Установка для получения биогаза из бочки: Получение биогаза из навоза в домашних условиях

Биогазовая установка для частного дома. Инструкция, фото, видео

Автор newwebpower На чтение 11 мин. Просмотров 2k. 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.

Простая биогазовая установка своими руками

Бесплатный газ, на котором можно приготовить пищу, можно получать из отходов жизнедеятельности человека и животных. Для этого можно собрать простую биогазовую установку.

Принцип получения газа из отходов очень прост: отходы помещаются в герметичный резервуар, где бродят определенное время выделяя смесь метана с другими газами, которая хорошо горит и пригодна для использования в быту.

Понадобится

  • Герметичный пластиковый бак с крышкой на 50-100 литров.
  • 2 шаровых крана под газ.
  • Тройник.
  • Трубка силиконовая под газопровод.
  • Обжимные хомуты.
  • Камера от грузового автомобиля (или трактора).
  • Уголок с пластиковой трубой.

Изготовление биогазовой установки

Бочка с плотно закрывающейся крышкой. Обязательно проверьте ее полную герметичность.

Проделываем отверстие в крышке. Вставляем в него штуцер и герметизируем прилегание двухкомпонентным клеем.

Сбоку по той же технологии вклеиваем угловой фитинг с трубой, которая идет почти до самого дна бака.

Эта труба нужна для удаления отходом со дна, при заправке новых. Вклеиваем шланг к выходу.

Под него нужно будет поставить пластиковое ведро.

На штуцер в крышке надеваем шланг и фиксируем обжимным хомутом.

К другой стороне трубки крепим шаровый кран для перекрывания основной подачи.

От крана подключается трубка и идет на тройник. С тройника одни конец подключается ко второму карну, к нему будут подключатся потребители.

А другой выход с тройника идет на резиновую камеру, которая служит накопителем газа.

Изначально камеру нужно полностью сдуть, выпустив весь лишний воздух.

Заправка установки

Для заправки нужны практически любые растительные отходы, в моем случае пару килограмм очисток от овощей, фруктов, также гнилые плоды.

Все кидаем в бак.

Далее, для получения метанового брожения с выделением метана, нужно добавить органические отходы жизнедеятельности. В данном случае использовался 30-ти дневный навоз крупного рогатого скота. Общий объем навоза около 10 литров.

До объема бака 2/3 доливаем водой.

Вот так выглядит заправленная биогазовая установка. Закрываем плотно крышку.

Через 7 дней камера наполнилась природным газом.

Использование газа

Пробуем зажечь.

Подключаем газовую конфорку.

Горит отлично.

Можно приготовить пищу.

При сгорании запаха практически нет.

Смотрите видео

Томские ученые улучшают переработку биогаза

Проект Alma Mater

Во всем мире вот уже несколько тысяч лет перерабатывают отходы в биогаз, который можно использовать как топливо для получения энергии. Томские ученые придумали, как улучшить тысячелетнюю технологию.

Биогаз — это смесь метана и углекислого газа с небольшим содержанием сернистых соединений. Главный элемент в этой «компании» — метан, энергоноситель, обеспечивающий наc теплом и электроэнергией.

Технология получения метана из отходов не менялась тысячелетиями — в резервуар помещают биомассу, подогревают ее для того, чтобы микроорганизмы могли быстрее размножаться. В три этапа разные виды бактерий разлагают отходы, последний из них — метаногенез, при котором и образуется метан. Но он составляет только 55-75% биогаза, остальное — углекислый газ, который приходится дополнительно утилизировать. 

Ученый ТГУ Александр Яговкин улучшил традиционную технологию до такой степени, что содержание метана в получаемом газе достигает ста процентов.

Как научить бактерии размножаться

Александр Яговкин, кандидат химических наук, работал в политехническом университете. В 2004 году правительство России объявило о приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники, среди которых были биотехнологии, и Яговкин предложил коллегам заняться биогазом.

—  У меня появилась идея каким-то образом активировать процесс образования биогаза, — рассказывает ученый. — Я вынес ее на всеобщее обсуждение. Меня подняли на смех, сказали: «Не будем этого делать, тысячу лет известна эта технология, ничего нового уже не придумаешь». Тогда я начал работать самостоятельно. И что вы думаете? Нашел!

Яговкину удалось не просто «активировать процесс», а радикально улучшить технологию. Метанобактерии, которые участвуют в производстве метана, медленно размножаются. Однако их работу можно ускорить воздействием малопотенциального электрического поля постоянного тока. Это воздействие дает метанобактериям дополнительную энергию, они начинают быстрее развиваться и интенсивнее поглощать кислоту, производя при этом почти чистый биометан. Соответственно, образование метана в установке идет быстрее, а содержание углекислого газа на выходе стремится к нулю.

Эту технологию Яговкин развивал в течение нескольких лет. Он ушел из политехнического университета, устроился работать управляющим на ферму. Там досконально изучил работу сельского хозяйства и построил свою первую биостанцию. Выглядела станция… как обыкновенная бочка.

Биогаз на просторах России

Со своим «напарником» Алексеем Коледовым Яговкин познакомился в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН. Коледов тогда занимался биогазовыми установками, сотрудничал с фирмами, которые пытались распространить идею биогаза в России, но не достигли в этом большого успеха.

Яговкин и Коледов начали вместе работать в институте над идеей биометановой установки. Через некоторое время им пришлось уйти из Академии наук, и ученых позвал к себе директор Института биологии и биофизики Сергей Воробьев. В НИИ ББ Коледов и Яговкин получили патент и начали искать применение для своей установки.

После публикации на сайте ТГУ сообщения о том, что ученые НИИ ББ разработали новую технологию получения биометана, к ним начали обращаться заказчики. Фермеры из томских сел и коллеги из других научных учреждений России выражают желание построить у себя такую установку.

Одним из первых к ученым обратился Белгородский институт альтернативной энергетики, который изучает и применяет на практике экологически чистые технологии получения энергии. Здесь уже действует биогазовая установка, построенная по традиционной технологии. Cтанция работает на отходах, получаемых с местного мясоперерабатывающего завода и свинокомплекса. Каждый год установка производит 19,6 млн киловатт-часов и почти 67 тысяч тонн органических удобрений.

Белгородцы попросили ученых ТГУ реконструировать станцию, чтобы увеличить количество получаемой энергии и не тратить ресурсы на утилизацию углекислого газа. ТГУ и Белгородский институт заключили соглашение о научно-техническом сотрудничестве.

Еще один потенциальный заказчик живет в Новосибирской области. Он планирует построить индюшачью ферму на десять миллионов голов, а с помощью биогазовой установки — утилизировать отходы, получать энергию и удобрения.

Заинтересовалась разработкой ученых ТГУ и фирма, которая занимается производством биогазовых станций в России — ООО «СельхозБиогаз» из Кирова. Алексей Коледов отправил им проект соглашения о сотрудничестве, возможно, в Кирове вскоре будут изготовлять биогазовые станции по технологии томичей.

* * *

Главный плюс биогазовых установок, по словам ученых,  это не просто получение электроэнергии. Биогазовые станции позволяют чисто и без запаха утилизировать отходы ферм и других сельскохозяйственных предприятий. Построив биогазовые установки, скажем, на Межениновской птицефабрике и свинокомплексе «Томский», можно избавить жителей близлежащих населенных пунктов от неприятного запаха и еще получить с этого дивиденды в виде дешевой энергии и удобрений.

— Существующие на томских предприятиях очистные сооружения, по нашему мнению, не справляются, — говорит Александр Яговкин.

—  Очистные сооружения энергозатратны, а биогазовый способ утилизации отходов, наоборот, приносит энергию, — добавляет Алексей Коледов. — Можно было бы сделать кластерный объект: несколько видов сырья с разных предприятий собирать и сбрасывать в нашу установку. Понимаете, метаногенез и так идет. Там, где неприятно пахнет — идет метаногенез. А так мы бы его поместили в емкости, и запаха бы не стало. Мы бы решили эту проблему с помощью нашей технологии эффективнее, чем кто-либо.

Зачем нужен биогаз? 
Метан — это природный газ. Он хорошо горит, может использоваться как источник электроэнергии, для отопления помещений или как топливо. Еще шесть тысяч лет назад китайцы заметили, что из биомассы можно получить воспламеняющийся газ, и стали строить первые биогазовые установки.
Сегодня биогазовые станции работают на отходах сельскохозяйственых предприятий по всему миру, они перерабатывают навоз, птичий помет, свекольный жмых, траву, водоросли, гнилые клубни картофеля, отходы рыбных цехов… Все это превращается в удобрения, а выделенный метан обеспечивает электроэнергией работу не только самой биогазовой установки, но и фермы.


Марина Сенинг

Как самому получать биогаз? | Огородники

Что вы знаете о биогазовых установках? Наверняка, многие наши читатели либо слабо знакомы с данной темой, либо думают, что это большие промышленные и очень сложные штуки, которые своими руками не построить. Отчасти так и есть. Если помониторить тему в сети, то сначала наверняка попадутся фото громадных установок, которые продаются за баснословные деньги. Их предлагают для промышленного производства биогаза. Но тот же интернет, как бездонный источник информации, способен выдать куда более интересные и доступные варианты. О них и пойдёт речь в данной статье.

Что такое биогаз

Биогазом называют продукт переработки органики анаэробными бактериями. В его составе основную часть занимает метан – в среднем 60-80%. На втором месте стоит углекислый газ, а за ним – в очень малых количествах водород и сероводород. По свойствам биометан ничем не отличается от добываемого природного газа. Он используется для приготовления пищи, заправки автомобилей, нагрева воды и получения электроэнергии. Готовый биометан представляет собой очищенный продукт, из которого удалены газы CO₂, H₂, H₂S.

Производство биогаза – не только выгодный процесс, завершающийся получением энергоёмкого газа и ценного удобрения. Но также мероприятие, способствующее уменьшению парникового эффекта. Этот газ в любом случае выделяется при переработке органики. Но если процесс проходит обычным способом, метан улетучивается в атмосферу. При организации биореактора этого не происходит.

Примечательно то, что огромное количество биометана выбрасывается в атмосферу на мусорных свалках. Дармовая энергия уходит в никуда. Люди засоряют природу и теряют ценный потенциал органических отходов.

Биогазовые установки своими руками

Получать биогаз самостоятельно может каждый желающий. Для этого нужно сделать всего две вещи: собрать небольшую установку и запастись подходящим органическим сырьём. Рассмотрим вопрос подробнее.

Из чего можно получать биогаз?

Для получения биогаза подходят практически любое доступное органическое сырьё. Проще всего добывать биометан из свежего навоза и помёта. Можно также брать какие-либо растительные остатки, и даже жир. Из него самый большой выход метана.  Один килограмм сухого вещества способен дать до 500 л газа. Есть энергетические культуры, из которых можно получить больше биогаза, чем из остальных растений. Это сильфия, кукуруза и некоторые водоросли.

Питательный субстрат можно получать из четырёх основных видов органики:

• навоза/помёта;

• пищевых отходов;

• остатков различных растений;

• отходы от переработки мясной продукции.

Технология и оборудование

Биогаз можно получить своими руками. Это подтвердил Жан Пейн, сделавший свой дом полностью автономным в 70-х годах 20-говека. А самые первые установки были созданы в Индии в середине 19-го века. Не стоит пугаться сложности и громоздкости современного оборудования для получения биометана. В домашних условиях можно сделать установку значительно проще – она тоже будет работать.

Для такого дела понадобится ёмкость цилиндрической формы, которая будет обязательно закрываться герметично. Её можно сделать из металлической бочки или выложить из кирпича/камня/блоков с армированием и нанесением внутри слоя гидро- и газоизоляции. Без этого никак. Ёмкость может быть выполнена из любых материалов, позволяющих создать герметичные соединения и не вредящих жизнедеятельности анаэробных бактерий.

У основания биореактора должно быть специальное отверстие для удаления отработанного сырья. Его также нужно закрывать герметично, чтобы газ не выходил наружу в процессе брожения биомассы. Размер ёмкости может быть разным, он зависит от количества имеющегося сырья. Реактор должен быть заполнен не менее чем на 2/3. Остальная часть предусматривается для выделяющегося газа. Его выделяется в среднем от 50 до 200 кубометров из тонны сырья.

Показатели могут отличаться, потому что на них влияют масса разных факторов. Точное количество биогаза покажет практика. Самой большой энергоёмкостью отличается кукуруза – она даёт до 500 кубометров с тонны.

Схема самого простого биореактора:

1) Бочка на 250 литров.

Лучше всего взять пластиковую бочку. Она позволяет делать герметичные соединения и постепенно добавлять субстрат. Срок её работы с дозаправками практически неограничен, чего не скажешь о металлических ёмкостях. Их загружают один раз на 2-3 месяца, пока идёт активная выработка газа. После этого полностью освобождают от содержимого и загружают заново. То есть пополнение и слив здесь не применяется. Причина в сложности создания герметичных соединений из-за тонкого металла.Поэтому далее опишем конструкцию биореактора из пластиковой бочки, который позволяет догружать сырьё и удалять отработанный субстрат.

Для неё делают внешнюю теплоизоляцию, обматывая подходящим изоляционным материалом, потом подложкой-утеплителем для полов и сверху стрейч плёнкой или полиэтиленом. Внешний защитный слой создаётся с целью удержания достаточной температуры внутри бочки, которая нужна для работы микроорганизмов. Такую бочку можно поставить даже в хозяйственном помещении жилого дома.

2) Организация входа и выхода субстрата.

Они нужны для добавления органического сырья и слива отработанных отходов. Применяются серые канализационные трубы небольшого диаметра, которые используются в водоотведении квартир и домов. Для слива делается труба с «носиком» с помощью переходников – чтобы жидкость сливалась вниз. Для пополнения – труба с воронкой, направленная вверх. Все соединения тщательно замазываются резиновымгерметиком – как внутри, так и снаружи.

Трубы являются частью системы сообщающихся сосудов. Их верхние части расположены чуть выше уровня субстрата в реакторе. При добавлении смеси в одну трубу, из другой выливается столько же «отработки». Обе трубы входят в бочку примерно на высоте 20 см от пола.

3) Фильтры.

На выходе биогаза из биореактора ставят фильтры для очистки – один с водой и гашеной известью, другой с силикагелем, третий с металлической стружкой. Резервуары первых двух фильтров стандартные – используемые для очистки водопроводной воды. Третий представляет собой горизонтально расположенный отрезок серой канализационной трубы со штуцерами по бокам (с обработкой каучуковым герметиком). Труба небольшого диаметра, используемая в квартирах/домах.

Первый фильтр очищает от CO₂, второй от H₂O, третий от H₂S. Примесь водорода очень незначительная и не влияет на свойства биогаза, поэтому для него фильтров не ставят. 

4) Шланг.

От биореактора до фильтров идёт прозрачный шланг небольшого диаметра. При выходе с бочки на него ставят штуцерный кран, позволяющий при надобности перекрывать поток.

После фильтров газ направляется в ёмкость для накопления/хранения.

5) Ёмкость для газа.

Народные умельцы используют для этого не только стандартные газовые баллоны, но и герметично запаянные рукава из плотного полиэтилена.

6) Механизм перемешивания.

Он состоит из стержня, выходящего из центра крышки, надетой на него куска пластиковой трубы внутри бочки и двух покрашенных металлических уголков, прикреплённых перпендикулярно на двух уровнях. К ним подсоединяются половинки отрезков пластиковых канализационных труб, выполняющих функцию лопастей.

Такая конструкция делается для перемешивания субстрата. Сверху на стержень крепится ручка, позволяющая вертеть его в горизонтальной плоскости.  А снизу он стоит на крестовине из хвойной древесины, более устойчивой к гниению. Периодическое перемешивание способствует лучшей переработке органики. Его необходимо обязателоно проводить сразу после добавления очередной порции субстрата.

7) Отопление.

Внутри бочки спирально укладываются металлопластиковые трубы, заходящие внутрь и выходящие через штуцера. Через них проходит нагретая вода, поддерживающая необходимую температуру субстрата. 

Без подогрева могут быть следующие параметры:

• минимальные – 18 градусов;

• оптимальные – 20-28 градусов, самый большой выход газа при температуре 23 градуса;

• не эффективные – ниже 15 градусов, в таких условиях получение биогаза становится нерентабельным. 

В зимнее время года желательно подогревать реактор до оптимальной температуры.

В промышленных условиях используется три варианта режимов:

• психофильный – без подогрева, когда температура окружающей среды позволяет поддерживать описанные выше оптимальные параметры;

• мезофильный – нагрев производится от 30 до 40градусов;

• термофильный – субстрат нагревают до 54 градусов и выше.

В каждом из режимов участвуют соответствующие названию бактерии. Мезофильный и термофильныйрежимы позволяют ускорять сбраживание. Но требуют больше затрат на отопление. В домашних условиях при небольшом количестве сырья их создание может быть нецелесообразным. 

Преимущество термофильного режима – самый активный выход биогаза и полное уничтожение болезнетворных бактерий в получаемом удобрении. Недостатки – нужно много энергии на подогрев и удобрение хуже по качеству/ценности. При температуре 70-75 градусов метагены способныразлагать древесину.

Мезофильный режим даёт более ценное удобрение, но не позволяет полностью его обеззаразить. Его можно назвать самым оптимальным из-за того, что скорость переработки органики высокая, а затраты на обогрев умеренные.

Важно знать: метанобразующие бактерии могут вести свою жизнедеятельность только в анаэробной среде. Это значит, что в бочке вообще не должно быть воздуха. Именно поэтому так важна герметичность соединений. Нельзя допускать попадание кислорода внутрь ёмкости.

