерывно. Смешивание в CSTR также позволяет контактировать микроорганизмы с субстратом, поднимать пузырьки газа и поддерживать постоянную оптимальную температуру во всем биореакторе.Для предотвращения седиментации и плавающих слоев требуются три или четыре мешалки ( 132 ).

При использовании энергетических культур удобнее проводить АД в двухступенчатой ​​системе биореактора последовательно. На первой стадии биореактор имел высокую загрузку субстрата, а на второй — низкую загрузку субстрата, который обрабатывает дигестат с первой стадии ( 132 ). В двухступенчатой ​​биореакторной системе гидролиз и метаногенез происходят в обоих биореакторах.Однако использование двухступенчатой ​​системы для разделения гидролиза в первом биореакторе может быть выгодным из-за того, что идеальный pH для гидролиза (5,5-6,5) и метаногенеза (6,8-7,2) различается ( 132 , 144 ). ). Этот режим настройки чаще применяется для промышленных и муниципальных органических отходов, а также для твердого навоза ( 132 ). Для AD энергетических культур время гидравлической выдержки необходимо продлить на несколько недель. С этой целью скорость загрузки органического сухого вещества во влажных биопроцессах поддерживается на низком уровне (2-4 кг / (м 3 . день)). Большинство учреждений AD работают с мезофильными микроорганизмами, и лишь в некоторых из них применяются термофильные условия ( 145 ).

Сухие биопроцессы AD, осуществляемые как моноферментация энергетических культур, обычно используют периодический режим работы в сочетании с перколяцией жидкой фазы вместо механического перемешивания в так называемом процессе выщелачивания. Твердый субстрат загружают порциями и инокулируют остатками предыдущей партии ( 146 ). Во время этого биопроцесса AD вода распределяется по субстрату и повторно используется для регулирования влажности и температуры субстрата, а также для проведения инокуляции.После того, как AD закончится, обычно через 3 или 4 недели, дигестат выгружается, чтобы начать новую партию. Три или более биореактора должны работать в параллельном режиме, чтобы обеспечить постоянное и постоянное производство биогаза. Выходы произведенного биогаза сопоставимы с влажным биопроцессом ( 132 , 147 ). Выход метана может быть увеличен за счет использования дополнительного метаногенного биореактора второй ступени в сочетании с биопроцессом выщелачивания ( 148 ). Непрерывные сухие биопроцессы AD также могут применяться для субстратов, содержащих более 25% сухого вещества ( 149 ).Для этой цели можно использовать горизонтальные биореакторы с механическим перемешиванием или вертикальные биореакторы с поршневым потоком. Эти конфигурации биореакторов хорошо известны по анаэробной обработке твердых бытовых отходов ( 150 ). Вертикальные биореакторы перемешиваются потоком субстрата сверху вниз. В верхней части биореактора свежий исходный субстрат смешивается с дигестатом на выходе из нижней части. Поддержание оптимального соотношения дигестата и свежего корма снижает накопление ЛЖК, что обеспечивает более высокую скорость загрузки органического сухого вещества (по сравнению с влажной ферментацией), которая может достигать 10 кг / (м 3 . день) (132 ).

В исследовании Brown et al. ( 151 ), производство метана с различным лигноцеллюлозным сырьем (кукурузная солома, пшеничная солома, просо, листья, макулатура, клен и сосна) оценивалось при жидком анаэробном сбраживании (LAD) и твердофазном анаэробном сбраживании (SS- ОБЪЯВЛЕНИЕ). Авторы не обнаружили значительной разницы в выходе метана между LAD и SS-
-AD, за исключением макулатуры и сосны. Zhu et al. ( 152 ) исследовал совместное сбраживание отходов переработки сои (SPW) и сена в процессе SS-AD.Самый высокий выход метана, составляющий 258 л / кг летучих твердых веществ, наблюдался при использовании соотношения SPW / сено 75:25 и соотношения сырье / сток 3, что было на 148 и 50% выше, чем при использовании SPW или только сена, соответственно. Реакторы CSTR и реакторы с восходящим потоком анаэробного осадка (UASB) были использованы для оценки потенциала гидролизата пшеничной соломы для производства биогаза ( 153 ). В реакторе UASB выход метана достигал 267 мл / г химической потребности в кислороде (ХПК; удаление 72%) при работе со скоростью загрузки органических веществ (OLR) 2.8 г ХПК / (л · день), но только с 10% (по объему) гидролизатом. Авторы также сообщили, что максимальная объемная доля гидролизата не должна превышать 25%. Кроме того, улучшенный выход метана на 219 мл / г ХПК (удаление ХПК 72%) наблюдался при совместном переваривании гидролизата со свиным навозом (соотношение по объему 1: 3). Результаты этого исследования показали, что анаэробное переваривание гидролизата пшеничной соломы в качестве единственного субстрата возможно как в реакторах CSTR, так и в UASB.

Chen et al. Компания ( 154 ) провела эксперименты в погруженном анаэробном мембранном биореакторе с мембраной прямого осмоса (FO-AnMBR) для очистки синтетических сточных вод.Полученные результаты показали, что процесс FO-
-AnMBR может успешно удалить более 96% органического углерода, почти 100% общего фосфора и 62% аммиачного азота.

Bo et al. Компания ( 155 ) предложила новый усовершенствованный процесс производства биогаза, в котором они объединили микробную электролизную ячейку (MEC) и анаэробное сбраживание в однокамерном реакторе. Они задокументировали, что в связанной системе MEC – AD CO 2 , генерируемый из AD, может быть in situ восстановлен на аноде до дополнительных CH 4 гидрогенотрофными метаногенами.Авторами удалось добиться содержания метана более 98%, при этом выход CH 4 был увеличен в 2,3 раза. Кроме того, степень удаления ХПК была увеличена в три раза, а извлечение углерода увеличилось на 56,2%.

Производство биогаза из лигноцеллюлозных материалов

Основными энергетическими культурами, которые в настоящее время используются в промышленных масштабах для производства биогаза, являются сахар и крахмал. Среди них сахарная свекла, кукуруза (зерно) и картофель изучаются наиболее интенсивно, но также сообщалось о многих других менее традиционных крахмалистых культурах с потенциалом использования биогаза ( 138 ).

В последнее время лигноцеллюлозные материалы вызывают больший интерес как потенциальные кандидаты для производства биогаза с по год нашей эры, но широкомасштабное внедрение не получило широкого распространения, в основном из-за сложной структуры клеточных стенок лигноцеллюлозных растений, что делает их устойчивыми. к гидролизу микробной атакой. Следовательно, предварительная обработка лигноцеллюлозного материала является важным шагом для достижения высоких выходов процесса ( 139 , 156 ).

