ТЕХНИЧЕСКАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА

Современная энергетика является топливной. Около 98 % про­изводимой в мире и потребляемой энергии дают уголь, нефть и при­родный газ, и только 2 % — атомная и гидроэнергетика. Постоянно растущие темпы добычи и расхода ископаемых органических топлив приводят, с одной стороны, к резкому сокращению их запасов и, с другой стороны, к тепловому и углекислотному загрязнению биосфе­ры вследствие выведения в атмосферу дополнительных количеств тепла и СО₂- С проблемами современной энергетики тесно связано решение задач по охране окружающей среды. Необходимо разработать науч­ные методы и технологии получения энергии при одновременном со­кращении выбросов в атмосферу.

Получение биогаза биотехнологическими

Методами

Получение биогаза, основным компонентом которого (до 80 — 85 %) является метан, — сложный бактериальный процесс, протекаю­щий в анаэробных условиях. В нем участвуют разнообразные по фи-

зиолого-биохимическим свойствам микроорганизмы. Венцом таких ассоциаций являются метаногены — древнейшие представители так называемых архебактерий.

Свойства метанобразующих бактерий. Полагают, что метапоб-разующие бактерии, или метаногепы, возникли около 3,0 — 3,5 млрд лет назад и достигли расцвета в архее.

Сейчас эти микроорганизмы имеют достаточно широкое распрост­ранение, но только в анаэробных условиях. Вместе с другими бакте­риями они активно участвуют в деструкции органических веществ в различных экологических нишах: в болотном, речном и озерном иле, в осадках морей и океанов, в искусственных технических сооружени­ях — метантенках, в рубце жвачных и пищеварительном тракте рядадругих животных.

К настоящему времени удалось выделить в виде чистых культур более двадцати метанобразующих бактерий, причем обнаруживаются все новые виды. Среди них есть организмы, клетки которых близки к сферическим, образующие агрегаты, похожие на сарцин, ланцетовидные, палочковидные и нитевидные формы. Большинство неподвижны, но некоторые проявляют способность к движению в результате наличия жгутиков.

Как и другие архебактерий, метаногены отличаются от остальных прокариот (эубактерий) составом ряда компонентов клеток, в том числе клеточной стенкой, не содержащей муреина, а также характером липи-дов, в которые не входят жирные кислоты. Большую часть нейтраль­ных липидов составляют простые эфиры глицерина и длишюцепочеч-ного спирта фитанола.

Все метанобразующие бактерии — строгие анаэробы. Некоторые из них — мезофилы, другие, растущие при 60 — 80 °С и более высо­кой температуре, — термофилы. К числу последних относится, напри­мер, М. thermoautotrophicum. Оптимальное значение рН для роста разных видов — 6,5 — 8,0. Некоторые штаммы способны расти при наличии в среде до 5 — 7 % и более NaCl.

Как источник серы бактерии чаще всего используют сульфид, а как источник азота — аммоний. Некоторые виды нуждаются для ро­ста в наличии дрожжевого автолизата или смеси витаминов. Извест­ны также метанобразующие бактерии, для развития которых необхо­димо присутствие ацетата и (или) других органических веществ. Но многие из этих микроорганизмов могут расти в автотрофных услови­ях (при наличии в качестве единственного источника углерода угле­кислоты).

Важная особенность метаногенов — способность активно раз­виваться в анаэробных условиях в тесном симбиозе с другими груп­пами бактерий, создающими для них благоприятные условия и обес­печивающими необходимыми субстратами для роста и синтеза мета­на.

Технология получения метана. Технологически метановое бро-

жеиие подразделяют на созревание метанового биоценоза и фермен­тацию. В течение первого этапа развиваются бактерии, участвующие в анаэробном разложении исходных органических веществ и продук­тов их распада. В результате деятельности этих микроорганизмов создаются оптимальные условия для активного биосинтеза метана.

Несмотря на сложность и далеко не полную изученность, такая биологическая система достаточно надежна и проста для получения биогаза в промышленных масштабах.

Метановое брожение жидких органических веществ осуществляется в строго анаэробных условиях при 30 — 40 °С (мезофильный про­цесс) или 52 — 60 °С (термофильный процесс). Ферментацию прово­дят в реакторах (метаптеиках) объемом от одного до нескольких ты­сяч кубических метров. Метаптеики выполняются из железобетона или металла, могут иметь разную форму и конструкцию — от куби­ческой до цилиндрической, расположены горизонтально или верти­кально. Лучшей признается яйцеобразная конструкция. Фермента­ция протекает непрерывно, полупериодически и периодически. Схема биогазовых установок для переработки жидких субстратов представ­лена на рис. 13.

Жидкие отходы

Биогаз

Рис. 13. Схема биогазовых установок для переработки жидких субстратов

Сырье, содержащее 2 — 12 % органических веществ, подается в метаитенк через теплообменник, где оно подогревается или охлажда­ется до температуры ферментации. Место его введения в реактор и отбора сброженной массы зависит от конструкции метантеика.