Выход биогаза зависит от того, какие питательные веществаи в каком количестве есть в составе сырья. Для работы анаэробных бактерий помимо углерода и азота нужен целый перечень микроэлементов. Весь необходимый набор есть в навозе.

Описание самого простого домашнего реактора позволяет сформировать представление о биореакторах в целом и принципах их работы. При надобности устройство можно масштабировать или модифицировать, если оно будет выполняться из других материалов.

Запуск биореактора

Для того чтобы реактор начал свою работу, нужно заполнить его органическим субстратом не менее чем на две трети. И заселить его метаногенами – бактериями, перерабатывающими органику в метан в условиях отсутствия кислорода. Они есть в заболоченных местах и кишечнике млекопитающих. Эти микроорганизмы живут в температурном диапазоне – от 0 до 70 градусов. Для их эффективной работы субстрат должен быть хотя бы на 50% состоять из воды.

Метаногены можно взять из коровьего навоза. Их перемешивают с субстратом и герметично закрывают реактор. На тонну субстрата нужно 50-60 л свежего навоза. Газ начинает идти примерно через неделю (+/-). Если температура не достаточно высокая, скорость переработки может быть ниже, соответственно, биометан пойдёт позже.Подогрев до 30 градусов ускоряет процессы переработки.

До появления метана из реактора активно выходит углекислый газ.

Загрузка и выгрузка субстрата

Питательный субстрат находится в жидкой форме. Он состоит из измельчённых частей органики, перемешанных с водой. Воды в субстрате должно быть 50-80%. Новая порция составляет 5-7% от общего объёма субстрата в бочке.

Навоз нужно довести водой до кашеобразного состояния и можно сразу же загружать в реактор. С птичьим помётом так делать нельзя, потому что в нём много азота. Сначала необходимо залить его водой и подержать в открытом виде три дня. Это понизит его кислотность путём гидролиза и позволит использовать для питания бактерий. Без такой процедуры они могут погибнуть. Кислотно-щелочной баланс субстрата должен находиться в пределах pH = 6.5-8.5. Оптимальная цифра составляет pH = 7. Для доведения субстрата до таких параметров можно добавлять в него известковое молочко (известь пушонка, разбавленная водой).

Пищевые отходы и растительные остатки нужно измельчать и разбавлять водой до состояния кашицы. Допустимо использовать для этого любую органику. Мясокостные остатки тоже подходят для получения биогаза, больше всего метана дают жирные – больше 1000 кубометров с тонны.Стоит использовать для этого растительные жиры. Например, оставшиеся после приготовления картофеля фри или курицы гриль. Такие остатки наверняка можно бесплатно забирать в точках общественного питания.Любые органические отходы можно смешивать между собой в любых пропорциях и добавлять в реактор.

Подходящей культурой является эйхорния – водный гиацинт, который легко выращивать на своём участке. В воду, в которой он растёт, можно добавлять переработанный субстрат из бочки, тем самым проводя циклический процесс: растения пускать на корм бактериям в реакторе, а продукт их жизнедеятельности – на корм растениям. Получается замкнутый эффективный цикл.

Отработанная смесь представляет собой жидкость коричневого цвета. Она выходит самотёком при добавлении субстрата, причём в таком же объёме. Биореактоа может работать неограниченное количество времени при периодичной загрузке/выгрузке. После добавления новой порции органика начинает выдавать газ уже через полчаса.

Если необходимо произвести полную выгрузку субстрата либо провести какие-то ремонтные работы, можно отлить в отдельную герметичную ёмкость небольшое количество субстрата. Достаточно 100-200 л с биореактора на 5 кубометров. То есть примерно до 4%. В этой жидкости есть метаногены. 

При следующей новой закладке реактора не нужно заново заселять субстрат новыми бактериями, достаточно использовать имеющиеся в качестве закваски. Они позволяют сэкономить ресурсы и ускорить процесс переработки.

Вопросы и ответы

Рассмотрим распространённые вопросы, возникающие у людей, интересующихся темой самостоятельного получения биогаза:

• Сколько метана в среднем даёт описанный реактор?

Бочка, которая содержит около 230 л субстрата, даёт в среднем 200-300 л газа в сутки. В зимний период может больше, когда в процентном соотношении добавляется больше жира (из пищевых отходов). Летом основная часть – это измельчённые растения.

• Как часто нужно добавлять субстрат?

В среднем через день-два. Нежелательно растягивать промежуток более чем на два дня. Бактерии быстро съедают органику и нуждаются в новой пище. Если вовремя не доливать питательный субстрат, упадёт выход газа. 

• Есть ли у газа запах?

Несмотря на то, что метан не имеет своего запаха, биогаз всё-таки пахнет и не нуждается в добавлении одорантов. Причина в небольшом содержании сероводорода, который остаётся в газовой смеси, несмотря на очистку.

• Как метаногены реагируют на давление?

Они не любят повышения давления. Из-за этого они впадают в анабиоз, из-за чего выработка газа сильно снижается.

• Где взять бактерии для реактора?

Самый простой и доступный вариант – коровий навоз. Важно брать как можно более свежий, потому что метаногены на воздухе погибают.

• Кода начинает выделяться газ?

Если в реакторе подходящая температура и заселено достаточно бактерий, горючий газ пойдёт на 4-5 день, максимум через неделю. До этого сначала активно выходит углекислота.

• Стоит ли добавлять в биореактор дрожжи?

Нет. Это грибки, которые не участвуют в образовании метана. Они не оказывают положительного влияния на выход газа, который является продуктом жизнедеятельности бактерий.

• Какая установка нужна для отопления дома?

1 кубометр биометана выделяет до 6 кВт тепла. Расход на отопление зависит от площади дома и его теплопотерь. Те в свою очередь – от степени и качества утепления. Для отопления среднестатистического жилья нужно от 7-10 кубометров газа в сутки. Такое количество может произвести установка примерно такого же объёма. Это значит, что нужно делать соответствующийбиореактор. Но лишь в том случае, когда для него будет постоянное сырьё на протяжении всего отопительного периода. Если найти большое количество органики и загрузить его одноразово, она установка будет работать месяца до двух.

• Как и где использовать отработанный субстрат?

Жидкость, которая выходит из биогазовой установки – это биогумус, ценное удобрение. Он продаётся в магазинах для садоводства/огородничества. Его можно использовать на своём огороде, продавать, давать родственникам/знакомым и удобрять комнатные цветы. Если такой отработке дать постоять в незакрытом виде пару часов, в ней погибнут все метаногены. Такая жидкость не вызовет процессов газообразования.

• Из какого материала лучше делать биогазовую установку?

Можно использовать не только пластиковые. Но и металлические ёмкости. Но они недолговечны. Органические кислоты и сероводород постепенно разъедают металл. Не повреждаются только бочки из нержавейки, которые стоят дороже пластиковых. Второй минус в том, что металлические бочки нужно разгружать и загружать полностью. Со временемтакие ёмкости нужно заменять новыми.

• Что такое биореактор непрерывного действия?

Это установка, которая может работать сколь угодно долго с дозагрузкой смеси и выгрузкой переработанного субстрата. В отличие от реактора периодического действия, где органика загружается один раз до полной переработки, непрерывный не требует сразу большого количества субстрата – его можно догружать небольшими порциями. Это удобно и выгодно.

• Есть ли осадок в реакторе?

Нет, отработанный субстрат жидкий. В ёмкости ничего не оседает благодаря периодическому перемешиванию.

• Чем можно измельчать растительные отходы?

Если нет специального измельчителя, можно соорудить насадку на дрель и с её помощью делать субстрат в ведре. Насадка представляет собой две заточенные лопасти, сделанные из полотна ножовки по металлу. Они прикручены к шпильке перпендикулярно друг к другу на расстоянии 5 см.

Биореактор Жана Пейна

В статье «Отопление дома с помощью компоста» упоминалось о том, что французский лесник получал биогаз параллельно с нагревом воды в компостном кургане. В его центре стоял резервуар с жидким органическим субстратом, в который был добавлен навоз.  

Это отличный вариант для биогазовой установки, которую не нужно специально обогревать. В кургане держалась температура, которая запускала мезофильный и термофильный режимы, благодаря чему шла интенсивная выработка биометана. Таким образом, Жан Пейн ещё в 70-х годах прошлого века создал отличную биосистему, которая давала газ, тепловую энергию и удобрение. Это самое эффективное использование органики.

Биогазовая установка сделать самому своими руками для отопления

В последнее время цены на электричество, на энергоносители и прочее оборудование постепенно увеличиваются. Это значит, что платить за использование энергии приходится все больше и больше. Кроме того, в отдаленных селах, поселках и т.д. и вовсе могут быть проблемы с поставкой ресурса. Именно поэтому на рынке стали активно появляться и покупаться биогазовые установки. Своими руками также можно собрать такое приспособление, и это не так сложно, как может показаться на первый взгляд.

Основа установки — биореактор

Биореактором называют емкость, внутри которой идет анаэробное разложение биомассы. Реактор называют ферментатором или же метантанком.

На сегодняшний день существует несколько основных видов таких конструкций. К ним можно отнести полностью герметичные реакторы с фиксированным или плавающим куполом и реакторы, по конструкции напоминающие обычный водолазный колокол.

Краткое описание колокольного типа

Конструирование колокольной психрофильной биогазовой установки своими руками вполне выполнимая задача. Биореактор у такого типа установки открытый, внутри находится жидкая биомасса, в которую погружается емкость, имеющая вид цилиндра или колокола. В ней и собирается биогаз, выделяемый при разложении. Вещество, скапливающееся под цилиндром, будет оказывать на него давление, колокол будет подниматься, играя роль небольшого газгольдера — устройство для временного хранения газа.

Естественно, что среди основных недостатков конструкции необходимо отметить следующий: нет возможности перемешивать субстрат. Кроме того, в холодное время года его не получится нагреть до нужной температуры разложения. Подобные реакторы издают неприятный запах, а из-за того, что нет крышки, возникает и вовсе патовая ситуация. Плюс ко всему, отсутствие герметичной крышки приводит к тому, что установка выбрасывает часть газов в атмосферу, тем самым загрязняя ее. По этим причинам своими руками биогазовые установки колокольного типа обычно собираются либо для кустарного производства установок, либо в странах, где постоянно жаркая погода.

Ферментатор с куполом

Для того чтобы избавиться от основных недостатков и минимизировать загрязнение атмосферы, используют биореакторы с фиксированным куполом. Именно эти модели наиболее часто используются при монтаже на промышленных объектах или на участках частных домов. Кстати стоит отметить, что сборка своими руками биогазовой установки для дома в последнее время становится довольно популярным занятием.

Стоит отметить, что на сам процесс образования газа форма купола никак не влияет, но если выполнить его в форме цилиндра с крышей-куполом, то удастся достигнуть максимальной экономии строительных материалов. Есть одно большое НО: так как реактор полностью закрыт, он должен снабжаться патрубками, по которым будет загружаться новый субстрат и вычищаться старый.

Типы установок

Так как монтаж своими руками для дома биогазовой установки с закрытым куполом подходит больше всего, давайте разберемся подробнее в ее нехитрой конструкции. Она делится на несколько типов в зависимости от способа загрузки биомассы.

  • Первый тип — порционные. В данном случае после загрузки субстрата он выгружается только тогда, когда превратится в полностью отработанный материал. Однако у этого способа есть минус, который заключается в том, что процесс выработки газа неравномерный на протяжении всей стадии переработки.
  • Второй тип называется непрерывным. Из названия понятно, что процесс загрузки и выгрузки субстрата осуществляется постоянно. Благодаря этому удалось добиться того, что выделение вещества, то есть газа, стало более равномерным. Кроме того, такая проблема утечки газа через патрубки, по которым загружается и выгружается сырье, была решена, так как здесь применяются устройства с гидрозатворами.

Процесс переработки

Для того чтобы успешно определиться с тем, какой вид оборудования необходим на участке, нужно знать принцип работы биогазовой установки. Своими руками создаются порционные реакторы любой конструкции, главное, чтобы она не давала утечку газа. Ранее часто использовались метантанки с эластичным надувающимся сводом. В нашем случае избыточное давление будет надувать купол, сделанный из эластичного полипропилена. С течением времени давление усиливается и при достижении определенной отметки включается компрессор, который откачивает газ.

Принцип брожения в реакторе мезофильный, то есть требует слабого подогрева. Однако из-за того, что площадь эластичного купола достаточно большая и подогревать его весь слишком затратно. Такие реакторы целесообразно размещать лишь в тех регионах, которые характеризуются стабильной и постоянной жаркой погодой.

Варианты конструкций

Сборка биогазовой установки своими руками по инструкции не доставит хлопот, если вы понимаете, как работает устройство, и знаете несколько хитростей. Нужно также четко понимать, какой тип установки вы будете собирать.

Существует вариант, при котором осуществляется ручная загрузка, а субстрат не перемешивает и не подогревается. В качестве использования установки для бытовых целей этот способ считается наиболее подходящим. Вместимость реактора должна находиться в пределах от 1 м 3 до 10 м3 в сутки. При таких размерах понадобится от 50 до 220 кг биомассы в сутки. Устанавливается реактор такого типа в небольшом котловане, а это значит, что придется его рыть в грунте. Естественно, что размеры ямы должны соответствовать габаритам ферментатора. Кроме того, необходимо два патрубка: один из них будет отвечать за загрузку субстрата, другой — за выгрузку. Здесь важно отметить, что они должны располагаться на противоположных стенках реактора. Верхняя часть труб находится над землей, а нижняя должна располагаться практически у самого основания метантанка. Таким образом газ не будет выходить из трубы, так как она всегда будет закрыта биомассой.

Потребуется организовать люк для доступа в бункер и водяной затвор, который будет препятствовать распространению неприятного запаха на участке. Труба, которая будет использоваться для отвода биогаза, в обязательном порядке снабжается клапаном, который можно открывать и закрывать по необходимости.

Особенности установки

При установке такого типа реактора прислушайтесь к нескольким рекомендациям.

  • Во-первых, удаление отработанного материала осуществляется естественным путем. Это делается либо во время загрузки нового субстрата, либо в случае возникновения в реакторе с закрытым вентилем избытка газа.
  • Конструкция биогазовой установки данного типа довольно проста и эффективна. Но здесь важно учесть, что отсутствует возможность перемешивания, а также подогрева массы. Это означает, что целесообразно использовать такой тип установки только там, где царит довольно мягкий и теплый климат. Преимущественно это юг России. Можно использовать реактор такой конструкции и в средней климатической полосе, но при условии, что водные подземные пласты пролегают довольно глубоко, а сам ферментатор оборудован качественной теплоизоляцией.

Конструкция без подогрева с возможностью перемешивания

Самодельная биогазовая установка своими руками собирается практически аналогично предыдущему варианту, правда, с небольшими корректировками. Небольшая доработка значительно повышает эффективность использования установки. Схема и процесс монтажа точно такие же, как и в предыдущем случае, однако здесь нужно добавить еще один элемент — перемешивающий механизм, который располагается внутри бункера.

Сконструировать установку довольно просто. Все, что необходимо — это установить внутри вал, к которому будет прикреплено определенное количество лопастей. Для успешного монтажа потребуется установка опорных подшипников. Так как между валом и рычагом должно быть передаточное звено, то здесь лучше всего использовать цепь.

Установка с подогревом и перемешиванием

Подогрев — это операция, которая значительно увеличивает эффективность разложения за счет того, что при повышении температуры до определенного уровня повышается интенсивность разложения биомассы.

Биогазовая установка для частного дома своими руками также может быть собрана без труда. Она не только более совершенная и универсальная, но и более сложная в плане конструкции. Кроме того, она способна работать в двух режимах — мезофильном и термофильном. Другими словами, диапазон разложения и брожения находится в пределах от 25 до 65 градусов по Цельсию. Для того чтобы обеспечить подгорев, необходимо установить водогрейный котел, труба которого должна проходить внутрь реактора и доходить до противоположной стенки от точки входа. Конструкция достаточно проста, но эффективна. Огромный плюс заключается в том, что котел может работать на том же газу, который и производит сама установка, то есть данная система может обеспечивать топливом сама себя.

Автоматизированная установка

Если биогазовые установки своими руками для отопления дома расходуют газ сразу же при его выработке, то автоматизированные варианты снабжаются дополнительным элементом, который называется газгольдер. Это деталь, которая выступает в роли временного хранилища вещества, что дает возможность накопления. Кроме того, в данном случае для эффективного брожения можно использовать практически любой температурный диапазон. Производительность такой установки намного больше. При аналогичных размерах реактора в сутки она способна переработать до 1,3 тонны биомассы. За загрузку и перемешивание будет отвечать пневматика. Кроме того, в таких установках канал для отвода отработанного сырья соединяется с двумя разными отделами. Один из них служит для временного хранения, а другой, мобильный, для немедленного вывоза. Собирать биогазовую установку своими руками для отопления такого типа не совсем разумно, так как монтаж достаточно сложный, а производительность слишком большая. Чаще всего подобные конструкции устанавливаются в частных фермерских хозяйствах.

Механизированное оборудование

Основное отличие этой установки заключается в том, что перед тем как попасть в реактор, биомасса проходит через контейнер с предварительной подготовкой субстрата к переработке. Подача сырья в сам бункер, а после него и в реактор, происходит за счет сжиженного биогаза, который впоследствии используется и для подогрева.

Здесь очень важно отметить, что при сборке любой биогазовой установки своими руками для отопления дома придется провести точные инженерные расчеты. Лучше всего, если перед установкой будет проведена консультация со специалистом.