Mirahmadi et al. ( 157 ) изучали производство биогаза из хвойной ели и лиственной березы с использованием предварительной обработки щелочью (NaOH) в мягких рабочих условиях. Предварительная обработка привела к увеличению производства метана из березы и ели на 83 и 74% соответственно. O-Thong et al. ( 158 ) изучали производство биогаза при термофильном анаэробном совместном переваривании пустых гроздей плодов масличной пальмы (EFB) и стоков с завода по производству пальмового масла (POME). Самый высокий выход метана 392 мл / г добавленных летучих твердых веществ (соответствует 82.7 м 3 CH 4 на м 3 смеси) можно ожидать при совместном вываривании обработанного EFB (предварительное замачивание NaOH и гидротермальная обработка) и POME в соотношении 6,8: 1 на основе летучих твердых веществ (соответствующее до 1: 1 по объему). Биоразлагаемость EFB была увеличена на 46% по сравнению с необработанным EFB ( 158 ). Различные отходы сосновых деревьев (хвои, ветки, шишки и кора) предварительно обрабатывали 8,0% (по массе) NaOH при 0 ° C в течение 60 минут или 100 ° C в течение 10 минут для повышения эффективности производства биогаза ( 159 ).Влияние предварительной обработки рисовой соломы гидроксидом аммония и перекисью водорода на AD исследовали Song et al. ( 160 ). Комбинированную предварительную разбавленную кислотно-термическую обработку использовали для превращения жмыха подсолнечника в метан путем мезофильного анаэробного сбраживания ( 161 ). Предварительная обработка стеблей подсолнечника HCl или FeCl 3 при 170 ° C в течение 1 часа увеличивала производство метана на 21 и 29% соответственно ( 162 ). Предварительная обработка водяного гиацинта ( Eichhornia crassipes ) ионной жидкостью и сорастворителем (хлорид 1-N-бутил-3-метилимидазолия и диметилсульфоксид) 49.2% лигнина и увеличили выход биогаза на 97,6% ( 105 ). N-метилморфолин-N-оксид (NMMO), растворитель целлюлозы, который снижает кристалличность целлюлозы ( 163 ), использовали для предварительной обработки ячменной соломы и лесных остатков ( 164 ). Оптимальные условия привели к увеличению теоретического выхода метана на 88 и 83% при использовании ячменной соломы и лесных пожнивных остатков, соответственно. В других исследованиях усвояемость ели, березы, риса, соломы тритикале и лесных остатков также повышалась за счет предварительной обработки 85 или 75% NMMO при 120–130 ° C, что приводило к увеличению выхода биогаза ( 165 167 ) .Производство биогаза из трех лигноцеллюлозных видов сырья (солома озимой ржи, солома масличного рапса и солома фасоли) изучалось в работе Petersson et al. ( 168 ). Это сырье было предварительно обработано мокрым окислением с использованием параметров, ранее признанных оптимальными для предварительной обработки соломы кукурузы (195 ° C, 15 мин, 2 г / л Na 2 CO 3 и давление кислорода 1,2 МПа).

Предварительно обработанная в микроволновой печи остаточная солома (ячмень, яровая и озимая пшеница или овес) была исследована на предмет производства биогаза в ходе лабораторного исследования партии, но результаты показали, что предварительная микроволновая обработка соломы не улучшила показатели AD ( 169 ).Однако Jackowiak et al. ( 170 ) использовал микроволновое излучение для предварительной обработки пшеничной соломы и обнаружил, что оно способно повысить выход метана на 28%. Cesaro et al. ( 171 ) сообщил об использовании сонолиза в анаэробном совместном сбраживании с увеличением выхода метана на 24%. Применение экструдера для увеличения выхода метана из ячменной соломы при производстве биогаза было изучено Hjorth et al. ( 172 ). Экструзия вызывает увеличение производства метана в течение 90 дней.Фактически, влияние экструзии на совокупное производство метана из соломы было большим через 28 дней (70%), но стало статистически незначимым через 90 дней.

В центре внимания биологической предварительной обработки для увеличения производства биогаза при БА, в основном, является использование ферментативной и грибковой предварительной обработки или предварительной обработки микробным консорциумом ( 139 ). Чжао ( 143 ) изучил влияние предварительной обработки грибов с помощью Ceriporiopsis subvermispora на выход метана из дворовых обрезков и сообщил, что это увеличивает выход метана до 154% при влажности 60% и естественной аэрации.Более того, древесно-разлагающийся гриб Auricularia auricula-judae для разложения листьев сладкого каштана ( Castanea sativa ) и сена с использованием анаэробного сбраживания обсуждался в статье Mackuľak et al. ( 173 ). Авторы выявили, что предварительная обработка грибами смеси листьев и сена (в соотношении 1: 2) увеличила производство биогаза на 15% по сравнению с необработанными образцами. Повышение выработки метана из высушенных на солнце остатков маниоки путем биологической предварительной обработки с использованием созданного микробного консорциума было задокументировано Zhang et al. ( 174 ). Их эксперименты в биореакторах периодического действия при 55 ° C показали максимальный выход метана (259,46 мл на г летучих твердых веществ) в смеси предварительно обработанных остатков маниоки и сточных вод ликеро-водочного завода в течение 12 часов предварительной обработки, что на 96,63% выше, чем в контроле. Обычно стерилизация лигноцеллюлозного сырья не требуется при использовании микробного консорциума для предварительной обработки, что делает ее более предпочтительной по сравнению с предварительной обработкой грибков ( 139 ). Ферментативная обработка лигноцеллюлозных отходов, таких как жом сахарной свеклы и отработанный хмель, для улучшения производства биогаза была оценена Ziemiński et al. ( 175 ). Ферментативная обработка жома сахарной свеклы и отработанного хмеля приводит к увеличению общего выхода биогаза на 19 и 13% соответственно. В общем, большинство предварительных биологических обработок не так эффективны, как химические, и время их удерживания относительно велико; таким образом, для коммерческого производства необходимы дополнительные исследования для решения проблем, связанных с эффективностью и производственными затратами ( 139 ).

Остаточная биомасса водорослей (после восстановления продуктов с добавленной стоимостью, таких как пигменты, липиды или биоактивные соединения) также может использоваться для производства биогаза ( 176 ).Потенциал остаточной биомассы водорослей сильно зависит от видового состава водорослей и процесса предварительной обработки для получения ценных продуктов. Однако следует отметить, что остаточная биомасса водорослей может быть напрямую использована в биогазовой установке без процесса сушки. Кроме того, остаток от производства биогаза (дигестат) богат питательными веществами (, например, калий, фосфаты и второстепенные минеральные соединения), и поэтому его можно использовать в качестве зеленого удобрения в сельском хозяйстве ( 176 , 177 ).

Очистка биогаза

В отличие от жидкого биотоплива (биодизель и биоэтанол), этап разделения продукта при анаэробном сбраживании не требуется, поскольку биогаз сам испаряется из жидкости ( 138 ). Помимо метана и диоксида углерода, сырой биогаз также содержит следовые количества других компонентов, таких как вода (5-10%), сероводород (0,005-2%), силоксаны (0-0,02%), галогенированные углеводороды (<0,6%), аммиак (<1%), кислород (0-1%), оксид углерода (<0.6%) и азота (0-2%), и они могут быть неудобными, если их не удалить ( 133 ).