Реакторы снабжаются мешалками для перемешивания бродящей массы с целью ускорения процессов и теплообменниками для поддер-

жапия необходимой температуры внутри реактора. Образующиеся газы удаляются через газовый колпак, расположенный в верхней части ме-таитеика. Газ, содержащий 50 — 85 % метана и 15 — 50 % СО₂, по газопроводу поступает в газохранилище — газгольдер, откуда подает­ся в газовую сеть.

В последние годы в практику внедряются технологии, основанные на разделении процесса метанового брожения на стадии — кислот­ную и метановую фазы. Двухфазный процесс осуществляется в двух реакторах, соединенных последовательно. Скорость поступления сы­рья и объемы реакторов рассчитываются так, чтобы в первом протека­ла только стадия образования кислот, значение рН среды не должно быть выше 6,5. Такая бражка подается во второй реактор, в котором с большой скоростью происходит непосредственно образование метана. Двухфазный процесс позволяет увеличить его общую скорость в два-три раза. Иногда в практике при его использовании с целью дополни­тельного получения товарного биогаза процесс брожения в первом ферментере проводят при 35 — 37 °С, во втором — при 55 °С. При нормальных условиях ферментации па каждую тонну сброженного органического вещества образуется до 300 — 600 м³ биогаза. Процент разложения органических веществ до метана зависит от скорости про­цесса и времени выдерживания сырья в реакторе, обычно эта величи­на равна 30 — 60 %.

Концентрация метана в образующемся биогазе зависит от хими­ческого состава субстрата: углеводы дают больше углекислого газа, жиры — больше метана (до 85 %). Чем полнее восстановлен субстрат, тем выше концентрация метана.

Метановое брожение — процесс эндотермический, требует по­стоянного подогрева для поддержания необходимой температуры фер­ментации. Как правило, метаитеики и сырье подогреваются за счет сжигания образующегося биогаза. В среднем па поддержание требуе­мой температуры ферментации расходуется от 15 — 20 (мезофильный процесс) до 30 — 50 % (термофильный процесс) биогаза. Поэтому одним из важных моментов эксплуатации метантенков является их хорошая теплоизоляция.

Рассмотренный выше процесс метанового брожения касался ис­пользования только жидких субстратов. В последние годы активно развивается технология твердофазной метаигеиерации, или получе­ние биогаза, при деструкции органических веществ с влажностью 30 — 40 %. Такие процессы уже имеют практическое применение в США и некоторых странах Западной Европы, например, при переработке го­родского твердого мусора. Основными условиями при этом выступа­ют анаэробиоз и необходимая влажность.

Биогаз кроме метана и углекислого газа может содержать приме­си сероводорода (до 2 %), что требует его соответствующей очистки.

Теплотворная способность биогаза составляет 5 — 7 ккал/м³ и зависит от концентрации в нем СО₂. Один кубический метр биогаза

эквивалентен 4 кВт/ч электроэнергии, 0,62 л керосина, 1,5 кг угля, 3,5 кг дров, 0,43 кг бутана. Он может быть использован для получе­ния тепловой энергии, электроэнергии, способен заменить моторное топливо. Из него также можно получить смесь угарного газа и моле­кулярного водорода, из которой вырабатывается метанол или искус­ственный бензин.

Образующийся в процессе метанового брожения шлам (жидкий или твердый) является хорошим оргаиомииеральным удобрением. Он может также использоваться для производства ценных биологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяй­стве.

Перечисленные выше физические особенности биогаза и отно­сительная простота его получения, возможность использования в ка­честве сырья для его производства разнообразных отходов положи­тельным образом отразились на создании и развитии биогазовой про­мышленности в ряде стран. Китайская Народная Республика в 1983 г. имела до 7 млн биогазовых установок семейного типа с общим объемом реакторов около 60 млн м³. Они позволяли производить в год до 110 млрд м³ биогаза, заменяли до 60 — 80 млн т сырой нефти и обеспечивали топливом до 30 млн крестьян КНР.

В странах Европейского экономического сообщества действовало 570 установок, использующих жидкие отходы, и 17 установок, перера­батывающих в биогаз твердый мусор. В США хорошо развито его производство при переработке городского твердого мусора. Напри­мер, в пригородах Нью-Йорка действует станция, производящая в год 100 млн м³ биогаза. В нашей стране метановое брожение широко при­меняется в системе биологической очистки городских сточных вод на станциях аэрации. В метаптенках сбраживают их осадки и активный ил, образующийся в аэротепках. Две станции, обслуживающие город с населением 8 млн человек, дают в год 110 млн м³ биогаза. Термофиль­ное метановое брожение отходов микробиологической промышленно­сти используют в России для производства биогаза и кормового пре­парата витамина В₁₂- Два цеха, перерабатывающие жидкие стоки аце-тоиобутиловой промышленности, производят в год до 7 млн м³ биога­за и до 1 т витамина В₁₂-