Главные преимущества использования реактора биогаза

Любая биогазовая установка своими руками, фото которых представлены в нашей статье, дает несколько важных преимуществ.

Первое — это, конечно же, утилизация отходов. Этот способ переработки менее опасен для окружающей среды, чем, допустим, закапывание отходов в грунт.

Второе преимущество заключается в том, что биомасса — возобновляемый ресурс. Это не газ и не уголь, которые заканчиваются. К тому же при переработке субстрата в атмосферу не выбрасывается углекислый газ. Его небольшое количество выделяется исключительно в момент его использования. Однако его объем значительно меньше, чем при использовании природного газа.

Очень важное преимущество заключается в том, что выработкой биогазовой энергии хозяин может управлять самостоятельно. Если сравнивать реактор с другими источниками энергии, вроде ветряков или солнечных батарей, то они более надежны и постоянны.

Получение биогаза в домашних условиях. Биогазовая установка своими руками. Что нужно знать

Технология это не новая. Она начала развиваться еще в 18 веке, когда Ян Гельмонт – химик – обнаружил, что навоз выделяет газы, которые способны к воспламенению.

Его исследования продолжил Алессандро Вольта и Хэмфри Деви, которые нашли в газовой смеси метан. В конце 19 века в Англии биогаз из навоза использовали в уличных фонарях. В середина 20 столетия были обнаружены бактерии, которые производят метан и его предшественников.

Дело в том, что в навозе поочередно работают три группы микроорганизмов, которые питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих бактерий. Первыми начинают работу ацетогенные бактерии, которые растворяют углеводы, белки и жиры в навозной жиже.

После переработки анаэробными микроорганизмами питательного запаса образуется метан, вода и диоксид углерода. Из-за наличия воды биогаз на данной стадии не способен гореть – ему нужна очистка, поэтому его пропускают через очистные сооружения.

Что такое биометан

Газ, полученный в результате разложения навозной биомассы, является аналогом природного газа. Он почти в 2 раза легче воздуха, поэтому всегда поднимается вверх. Этим объясняется технология производства искусственным методом: вверху оставляют свободное пространство, чтобы вещество могло выделяться и накапливаться, откуда его потом выкачивают насосами для использования в собственных нуждах.

Метан сильно влияет на возникновение парникового эффекта – гораздо больше, чем углекислый газ – в 21 раз. Поэтому, технология переработки навоза – не только экономичный, но и экологичный способ утилизации отходов животноводства.

Биометан используют для следующих потребностей:

  • приготовления пищи;
  • для отопления частного дома.

Биогаз выделяет большое количество тепла. 1 кубический метр равноценен сгоранию 1,5 кг каменного угля.

Как получают биометан

Получить его можно не только из навоза, но и водорослей, растительной массы, жира и других животных отходов, остатков переработки сырья рыбных цехов. В зависимости от качества исходного материала, его энергетической емкости, зависит конечный выход газовой смеси.

Минимально получают от 50 кубометров газа с тонны навоза крупного рогатого скота. Максимально – 1 300 кубометров после переработки животного жира. Содержание метана при этом – до 90%.

Один из видов биологического газа – свалочный. Он образуется при разложении мусора на загородных свалках. На Западе уже есть оборудование, которое перерабатывает отходы населения и превращает их в топливо. Как вид бизнеса – это неограниченные ресурсы.

Под его сырьевую базу попадают:

  • пищевая промышленность;
  • животноводство;
  • птицеводство;
  • рыбный промысел и перерабатывающие комбинаты;
  • молокозаводы;
  • производство алкогольных и слабоалкогольных напитков.

Любая промышленность вынуждена утилизировать свои отходы – это дорого и нерентабельно. В домашних условиях при помощи небольшой самодельной установки можно решить сразу несколько проблем: бесплатное отопление дома, удобрение земельного участка высококачественным питательным веществом, оставшимся от переработки навоза, освобождение места и отсутствие запахов.

Технология получения биологического топлива

Все бактерии, которые принимают участие в образовании биогаза, являются анаэробными, то есть кислород для жизнедеятельности им не нужен. Для этого сооружают полностью герметичные емкости для брожения, отводные трубы которых также не пропускают воздух извне.

После заливки в резервуар сырьевой жидкости и повышения температуры до нужной величины бактерии начинают работу. Начинает выделяться метан, который поднимается с поверхности навозной жижи. Он направляется в специальные подушки или резервуары, после чего фильтруется и попадает в газовые баллоны.

Отработанная бактериями жидкость скапливается на дне, откуда ее периодически откачивают и также отправляют на хранение. После этого в резервуар закачивают новую порцию навоза.

Температурный режим функционирования бактерий

Для переработки навоза в биогаз необходимо создать подходящие условия для работы бактерий. некоторые из них активизируются при температуре выше 30 градусов – мезофильные. При этом процесс идет медленнее и первую продукцию можно получить через 2 недели.

Термофильные бактерии работают при температуре от 50 до 70 градусов. Сроки получения биогаза из навоза сокращаются до 3 дней. При этом отходы представляют собой ферментированный шлам, который используют на полях в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур. В шламе отсутствуют патогенные микроорганизмы, гельминты и сорняки, так как они погибают при воздействии высоких температур.

Есть особый вид термофильных бактерий, которые способны выжить в среде, нагретой до 90 градусов. Их добавляют в сырье, чтобы ускорить процесс брожения.

Понижение температуры ведет к снижению активности термофильных или мезофильных бактерий. В частных хозяйствах чаще используют мезофиллы, так как для них не нужно специально подогревать жидкость и производство газа обходится дешевле. Впоследствии, когда будет получена первая партия газа, его можно использовать для подогрева реактора с термофильными микроорганизмами.

Важно! Метаногены не переносят резких скачков температур, поэтому зимой их необходимо содержать в тепле постоянно

Как подготовить сырье для заливки в реактор

Для производства биогаза из навоза не нужно специально подсаживать микроорганизмы в жидкость, потому что они уже находятся в экскрементах животных. Нужно лишь поддерживать температурный режим и вовремя подливать новый раствор навоза. Его необходимо правильно готовить.

Влажность раствора должна быть 90% (консистенция жидкой сметаны), поэтому сухие виды экскрементов для начала заливаются водой – кроличий помет, конский, овечий, козий. Свиной навоз в чистом виде не нуждается в разбавлении, так как содержит много мочи.

Следующий этап – разбить твердые частицы навоза. Чем мельче будет фракция, тем лучше бактерии переработают смесь и тем больше газа получится на выходе. Для этого в установках применяют мешалку, постоянно работающую. Она снижает риск образования твердой корки на поверхности жидкости.

Для производства биогаза подходят те виды навоза, которые имеют самую высокую кислотность. Их еще называют холодными – свиной и коровий. Снижение кислотности приостанавливает деятельность микроорганизмов, поэтому необходимо следить в начале, сколько времени необходимо, чтобы они полностью переработали объем резервуара. Затем долить следующую дозу.

Технология очистки газа

При переработке навоза в биогаз получается:

  • 30% углекислого газа;
  • 1% примесей сероводорода и других летучих соединений.

Чтобы биогаз стал пригодным для использования в хозяйстве, его необходимо очистить от примесей. Чтобы удалить сероводород применяют специальные фильтры. Дело в том, что летучие сероводородные соединения, растворяясь в воде, образуют кислоту. Она способствует появлению ржавчины на стенках труб или резервуара, если они изготовлены из металла.

  • Полученный газ сжимается под давлением 9 – 11 атмосфер.
  • Подается в резервуар с водой, где примеси растворяются в жидкости.

В промышленных масштабах для очистки применяют известь или активированный уголь, а также специальные фильтры.

Как уменьшить содержание влаги

Самостоятельно избавиться от примесей воды в газе можно несколькими способами. Один из них – принцип самогонного аппарата. По холодной трубе газ направляется вверх. Жидкость при этом конденсируется и стекает вниз. Для этого трубу проводят под землей, где температура естественным образом снижается. По мере подъема, температура также поднимается, и осушенный газ попадает в хранилище.

Второй вариант – гидрозатвор. После выхода газ поступает в емкость с водой и там очищается от примесей. Такой метод называется одноэтапным, когда с помощью воды биогаз чистят сразу от всех летучих веществ и влаги.


Принцип гидрозатвора

Какие установки применяют для получения биогаза

Если установку планируется разместить вблизи фермы, то лучшим вариантом будет разборная конструкция, которую легко перевезти в другое место. Основной элемент установки – биореактор, в который заливается сырье и происходит процесс брожения. На крупных предприятиях используют цистерны объемом 50 кубических метров.

В частных хозяйствах строят подземные резервуары в качестве биореактора. Их выкладывают из кирпича в подготовленную яму и обмазывают цементом. Бетон повышает степень безопасности конструкции и препятствует попаданию воздуха. Объем зависит от того, сколько сырья в день получают с домашних животных.

Поверхностные системы также популярны в домашних условиях. При желании установку можно разобрать и перенести в другое место, в отличие от стационарного подземного реактора. В качестве цистерны используют пластиковые, металлические или поливинилхлоридные бочки.

По типу управления имеются:

  • автоматические станции, в которых долив и откачка отработанного сырья осуществляется без участия человека;
  • механические, где весь процесс контролируется вручную.

С помощью насоса можно облегчить освобождение резервуара, в который попадают отходы после брожения. Некоторые народные умельцы применяют насосы для откачки газа из подушек (например, автомобильных камер) в очистное сооружение.

Схема самодельной установки для получения биогаза из навоза

Перед сооружением биогазовой установки на своем участке необходимо ознакомиться с потенциальной опасностью, которая может взорвать реактор. Главное условие – отсутствие кислорода.

Метан – это взрывоопасный газ и он способен воспламеняться, но для этого его необходимо нагреть выше 500 градусов. Если биогаз смешается с воздухом, возникнет избыточное давление, которое разорвет реактор. Бетонный может треснуть и будет не пригоден для дальнейшего использования.

Видео: Биогаз из птичьего помета

Чтобы давление не сорвало крышку, применяют противовес, защитную прокладку между крышкой и резервуаром. Емкость заполняют не до конца – должно оставаться как минимум 10% объема для выхода газа. Лучше – 20%.

Итак, чтобы сделать у себя на участке биореактор со всеми приспособлениями, необходимо:

  • Удачно выбрать место, чтобы оно находилось подальше от жилья (мало ли что).
  • Рассчитать предположительное количество навоза, которое ежедневно выдают животные. Как считать – читать ниже.
  • Определиться, где проложить загрузочную и отгрузочную трубу, а также трубу для конденсации влаги в полученном газе.
  • Определиться с местом расположения резервуара для отходов (по умолчанию удобрения).
  • Вырыть котлован, исходя из расчетов количества сырья.
  • Выбрать емкость, которая будет служить резервуаром для навоза и установить ее в котлован. Если планируется бетонный реактор, тогда дно котлована заливается бетоном, стенки выкладываются кирпичом и штукатурятся бетонным раствором. После этого необходимо дать время просохнуть.
  • Стыковки между реактором и трубами также герметизируются на этапе закладки резервуара.
  • Обустроить люк для осмотра реактора. Между ним ставится герметичная прокладка.

Если климат холодный, то перед бетонированием или установкой пластикового резервуара продумывают способы его обогрева. Это могут быть нагревательные приборы или лента, используемая в технологии «теплый пол».

В конце работ проверить реактор на герметичность.

Расчет количества газа

Из одной тонны навоза можно получить примерно 100 кубических метров газа. Вопрос – сколько помета дают домашние животные в сутки:

  • курица – 165 г в сутки;
  • корова – 35 кг;

Умножить эти показатели на количество голов и получится суточная доза экскрементов, подлежащих переработке.

Больше газа получают от коров и свиней. Если добавить в смесь такие энергетически мощные растения как кукуруза, свекольная ботва, просо, то количество биогаза увеличится. Большой потенциал у болотных растений и водорослей.

Самый высокий – у отходов мясоперабатывающих комбинатов. Если такие хозяйства есть поблизости, то можно скооперироваться и установить один реактор на всех. Сроки окупаемости биореактора 1 – 2 года.

Отходы биомассы после получения газа

После переработки навоза в реакторе побочным продуктом является биошлам. При анаэробной переработке отходов бактерии растворяют около 30% органического вещества. Остальное выделяется в неизменном виде.

Жидкая субстанция также является побочным продуктом метанового брожения и также используется в сельском хозяйстве для корневых подкормок.

Углекислый газ – ненужная фракция, которую производители биогаза стремятся удалить. Но если растворить ее в воде, то эта жидкость также может приносить пользу.

Полное использование продуктов биогазовой установки

Чтобы полностью утилизировать продукты, получаемые после переработки навоза, необходимо содержать теплицу. Во-первых – органическое удобрение можно использовать для круглогодичного выращивания овощей, урожайность которых будет стабильной.

Во-вторых – углекислый газ используется как подкормка – корневая или внекорневая, а его на выходе получается около 30%. Растения поглощают углекислоту из воздуха и при этом лучше растут и набирают зеленую массу. Если проконсультироваться со специалистами данной области, то они помогут установить оборудование, которое переводит углекислый газ из жидкой формы в летучее вещество.

Видео: Биогаз за 2 дня

Дело в том, что для содержания животноводческой фермы полученных энергоресурсов может быть много, особенно летом, когда не нужен подогрев коровника или свинарника.

Поэтому рекомендуется заняться еще одним прибыльным видом деятельности – экологически чистая теплица. Остатки продукции можно хранить в охлаждаемых помещениях – за счет все той же энергии. Холодильное или любое другое оборудование может работать на электричестве, которое вырабатывает газовая аккумуляторная батарея.

Использование в качестве удобрения

Кроме выработки газа биореактор полезен тем, что отходы используются в качестве ценного удобрения, которое сохраняет почти весь азот и фосфаты. При внесении в почву навоза 30 – 40% азота безвозвратно теряется.

Чтобы уменьшить потери азотных веществ, в грунт вносят свежие экскременты, но тогда выделяющийся метан повреждает корневую систему растений. После переработки навоза метан идет на собственные нужды, а все питательные вещества сохраняются.

Калий и фосфор после ферментации переходят в хелатную форму, которая усваивается растениями на 90%. Если смотреть в общем, то 1 тонна ферментированного навоза способна заменить 70 – 80 тонн обычных животных экскрементов.

Анаэробная переработка сохраняет весь имеющийся в навозе азот, переводя его в аммонийную форму, что на 20% увеличивает урожаи любых культур.

Такое вещество не опасно для корневой системы и может вноситься за 2 недели до высадки культур в открытый грунт, чтобы органика успела переработаться на этот раз почвенными аэробными микроорганизмами.

Перед использованием биоудобрение разводят водой в соотношении 1:60. Для этого подходит как сухая, так и жидкая фракция, которая после сбраживания также поступает в резервуар для отработанного сырья.

На гектар нужно от 700 до 1 000 кг/л неразбавленного удобрения. Учитывая, что с одного кубического метра площади реактора в день получается до 40 кг удобрений, то за месяц можно обеспечить не только свой участок, но и соседский, продавая органику.

Какие питательные вещества можно получить после отработки навоза

Основная ценность ферментированного навоза как удобрения – в наличии гуминовых кислот, которые как оболочка сохраняют ионы калия и фосфора. Окисляясь на воздухе при длительном хранении, микроэлементы утрачивают свои полезные качества, но при анаэробной переработке, наоборот, приобретают.

Гуматы положительно влияют на физико-химический состав грунта. В результате внесения органики, даже самые тяжелые почвы становятся более проницаемыми для влаги. Вдобавок, органические вещества являются пищей почвенных бактерий. Они дальше перерабатывают остатки, которые «недоели» анаэробы и выделяют гуминовые кислоты. В результате этого процесса растения получают питательные вещества, которые полностью усваивают.

Кроме основных – азота, калия и фосфора – в составе биоудобрения есть микроэлементы. Но их количество зависит от исходного сырья – растительного или животного происхождения.

Способы хранения шлама

Лучше всего хранить ферментированный навоз в сухом виде. Так его удобнее фасовать и транспортировать. Сухое вещество меньше теряет полезных свойств и его можно хранить в закрытом виде. Хотя в течение года такое удобрение вообще не портится, но дальше его нужно закрыть в мешок или емкость.

Жидкие формы необходимо сохранять в закрытых емкостях с плотно закручивающейся крышкой, чтобы не выветривался азот.

Основная проблема производителей биоудобрений – сбыт в зимнее время, когда растения находятся в состоянии покоя. На мировом рынке стоимость удобрений такого качества колеблется в пределах 130$ за тонну. Если наладить линию по расфасовке концентратов, то окупить свой реактор можно в течение двух лет.

Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Здравия, дорогие читатели! Я — создатель проекта «Удобрения.NET». Рад видеть каждого из вас на его страницах. Надеюсь, информация из статьи была полезна. Всегда открыт для общения — замечания, предложения, что ещё хотите видеть на сайте, и даже критику, можно написать мне ВКонтакте, Instagram или Facebook (круглые иконки ниже). Всем мира и счастья! 🙂


Вам также будет интересно почитать:

Владельцам частных домов, расположенных в регионах с ограниченным доступом к традиционным видам топлива, следует обязательно обратить свое внимание на современные биогазовые установки. Подобные агрегаты позволяют получать биогаз из разнообразных органических отходов и использовать его для личных нужд, в том числе и обогрева жилых помещений.

Газ можно получать практически из любой биомассы – отходов животноводческой промышленности, пищевого производства, сельского хозяйства, листвы и пр. При этом соорудить подобную установку можно своими руками.