Для очистки и повышения качества биогаза используются различные методы. В методах конденсации обычно используются туманоуловители, циклонные сепараторы или влагоуловители ( 133 ). Для удаления воды в сочетании с пеной и пылью используются такие методы сушки, как адсорбция и абсорбция. Конденсация воды обычно является первым этапом очистки биогаза для его смешивания с природным газом или использования в качестве транспортного топлива.Воду необходимо отделять от биогаза путем адсорбции или абсорбции при более высоком давлении. Чаще всего используется адсорбция на оксиде алюминия или цеолитах. Для удаления H 2 S из биогаза были разработаны различные методы, такие как дозирование воздуха в биогаз или добавление хлорида железа в биореактор ( 133 ). Другие методы используют адсорбцию на гранулах оксида и гидроксида железа или на активированном угле, абсорбцию в жидкостях, мембранное разделение и, реже, биологическую фильтрацию.Однако, чтобы выбрать подходящий метод удаления H 2 S, в первую очередь следует рассмотреть метод удаления CO 2 из биогаза. Метод удаления CO 2 может заключаться в абсорбции аминами, но он требует дополнительной стадии удаления H 2 S. В конце, удаление CO 2 из биогаза обычно выполняется с использованием физической или химической абсорбции CO 2 , адсорбции с переменным давлением, адсорбции с переменным давлением и мембранного разделения. Кроме того, можно производить биометан с помощью криогенной сепарации, охлаждения и сжатия биогаза.Впоследствии следовые компоненты, такие как силоксаны, углеводороды, аммиак, кислород, монооксид углерода и азот, могут потребовать дополнительных этапов удаления, если они не удаляются в достаточной степени другими этапами обработки ( 133 ).

Различные адсорбенты, такие как активированный уголь, силикагель и цеолиты, были испытаны для удаления H 2 S для преобразования биогаза в твердооксидном топливном элементе, где цеолит был лучшим кандидатом на адсорбент ( 178 ). В работе Micoli et al. ( 179 ), модифицированные Cu и Zn цеолиты 13X, полученные ионным обменом или пропиткой, и активированный уголь, обработанный растворами KOH, NaOH или Na 2 CO 3 , были изучены как сорбенты H 2 S для очистки биогаза для заправка топливных элементов с расплавленным карбонатом.Немодифицированные и модифицированные активированные угли были более эффективными сорбентами H 2 S, чем цеолиты, где активированный уголь, обработанный Na 2 CO 3 , был наиболее эффективным сорбентом.

Инновационное применение микроаэрации непосредственно в реакторе UASB для удаления сероводорода из синтетического биогаза сточных вод пивоваренного завода было применено в исследовании Крайзеловой и др. ( 180 ). Авторы добились надежной и стабильной эффективности удаления при длительной эксплуатации, а в микроаэробном реакторе UASB (UMSB) они получили в среднем 73% эффективности удаления H 2 S.

Долейш et al. ( 181 ) изучал использование набухших в воде мембран для одновременного удаления CO 2 , H 2 S и H 2 O из биогаза, и они успешно удалили до 82% (по объему) CO 2 и 77% (по объему) H 2 S из потока сырья при давлении 220 кПа. Разделение CO 2 путем образования клатратного гидрата с помощью раствора тетра- n -бутиламмонийбромида (TBAB) в присутствии тетрафторбората 1-бутил-3-метилимидазолия ([BMIm] BF 4 ) рассматривалось как перспективный и экономически оправданный подход по сравнению с традиционными методами, описанными в работе Li et al. ( 182 ). Эффективность системы промывки водой для удаления CO 2 из биогаза была изучена путем изменения различных параметров процесса, таких как соотношение жидкость / газ, давление, температура и содержание CO 2 ( 183 ). Наиболее выгодным подходом к снижению содержания CO 2 при постоянной скорости притока газа было повышение давления (с 0,8 до 1,2 МПа) в сочетании с понижением температуры. В этих условиях удаление CO 2 может достигать значений от 24.От 4 до 83,2% при содержании CO 2 в моделируемом газе 25-45%.

(PDF) Сухие ферментеры для производства биогаза

[4] Л. Дэн, Ю. Ли, З. Чен, Г. Лю, Х. Ян, Разделение свиного навоза на различные фракции концентрации

и его влияние на биогаз ферментация, аппл. Энергетика 114

(2014) 504–511.

[5] Д. Бользонелла, Л. Инноченти, П. Паван, П. Траверсо, Ф. Чекки, Полусухое термофильное

анаэробное сбраживание органической фракции твердых бытовых отходов: в центре внимания запуск

фаза, Биоресурсы.Technol. 86 (2003) 123–129.

[6] Л. Донг, Ю. Чжэнхун, С. Юнмин, Полусухое мезофильное анаэробное разложение

водосортированной органической фракции твердых бытовых отходов (WS-OFMSW), Биоресурсы.

Technol. 101 (2010) 2722–2728.

[7] F. Abouelenien, Y. Nakashimada, N. Nishio, Сухая мезофильная ферментация куриного помета

для производства метана путем многократного периодического культивирования, J. Biosci.

Bioeng. 107 (2009) 293–295.

[8] С.Куш, Х. Охснер, Т. Юнгблут, Производство биогаза из конского навоза в системах твердофазного сбраживания

, Биоресурсы. Technol. 99 (2008) 12801292.

[9] Р. Котари, А. Пандей, С. Кумар, В. Тьяги, С. Тьяги, Различные аспекты переваривания сухого анаэра для биоэнергетики: обзор, Renew. Поддерживать. Энергия Ред. 39 (2014)

174–195.

[10] J.-C. Motte, E. Trably, R. Escudié, J. Hamelin, J.-P. Steyer, N. Bernet и др., Общее содержание твердых веществ

: ключевой параметр метаболических путей при сухом анаэробном сбраживании,

Biotechnol.Biofuels 6 (2013) 164.

[11] А. Пандей, Твердотельная ферментация, Biochem. Англ. J. 13 (2003) 81–84.

[12] J. Guendouz, P. Buffiere, J. Cacho, M. Carrere, J.-P. Delgenes, Анаэро-

с высоким содержанием сухого остатка, двухкомпонентное разложение: сравнение трех пилотных шкал, Water Sci. Technol. 58 (2008)

1757–1763.

[13] L.F.- Güelfo, C. Alvarez-Gallego, D.S. Márquez, L.R. Гарсия, Запуск термо-

philicdry анаэробного разложения OFMSW с использованием адаптированного модифицированного SEBAC inocu-

lum, Bioresour.Technol. 101 (2010) 9031–9039.

[14] Г.К. Кафле, С. Ким, Анаэробная обработка яблочных отходов свиным навозом для производства биогаза

: периодический и непрерывный режим, Прил. Энергия 103 (2013)

61–72.

[15] Х. Ябу, Ч. Сакаи, Т. Фудзивара, Н. Нишио, Ю. Накашимада, Термофильное двухстадийное сухое анаэробное разложение модельного мусора с очисткой аммиака,

, J. Biosci.

Bioeng. 111 (2011) 312–319.