Для получения биогаза подходит как однородное сырье, так и смеси различной биомассы. Биогазовая установка – это объемное герметичное сооружение, оснащенное приспособлениями для подачи сырья, подогрева биомассы, перемешивания компонентов, отвода полученного биогаза в газовый коллектор и, конечно же, защиты конструкции.

В реакторе под воздействием анаэробных бактерий осуществляется быстрое разложение биомассы. В процессе брожения органического сырья выделяется биогаз. Примерно 70% состава такого газа представлено метаном, оставшаяся часть – углекислым газом.

Биогаз характеризуется прекрасными показателями теплотворной способности, у него нет выраженного запаха и цвета. По своим свойствам биогаз практически ни в чем не уступает более традиционному природному газу.

В развитых странах используют дополнительные установки для очистки биогаза от углекислого газа. При желании вы сможете купить такую же установку и получать чистый биометан.

Биогазовые установки на силосе. 1 Силосные ямы. 2 Система загрузки биомассы. 3 Реактор. 4 Реактор дображивания. 5 Субстратер. 6 Система отопления. 7 Силовая установка. 8 Система автоматики и контроля. 9 Система газопроводов

Сравнение биогаза с более традиционными видами топлива

В среднем одна корова или другое животное весом в полтонны способно за сутки произвести количество навоза, достаточное для получения примерно 1,5 м3 биогаза. Суточный навоз одной средней свиньи можно переработать в 0,2 м3 биогаза, а кролика или курицы – в 0,01-0,02 м3 топлива.

Для сравнения: 1 м3 биогаза из навоза дает примерно столько же тепловой энергии, как 3,5 кг дров, 1-2 кг угля, 9-10 кВт/ч электричества.

Простейший рецепт смеси для получения биогаза включает в себя следующие компоненты:

  • коровий навоз – порядка 1500 кг;
  • сгнившая листва либо другие органические отходы – 3500 кг;
  • вода – 65-75% от общей массы предыдущих компонентов. Предварительно воду нужно подогреть примерно до 35 градусов.

Такого количества биомассы будет достаточно для получения биогаза на полгода эксплуатации с умеренным расходом. В среднем биогаз начинает выделяться уже через 1,5-2 недели после загрузки смеси в установку.

Газ можно использовать для обогрева дома и разнообразных хозяйственных и бытовых построек.

Конструкция типичной биогазовой установки

Основными компонентами полноценной биогазовой системы являются:

  • реактор;
  • система подачи перегноя;
  • мешалки;
  • автоматизированн ая система подогрева биомассы;
  • газгольдер;
  • сепаратор;
  • защитная часть.

Бытовая установка будет иметь несколько упрощенную конструкцию, однако, для полноты восприятия вам предлагается ознакомиться с описанием всех перечисленных элементов.

Реактор

Данная часть установки обычно собирается из нержавейки либо бетона. Внешне реактор похож на большую герметичную емкость, сверху которой установлен купол, обычно имеющий шаровидную форму.

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются реакторы с разборной конструкции, выполненные с применением инновационных технологий. Такой реактор можно с легкостью собрать своими руками с минимальными временными затратами. В случае необходимости он настолько же легко разбирается и перевозится в другое место.

Сталь удобна тем, что в ней можно без лишних усилий создавать отверстия для подключения других элементов системы. Бетон же превосходит сталь по показателям прочности и долговечности.

Система подачи биомассы

Эта часть установки включает в свой состав бункер для приема отходов, подводящий трубопровод для подачи воды и шнековый насос, предназначенный для отправки перегноя в реактор.

Для загрузки сухого компонента в бункер используется фронтальный погрузчик. В домашних условиях с этой задачей можно справиться без погрузчика, используя различные подручные средства, к примеру, лопаты.

В бункере происходит увлажнение смеси до полужидкого состояния. После достижения нужного уровня увлажнения шнек переводит полужидкую массу в нижний отсек реактора.

Мешалки

Брожение перегноя в реакторе должно происходить равномерно. Это одно из главнейших условий обеспечения интенсивного выделения биогаза из смеси. Именно для достижения максимально равномерного процесса брожения смеси конструкция типичной биогазовой установки включает в свой состав мешалки с электроприводами.

Существуют мешалки погружного и наклонного типа. Погружные механизмы могут опускаться в биомассу на требуемую глубину для обеспечения интенсивного и равномерного перемешивания субстрата. Обычно такие мешалки размещаются на мачте.

Монтаж наклонных мешалок выполняется на боковых поверхностях реактора. За вращение винта в ферментаторе отвечает электродвигатель.

Автоматизированн ая система подогрева

Для успешного получения биогаза температура внутри системы должна поддерживаться на уровне +35-+40 градусов. Для этого в конструкцию включаются автоматизированн ые системы подогрева.

Источником тепла в данном случае выступает водогрейный котел, в отдельных ситуациях применяются электрические отопительные агрегаты.

В этом элементе конструкции собирается биогаз. Чаще всего газгольдер размещают на крыше реактора.

Производство современных газгольдеров обычно выполняется с применением поливинилхлорида – материала, устойчивого к солнечному свету и разнообразным неблагоприятным природным явлениям.

В некоторых ситуациях вместо обычного газгольдера применяют специальные мешки. Также эти приспособления позволяют временно увеличить объем запаса полученного биогаза.

Для изготовления газгольдер-мешко в применяется специальный поливинилхлорид с эластичными свойствами, способный раздуваться по мере увеличения объема биогаза.

Эта часть системы отвечает за сушку отработанного перегноя и получение при необходимости высококачественн ых удобрений.

Простейший сепаратор состоит из шнека и сепараторной камеры. Камера выполнена в форме сита. Это позволяет разделять биомассу на твердый компонент и жидкую часть.

Осушенный перегной отправляется в отгрузочный отсек. Жидкую часть система направляет обратно в приемную камеру. Здесь жидкость применяется для увлажнения нового исходного сырья.

Простейшая биогазовая установка своими руками

Бытовая биогазовая установка будет иметь несколько упрощенную конструкцию, но к ее изготовлению следует подходить с максимальной ответственностью.

Первый шаг. Выройте яму. По своей сути биогазовая установка является большой ямой со специальной отделкой. Самой ответственной и одновременно с этим сложной частью изготовления рассматриваемой системы является правильная подготовка стенок биореактора и его основания.

Яма должна быть герметичной. Укрепите основание и стенки с помощью пластика либо бетона. Вместо этого вы можете приобрести готовые полимерные кольца с глухим дном. Такие приспособления позволяют обеспечить необходимую герметичность системы. Материал будет сохранять свои изначальные характеристики в течение долгих лет, а при необходимости вы сможете с легкостью заменить старое кольцо новым.

Второй шаг. Оборудуйте систему газового дренажа. Это избавит вас от необходимости покупки и установки мешалок, благодаря чему затраты времени и денежных средств на сборку установки существенно сократятся.

Простейший вариант системы газового дренажа – это вертикально закрепленные канализационные трубы из поливинилхлорида со множеством отверстий по корпусу.

Трубы подбирайте такой длины, чтобы их верхние края несколько возвышались над верхним уровнем загруженного перегноя.

Третий шаг . Накройте внешний слой субстрата пленочной изоляцией. Благодаря пленке будут создаваться условия для скапливания биогаза под куполом в условиях незначительного избыточного давления.

Четвертый шаг. Установите купол и смонтируйте газоотводящую трубу в его наивысшей точке.

Потребление газа должно быть регулярным. В противном случае купол над емкостью с биомассой может попросту взорваться. В летнее время газ образуется более интенсивно, чем в зимний период. Для решения последней проблемы купите и установите подходящие обогреватели.

Порядок и условия успешного использования биогазовой установки

Таким образом, самостоятельно собрать простую биогазовую установку несложно. Однако для ее успешной эксплуатации вы должны запомнить и соблюдать несколько простых правил.

Одно из важнейших требований – в загружаемой органической массе не должно присутствовать никаких веществ, способных оказать отрицательное воздействие на жизнедеятельност ь анаэробных микроорганизмов. К числу запрещенных включений относятся разного рода растворители, антибактериальны е препараты и прочие подобные вещества.

Ряд неорганических веществ также способен привести к ухудшению жизнедеятельност и бактерий. Ввиду этого запрещается, к примеру, разбавлять перегной водой, оставшейся после стирки одежды либо мытья машины.

Помните: биогазовая установка является потенциально взрывоопасным агрегатом, поэтому соблюдайте все положения техники безопасности, актуальной для эксплуатации любого газового оборудования.

Таким образом, даже навоз и в принципе практически все, от чего ранее вы старались всеми силами избавляться, может пригодиться в хозяйстве. Нужно лишь правильно соорудить домашнюю биогазовую установку, и уже очень скоро в вашем доме будет тепло. Следуйте полученным рекомендациям, и вам больше не придется тратить колоссальные суммы на отопление.

Удачной работы!

Каждый год на нашей планете энергоресурсов становится все меньше и меньше. Именно из-за этого приходится искать все время новые, альтернативные источники энергии. Однозначно, через какое-то время на нашей планете закончатся нефтяные и газовые залежи, и тогда миру придется всерьез задуматься над добычей (сбором) и использовании в качестве основного источника энергии биогазов.

Что такое биогаз? Принципы добычи биогаза

Как уже было сказано, биогаз – альтернативный источник энергии. Выделяется он при ферментации различных бытовых отходов, а также отходов выделяемых животными (навоз).

Данный метод использовался еще с древних веков в Китае, но позже, спустя века был невостребованным и в результате оказался забыт.

Добыча биогаза в домашних условиях своими руками

Шаг 1: Выбор бочки

Сначала необходимо выбрать подходящую бочку, в который мы будем хранить «источник энергии», то есть, как вы поняли, пищевые отходы и навоз.

Шаг 2: Делаем отверстия

Делаем отверстия на входе и на выходе в бочке. Можно сделать с помощью дрели, но в данном случае, отверстие сделано с помощью нагретой металлической трубы.

Шаг 3: Установка труб

Устанавливаем трубы на входе и выходе в отверстия, сделанные нами ранее. Трубы вставляем и вклеиваем.

Шаг 4: Создание и установка держателя «бензобака»

Было взято ведро от краски на 20 литров, этот резервуар будет содержать добываемый нами газ. Бак фиксируется с помощью клапана, который используют сантехники.

Шаг 5: Добавляем коровий навоз

Смешиваем коровий навоз (5 кг на 50 литров) и добавляем воды. Помещаем в бак.

Шаг 6: Почти закончили

Первые 10-15 дней газ вы не получите, так как это время необходимо для того, что бы прошли все необходимые процессы.

Шаг 7: Избавляемся от двуокиси углерода

Для того, чтобы данный газ горел, необходимо избавится от двуокиси углерода. Этого можно добиться за счет использования обычного фильтра, которых много в разных строительных магазинах.

Шаг 8: Готово!

Вы сами заметите, как «топливный бак» будет подниматься по мере происхождения химических реакций. Тогда уже необходимо открывать клапан и получать биогаз.

Использовать биогаз можно для разных целей. Не рекомендуется использовать биогаз для приготовления еды, так как это может негативно повлиять на вкусовые качества (если не избавится от отдушек).

Видео-Урок: Добыча биогаза в домашних условиях

Биогаз – это совершенно новый источник энергии. Используя его, вы просто-напросто можете забыть о ненавистных тарифах на электроэнергию.

Самый простой пример биогаза – газ, который выделяется при гноении навоза или других бытовых отходов.

Как сделать биогазовую установку своими руками?

Процесс создания биогазовой установки своими руками достаточно трудоемкий, но возможный. Такая установка поможет сохранить ваши деньги: теперь покупать топливо и электроэнергию вам не нужно , вы сами будете ее производить.

Воссоздать будущую установку можно и из подручных средств. Так, например, реактор будущей установки можно сделать из старых кастрюль, тазов, выварок. Лучше всего выбирать предметы цилиндрической формы.

Главные требования, которым должен соответствовать любой реактор:

  • гидро и воздухонепроницаемость . В случае, если биогаз и обычный воздух смешаются, пойдет реакция, сила которой запросто может в лучшем случае сломать реактор, а в худшем – взорвать его;
  • отличная теплоизоляция ;
  • быть прочным и надежным , ведь в процессе реакции выделяется огромное количество энергии.

Чтобы построить хорошую биоустановку, нужно придерживаться следующей поочередности:

  • выберите место для будущего ректора и рассчитайте суточную норму отходов, чтобы определиться с размером реактора;
  • подготовьте котловину и проделайте монтаж выгрузочной и загрузочной труб;
  • установите и прочно закрепите загрузочный бункер и газоотводную трубу;
  • для использования, обслуживания и ремонта установки установите крышку люка;
  • хорошенько проверьте реактор на герметичность и теплоизоляцию;

Лучше всего стенки будущей установки делайте из бетона, так как прочность вашего реактора – залог безопасности.

Также, важно, чтобы расстояние до ближайшей жилой постройки было не меньше 500 метров. Такая мера связана с тем, что при процессе брожения выделяется ядовитый газ , который за считанные минуты может убить человека.

Следует помнить, что биогаз – это взрывоопасный продукт, и в случае взрыва он снесет все в радиусе 200-300 метров.

Для получения самого биогаза, вам нужно:

  1. cмешать около 2 тонн коровьего навоза и 4,5 тонны перегноя в виде сгнившей листвы, ботвы, отходов.
  2. добавить воды, чтобы влажность в реакторе была на отметке 60-70% влажности;
  3. рагрузить полученную массу в яму и с помощью нагревательной установки (змеевика) разогреть до 35-40 градусов. После этого смесь сама начнет бродить и в анаэробной среде сама разогреется до 70 градусов;
  4. прикрепите к куполу противовес, вес которого должен быть в 1,5-2 раза больше самой смеси, проводиться это для тог, чтобы купол в процессе реакции не слетел с ямы.

5,5-6 тонн смеси биогазовой установке хватит на полгода работы.

Помните, что в массе, которую вы загружаете в реактор, не должно быть антибиотиков, красителей, растворителей и других синтетических веществ. В противном случае они не только помешают всей реакции и остановят ее, но и испортят стенки вашего реактора.

Как можно отметить, принцип работы биогазовой установки очень прост. Проще говоря, в яму устанавливают герметичный резервуар , куда складывают сырье для переработки. Загрузив их, остается только ждать, пока микроорганизмы, именно они обеспечивают протекание всего процесса, разложат массу, и только после этого вы сможете собирать готовый газ.

Отбродившему сырью также можно найти применение. Его вы запросто можете использовать в сельском хозяйстве как удобрение.

После того, как выработался газ, он остается в реакторе, когда масса по выгрузочной трубе удаляется из реактора. Очень важно, чтобы объем емкости временного хранения был не меньше реактора.

Видео по строительству биогазовой установки

Related Posts:



  • Как выбрать бензиновый генератор для дома —…

Получить дешевый источник энергии можно самостоятельно, в домашних условиях — достаточно лишь собрать биогазовую установку. Если понимать принцип ее функционирования и устройство, то сделать это несложно. Вырабатываемая ею смесь содержит большое количество метана (в зависимости от загружаемого сырья – до 70%), поэтому она имеет широкую сферу применения.

Заправка баллонов авто, работающих на газе, в качестве топлива для котлов отопления – это далеко не полный перечень всех возможных вариантов использования готового продукта. О том, как смонтировать своими руками биогазовую установку – наш рассказ.

Существует несколько конструктивных исполнений агрегата. При выборе того или иного инженерного решения нужно понять, насколько данная установка подходит к местным условиям. Это основной критерий оценки целесообразности монтажа. Плюс к этому – свои возможности, то есть, какой вид сырья и в каком объеме получится использовать, что под силу сделать именно своими руками.

Биогаз получается при разложении органики, но его «выход» (в объемном исчислении), и, следовательно, эффективность установки, зависит от того, что именно в нее загружается. В таблице представлена соответствующая информация (данные ориентировочные), которая поможет определиться с выбором конкретного инженерного решения. Нелишними будут и некоторые пояснительные графики.

Варианты конструкции

С ручной загрузкой сырья, без подогрева и перемешивания

Для бытового использования такая модель считается наиболее удобной. При вместимости реактора от 1 до 10 м³ ежесуточно понадобится навоза порядка 50 – 220 кг. Вот из этого нужно и исходить, определяясь с размерами емкости.

Установка монтируется в грунте, поэтому для нее понадобится небольшой котлован. В соответствие с ее расчетными габаритами подбирается место на участке. Состав и назначение всех элементов схемы понять нетрудно.

Особенность монтажа

После установки реактора по месту необходимо проверить его герметичность. Затем металл подлежит окраске (желательно морозостойким составом) и утеплению.

  • Удаление отработки происходит естественным путем – или в процессе закладки новой порции, или при избытке газа в реакторе при закрытом вентиле. Следовательно, вместимость емкости для сбора отходов должна быть не меньше, чем у рабочей.
  • Несмотря на простоту устройства и привлекательность для сборки своими руками, в связи с тем, что перемешивание массы и подогрев не предусматривается, такой вариант установки целесообразно эксплуатировать в регионах с мягким климатом, то есть в основном на юге России. Хотя при качественной теплоизоляции, в условиях, когда подземные водяные пласты находятся глубоко, это исполнение вполне подойдет и для средней полосы.

Без подогрева, но с перемешиванием

Практически то же самое, лишь небольшая доработка, которая существенно повышает производительность установки.

Как сделать механизм? Для того, кто своими руками собирал, например, это не проблема. В реакторе придется монтировать вал с лопастями. Следовательно, необходимо устанавливать опорные подшипники. В качестве передаточного звена между валом и рычагом хорошо использовать цепь.

Биогазовую установку можно эксплуатировать практически во всех регионах, за исключением северных районов. Но в отличие от предыдущей модели, она требует присмотра.

Перемешивание + подогрев

Термическое воздействие на биомассу повышает интенсивность происходящих в ней процессов разложения и брожения. Биогазовый агрегат более универсальный в использовании, так как может работать в двух режимах – мезофильном и термофильном, то есть в диапазоне температур (примерно) 25 – 65 ºС (см. графики выше).

На указанной схеме котел работает на получившемся газе, хотя это и не единственный вариант. Подогрев биомассы можно осуществлять по-разному, как удобнее его организовать хозяину.

Автоматизированные варианты

Отличие данной схемы в том, что к установке подключается . Это позволяет накапливать запасы газа, а не расходовать его сразу же по назначению. Удобство использования и в том, что для интенсивного брожения подходит практически любой температурный режим.

Такая установка отличается еще большей производительностью. В сутки она способна переработать до 1,3 т сырья при аналогичном объеме реактора. Загрузка, перемешивание – за это «отвечает» пневматика. Отводящий канал позволяет удалять отходы или в бункер для кратковременного хранения, или в мобильные емкости с целью немедленного вывоза. К примеру, для удобрения полей.

Для бытового применения эти варианты биогазовой установки вряд ли подходят. Их монтаж, да еще своими руками, намного сложнее. А вот для небольшого фермерского хозяйства – хорошее решение.

Механизированная биогазовая установка

Отличие от предыдущих моделей в дополнительном резервуаре, в котором происходит предварительная подготовка сырьевой массы.

Подача в загрузочный бункер, а потом в реактор производится сжатым биогазом. Он же используется и для подогрева.

Единственное, что необходимо при сборке любой из установок своими руками – точные инженерные расчеты. Возможно, понадобится консультация специалиста. А в остальном все довольно просто. Если хоть один из читателей заинтересуется биогазовым агрегатом и смонтирует его самостоятельно, значит, автор не зря работал над этой статьей. Успехов!

Биогазовая установка

Все органические отходы, которые обычно идут на приготовление компоста, могут быть использованы и для получения биогаза . В этом нам поможет биогазовая установка своими рука или генератор биогаза.

Ведь при брожении (сбраживании) без доступа воздуха до 60-70% углерода бродячей массы переходит в газ метан, который пригоден для сжигания в обычной газовой плите.

Если загрузить в камеру 1 объемом 1 куб.м биотопливо 2 — мелко нарубленные органические отходы, разведенные в воде в соотношении 1:5-1:10-и обеспечить температуру 25 … 30 градусов, то через 3-5 дней камера начнет «ежесуточно давать 0,7-0,9 куб.м биогаза. В этом смысле лучшим биотопливом является коровий навоз.

Схема биогазовой установки своими руками приведена на рисунке ниже:

Рис 1: Схема биогазовой установки своими руками

1. Реактор (бродильная камера).
2. Биотопливо (разведены водою.у соотношении 1:5).
3. Кран пробковый.
4. Труба полиэтиленовая d = 20-30.
5. Манометр на 6 атмосфер.
6. Колокол газосборника.
7. Емкость газосборника (газгольдер).
8. Вода.
9. Пробка герметичная для загрузки и выгрузки биотоплива.

Основным узлом является газгольдер, состоящий из емкости газосборника 7 и колокола газосборника 6. Емкость сделана из 250-литровой металлической бочки с вырезанным верхом. Как колокол подходит стандартная 100-литровая бочка (например, из-под карбида кальция). В дне колокола сделано отверстие для трубы, по которой поступает образуемый биогаз. Бочку нужно перевернуть вверх дном, поставить в емкость генератора и заполнить водой  по самую крышку. По мере заполнения колокола газом вода вытесняется из колокола в емкость газгольдера.

Следующий важный узел генератора — реактор, или бродильная камера 1. Лучше ее сварить из листового металла. Возможен вариант использования нескольких 250 — литровых бочек с герметичными крышками. Вместо одной из пробок ввернута труба соответствующего диаметра 4, другая пробка 9 служит для загрузки и выгрузки биотоплива. Все соединения труб-резьбовые. При монтаже трубопроводов использованы металлические фитинги и запорная арматура. Для контроля процесса схема оборудована пробковыми кранами 3 и манометром 5 на 6 атмосфер.

Эксплуатация биогазовой установки  должна осуществляться в соответствии с правилами техники безопасности, принятых в отношении газовых установок. А именно:
— Генератор должен находиться в отдельном помещении, выполненном из невоспламеняющихся материалов;
— Помещение должно быть оборудовано принудительной приточно-вытяжной вентиляцией, в том числе и на уровне пола;
— Электрооборудование должно быть изготовлено во взрывозащищенном варианте, что исключает попадание искр в атмосферу;
— Поверхности составных частей генератора (бродильная камера, газгольдер, трубы) должны быть утеплены и окрашены в белый цвет;
— Колебания температуры в помещении не должно превышать +3 градуса.

Данная установка в технологическом отношении вполне доступна для изготовления и может оказать посильную помощь в экономии энергоресурсам как фермерам, дачникам, так и владельцам приусадебных участков.

Биогазовый реактор – обзор

Биогазовые реакторы в Непале: важность культуры в проектировании, ориентированном на пользователя (успехи)

деревня Намсалинг, Непал, с населением 8000 человек, для улучшения конструкции и создания биогазовых установок — устройств, используемых для производства газа для приготовления пищи и удобрений для выращивания. Благодаря консультациям и работе с местными заинтересованными сторонами студенческая команда получила представление о культуре, потребностях и ценностях жителей Намсалинга, что привело к внедрению менее дорогостоящих варочных котлов.

Биогазовые установки могут решить множество проблем с энергией, окружающей средой и здоровьем в сельской местности. Биологические отходы — животные и иногда человеческие экскременты, а также сорняки или другие биологические отходы — помещаются в варочный котел. По мере разложения материала образуется газ, который можно откачивать и использовать в качестве топлива для приготовления пищи и для обогрева домов. Оставшиеся отходы можно использовать в качестве удобрения для местных ферм и садов. Этот газ уменьшает количество сжигаемой древесины, тем самым уменьшая вырубку лесов и подвергая людей воздействию токсичного дыма и паров, производимых традиционными дровяными печами, что, в свою очередь, уменьшает проблемы с дыханием (Tugend, 2011).Таким образом, использование природного газа из биогазовых установок способствует экологической устойчивости и здоровью сельских жителей. 124

Когда в 2008 году начался студенческий проект Техниона, в Непале уже использовалось 200 000 биогазовых установок (Stricker, 2010), хотя их строительство стоило значительных времени и денег. Чтобы построить такой варочный котел, выкапывали большую яму и использовали землю для создания купола, часто детьми общины. Затем купол был залит бетоном, а грунт удален, чтобы создать основную камеру метантенка.Рытье котлована, устройство земляного купола, укладка бетона и последующее удаление грунта требовали огромных усилий и времени. Студенты Техниона считали, что смогут разработать более дешевый и простой способ создания биогазовых установок.

Студенты совершили несколько поездок в деревню, «чтобы работать с сельскими жителями над определением и сбором данных, необходимых для разработки устойчивых и соответствующих проектов» (Лихтман, н.д.). Кроме того, они тесно сотрудничали с Центром развития сообщества Намсалинг (NCDC), Партнерством сектора биогаза (BSP) и семьями из Намсалинга.NCDC и семьи в Намсалинге не только помогли в разработке решения, но и профинансировали треть проекта (Tugend, 2011). Вместе с этими партнерами команда переработала форму купола, используемую в процессе строительства.

Вместо земли для строительства купола команда использовала бамбук — материал, широко доступный в Намсалинге. После того, как бетон сверху затвердеет, форму можно будет легче извлечь из ямы и повторно использовать для создания других камер варочного котла. Это значительно сократило количество денег и времени, необходимых для создания варочных котлов. После того, как этот новый дизайн был реализован, жители деревни сообщили о сокращении ежедневного использования древесины на 36 кг на семью (Lichtman, n.d.). «Глубокое знакомство команды Техниона с сообществом» в Намсалинге, несомненно, способствовало успеху этого проекта (EWB, n.d.).

Студенты из Техниона провели много времени с заинтересованными сторонами сообщества, узнавая больше об их ценностях и экономических потребностях, например, о непальском акценте на семье и уважении к членам сообщества, что было важно для строительства и использования варочных котлов.Кроме того, особенно значительны экономические выгоды, связанные с варочным удобрением: удобрение используется в Намсалинге для выращивания важных товарных культур, таких как кардамон и имбирь (деревня Намсалинг, без даты). Успех этого проекта подчеркивает важность учета ценностей, потребностей и обстоятельств непальцев, затронутых проектами инженерной помощи. Даже с самыми лучшими намерениями пренебрежение этими соображениями может привести к провалу проектов инженерной помощи:

По вашему мнению, кто в первую очередь несет ответственность за успех этого проекта? Обоснуйте свой ответ.

Помог ли финансовый вклад сообщества Намсалинг этому проекту добиться успеха? Почему финансовая поддержка бенефициаров может быть полезной для успеха проекта по сравнению с проектами, полностью финансируемыми внешними организациями?

Введение в биогаз и биометан – Перспективы биогаза и биометана: Перспективы органического роста – Анализ

Развитие биогаза в мире было неравномерным, поскольку оно зависит не только от наличия сырья, но и от политики, поощряющей его производство и использование.На Европу, Китайскую Народную Республику (далее «Китай») и США приходится 90% мирового производства.

Европа на сегодняшний день является крупнейшим производителем биогаза. Германия на сегодняшний день является крупнейшим рынком, где сосредоточено две трети мощностей биогазовых установок Европы. Энергетические культуры были основным сырьем, которое поддерживало рост биогазовой промышленности Германии, но в последнее время политика в большей степени сместилась в сторону использования растительных остатков, последовательных культур, отходов животноводства и улавливания метана со свалок. Другие страны, такие как Дания, Франция, Италия и Нидерланды, активно продвигают производство биогаза.

В Китай политика поддерживала установку варочных котлов в домашних условиях в сельской местности с целью расширения доступа к современной энергии и экологически чистому топливу для приготовления пищи; на эти метантенки сегодня приходится около 70% установленных мощностей по производству биогаза. Было объявлено о различных программах поддержки установки крупномасштабных когенерационных установок (т.е. установок, производящих как тепло, так и электроэнергию).Кроме того, в конце 2019 года Китайская национальная комиссия по развитию и реформам выпустила руководящий документ, посвященный индустриализации биогаза и переходу на биометан, поддерживая также использование биометана в транспортном секторе.

В Соединенных Штатах основным путем получения биогаза был сбор газа из органических отходов, на который сегодня приходится почти 90% производства биогаза. Также растет интерес к производству биогаза из сельскохозяйственных отходов, поскольку на внутренние рынки животноводства приходится почти одна треть выбросов метана в США (USDA, 2016).Соединенные Штаты также занимают лидирующие позиции в мире по использованию биометана в транспортном секторе благодаря государственной и федеральной поддержке.

Около половины оставшейся продукции приходится на развивающиеся страны Азии, в частности Таиланд и Индия . Вознаграждение через Механизм чистого развития (МЧР) было ключевым фактором, поддерживающим этот рост, особенно в период с 2007 по 2011 год. Развитие новых биогазовых проектов резко сократилось после 2011 года, поскольку стоимость кредитов на сокращение выбросов, предоставленных в рамках МЧР, упала.Таиланд производит биогаз из отходов производства крахмала маниоки, производства биотоплива и свиноферм. Индия планирует построить около 5 000 новых заводов по производству компримированного биогаза в течение следующих пяти лет (GMI, 2019). Аргентина и Бразилия также поддерживали биогаз через аукционы; В Бразилии большая часть продукции производится на свалках, но есть также потенциал барды, побочного продукта производства этанола.

Четкое представление о сегодняшнем потреблении биогаза в Африке затрудняется отсутствием данных, но его использование было сосредоточено в странах с конкретными программами поддержки.Некоторые правительства, такие как Бенин, Буркина-Фасо и Эфиопия, предоставляют субсидии, которые могут покрыть от половины до всех инвестиций, в то время как многочисленные проекты, продвигаемые неправительственными организациями, предоставляют практические ноу-хау и субсидии для снижения чистой стоимости инвестиций. В дополнение к этим субсидиям в нескольких странах были достигнуты успехи в кредитовании, в частности, в недавнем соглашении об аренде с выкупом в Кении, благодаря которому в 2018 году была профинансирована почти половина установок варочного котла (ter Heegde, 2019)

Влияние условий выращивания растений на производство биогаза: энергоэффективность

Производство биогаза

В исследованиях влияния удобрений на количество и состав производимого биогаза и выход биогаза были проанализированы три растения: кукуруза, сорго и тростниковая канареечниковая трава.

В таблицах 2 и 3 представлены результаты анализа выхода биомассы и биометанового потенциала (BMP) кукурузного силоса из участков Грабов, Осины, Елч-Ласковице и Мочелек и сорго из участка Мочелек для трех различных уровней азотных удобрений: 80, 120 и 160 кг N га -1 , а также силос канареечника тростникового из Осиного с внесением удобрений 40, 80 и 120 кг N га -1 .

Таблица 2 Урожайность кукурузы, сорго и тростниковой канареечника Таблица 3 Энергия, полученная от производства кукурузы, сорго и тростниковой канареечника для силоса, переработанного в биогаз при различных уровнях азотных удобрений

В проведенных исследованиях наибольшая урожайность зеленой массы кукурузы получена на хорошей почве в Грабове (около 50 т га -1 ).Урожайность сорго составила более 70 т га -1 , канареечника около 40 т га -1 . Увеличение доз азота привело к незначительному увеличению выхода зеленой массы с 1 га. Наивысший урожай зеленой массы был получен при максимальном внесении азотных удобрений 160 кг N га -1 .

Анализ результатов показал, что степень внесения азотных удобрений оказала значительное влияние на выход биогаза кукурузного силоса из разных местностей, которые характеризовались разным типом почвы.

Наибольший выход биогаза на гектар кукурузного силоса Bosman из местностей Грабов (хорошая почва) и Осиный (средняя почва) был получен при среднем уровне удобрения: 120 N (таблица 3). При сравнении кукурузного силоса по местоположению силос из Грабова оказался наиболее эффективным, поскольку выход биогаза на гектар составлял 15595 м 3 га -1 год -1 (норма внесения удобрений 120 N). Значительно меньший выход биогаза был получен для кукурузного силоса Vitras с участков Елч-Ласковице и Мочелек (легкая почва), урожайность которых находилась в диапазоне от 9751 до 11412 м 3 га −1 год −1 соответственно. Анализ BMP повторяли 3 раза и каждый раз получали такой низкий выход биогаза. Следует отметить, что в этом случае наибольшая урожайность была достигнута на кукурузном силосе из Елч-Ласковице с самым высоким уровнем удобрения (160 N) в размере 11412 м 3 га -1 год -1 .

Сравнивая отдельные силосы по выходу биогаза с 1 т зеленой массы, было замечено, что наибольший выход биогаза получен из кукурузных силосов с наименьшим уровнем удобрения (80 N): для Bosman кукурузный силос из Местонахождение 315 в Грабове.33 м 3 т −1 зеленая масса (г.м.), Vitras из местности Елч-Ласковице 259,33 м 3 т −1 г.м. и Vitras из Мочелек 194,5 м 3 т −1 г.м. С другой стороны, для кукурузы Босман из местонахождения Осиный со средним уровнем удобрения: 318,67 м 3 т −1 г.м.

Содержание сухого вещества при уборке кукурузы составляло от 27 до 35 % для сорта Bosman и от 20 до 48 % для сорта Vitras (рис. 1). Наибольшее содержание сухого вещества 43-48% отмечено у кукурузы сорта Vitras из местности Мочелек (легкая почва), что связано с низкой биогазопродукцией от 7810 до 8790 м 3 га −1 год −1 . Почти вдвое больший выход биогаза (около 16000 м 3 га −1 год −1 ) был получен для кукурузы сорта Bosman с участка Грабов (хорошая почва), где содержание сухого вещества составляло около 30 %.

Рис. 1

Содержание сухой массы и выход биогаза на гектар кукурузы, сорго и тростниковой канареечника при трех различных уровнях азотных удобрений

Оптимальная доза азота для кукурузы, установленная различными авторами [30], варьируется от 90 до 180 кг га −1 .Столь разное влияние доз азота на урожайность кукурузы в основном связано с разными способами возделывания, а следовательно, с применением разных доз, разной густотой посева, сроками уборки, ограничением продолжительности вегетационного периода. Однако никто из исследователей не изучал влияние уровня азотных удобрений на производство биогаза.

Сравнение результатов анализа BMP трех силосов кукурузы и трех силосов сорго, удобренных 80, 120 и 160 кг N га −1 из участка Мочелек (легкая почва), показало гораздо более высокие выходы биогаза для кукурузного силоса, чем для сорго ( Инжир.1). Наибольший выход биогаза 194,5 м 3 т -1 зеленой массы получен из кукурузного силоса с наименьшим уровнем удобрения (80 кг N га -1 ). С другой стороны, в случае сорго наибольшее количество биогаза (115 м 3 т -1 г) было получено из силоса, удобренного наибольшей дозой 160 кг N га -1 (таблица 3). ). При анализе влияния азотных удобрений на склонность отдельных силосов к разложению в процессах метанового брожения и производства биогаза разница в выходе биогаза была выше для сорго, чем для кукурузы.Однако более высокая продукция биогаза и метана с 1 т зеленой массы и более высокий выход этих газов с гектара были получены в настоящей работе из кукурузного силоса по сравнению с силосом из сорго, что подтверждается результатами других исследователей [31,32, 33,34].