[16] Y. Li, S.Y. Парк, Дж.Чжу, Твердотельное анаэробное сбраживание для производства метана

из органических отходов, Renew. Поддерживать. Energy Rev.15 (2011) 821–826.

[17] Y. Zhou, C. Li, I.A. Нгес, Дж. Лю, Влияние предварительной аэрации и инокуляции на твердофазное анаэробное сбраживание рисовой соломы

, Биоресурсы. Technol. 224 (2017) 78–86.

[18] J.-C. Мотт, Р. Эскудье, Н. Бернет, Ж.-П. Дельгенес, Ж.-П. Steyer, C. Dumas,

Динамическое влияние общего содержания твердых веществ, низкого соотношения субстрат / инокулят и размера частиц

на анаэробное разложение в твердом состоянии, Bioresour.Technol. 144 (2013) 141–148.

[19] H.K. Ан, М. Смит, С. Кондрад, Дж. Уайт, Оценка потенциала производства биогаза —

тиал путем сухого анаэробного сбраживания смесей навоза проса и животных, Прил.

Biochem. Biotechnol. 160 (2010) 965–975.

[20] М. Ланц, Экономические показатели комбинированного производства тепла и электроэнергии из биогаза

, произведенного из навоза в Швеции  Сравнение различных технологий когенерации,

Прил. Энергия 98 (2012) 502–511.

[21] А.Х. Игони, М. Айотамуно, К. Эз, С. Огаджи, С. Проберт, Конструкции анаэробных метантенков

для производства биогаза из твердых бытовых отходов, Прил. Энергетика 85 (2008)

430438.

[22] П.Дж. Вербелен, Д.П. Де Шуттер, Ф. Дельво, К.Дж. Верстрепен, Ф. Delvaux,

Системы иммобилизованных дрожжевых клеток для непрерывного брожения, Biotechnol.

Lett. 28 (2006) 1515–1525.

86 Биореакторы

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Открытые пруды и закрытые биореакторы

Есть плюсы и минусы, связанные с экономичным коммерческим производством водорослей с использованием закрытых биореакторов и открытых прудов.Один метод лучше, или есть место для обоих?

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США в 1990 году в заключительном отчете о завершении программы по водным видам пришла к выводу, что открытые водоемы с канализационными каналами являются наиболее жизнеспособным решением для массового производства водорослей для переработки в биотопливо, но еще слишком рано определять, стоит ли В конечном итоге преобладают открытые, закрытые или гибридные конструкции выращивания водорослей.

Как правило, открытые водоемы ассоциируются с проблемами загрязнения, чрезмерными требованиями к пространству и ограниченными возможностями размещения из-за климата.В то же время закрытые биореакторы в основном считались слишком дорогими. Было не так уж много места для сомнений в точности отчета NREL, но выровняли ли технологические достижения за последние два десятилетия игровое поле? Возможно, но компании, идущие сегодня по любому пути, по-прежнему сталкиваются с теми же препятствиями, что и их предшественники. Будь то пять, 10 или 20 лет, ключом к экономичному производству биотоплива на основе водорослей является разработка максимально рентабельной модели роста.

Если ограничение света является основной проблемой в достижении коммерческого потенциала водорослей в масштабных коммерческих операциях по выращиванию, то, по словам генерального директора Джозефа Дамена, у компании Bodega Algae из Массачусетса может быть решение.В январе Лаборатория морских водорослей Бодега и Бигелоу в Уэст-Бутбей-Харбор, штат Мэн, получила от Национального научного фонда шестимесячный грант на исследования в области инноваций малого бизнеса в размере 150 000 долларов США на разработку и испытание прототипа для выращивания высоких концентраций водорослей для использования в качестве биотопливо. В частности, Bodega будет использовать средства для разработки передовых фотобиореакторов и добивается «больших успехов», — говорит Дамен. Bodega Algae будет работать над грантом с Лабораторией Бигелоу по изучению океана в Уэст-Бутбей-Харбор, штат Мэн.

Дело закрыто

Одна из основных проблем при выращивании микроводорослей — ограничение света, говорит Дахмен. «Это ограничивает эффективную фотосинтетическую зону объемом в пределах пяти сантиметров от поверхности пруда», — говорит он. «Все, что ниже, как правило, запрещено светом, потому что верхний слой ограничивает попадание света внутрь». То же самое и с фотобиореакторами, добавляет он. «Некоторые люди пробовали различные решения, такие как плоские тарелки или подвесные пакеты, и, по сути, они ограничили объемы культивирования в попытке увеличить соотношение площади поверхности к объему.»

Эти небольшие объемы позволяют свету лучше проникать, по словам Дамена, но проблема в том, что это может привести к биообрастанию (прикрепление организмов к поверхности, контактирующей с водой в течение определенного периода времени) и затратам на перекачивание водорослей. вокруг через небольшие объемы увеличивается. «Мы даем свет водорослям с помощью запатентованной оптики, расположенной внутри реактора», — говорит Дамен. «Объемы выращивания, которые освещены изнутри, позволяют нам выращивать очень эффективно в трех измерениях.»

Биореакторы, с которыми в настоящее время экспериментирует Бодега, представляют собой настольные блоки из акрила. Однако в долгосрочной перспективе компания рассматривает транспортные контейнеры и, возможно, резервуары для хранения нефтяного дистиллята.

Дахмен описывает открытые пруды как «решение первого поколения» для выращивания водорослей. «Они очень требовательны к земле, потому что эффективная площадь выращивания ограничена очень тонким слоем питательной среды, поэтому пруды должны расширяться, становясь очень голодными», — говорит он.«Кроме того, если вы посмотрите на области, получающие большое количество естественного солнечного света или инсоляции, где пруды имеют наибольший смысл, вы столкнетесь с огромными проблемами с испарением, а также перекрестным заражением культур. Когда вы начинаете говорить об акрах и акрах прудов 16 дюймов в глубину, вы увеличили площадь поверхности до такой степени, что потребление земли стало огромной проблемой ».

Однако строительство открытых водоемов относительно дешево по сравнению с биореакторами, говорит Дамен. «Но мы наблюдаем реальную потребность в экономичных фотобиореакторах, которые могут решить проблемы капитальных затрат, предлагая при этом эффективное выращивание в больших объемах.»

Многие другие компании разделяют точку зрения Дахмена, но подходят к биореакторам по-разному. Компания Solix Biofuels, недавно названная частью консорциума Национального альянса перспективных биотоплив и биопродуктов Министерства энергетики США с бюджетом в 44 миллиона долларов, в последние несколько лет привлекла к себе большое внимание. Вместе с Государственным университетом Колорадо компания Solix разработала специализированные фотобиореакторные системы, состоящие из длинных закрытых пластиковых пакетов с водорослями, которые плавают в больших металлических резервуарах, заполненных водой, для контроля температуры и закачиваются CO2 через трубки для оптимизации роста.

Калифорнийская компания OriginOil, еще один претендент на биореактор, заключила соглашение о сотрудничестве с Национальной лабораторией штата Айдахо при Министерстве энергетики США по программе исследования многофазных водорослей. Компания описывает свой Helix BioReactor как передовую систему для выращивания водорослей, которая имеет вращающийся вертикальный вал с низкоэнергетическими лампами, расположенными по спирали / спирали, что приводит к теоретически неограниченному количеству слоев роста.