Для участка Мочелек содержание сухого вещества при уборке сорго было ниже, чем при уборке кукурузы, в пределах от 31 до 41% и от 43 до 48% соответственно (табл. 2). При сравнении влияния удобрений на урожайность кукурузы и сорго из участка Мочелек было установлено, что увеличение доз азота мало повлияло на урожайность как кукурузы, так и сорго, что указывает на одинаковое использование азота.Sowinski и Liszka-Podkowa [35] также предположили, что азотные удобрения не оказывали существенного влияния на урожай свежего и сухого вещества сорго и кукурузы. При самом высоком уровне удобрения, равном 160 кг N га -1 , урожай зеленой массы как кукурузы, так и сорго был самым высоким. Урожайность сорго была почти в полтора раза выше, чем у кукурузы, но такое более высокое значение не отразилось на выходе произведенного биогаза. Повышение уровня азотных удобрений кукурузы ограничило производство биогаза, а для сорго повлияло на увеличение производства биогаза, что, вероятно, было обусловлено их качеством и химическим составом.

Ксенжак и др. [30] установили, что независимо от уровня внесения азотных удобрений сорго содержало гораздо больше Mg, Ca и K, чем кукуруза, в то время как концентрация фосфора у обоих видов была одинаковой. Повышенные дозы азотных удобрений не оказали существенного влияния на содержание Mg, Ca и P, но вызвали значительное увеличение концентрации калия как у кукурузы, так и у сорго. Также наблюдалась значительная диверсификация содержания целлюлозных волокон, а также содержания золы как в сорго, так и в кукурузном силосе [30].Содержание метана в биогазе как кукурузы, так и сорго было высоким и колебалось от 73 до 79% и от 66 до 73% соответственно.

В полевых опытах выращивания канареечника тростникового сорта Бамсе (мест. Осиный, средняя почва) установлено увеличение выхода зеленой массы в зависимости от уровня удобрения (табл. 2). Самая большая разница была замечена при сравнении самой низкой (40 кг N га -1 ) и максимальной (120 кг N га -1 ) доз азота. Что касается выхода сухого вещества, не было статистически значимых различий в зависимости от применяемой дозы азотных удобрений.Однако это не отразилось на производстве биогаза (таблица 3). Наибольший выход биогаза равен 126 м 3 т −1 г.м. получена из тростниковой канареечной травы с внесением 80 кг N га -1 и самой низкой 45,5 м 3 т -1 г.м. от самого высокого уровня удобрения (120 кг N га -1 ). Эллисон и др. [36] установили, что применение азотных удобрений может вызвать увеличение содержания лигнина. В случае канареечника тростникового это увеличение может повлиять на рост теплотворной способности и повысить урожайность.С другой стороны, это может оказать негативное влияние на восприимчивость травы к процессу преобразования, такому как анаэробное сбраживание. Это может быть причиной низкой продукции биогаза из силоса с наибольшей дозой азота (120 кг N га -1 ).

При сравнении влияния удобрений на урожайность и биогазообразование из кукурузы и канареечника тростникового из местонахождения Осиный (средняя почва) установлено, что урожайность зеленой массы кукурузы была выше и составила 45,9 т га −1 по азоту уровень удобрения 80 кг N га −1 . Однако при уровне удобрения 120 Н более высокий урожай зеленой массы был получен по канареечнику тростниковому (46,3 т га -1 ). Выход биогаза из 1 тонны зеленой кукурузы был более чем в два раза выше, чем у зеленой канареечниковой травы при азотном удобрении 80 кг N га -1 и почти в 7 раз выше при азотном удобрении 120 кг N га -1 .

Расчет энергоэффективности

В таблице 3 представлено количество полученного биогаза, включая содержание метана и полученную энергию на 1 га (E из ) на основе теплотворной способности метана.Сопоставляя данные, представленные в таблице 3, можно сделать вывод, что независимо от уровня удобрения и типа почвы наибольшее количество метана, полученное с единицы площади, и, как следствие, полученная энергия, характеризуется масштабы производства кукурузы. Для этой установки продуктивность по метану колебалась от 5935 м 3 га -1 год -1 до 12 164 м 3 га -1 год -1 . Это позволило получить энергию от 235643 МДж га -1 до 482 914 МДж га -1 соответственно.Такая изменчивость зависит прежде всего от типа почвы. Наибольшие показатели прироста энергии были получены на хороших и средних почвах. На хороших почвах получено больше энергии на 37-65% по сравнению с легкими почвами. С другой стороны, на средних почвах разница в получении энергии по отношению к легким почвам составляла от 26 до 53 % в пользу средних почв.

Вторым фактором, влияющим на содержание энергии, был уровень внесения азотных удобрений. На легких и средних почвах видимых различий в содержании энергии не было.Колебания показателя составили от 14 % в легких почвах до 18 % в средних почвах. В обоих типах почв наибольшее количество энергии было получено при самом высоком уровне внесения азотных удобрений (160 кг N га -1 ). В хороших почвах выявлена ​​несколько иная зависимость. Здесь, в свою очередь, самый низкий показатель полученной энергии был зафиксирован при самом высоком уровне удобрения N (160 кг N га -1 ). Наибольшее содержание энергии было получено при втором уровне удобрения (120 кг N га -1 ), где показатель был на 50% выше максимального уровня азотного удобрения (160 кг N га -1 ).Точно так же при самом низком уровне удобрения N эта разница была меньше и составляла немногим более 40%.

В случае двух других растений – сорго и канареечника тростникового – содержание выделяемой энергии, как правило, ниже по сравнению с кукурузой. В случае сорго, выращенного на легких почвах, снижение энергоэффективности по отношению к кукурузе, выращенной на том же типе почвы, составило в среднем от 25 до 50 %. Однако в случае канареечника тростникового, который выращивали на средних почвах, снижение энергоэффективности по сравнению с кукурузой, выращиваемой на том же типе почвы, составило в среднем 420%.

Потребление энергии (E в ) представляет другой аспект энергетического баланса. Как было показано в методике, в данной публикации будет представлено количество аккумулированной энергии, связанной с добычей сырья и его транспортировкой к месту переработки (E inp ). В таблице 4 показаны результаты исследований по этой проблеме. Для каждого из исследуемых растений рассчитывали объемы четырех основных потоков энергии с учетом заданного уровня удобрения азотом.Поскольку уровень внесения азотных удобрений был ключевым фактором, отличающим технологии для конкретного растения, поток энергии, связанный с удобрениями, усиливался в потоке накопленной энергии, связанной с материалами и сырьем. При анализе данных, представленных в таблице 3, видно, что технологии с наибольшим уровнем внесения азотных удобрений (160 N) характеризуются самыми высокими энергозатратами — от 50 до 53 ГДж га −1 в случае кукурузы. , около 46 ГДж га -1 в случае сорго и около 31 ГДж га -1 в случае канареечника тростникового (120 с.ш.).В случае кукурузы, независимо от типа почвы, различия в затратах энергии были одинаковыми. Энергозатраты при уровне удобрения 160 кг N га -1 были выше в среднем на 17% по сравнению с уровнем удобрения 80 кг N га -1 . В случае 120 кг N га -1 разница составила примерно 8%. В структуре энергетических потоков наибольшие затраты связаны с потоком потребляемого топлива (E f ) и составляют от 60% до 68% от общих энергозатрат.Энергозатраты, связанные с заготовкой и транспортировкой силоса, были преобладающими расходами в этом потоке. Ту же тенденцию можно увидеть и в исследовании Pepliński [37].

Таблица 4 Энергоэффективность и накопленные энергозатраты при производстве кукурузы, сорго и канареечника тростникового на силос, перерабатываемых в биогаз при различных уровнях азотных удобрений

Что касается двух оставшихся растений, то в случае выращивания сорго на свету почвах уровень энергозатрат по сравнению с кукурузой, возделываемой на том же типе почвы, не отличается.С другой стороны, в пределах сорго наблюдаются несколько большие различия из-за уровней удобрения N. Затраты энергии при уровне удобрения 160 кг N га -1 были выше в среднем на 24% по сравнению с уровнем удобрения 80 кг N га −1 . Напротив, на уровне 120 кг N га -1 эта разница составила примерно 12,5%. В случае канареечника тростникового, выращиваемого на средних почвах, уровень энергозатрат по сравнению с кукурузой, возделываемой на том же типе почвы, существенно различается, а именно ниже примерно на 50 %.Кроме того, более высокая вариация затрат энергии происходит при различных уровнях азотных удобрений. Затраты энергии при самом высоком уровне удобрения 120 кг N га -1 для канареечника тростникового были выше в среднем на 42% по сравнению с уровнем удобрения 40 кг N га -1 . Напротив, в случае 80 кг N га -1 эта разница составила около 22%.

Как следует из данных, представленных в таблице 4, самый высокий коэффициент ERoEI (энергетическая отдача от инвестиций в энергию) существует для установок, производящих биогаз, полученный из кукурузы.Это соотношение колеблется от 5,05 при производстве кукурузы на легкой почве при уровне азотных удобрений 120 кг N га -1 , до 9,76 — наибольшей эффективности, которая достигается при минимальном уровне азотных удобрений, т. е. 80 кг N га −1 на хорошей почве.

В целом разнообразие показателей ERoEI и NEV из-за уровня удобрения N было низким для сорго, выращенного на легких почвах, и кукурузы, возделываемой на легких и средних почвах (рис. 2). В этих случаях колебание показателей составило от 2 до 9%.Однако в случае выращивания кукурузы на хороших почвах и тростниковой канареечника на средних почвах наблюдались существенные различия. В случае канареечника тростникового самые высокие показатели были получены при среднем уровне удобрения 80 кг N га -1 . Однако следует отметить, что с точки зрения показателей ERoEI и NEV эта установка оказалась наименее эффективной в отношении получаемой энергии (рис. 2).

Рис. 2

Соотношение показателей энергетической отдачи от инвестиций в энергию (ERoEI) и чистой энергетической ценности (NEV) исследуемых культур

В случае выращивания кукурузы на хороших почвах при уровне удобрения N, равном 120 кг N га -1 и 80 кг N га -1 были получены самые высокие уровни обоих показателей. Самый высокий уровень ERoEI — 9,76 был достигнут при самом низком уровне внесения удобрений, т.е. 80 кг N га -1 — более чем на 60% больше, чем при уровне 160 кг N га -1 . В свою очередь, самый высокий уровень NEV – 433263 МДж га -1 , был получен при среднем уровне удобрения N, равном 120 кг N га -1 , что составляло более 60% полученной энергии по отношению к полученной энергии. при самом высоком уровне азота, равном 160 кг N га −1 .

Ародуду и др.[38], представив на примере производства биогаза из кукурузного сырья, обнаружили, что как индивидуальное, так и совместное воздействие агрономических факторов (мощность фермы, орошение, обработка почвы, удобрения, варианты посева семян) могут повышать энергетическую продуктивность пахотных источников биоэнергии. значительно с точки зрения NEV от 39 до 118,4 ГДж га -1 до 127,9 и 257,9 ГДж га -1 и ERoEI (от 4,3 и 12,1 до 15 и 33,9). Таким образом, это подчеркивает необходимость учета местных и региональных агрономических факторов при оценке энергоэффективности и устойчивости [38].

Последние тенденции в производстве биодизеля и биогаза

Резюме

Биодизель и биогаз являются двумя очень важными источниками 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 методов очистки при производстве чистого биометана из биогаза позволяет поставлять его в газовую сеть и использовать в дальнейшем в качестве транспортного топлива.В то время как биогаз производится в основном из отходов (свалки, навоз, шлам от очистки сточных вод, сельскохозяйственные отходы), биодизель в ЕС в основном производится из семян рапса или других масличных культур, которые используются в пищу, что вызывает озабоченность по поводу «пища или топливо». . Чтобы смягчить эту проблему, были предприняты значительные усилия по использованию непищевого сырья для производства биодизельного топлива. К ним относятся все виды отработанных масел и жиров, но в последнее время все больше внимания уделяется производству микробных масел путем культивирования микроорганизмов, способных накапливать в своей биомассе большое количество липидов.Многообещающие кандидаты для производства микробных липидов можно найти среди различных штаммов мицелиальных грибов, дрожжей, бактерий и микроводорослей. В качестве исходного сырья представляют интерес сельскохозяйственные отходы, богатые углеводами, а также различное лигноцеллюлозное сырье, где необходимо решить некоторые технические вопросы. В данной работе также рассматриваются восстановление и очистка биодизеля и биогаза.

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

ВВЕДЕНИЕ

Невозобновляемое ископаемое сырье (нефть, уголь и природный газ) по-прежнему являются химические вещества, где примерно три четверти используется для производства электроэнергии и тепла и почти одна 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 проблемы, связанные с крупными нефтедобывающими странами, выбросы парниковых газов и изменения климата, заставили правительства многих стран изучить альтернативы использованию возобновляемых источников энергии ( 2 , 3 ).

За последние несколько десятилетий производство и использование биотоплива (биодизельного топлива, биогаза и топлива на основе биоэтанола) вызвало значительный интерес как подходящее средство для частичной замены ископаемого топлива.Биотопливо, полученное из растительной биомассы, считается возобновляемым и представляет собой экологически приемлемый источник энергии, что позволяет в значительной степени сократить потребление ископаемого топлива и заменить его ( 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 биодизельное топливо составляет 24% и биоэтанол 62% ( 5 , 6 ).Физико-химические свойства биодизеля очень близки к свойствам дизеля, поэтому биодизель или его смеси можно использовать в дизельных двигателях с небольшими модификациями или без таковых. Наиболее часто используемой смесью является B20, смесь биодизеля и нефтяного дизельного топлива в пропорции 1:5. Марка B100 означает чистое биодизельное топливо, которое можно смешивать на любом уровне с нефтяным дизельным топливом, а его более высокая температура воспламенения делает его более безопасным топливом для использования, обращения и хранения с использованием существующих дизельных резервуаров 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, биодизель имеет более низкие выбросы углеводородов и угарного газа. Кроме того, атомы углерода в биодизеле не происходят из органических отложений в земной коре. Они получены из современного атмосферного углекислого газа, который был зафиксирован фотосинтезом в богатых нефтью растениях. Следовательно, двуокись углерода, образующаяся при сжигании биодизеля, обычно является частью текущего углеродного цикла на Земле и, таким образом, оказывает гораздо меньшее влияние на выбросы парниковых газов.Выбросы парниковых газов биодизеля (B100) в 4,5 раза ниже, чем у бензина, и в 3 раза ниже, чем у нефтяного дизельного топлива ( 7 ). Хотя уровни биодизеля NO x немного выше, чем у нефтяного дизельного топлива, считается, что биодизель более безвреден для окружающей среды, 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 биодизель из этого сырья ( 9 ). Рудольф Дизель, изобретатель дизельного двигателя, изучал различные виды топлива (от , например, , от пылевидного угля до арахисового масла) и использовал арахисовое масло в качестве топлива для одного из своих двигателей на Парижской выставке 1900 года. Первый нефтяной кризис 20 века (1970-е гг.) ) поднял вопрос об использовании растительных масел в качестве альтернативы нефти для производства биодизельного топлива ( 9 ). Растительные масла возобновляемы, доступны, портативны и биоразлагаемы, имеют высокую теплоемкость, низкое содержание серы и ароматических соединений.Используемые растительные масла чрезвычайно 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 может производиться из различного сырья, и его выбор в основном связан с климатом и географическим положением места производства.Следовательно, рапсовое и подсолнечное масла в основном используются в Европе; соевое масло преобладает в Соединенных Штатах, масло канолы в Канаде, а пальмовое масло преобладает в тропических странах ( 12 ). Поскольку все эти масла используются в пищу, их использование для производства биотоплива вызвало спор «пища против топлива ». Они считаются биодизельным сырьем первого поколения. Сырье для биодизеля второго поколения получают из несъедобных источников, например. из понгамии, ятрофы, караньи, а также микроводорослей и других микроорганизмов.Отходы фритюрного масла ( 13 ) и отходы бойни ( например жир , кровь , кости , обрезки связок , мертвые животные , мертвые плаценты , и т.д. например, жир, мясная и костная мука) ( 17 ) также могут быть отнесены к этой категории.

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

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

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

Биодизель является наиболее важным видом биотоплива в Европе. Она 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 замедлялся с 2010 по 2012 год, а в 2013 и 2014 годах емкость снижалась на два процента ежегодно. Ожидается, что производственные мощности по производству биодизеля в ЕС в настоящее время останутся практически неизменными на уровне около 25 миллиардов литров ( 18 ).Германия, Франция и страны Бенилюкса являются основными производителями в ЕС. Однако использование биодизеля увеличилось с 45% в 2013 г. до 50% в 2014 г. из-за роста внутреннего производства и снижения импорта ( 18 ).

Основным сырьем для биодизеля в ЕС является рапсовое масло. В 2012 году его доля составила 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 Бенилюксе, 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, в основном из-за их вязкости и способности работать в зимних условиях. Однако эти препятствия можно обойти, используя смесь исходного сырья из рапсового, соевого и пальмового масел. 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, тогда как хлопковое и сосновое масло используются в Греции и Швеции соответственно ( 18 ).

Потребление биодизеля в ЕС достигло пика в 2011 г., но снизилось в 2012 и 2013 гг. Что касается потребления биодизеля, то в 2014 г. лидерами были Франция, Германия, Италия и Великобритания ( 18 ). Они потребляли 58% всего биодизеля 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 смолы, окисления и полимеризации при хранении и сгорании, загущения смазочного масла, и т. д. ( 20 ).