В то время как эти конкретные компании сосредоточились на разработке биореакторов, некоторые, например, базирующаяся в Вашингтоне компания Bioalgene Inc.использовали оба метода.

Открыт для возможностей

Несколько лет назад производитель самолетов Boeing нанял Bioalgene для исследования местных штаммов региональных штаммов водорослей, которые быстро растут и производят много липидов, на северо-западе США, по словам генерального директора Bioalgene Стэна Барнса. Компания арендовала выведенный из эксплуатации завод по очистке сточных вод, где сейчас тестирует отобранные штаммы. «Это естественные штаммы, у которых уже есть защитные механизмы от хищников и болезней, и они могут процветать в этом регионе», — говорит Барнс.Сейчас, вступая во вторую фазу своего исследовательского проекта, Bioalgene будет выращивать водоросли в более крупных прудах объемом 220 000 галлонов на участке площадью 5 акров в Бордмане, штат Орегон, чтобы проверить различия в методах выращивания и сбора урожая.

Барнс говорит, что на раннем этапе компания построила три биореактора в Сиэтлском университете, и хотя возможность выращивать чистые штаммы была преимуществом, капитальные затраты на создание, обслуживание и очистку прозрачных систем не казались экономическим путем к высокому уровню производства. объемное производство водорослей. Используя исследования NREL в качестве основы для решения компании продвигаться вперед с естественными штаммами в открытых прудах, Барнс говорит, что Bioalgene использовала уже развитые возможности водорослей для получения простой системы, а не сложной системы.«Испарение — это одна из вещей, которые нас беспокоят», — сказал он журналу Biomass Magazine. «Весь вопрос управления водными ресурсами — это сложная задача, и я думаю, вы сможете ее найти где угодно. Одно большое преимущество закрытой системы — отсутствие потерь на испарение».

Адекватная температура и солнечный свет доступны только в определенных регионах в течение ограниченного периода времени, но Барнс говорит, что одно из преимуществ, которые Bioalgene получит от выращивания водорослей на угольной электростанции (помимо использования выбросов гриппа для ускорения роста), заключается в том, что технологическое тепло позволяет расти в декабре, нагревая воду, которую скармливают водорослям.«Пока вода теплая, есть много световой энергии, чтобы поддерживать рост водорослей», — говорит он.

Хотя компания Bioalgene считает, что открытые пруды являются лучшим решением, она будет использовать закрытые реакторы в качестве рассадников для выращивания инокуляционных штаммов в чистых формах перед их введением в пруды. «В целом потенциал увеличения объема, как мы видим, более экономичен (в открытых прудах), чем в больших закрытых системах», — говорит он. Компания Bioalgene ожидает, что ее системы будут способны доставлять более 100 000 тонн водорослей в год.

Но что, если водоросли производятся не для масла? Джим Ойлер, генеральный директор Genifuel Corp. из Юты, говорит, что метод выращивания водорослей зависит от предполагаемого использования. Разработчики масла из водорослей стремятся достичь максимально возможного выхода нефти с использованием определенных штаммов, но выход нефти не важен для Genifuel, поскольку он напрямую преобразует биомассу водорослей в природный газ с помощью процесса газификации, разработанного Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией Министерства энергетики США. .

Комната для обоих

Хотя Genifuel ориентирован на массу, а не на выход масла, выращивание материала как можно дешевле и быстрее является обязательным условием. У компании есть открытые водоемы в Юте, которые в настоящее время закрыты на зимние месяцы, но в прошлом году произвели водоросли. «В нашем случае мы заинтересованы в выращивании как можно большего количества биомассы на единицу площади наших прудов, поэтому наша цель отличается от цели производителей масла из водорослей», — говорит Ойлер. «Нам нравятся быстрорастущие виды водорослей, и во многих случаях это жесткие и агрессивные виды водорослей.Многие производители масла, особенно если они генетически модифицированы, могут быть несколько уязвимыми или уязвимыми, и их легко захватить сорняки ».

Большинство производителей нефти будут настаивать на том, что они могут добиться более быстрого роста в биореакторах, в то же время избегая проблем, связанных с выращиванием на открытом воздухе, включая восприимчивость к паразитам и возможность проникновения агрессивных видов. «Ключевой вопрос в том, сможете ли вы получить достаточно дополнительной производительности биореакторов, чтобы компенсировать дополнительные затраты?» — говорит Ойлер.«Сейчас разрабатываются очень умные конструкции. Solix Biofuels имеет конструкцию, которая не слишком дорогая — более дорогая, чем открытые водоемы, — но она позволяет продуктивно снизить капитальные затраты».

Однако открытые пруды не всегда были последовательными, поскольку у них была пиковая продуктивность, которая не обслуживалась или не достижима в большинстве климатических условий в течение продолжительных периодов времени. «Есть также очень умные конструкции, которые решают некоторые из этих проблем», — говорит Ойлер. «Но для того, чтобы биореакторы окупились, им нужно будет добиться чего-то, что повысит продуктивность открытого пруда вдвое или втрое.Еще предстоит доказать, что это возможно. Теоретически это могло быть возможно, но на самом деле никто не продемонстрировал это в коммерческих масштабах ».

Еще одним преимуществом закрытых систем является то, что они открывают солнечные, засушливые районы, такие как юго-запад, для производства биотоплива. По словам Ойлера, открытые водоемы вряд ли будут работать на юго-западе, потому что потери воды будут огромными. «Фотобиореакторы удерживают воду в замкнутом пространстве, но регулирование температуры по-прежнему необходимо, потому что, если вы разместите закрытую систему в пустыне, там станет очень, очень жарко.»

Хотя проблемы хищников и сорняков были решены с помощью биореакторов, в таких закрытых системах, используемых для выращивания водорослей для других целей, возникли проблемы с восприимчивостью к вирусам и / или атаками бактерий, которые могут вывести всю систему из строя за считанные часы. «Есть способы справиться с этим, но я не верю, что когда-либо полностью решалась в течение длительного периода времени», — говорит Ойлер. «И пруды, и биореакторы сейчас имеют свои преимущества и недостатки. Имеется больше опыта в области наружных систем, но закрытые системы обещают более высокую устойчивую продуктивность, но только в том случае, если они могут преодолеть связанные с этим проблемы, особенно управление температурным режимом или заболевания.»

Аль Дарзинс, главный менеджер группы Национального центра биоэнергетики NREL, разделяет мнение Oyler. В течение последних двух лет исследования водорослей в NREL возродились, включая проекты с Chevron Corp. и Колорадским центром биотоплива и биопереработки, и Дарзинс говорит, что в более отдаленном будущем оба способа производства водорослей будут продолжены.

Вернуться в это

NREL в настоящее время экспериментирует с двумя системами выращивания водорослей — в 270-литровых прудах в теплице и небольшими биореакторами, которые содержат среду для выращивания водорослей при искусственном освещении с помощью CO2.«Однако, когда мы начинаем доводить оба до коммерческой сферы, именно об этом и заключаются споры», — говорит Дарзинс. «Это аргумент, который разгорелся последние несколько лет».

При создании большого количества водорослей в закрытых фотобиореакторах общепринято считать, что материалы, которые используются для их изготовления, будут дорогостоящими, если только производимое топливо не будет дешевым, по словам Дарзинса. «Если вы производите продукт с добавленной стоимостью, который стоит больших денег, тогда имеет смысл выращивать водоросли в закрытом фотобиореакторе», — говорит он.«Сейчас большинство людей думает, что рентабельным способом будут открытые водоемы с желобами, но есть некоторые компании, такие как Solix, которые выращивают свои организмы с помощью гибридной технологии выращивания. Solazyme выращивает водоросли не с помощью солнечного света, а в закрытых помещениях. резервуары для ферментации с сахаром. В этих условиях вы можете получить очень высокую плотность клеток и очень большое количество произведенного масла, но основные вопросы заключаются в том, будет ли это рентабельным и можно ли масштабировать его, чтобы оно было достаточно значимым, чтобы вытеснить 40 миллиардов — нечетные галлоны дизельного топлива, которые мы используем здесь, в США.С.? Где вы собираетесь взять дешевый сахар, чтобы ваши водоросли могли расти? »

Некоторые считают, что, когда технология производства лигноцеллюлозного этанола станет зрелой, сахара, извлеченные из кукурузной соломы и энергетических культур, можно будет подавать в биореакторы, чтобы снизить стоимость производства водорослей. «Этой технологии еще нет», — говорит Дарзиньш. «Есть много различных технологий, которые люди изучают, но в целом преобладающий метод сейчас — это открытые водоемы».

Дарзинс считает, что если кто-то сможет разработать по-настоящему новые биореакторы, недорогие в изготовлении и обслуживании при изоляции очень продуктивных организмов, тогда, возможно, имеет смысл выращивать водоросли таким образом, особенно в более северных широтах.В отношении того, являются ли генетически модифицированные организмы продуктивными или нет, Дарзин не продается. «Мы думаем, что мать-природа занималась инженерной биологией на протяжении миллионов и миллионов лет, и есть несколько очень интересных организмов, которые нам просто нужно открыть», — говорит он. «За последние четыре года водорослевое биотопливо привлекло внимание общественности и научных кругов, и [его жизнеспособность] действительно зависит от того, сможем ли мы производить его экономически эффективным и устойчивым образом с точки зрения землепользования, водопользования и использования питательных веществ; мы просто необходимо сделать все возможное, не конкурируя с сельским хозяйством.Мы точно не слышали об этих дебатах «.

Анна Остин — младший редактор журнала Biomass Magazine. Свяжитесь с ней по адресу [email protected] или (701) 738-4968.

Биогаз — возобновляемый природный газ — Управление энергетической информации США (EIA)

Биогаз из биомассы

Биогаз — это богатый энергией газ, получаемый в результате анаэробного разложения или термохимического преобразования биомассы. Биогаз состоит в основном из метана (Ch5), того же соединения, что и природный газ, и диоксида углерода (CO2).Содержание метана в неочищенном (неочищенном) биогазе может варьироваться от 40% до 60%, при этом СО2 составляет большую часть остатка вместе с небольшими количествами водяного пара и других газов. Биогаз можно сжигать непосредственно в качестве топлива или обрабатывать для удаления CO2 и других газов для использования так же, как природный газ. Очищенный биогаз может называться возобновляемым природным газом или биометаном .

Анаэробное разложение биомассы происходит, когда анаэробные бактерии — бактерии, которые живут без свободного кислорода, поедают и расщепляют или переваривают биомассу и производят биогаз.Анаэробные бактерии естественным образом встречаются в почвах, в водоемах, таких как болота и озера, а также в пищеварительном тракте людей и животных. Биогаз образуется и может собираться на свалках твердых бытовых отходов и в прудах для хранения навоза. Биогаз также можно производить в контролируемых условиях в специальных резервуарах, называемых анаэробными варочными котлами . Материал, оставшийся после завершения анаэробного переваривания, называется дигестатом, он богат питательными веществами и может использоваться в качестве удобрения.

Термохимическое преобразование биомассы в биогаз может быть достигнуто за счет газификации. Министерство энергетики США поддерживает исследования по газификации биомассы для производства водорода.

Биогаз может квалифицироваться как возобновляемое топливо для производства электроэнергии в государственных стандартах портфеля возобновляемых источников энергии. Он также подпадает под стандартную программу США по возобновляемым источникам топлива как передовое или целлюлозное биотопливо и по Калифорнийскому стандарту на низкоуглеродистое топливо как сырье для низкоуглеродного топлива.Почти весь биогаз, потребляемый в настоящее время в Соединенных Штатах, производится в результате анаэробного разложения и используется для производства электроэнергии.

Сбор и использование биогаза со свалок

Свалки твердых бытовых отходов являются источником биогаза. Биогаз вырабатывается естественным путем анаэробными бактериями на полигонах твердых бытовых отходов и называется свалочным газом . Свалочный газ с высоким содержанием метана может быть опасен для людей и окружающей среды, поскольку метан легко воспламеняется.Метан также является сильным парниковым газом. Биогаз содержит небольшое количество сероводорода, вредного и потенциально токсичного соединения в высоких концентрациях.

Источник: адаптировано из проекта Национального энергетического образования (общественное достояние)

В США нормы Закона о чистом воздухе требуют, чтобы на полигонах твердых бытовых отходов определенного размера была установлена ​​и эксплуатировалась система сбора и контроля свалочного газа.Некоторые свалки сокращают выбросы свалочного газа за счет улавливания и сжигания или сжигания свалочного газа. При сжигании метана в свалочном газе образуется CO2, но CO2 не является таким сильным парниковым газом, как метан. Многие свалки собирают и обрабатывают свалочный газ для удаления CO2, водяного пара и сероводорода и используют его для выработки электроэнергии или продажи в качестве заменителя природного газа.

По оценкам Управления энергетической информации США (EIA), в 2019 году около 257 миллиардов кубических футов (Bcf) свалочного газа было собрано на 336 U.S. свалки и сжигаются для выработки около 10,5 миллиардов киловатт-часов (кВтч) электроэнергии, или около 0,3% от общего объема выработки электроэнергии коммунальными предприятиями США в 2019 году.

Биогаз от очистки сточных вод и промышленных сточных вод

Многие муниципальные очистные сооружения и производители, такие как бумажные фабрики и предприятия пищевой промышленности, используют анаэробные варочные котлы как часть своих процессов обработки отходов. Некоторые очистные сооружения и промышленные предприятия собирают и используют биогаз, произведенный в анаэробных варочных котлах, для нагрева варочных котлов, что усиливает анаэробный процесс сбраживания и уничтожает патогенные микроорганизмы, а некоторые используют его для выработки электроэнергии для использования на предприятии или для продажи.По оценкам EIA, в 2019 году 65 таких предприятий по переработке отходов в Соединенных Штатах произвели в общей сложности около 1 миллиарда кВтч электроэнергии.