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

Переэтерификация как метод производства биодизельного топлива

При переэтерификации триглицериды 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, а свободные жирные кислоты (СЖК) образуют новые сложноэфирные связи с молекулами спирта, присутствующими в смеси для переэтерификации. В конце реакции остается смесь жирных кислот, алкиловых эфиров и глицерина ( 23 ).

Метанол, этанол, пропанол, бутанол и амиловый спирт могут использоваться в переэтерификации, но преимущественно используются метанол и этанол. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME) получают в присутствии метанола, а этиловые эфиры жирных кислот (FAEE) — в присутствии этанола. Оба эфира используются в качестве биодизеля ( 11 ). Эффективность процесса переэтерификации зависит от нескольких факторов, таких как тип катализатора, температура, соотношение спирта и масла, содержание воды и свободных жирных кислот, 90–359 и т. д. ( 24 ).

Спирт и триглицериды в маслах и жирах недостаточно смешиваются, чтобы образовалась однофазная смесь. Таким образом, многофазность 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, повышая скорость реакции и выход биодизеля ( 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 вещества могут быть кислотными или щелочными соединениями ( 22 ). Реакция, катализируемая основанием, лучше подходит для масел с меньшим содержанием FFA, тогда как реакция, катализируемая кислотой, более удобна для масел с более высоким содержанием FFA ( 26 ).

Гомогенная каталитическая переэтерификация

Наиболее широко используемыми кислотами в гомогенной каталитической переэтерификации являются серная кислота, сульфокислота, соляная кислота, органическая сульфокислота, сульфат железа, и т.д., но обычно предпочтение отдается первым трем из-за их сильной кислотности и низкой стоимости ( 27 ). Кислотные катализаторы не чувствительны к содержанию СЖК в масле. Это предотвращает побочные реакции, такие как омыление, и, следовательно, приводит к получению высококачественного глицерина в качестве побочного продукта. Однако гомогенная кислотная каталитическая переэтерификация очень чувствительна к присутствию воды даже при массовой доле 0,1 % в реакционной смеси, тогда как 5 % воды практически полностью останавливают реакцию ( 28 ).Гомогенные основные катализаторы (в основном алкоксиды и гидроксиды щелочных металлов или карбонаты натрия или калия) широко используются для промышленных переэтерификации ( 20 ). Гидроксиды натрия или калия в основном используются из-за их растворимости в метаноле, образуя метоксиды натрия или калия, которые являются настоящими катализаторами реакции переэтерификации ( 22 ). Гомогенные базовые катализаторы широко используются, потому что они обеспечивают умеренные рабочие условия, высокую каталитическую активность и широко доступны по умеренной цене ( 29 ).Процессы можно проводить при низких температуре и давлении (333-338 К и 140-420 кПа соответственно) с низкой массовой долей катализатора (0,5-2%) ( 30 ). Выходы биодизеля в пределах от 94 до 99 % обычно достигаются при использовании гидроксида натрия или калия при массовой доле от 0,5 до 1 %, соотношении метанола и масла 6:1 и температуре 45-80 °С. В этих условиях растительные масла полностью переэтерифицируются за несколько часов ( 31 ).

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

Переэтерификация масел с высоким содержанием свободных жирных кислот также может быть достигнута путем использования двухстадийного процесса. На первом этапе осуществляется процесс, катализируемый кислотой, при котором происходит этерификация СЖК в МЭЖК, а на втором этапе осуществляется переэтерификация, катализируемая основанием ( 34 ). Также сообщалось, что двухстадийный процесс также может быть реализован с использованием щелочного катализа на обеих стадиях. Увеличение выхода на 10% было зафиксировано при использовании двухстадийного щелочного катализа сырья, содержащего 4% СЖК ( 35 ).

Гетерогенная каталитическая переэтерификация

Гетерогенные основные катализаторы представляют собой материалы, такие как гидротальциты и цеолиты, которые содержат оксиды щелочных металлов или щелочноземельных металлов, нанесенные на большую площадь поверхности ( 27 ).Возможными преимуществами гетерогенных процессов являются более высокие выходы 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 ).

Гетерогенный каталитический процесс Esterfip-H коммерчески используется для производства биодизельного топлива ( 27 ). Он не требует регенерации катализатора или этапов водной обработки и приводит к высоким выходам биодизеля и бессолевому глицерину с чистотой 98% по сравнению с гомогенным каталитическим процессом, где может быть достигнута чистота глицерина менее 80%.

Гетерогенные твердые кислотные катализаторы также использовались во многих промышленных процессах. Основными преимуществами являются нечувствительность к содержанию СЖК, исключение стадии очистки, простое отделение катализатора и меньшая проблема коррозии ( 20 ).Некоторые из часто изучаемых твердых кислотных катализаторов являются Zing Stearate / SiO 2 , Moo 3 / ZRO 2 , WO 2 , WO 2 / ZRO 2 -AL 2 O 3 , MoO 3 /SiO 2 , TPA/ZrO 2 и этаноат цинка/SiO 2 ( 27 ).

Однако использование гетерогенных твердоосновных катализаторов представляется более приемлемым для промышленного применения в связи с упрощением процессов производства и очистки, уменьшением количества основных сточных вод, уменьшением габаритов технологического оборудования и снижением 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 подробно изучались во многих работах ( 22 , 27 , 37 , 39 ). CaO является наиболее часто применяемым катализатором на твердой основе 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 массообмена между двумя несмешивающимися жидкостями в гетерогенной системе в лабораторных масштабах ( 40 , 41 ).

Ферментативная каталитическая переэтерификация

Ферментативные реакции переэтерификации широко изучались. Использование ферментов, таких как липазы, обеспечивает многочисленные экологические и экономические преимущества, такие как: ( i ) использование низких температур реакции, ( ii ) высокая селективность и специфичность транс/этерификации, ( iii ) более широкий диапазон субстратов благодаря способность этерифицировать как связанные глицеридом, так и неэтерифицированные жирные кислоты в одну стадию, ( iv ) использование более низких соотношений спирта и масла, ( 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 ) устранения затрат на обработку, связанных с извлечением химических катализаторов, ( vii ) биоразлагаемости ферментами и приемлемости для окружающей среды, а также ( viii ) возможности 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 низкой скоростью 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 считается экологически чистой альтернативой, имеющей хорошие возможности для высокой коммерциализации, когда доступны новые, менее дорогие и более эффективные биокатализаторы ( 7 , 42 ), особенно с внедрение технологии рекомбинантной ДНК ( 43 ).

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

Липазы, такие как триацилглицероллипаза (EC 3.1.1.3), отвечают за гидролиз триглицеридов (ТГ), 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 карбоновых кислот) предпочитают гидролизовать только триглицериды, состоящие из короткоцепочечных жирных кислот (менее шести атомов углерода). И липазы, и эстеразы относятся к классу гидролаз (КФ 3.1.х.х). Липазы можно классифицировать по их происхождению на растительные, животные или микробные липазы ( 7 ). Однако для производства биодизеля наиболее широко используются микробные липазы, продуцируемые мицелиальными грибами, дрожжами и бактериями. Среди них наиболее часто используемые источники ферментов относятся к отрядам Candida , Pseudomonas и Rhizopus ( 7 ).Использование высококачественных ферментов обеспечивает конверсию выше 90%. Происхождение конкретной липазы оказывает значительное влияние на оптимальные параметры ее применения. Оптимальные температуры колеблются между 30 и 50 °C, и, следовательно, время реакции также может значительно различаться. Например, иммобилизованной липазе Pseudomonas cepacia потребовалось 8 часов для проведения переэтерификации масла ятрофы этанолом, но для того же фермента в свободной форме потребовалось 90 часов для переэтерификации соевого масла метанолом ( 48 ).Следовательно, помимо происхождения липазы, многие другие параметры влияют на эффективность ферментативного процесса (, например, , температура реакции, активность воды, свободный против иммобилизованного фермента, соотношение спирта и масла, 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 организмами, продуцирующими липазу ( 049 ).Основная проблема использования растворимых ферментов заключается в том, что они обычно поставляются в стабилизированных водных растворах (с добавлением консерванта для ингибирования роста микробов, , например, бензоата, и со стабилизатором для предотвращения денатурации фермента, , например, , глицерина или сорбита). ) ( 50 ). Как уже упоминалось, вода является химическим загрязнителем в реакции переэтерификации. Таким образом, чтобы уменьшить 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 материалу-носителю химическими или физическими средствами ( 51 ). Стабильность липазы при производстве биодизеля может быть значительно повышена за счет использования адекватной техники иммобилизации. Иммобилизация обеспечивает лучшую стабильность работы 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 и типа реакции.Для промышленного применения вспомогательные материалы выбираются на основе характеристик текучести, низкой стоимости, нетоксичности и максимальной загрузки биокатализатора при сохранении желаемых характеристик текучести, эксплуатационной долговечности, доступности и простоты иммобилизации ( 7 ). Стандартными методами иммобилизации, которые можно использовать в катализируемой ферментами переэтерификации, являются адсорбция, ковалентное присоединение, улавливание и сшивание ( 53 ). Сообщалось о высоких выходах биодизельного топлива в диапазоне от 95 до 100% при использовании иммобилизованных липаз из Pseudomonas cepacia , Thermomyces lanuginosus и Candida antarctica на различных маслах (подсолнечном, каноловом, и т.) и спирты ( 54 56 ). Сообщалось об очень высокой стабильности повторно используемых иммобилизованных липаз (почти отсутствие потери активности после 200 циклов) ( 56 ).

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

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

Наиболее часто используемыми биореакторами для ферментативного производства биодизеля являются реакторы периодического действия с мешалкой (STR) и реакторы с уплотненным слоем (PBR). В STR фермент (свободный или иммобилизованный) диспергируют в реакционной смеси путем перемешивания, тогда как в PBR иммобилизованный фермент помещают в колонку. Оба типа биореакторов могут работать в непрерывном режиме, что снижает эксплуатационные расходы.Непрерывный PBR превосходит периодический PBR из-за автоматизированного управления и работы, снижения затрат на рабочую силу, стабильных условий работы и легкого контроля качества продукции. Другие конфигурации биореакторов включают реакторы с псевдоожиженным слоем, расширяющимся слоем, рециркуляционные мембранные реакторы и статические смесители ( 7 ).

Некаталитическая переэтерификация

Из-за ряда недостатков реакций переэтерификации с участием катализатора исследования по разработке эффективных некаталитических реакций привлекли определенное внимание.До сих пор сообщалось о двух процессах некаталитической переэтерификации: так называемом процессе BIOX (или совместном растворителе) и процессе сверхкритического спирта ( 20 ).

Некатализируемая переэтерификация протекает очень медленно из-за низкой растворимости метанола в масле. Эту проблему можно решить, используя сорастворитель, растворимый как в метаноле, так и в масле. В связи с этим 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 двухстадийном непрерывном процессе при относительно низком давлении и температуре как ТГ, так и СЖК успешно превращаются в биодизель. Однако из-за опасной и токсичной природы тетрагидрофурана его необходимо полностью удалить как из глицерина, так и из биодизеля ( 20 ). Однако сообщалось, что как тетрагидрофуран, так и избыток спирта можно восстановить за одну стадию ( 66 ).

В сверхкритическом спиртовом процессе некаталитическая переэтерификация осуществляется под высоким давлением и температурой ( 25 ).Сверхкритические условия приводят к уменьшению диэлектрической проницаемости спирта, что увеличивает растворимость ТГ в спирте, что, следовательно, также увеличивает скорость реакции переэтерификации. Эта технология имеет ряд преимуществ: ( и ) нечувствительность к присутствию СЖК и воды в реакционной смеси, ( ii ) высокая скорость реакции, ( iii ) непрерывный режим работы и ( iv ) промывка водой не требуется на этапе извлечения продукта ( 13 ).Однако недостатками сверхкритического спиртового процесса являются требования к высокому давлению (20-60 МПа) и температуре (250-400 °С) при высоких соотношениях метанола к нефти (около 42:1), что увеличивает себестоимость производства ( 20 ). Сообщалось об успешном применении технологии сверхкритического метанола для переэтерификации пальмового масла в реакторной системе периодического действия ( 67 ), а также для кокосового и косточкового пальмового масла в непрерывном процессе переэтерификации ( 68 ).Кроме того, было также изучено безкаталитическое превращение рапсового масла в бутиловые эфиры жирных кислот под действием микроволнового излучения, и высокая эффективность переэтерификации рапсового масла с 1-бутанолом наблюдалась только в околокритических или сверхкритических условиях ( 69 ).

Выделение и очистка биодизеля

Сырое биодизельное топливо, полученное после переэтерификации, представляет собой смесь образующихся в ходе реакции МЭЖК, глицерина, избытка спирта и примесей мыла, невосстановленного катализатора, воды, а также непрореагировавших моно-, ди- и триглицериды ( 70 ).После завершения переэтерификации сырой биодизель оставляют на 8-24 ч для отстаивания глицерина. Отделение глицерина проводят чаще всего в декантационных воронках или центрифугированием с последующим удалением избытка спирта перегонкой или выпариванием при атмосферном давлении или в вакууме. Затем биодизель подвергается промывке для удаления следов катализатора, мыла, глицерина и других примесей. Обычные методы промывки: промывка перемешиванием или смешиванием, промывка туманом, промывка пузырьком и промывка перемешиванием ( 70 ).Для получения заданной чистоты биодизеля можно применять как один, так и комбинацию двух или более методов промывки. Существуют и другие методы промывки, такие как промывка фосфорной кислотой, силикагелем, силикатами магния или ионообменными смолами для поглощения примесей ( 70 72 ).

После промывки биодизель 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 биодизеле до уровня менее 500 мг/л ( 70 ).Удаление воды может осуществляться отстаиванием, нагреванием и применением химикатов. Нагрев биодизеля (, например, путем перемешивания при 110–120 °C в течение примерно 20 минут или при 90–110 °C в вакууме в течение от 20 минут до 1 часа) также помогает удалить остатки спирта ( 70 ). Можно также проводить сушку с использованием осушающих агентов, таких как безводный сульфат натрия и сульфат магния, или молекулярных сит 4Å. Чистейшее биодизельное топливо получают путем перегонки. Различные фракции МЭЖК собирают при температуре 90-240°С в вакууме или атмосферном давлении ( 70 , 73 ).

ПРОИЗВОДСТВО БИОДИЗЕЛЯ ИЗ


МИКРОБНЫХ ЛИПИДОВ

Опасения 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, моно- липиды клеток или масла отдельных клеток) в качестве непищевого сырья для производства биодизельного топлива ( 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, меньшая потребность в рабочей силе, меньшая зависимость от сезона и климата, а также более легкий процесс масштабирования ( 75 ).

Микроорганизмы и сырье для производства липидов

Микробные масла производятся многими так называемыми маслянистыми микроорганизмами, которые можно найти среди грибов (плесени и дрожжей), микроводорослей и бактерий ( 76 ). Маслянистый микроорганизм способен хранить более 20% «масла» в сухой массе в виде липидов, прежде всего в виде ТАГ и ЖК ( 77 ).Однако не все из них подходят для производства биодизеля ( 78 ). Основные маслянистые микроорганизмы, используемые для микробного производства масла, описаны в работе Subramaniam et al. . ( 79 ). Многие маслянистые микроорганизмы (плесени, дрожжи и бактерии) производят липиды из органических субстратов, богатых сахарами 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 пищевой, деревообрабатывающей и бумажной промышленности, и т.) были исследованы как возможное сырье ( 79 ). Маслянистые микроводоросли, как автотрофные микроорганизмы, могут производить липиды непосредственно из CO 2 , и это считается третьим поколением микробного производства масла.

Накопление масла в микробных клетках при росте 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 будет добавлен в избытке, то некоторые другие питательные вещества в ростовой среде станут лимитирующими, и рост клеток будет остановлен. Обычно лимитирующим питательным веществом является азот, обычно в форме NH 4 + ( 80 ), поэтому накопление липидов в клетке можно легко регулировать, регулируя соотношение C:N в питательной среде. При высоком соотношении C:N клетки продолжают ассимилировать источник углерода, но азотное голодание останавливает синтез белков и нуклеиновых кислот, и тогда клеточный метаболизм направляет избыток углерода на биосинтез липидов и отложение липидов в дискретных липидных телах внутри клетки. в качестве материала для хранения углерода и энергии ( 81 , 82 ).Поэтому поддержание оптимального соотношения C:N в питательной среде является важнейшим параметром микробной нефтедобычи.

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). Меласса сахарной свеклы ( 83 , 84 ) и меласса сахарного тростника ( 85 , 86 ) исследовались как источники углерода для микробного производства масла.Маниока, картофель, топинамбур и сорго также имеют высокое содержание ферментируемых олиго- и полисахаридов. Их изучают в качестве альтернативного сырья для производства микробного масла, особенно потому, что они способны расти на земле с низкими требованиями к обслуживанию и устойчивыми в долгосрочной перспективе. Тем не менее, конкуренцию с производством продуктов питания и экономическими соображениями еще предстоит решить ( 87 ).