Анаэробные варочные котлы на очистных сооружениях Линкольна, Небраска

Источник: Линкольн, правительство Небраски (защищено авторским правом)

Анаэробный варочный котел на молочной ферме

Источник: Университет штата Мичиган (защищен авторским правом)

Использование биогаза из отходов животноводства

Некоторые молочные фермы и животноводческие хозяйства используют анаэробные варочные котлы для производства биогаза из навоза и подстилки из коровников.Некоторые животноводы закрывают свои навозные пруды (также называемые лагунами для навоза ), чтобы улавливать биогаз, который образуется в лагунах. Метан, содержащийся в биогазе, можно сжигать для обогрева воды и зданий, а также в качестве топлива в дизельных генераторах для выработки электроэнергии для фермы. По оценкам EIA, в 2019 году 25 крупных молочных и животноводческих предприятий в Соединенных Штатах произвели в общей сложности около 224 млн кВтч (или 0,2 млрд кВтч) электроэнергии из биогаза.

Последнее обновление: 4 ноября 2020 г.

взаимосвязь между метаногенными и сульфатредуцирующими микроорганизмами

Производство высококачественного метана зависит от многих факторов, включая температуру, pH, субстрат, состав и взаимоотношения микроорганизмов.Качественный и количественный состав метаногенных и сульфатредуцирующих микроорганизмов и их взаимосвязь в экспериментальных биореакторах никогда не изучались. Целью этого исследования было впервые охарактеризовать разнообразие метаногенных микроорганизмов и сульфатредуцирующих бактерий, а также изучить их взаимосвязь и производство биогаза в экспериментальных биореакторах. Проведена амплификация фрагментов гена 16S рРНК. Очищенные ампликоны секвенировали по парным концам на платформе Illumina Mi-Seq.Доминирующие морфотипы этих микроорганизмов в биореакторе были гомологичны (99%) последовательностям гена 16S рРНК генам Methanosarcina , Thermogymnomonas , Methanoculleus и Archaeon , депонированным в GenBank. В биореакторе были обнаружены три доминирующих рода сульфатредуцирующих бактерий: Desulfomicrobium , Desulfobulbus и Desulfovibrio . Были построены филогенетические деревья, показывающие их генетическое родство.Исследовано разнообразие и количество родов, производство метана, сероводорода и водорода в биореакторе. Это исследование важно для понимания взаимосвязи между популяциями метаногенных микробов и другими физиологическими группами бактерий, их конкуренции с субстратом и, в свою очередь, может быть полезным для контроля метаногенеза в биореакторах.

Ссылки

[1] Шерер П.А., Фоллмер Г.Р., Фахури Т., Мартенсен С., Разработка метаногенного процесса для исчерпывающего разложения органической фракции городских серых отходов в термофильных и гипертермофильных условиях, Water Sci.Technol., 2000, 41, 83-91. Поиск в Google Scholar

[2] Шинк Б., Энергетика синтрофного взаимодействия при метаногенной деградации, Microb. Мол. Биол. Rev., 1997, 61, 262-280 Поиск в Google Scholar

[3] Вейланд П. Производство биогаза: текущее состояние и перспективы, Прил. Microbiol. Biotechnol., 2010, 85, 849-860. Поиск в Google Scholar

[4] Уилки А., Биометан из биомассы, биологических отходов и биотоплива, 195-205. In Wall J., Harwood C., Demain A. (ed.), Биоэнергетика. ASM Press, Вашингтон, 2008 г. Поиск в Google Scholar

[5] 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. Министерство сельского хозяйства США по развитию сельских районов, 2005 г. Поиск в Google Scholar

[6] Кушкевич И., Диссимиляционная сульфатредукция кишечных сульфатредуцирующих бактерий, Studia Biologica, 2016, 10 (1), 197-228. Поиск в Google Scholar

[7 ] Бартон Л.Л., Гамильтон В.А., Сульфатредуцирующие бактерии. Экологические и инженерные системы. Cambridge University Press, 2010, 553 Поиск в Google Scholar

[8] Аринг Б., Ибрагим А.А., Младеновска З., Влияние повышения температуры с 55 до 65 ° C на производительность и динамику микробной популяции анаэробного реактора для обработки навоза крупного рогатого скота . Water Resour., 2001, 35, 2446-2452. Поиск в Google Scholar

[9] Зиемински К., Фроц М., Процесс метановой ферментации как анаэробное переваривание биомассы: трансформации, стадии и микроорганизмы.African J. Biotech., 2012, 11 (18), 4127-4139 Поиск в Google Scholar

[10] 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

[11] 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 Искать в Google Scholar

[12] Jackel U., Таммес К., Кампфер П. Производство и окисление термофильного метана в компосте. FEMS Microbiol. Ecol., 2005, 52, 175-184. Поиск в Google Scholar

[13] Сантош Ю., Срикришнан Т.Р., Кохли С., Рана В., Увеличение производства биогаза из твердых субстратов с использованием различных методов, Bioresour. Technol., 2004, 95, 1-10 Поиск в Google Scholar

[14] Гриффин М.Э., МакМахон К.Д., Маки Р.И., Раскин Л., Динамика метаногенного населения во время запуска анаэробных варочных котлов, обрабатывающих бытовые отходы почвы и твердые биологические вещества.Biotechnol. Eng., 2000, 57, 342-355. Поиск в Google Scholar

[15] Grothenhuis JT, Smith M., Plugge CM, Yuansheng X., Lammeren AA, Stams AJ, et al., Бактериологический состав и структура гранулированного ила адаптирован к разным основаниям. Прил. Environ. Microbiol., 1991, 57, 1942-1949 Искать в Google Scholar

[16] Ильин В.К., Корнюшенкова И.Н., Старкова Л.В., Лауринявичюс К.С., Исследование метаногенеза при биоутилизировании растительных остатков. Acta Astronautica, 2005, 56, 465-470 Искать в Google Scholar

[17] Zeikus J.Г., Биология метаногенных бактерий, Бакт. Rev., 1977, 41, 514-541. Поиск в Google Scholar

[18] Амон Т., Амон Б., Криворучко В., Цоллич В., Майер К., Грубер Л., Производство биогаза из кукурузы и навоза молочного скота. — влияние состава биомассы на выход метана, Сельское хозяйство. Ecosys.Environ., 2007, 118, 173-182. Поиск в Google Scholar

[19] Чиновет Д.П., Турик С.Е., Оуэнс Дж. М., Джергер Д. Е., Пек М. В., Биохимический метановый потенциал биомассы и исходных отходов, Biomass Bioen., 1993, 5, 95-111 Искать в Google Scholar

[20] Кушкевич И.В., Влияние сероводорода в различных концентрациях на процесс диссимиляционного восстановления сульфата бактериями Desulfovibrio piger , Научные заметки Тернопольского национального университета им. Пед. Univ. Series Biol, 2013, 4 (57), 74-80 Искать в Google Scholar

[21] Кушкевич И.В., Диссимиляционное восстановление сульфата различными Desulfovibrio sp. штаммы кишечника человека, Microbiol. and Biotechnol., 2013, 3 (23): 50-63 Искать в Google Scholar

[22] Кушкевич И.В., Диссимиляционная сульфатредукция у бактерии Desulfovibrio piger Vib-7 под действием среды с дифференциальной кислотностью, American J. Microbiol. И Биотехнология, 2014, 1 (2), 49-55. Искать в Google Scholar

[23] Чешский институт стандартов. Характеристика отходов — Расчет сухого вещества путем определения сухого остатка или содержания воды ČSN EN 14346, 2007 Искать в Google Scholar

[24] Чешский институт стандартов. Характеристика отходов — Определение потерь от возгорания в отходах, илах и отложениях ČSN EN 15169, 2007 Искать в Google Scholar

[25] Чешский институт стандартов.Характеристика осадка — Определение значения pH ČSN EN 12176, 1999 Поиск в Google Scholar

[26] Nossa CW, Oberdorf WE, Yang L., Aas JA, Paster BJ, Desantis TZ и др., Дизайн 16S рРНК генные праймеры для 454 пиросеквенирования микробиома передней кишки человека, World J. Gastroenterol., 2010, 16 (33), 4135-4144 Поиск в Google Scholar

[27] Caporaso JG, Kuczynski J., Stombaugh J., Bittinger K. , Bushman FD, Costello EK, et al., QIIME позволяет анализировать высокопроизводительные данные секвенирования сообщества.Nat. Методы, 2010, 7 (5), 335-336. Поиск в Google Scholar

[28] Альтшул С.Ф., Гиш В., Миллер В., Майерс Е.В., Липман Д.Д., Базовый инструмент поиска локального выравнивания. J. Mol. Biol., 1990, 215 (3), 403-10. Поиск в Google Scholar

[29] Кирс М., Мойр Р., Уилсон А., Стоунс-Хавас С., Чунг М., Стуррок С. и др. ., Geneious Basic: интегрированная и расширяемая настольная программная платформа для организации и анализа данных последовательностей. Биоинформатика, 2012, 28 (12), 1647-9 Поиск в Google Scholar

[30] Ларкин М.А., Блэкшилдс Г., Браун Н.П., Ченна Р., МакГеттиган П.А., МакВильям Х. и др., Кластал У. и Clustal X, версия 2.0. Биоинформатика, 2007, 23 (21), 2947-8 Поиск в Google Scholar

[31] Чен П.Ю., Попович П.М. Корреляция: параметрические и непараметрические измерения. Серия статей Университета Сейдж по количественным приложениям в социальных науках, 2002 г. Поиск в Google Scholar

[32] Бейли Н.Т.Дж., Статистические методы в биологии, третье изд. Cambridge University Press, Кембридж, 1995 г. Поиск в Google Scholar

[33] Ито Т., Йошикава Н., Такашина Т., Thermogymnomonasacidicola gen. nov., sp. nov., новый термоацидофильный архей без клеточной стенки в порядке Thermoplasmatales , выделенный из сольфатарной почвы в Хаконе, Япония, Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 2007, 57 (11), 2557-61 Поиск в Google Scholar

[34] Маус И., Вибберг Д., Винклер А., Пюлер А., Шнюрер А., Шлютера А., Полная последовательность генома Methanogen Methanoculleus bourgensis BA1, выделенный из генома биогазового реактора, Объявления, 2016, 4 (3) e00568-16 Искать в Google Scholar

[35] Кушкевич И.В., Дозозависимый эффект акцептора и донора электронов на диссимиляционное восстановление сульфата бактериями Desulfovibrio piger Vib-7 кишечника человека, Studia Biologica, 2014, 8 (1), 103-116 Search in Google Scholar

[36 ] Кушкевич И.В., Рост десульфомикроба sp. штаммы, их использование сульфатов и лактатов, продукция сульфидов и ацетатов штаммами, выделенными из толстой кишки человека, Microbiol. Discovery, 2014, 2, 1-8 Искать в Google Scholar

[37] Кушкевич И., Болис М., Бартош М., Модельная характеристика кинетических параметров диссимиляционного восстановления сульфата под действием различной начальной плотности бактериальных клеток Desulfovibrio piger Vib-7, The Open Microbiol. J., 2015, 9, 55-69. Поиск в Google Scholar

[38] Ферри Дж., Метаногенез: экология, физиология, биохимия и генетика, Chapman & Hall Inc., Нью-Йорк, 1993 Поиск в Google Scholar

[39 ] Конвей де Макарио Э., Медер Д.Л., Макарио А.J.L., Нарушение шаблона: археи со всеми четырьмя системами шаперонирования, Biochem. и Biophys. Res. Commun., 2003, 301, 811-812. Поиск в Google Scholar

[40] Янике С., Андер К., Бекель Т., Бисдорф Р., Дрёге М., Гартеманн К.Х. и др., 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

[41] Штольце Ю., Закшевский М., Маус И. , Эйкмейер Ф., Янике С., Роттманн Н.и др., Сравнительная метагеномика микробных сообществ, производящих биогаз, на промышленных биогазовых установках, работающих в условиях влажной или сухой ферментации, Biotechnol. Biofuels, 2015, 8, 14 Искать в Google Scholar

[42] Вестерхольм М., Левен Л., Шнюрер А., Биоаугментация синтетической ацетат-окисляющей культуры в биогазовых реакторах, подвергающихся воздействию возрастающих уровней аммиака, Прил. Environ. Microbiol., 2012, 78, 7619-7625 Искать в Google Scholar

[43] Вестерхольм М., Мюллер Б., Исакссон С., Шнюрер А., Влияние микроэлементов и температуры на микробные сообщества и связь с производительностью биогазового реактора при высоких уровнях аммиака, Biotechnol. Biofuels, 2015, 8, 154 Поиск в Google Scholar

[44] Моштедт Дж., Мюллер Б., Вестерхольм М., Шнюрер А., Порог аммония для ингибирования анаэробного переваривания тонкой барды и важность скорости загрузки органических веществ, Microb . Biotechnol., 2016, 9, 180-194 Искать в Google Scholar

[45] Фотидис И.А., Каракашев Д., Ангелидаки И., Биоаугментация с анацетат-окисляющим консорциумом в качестве инструмента для решения проблемы ингибирования аммиаком анаэробного переваривания, Bioresour Technol., 2013, 146, 57-62. Поиск в Google Scholar

[46] Шнюрер А., Шинк Б. Х., Свенссон Б. Х. , Clostridium ultunense sp. nov., мезофильная бактерия, окисляющая ацетат в синтрофной ассоциации с гидрогенотрофной метаногенной бактерией, Int. J. Syst. Bacteriol., 1996, 46, 1145-1152 Искать в Google Scholar

[47] Fotidis I.А., Ван Х., Фидель Н.Р., Луо Г., Каракашев Д.Б., Ангелидаки И., Биоаугментация как решение для увеличения производства метана из богатого аммиаком субстрата, Environ.

Оставить комментарий