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

Сырье, содержащее лигноцеллюлозу, чаще всего используется в качестве источника углерода для производства микробного масла, которое можно рассматривать как потенциальное биодизельное топливо второго поколения.Производство микробного масла из лигноцеллюлозной биомассы требует трех основных этапов: ( i ) гидролиз лигноцеллюлозы в ферментируемые сахара, ( ii ) микробное превращение сахаров в масло, отложившееся в микробных клетках, и ( iii ) производство биодизельного топлива. из микробного масла ( 88 ). Маслянистые дрожжи и штаммы грибов являются основными исследованными организмами в превращении целлюлозы в липиды. Биосинтез липидов — более медленный процесс, чем ферментация этанола.Однако, поскольку это аэробный процесс, он может превращать ксилозу в липиды без проблем, которые необходимо решать при ферментации лигноцеллюлозного биоэтанола. При культивировании масличных штаммов на лигноцеллюлозных гидролизатах все еще существует много проблем: ( и ) наличие различных сахаров в гидролизате, ( ii ) ограниченные концентрации сахаров, ( iii ) потребность в обогащенных азотом коммерческих ферментах ( iii ) целлюлазы и гемицеллюлазы), что ухудшает контроль соотношения C:N, и ( iv ) образование ингибиторов (фурфурол, гидроксиметилфурфурол, фенолы, и т.д.) на стадии предварительной обработки ( 89 ). Заявленный теоретический выход составляет 0,32 г на г сахара из глюкозы и 0,34 г на г сахара из ксилозы ( 90 ), но достигнутый практический выход составляет около 0,22 г липидов на 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 составляет 6–9 для водорослей и 4– 7 для дрожжей и плесени ( 89 ).

Маслянистые дрожжи — это одноклеточные грибы, которые могут накапливать более 40% (по массе) масла, а некоторые штаммы дрожжей могут достигать 70% (по массе) в контролируемых условиях. Их можно культивировать на различных сахарах (глюкозе, маннозе, фруктозе, галактозе, ксилозе, арабинозе, сахарозе или лактозе) и глицерине. Они растут с высокой скоростью роста, и их масло имеет такой же профиль ТГ, как и растительные масла, хотя он отличается от штамма к штамму ( 79 ).

Дрожжевые штаммы Cryptococcus Albidus , Lipomyces Lipofera , Lipomyces Starkeyii , Rhodoshoridium Toruloides , Rhodotorula Glutinis , Trilhosporon Pullulans и Yarrowia Pullulatica и Yarrrowia Lipolytica могут накапливаться маслом при контролируемых условиях выращивания.Среди ЖК, обнаруженных в ТГ дрожжей, 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 они накапливают до 70% липидов в своей сухой биомассе. Наиболее эффективные масличные дрожжи Cryptococcus curvatus способны 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 масличных мицелиальных грибов может быть получена с содержанием 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 прибыльны, чем биодизель ( 79 ).Например, липиды, продуцируемые Mortierella isabellina , содержат 20% линолевой кислоты, 20% пальмитиновой кислоты и 50% олеиновой кислоты. М. isabellina предложено использовать для производства ценных жирных кислот для фармацевтических препаратов, а также для производства биодизеля ( 92 ). Также сообщалось об аналогичных многообещающих результатах с штаммом YN-15 Mortierella alliacea ( 93 ).

Липиды, вырабатываемые бактериями, обычно сильно отличаются от других микробных масел, и лишь небольшое число бактерий может производить масла, которые можно использовать для производства биодизельного топлива.Следовательно, бактерии в основном используются для производства некоторых особых 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 могут представлять интерес только маслянистые микроорганизмы с высоким содержанием стеариновой кислоты (С18:0) и олеиновой кислоты (С18:1), поскольку они имитируют свойства ценных масел для производства биодизеля ( 78 ). Для этого Neurospora crassa был генетически модифицирован путем удаления гликогенсинтазы и усиления ацетил-КоА-синтазы, что приводит к более чем двукратному накоплению ЖК на лигноцеллюлозной биомассе, предварительно обработанной разбавленной кислотой ( 95 ).Это показывает, что потенциал улучшений генетической и метаболической инженерии микробного производства масла, безусловно, многообещающий и еще далеко не изучен.

Микроводоросли считаются «миниатюрными биохимическими фабриками, работающими на солнечном свете», и они считаются потенциальным источником биодизельного топлива третьего поколения. Они способны производить большое количество липидов и углеводородов в присутствии солнечного света и углекислого газа из дымовых газов ( 96 ).В целом доказано, что CO 2 объемной фракции от 2 до 15% подходит для поддержания благоприятной скорости роста и выхода липидов ( 87 ). Кроме того, они могут обеспечить несколько различных типов возобновляемого биотоплива, таких как биодизель, фотобиологически произведенный биоводород и метан, полученный путем анаэробного сбраживания 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 ежедневно, что обеспечивает высокую продуктивность биомассы на единицу площади ( 97 ). Многие микроводоросли богаты омега-3 и омега-6 жирными кислотами, а также незаменимыми аминокислотами, такими как лейцин, изолейцин, валин, и т.д. в ЖК С16 и С18 ( 98 ). Среднее содержание липидов колеблется от 1 до 70%, но может достигать 90% сухой массы при определенных условиях ( 99 ).Однако микроводорослям требуется гораздо больше времени, чем масличным дрожжам или грибам, для достижения значительного выхода липидов (не менее двух недель). Следовательно, необходим лучший отбор и/или разработка высокопродуктивных масличных микроводорослей, способных быстро улавливать и утилизировать CO 2 , устойчивых к таким токсичным компонентам, как SO x и NO x в дымовых газах, и обладают хорошей приспособляемостью к колебаниям температуры и освещенности ( 87 ).

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

Переэтерификация на месте биомассы в биодизель характеризуется экстракцией липидов и переэтерификацией в одну стадию. Следовательно, этап экстракции липидов избегается по сравнению с обычным процессом экстракции липидов, что положительно влияет на стоимость промышленного процесса. Этот метод был использован для производства биодизеля из биомассы Botryococcus braunii в обычном реакторе периодического действия (CBR) и реакторе экстракции с обратным холодильником (RER) ( 101 ).В РРЭ наблюдался выход биодизеля 80,6 % по массе, что значительно выше, чем в ЦБР (64,5 % по массе). Эффективность этого метода зависит от температуры, дозы катализатора и размера частиц сухой биомассы водорослей, а также от использования сорастворителя в реакционной смеси. На основании полученных результатов было замечено, что увеличение выхода МЭЖК связано с уменьшением размера частиц биомассы и увеличением доли сорастворителя в реакционной системе. Кроме того, добавление сорастворителя также вызывает увеличение содержания насыщенного и мононенасыщенного метилового эфира и улучшает его стабильность ( 101 , 102 ).

Режимы биопроцесса для производства микробных липидов

Для производства микробного масла применялись 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 было проведено с использованием периодического культивирования ( 79 , 81 , 82 , 103 105 ).

Повторное периодическое культивирование изучали Veloso et al. ( 106 ) с использованием Phaeodactylum tricornutum , Chiu и др. ( 107 ) с Nannochloropsis oculata , Hsieh and Wu ( 108 ) с Chlorella sp. и Feng et al. ( 109 ) с Chlorella vulgaris .

Периодический режим с подпиткой является удобным способом производства биомассы в высокой концентрации путем прерывистой или непрерывной подачи питательных веществ, чтобы избежать ингибирования субстрата или подавления катаболита ( 79 ).Процесс проводится в два этапа. Первый этап соответствует чистой фазе роста с соотношением C:N в питательной среде, оптимизированным для быстрого размножения микробных клеток. Второй этап проводится с высоким соотношением C:N (ограничение азота), что способствует накоплению липидов в уже выросших клетках ( 82 , 110 , 111 ).

Имеется лишь несколько сообщений о добыче микробного масла в непрерывном режиме. В непрерывном режиме в хорошо перемешиваемый биореактор непрерывно подается свежая питательная среда и одновременно отводится отработанная среда из биореактора для поддержания постоянного полезного объема 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 глицерине-сырце в культурах с ограниченным азотом, Папаниколау и Аггелис ( 112 ) получили содержание липидов 43% по массе, но с низкой объемной продуктивностью 1,2 г/л. (L · ч). Кроме того, при непрерывном культивировании 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, равной 0.67 г/(л · ч) ( 113 ). Различные исследования продукции микробных липидов различными микробными штаммами из различного сырья представлены в ( 111 , 114 130 ).

Таблица 1

Таблица 1

Различные исследования производства микробных липидов из различных сырья

+ + + девяносто одна тысяча сто девяносто четыре девяносто одна тысяча сто девяносто четыре SwitchGrass
Miscanthus
Giant Reed
+ + + + + + Rhodococcus девяносто одна тысяча сто тридцать пять плотные PD630 + + + + + -CID гидролиз девяносто одна тысяча сто девяносто-четыре +444 9164
вид Carbon Source Режим выращивания W (Lipid) /% Note ссылка
     Aspergillus oryzae     Жом сахарного тростника     Партия     19.6 Развести кислоты предварительной обработки
Ферментативный гидролиз
( 114 )
хлореллы pyrenoidosa СО 2 Пакетный 26,8 50% СО 2 ( 115 )
     Cryptococcus sp. глюкоза пакет 63.59 ( 111)
Глюкоза Fed-Batch 63.5
Corncob подпиткой 61,3 предварительной обработки кислотой
ферментативный гидролиз
Cryptococcus аШйиз Уксусная кислота Batch 25,8      ( 116 )
    Ацетат натрия     Партия     24.5
Этанол Пакетный 24,9
летучих жирных кислот Пакетный 25,1
ацетат аммония Пакет 2411
Lipomyces Starkeyi Глюкоза Пакет 23.7 ( 117 )
Глюкоза подпиткой 27,0
Картофельный крахмал Пакетный 40,3
Corncob Batch Коммерческий товар 47.0 Коммерческий продукт Коммерческий продукт ( 118 )
Mortierella Isabellina Xylose Batch 64.5 ( 119 )
Солому пшеницы Пакетный 53,0 Развести кислоты предварительной обработки ( 120 )
рисовой шелухи Пакетный 64.3 Кислотный гидролиз ( 121 )
Coon Stover Batch 24.8
35.6
35.6
32.2
21.2
Разбавленные кислоты Предварительная обработка
глюкоза и ксилоза
глюкоза и ксилоза в качестве источников углерода
( 122
BOOT COSTOVER Batch 30.0 Разбавленная кислота и щелочные доставки
ферментативный гидролиз
смеси глюкозы,
ксилозы и ацетат в качестве источника углерода
( 123 )
Mucor plumbeus     Жмых сахарного тростника     Партия     23.8     Предварительная обработка разбавленной кислотой
    Ферментативный гидролиз
     ( 114 )
     Nannochloropsis sp. Городские сточные воды и морской воды Пакетный 59,9 15% СО 2 аэрации ( 124 )
Лоблолли сосна Пакетный 24.8 автогидролиза
(предварительная обработка горячей воды)
( 125 )
Sweetgum 28,6
Rhodococcus плотные DSM1069 Loblolly сосны 28.3
SweetGum
Rhodosporidium Toruloides Jerusalem Artichoke Batch 43.3 J. Artichoke Extract ( 126 0)
4 J. Artichoke Extract
56,5 J. Artichoke Hydrolyzate
Rhodosporidium Toruloides Corn Stover Batch 58.67 Развести кислот и щелочей предварительной обработки () 127

Растворенные кислород- -stat подпиткой 59,81
импульсов открыты локальные партия 61,54
Интернет подпиткой 58,76
Rhodotorula glutinis глицерин Batch 52.91 ( 128 )
подпиткой 60,7
Rhodotorula mucilaginosa жом сахарного тростника Пакетный 11 Разбавленная кислота предварительная обработка
ферментативный гидролиз
( 114 )
Scenedesmus obliquus CO 2 Batch 24.40 50% CO 2 ( 115 )
CO 2 Batch 38.9 10% CO 2 ( 129 )
Thamnidium elegans глюкоза пакет 69.59 ( 130 )
Фруктоза 70.4

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

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

Экстракция липидов проводится органическими растворителями (хлороформом, метанолом или гексаном), обычно по методу Блая и Дайера или Сокслета ( 89 ). Чтобы избежать энергоемкой регенерации растворителя, экстракцию можно проводить сверхкритическими жидкостями (CO 2 или N 2 ). Сухая или влажная клеточная биомасса также может быть использована для переэтерификации. В этих случаях экстракция и переэтерификация происходят одновременно. Масло из микроводорослей было извлечено путем гидротермального сжижения, и эта технология также предлагается для биоперерабатывающих заводов на основе лигноцеллюлозы ( 89 ).

БИОГАЗ

Производство биогаза является хорошо известной технологией, которая приносит много преимуществ, как экономических, так и экологических, поскольку биогаз является возобновляемым источником энергии, полученным путем дешевой и экологически чистой переработки органических отходов, что снижает выбросы парниковых газов. Производство биогаза также является санитарным процессом, который снижает количество патогенных микроорганизмов в органических отходах, удаляет запахи и мух и производит органическое удобрение, которое приносит фермерам экономическую выгоду ( 131 ).Доступность при низких затратах и ​​возможность использования широкого спектра 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 органического материала 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 40-75% и углекислый газ в пределах от 15 до 60% ( 133 ). После удаления CO 2 и других примесей, которые, однако, присутствуют в следовых количествах, конечный продукт, называемый биометаном, обычно содержит 95-97% CH 4 и 1-3% CO 2 ( 133 ). Биометан может заменить природный газ в качестве сырья для производства химикатов и материалов ( 132 ).

Максимальный выход биогаза коррелирует с содержанием жира в бульоне, но для преобразования жира требуется длительное время выдержки из-за их низкой биодоступности.В случае углеводов и белков наблюдаются гораздо более высокие скорости превращения при меньшем выходе газа ( 132 ). Количество образовавшегося газа зависит от нескольких факторов, таких как температура, pH и щелочность, скорость гидравлической и органической загрузки, 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 очень медленное ( 132 ).

Анаэробное сбраживание в основном связано с обработкой навоза животных (коров, свиней, кур, и т. д. ) и осадка сточных вод. Однако для достижения более высоких выходов биогаза сегодня большинство биогазовых установок перерабатывают навоз с добавлением косубстратов ( например, энергетические культуры, органические отходы сельскохозяйственных производств, пищевые отходы, бытовые биоотходы домохозяйств, и т. д. ) ( 132 ). В целом сельскохозяйственные отходы и навоз животных вместе составляют более 80% потенциального сырья для производства биогаза ( 132 ).

В 2014 г. производство биогаза (по объему) увеличилось до ок. 58,7 млрд 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% биогаза в мире, за ней следуют 31,9% в Азии, 16,7% в Америке и 1,6% в остальном мире ( 135 ). Биогазовый сектор в Европе очень разнообразен.Германия и Великобритания являются двумя крупнейшими производителями биогаза в ЕС. Германия производит 92% своего биогаза из сельскохозяйственных культур и отходов, в то время как Великобритания, Болгария, Эстония и Португалия больше ориентированы на газ, образующийся на свалках и в осадке сточных вод. 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: 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 прирост производства биогаза наблюдался в Германии (900 ГВт·ч), Франции (133 ГВт·ч) и Швеции (78 ГВт·ч). Некоторые крупномасштабные предприятия по производству газа очищают биогаз до биометана, который можно подавать в сеть природного газа или использовать в качестве транспортного топлива. Количество таких объектов растет, особенно в Германии и Австрии. В 2015 году 97 тонн нефтяного эквивалента (т н.э.) (1 т н.э.=41,87 ГДж=11.63 МВт·ч) в Швеции, 30 т н.э. в Германии и 0,5 т н.э. в Австрии биогаза было использовано в качестве транспортного топлива ( 137 ). США являются основным производителем биогаза в обеих Америках с объемом производства 8,48 млрд Нм 3 . В США работает 2200 биогазовых установок (в основном очистные сооружения). Однако в последние несколько лет производство биогаза было медленным, хотя, по оценкам Министерства энергетики США, США могут построить более 13 000 установок (производящих более 40 ТВт·ч электроэнергии).Согласно мировым статистическим данным, производство биогаза значительно увеличилось с 2000 года. В период 2000-2014 гг. среднегодовой рост производства биогаза составил 11,2% ( 135 ). Прогноз производства биогаза в Европе в 2017 и 2018 годах – дальнейшее увеличение производства биогаза на 3-5% (в 2018 году ожидается достижение значения 16985 тыс. т н.э.; 1 тыс. т н.э.=11,63 ГВт·ч=41,87 ГДж). Однако ожидается, что биогаз свалок и осадков сточных вод будет стагнировать, но производство биогаза из сельскохозяйственного сырья будет расширено ( 137 ).Подобная ситуация, вероятно, будет и на глобальном уровне.

ТЕХНОЛОГИЯ АНАЭРОБНОГО СБОРКИ


ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА

Анаэробное сбраживание (АД) представляет собой биологический процесс, при котором органические вещества разлагаются рядом микроорганизмов с образованием биогаза 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 вырабатываются гидролитическими микробами.В этом процессе сложные углеводы, белки и липиды гидролизуются до простых сахаров, аминокислот, глицерина и жирных кислот соответственно. Эти небольшие молекулы затем превращаются посредством ферментации ацидогенными бактериями в смесь летучих жирных кислот (ЛЖК) и спиртов. После этого ацетогенные бактерии дополнительно преобразуют ЛЖК в ацетат, углекислый газ и водород. Эти соединения являются субстратами для последней стадии образования метана, называемой метанированием (или метаногенезом; 139 ).

AD — очень сложный биохимический процесс, требующий консорциума большого количества видов бактерий для гидролиза и ферментации органического материала в биогаз. Большинство этих видов являются строгими анаэробами, такими как Clostridia , Bacteriocides и Bifidobacteria , но также могут присутствовать факультативные анаэробы, такие как Streptococci и Enterobacteriaceae 6 303590 3 . К продуцирующим водород ацетогенным бактериям относятся 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 несколько видов ( Methanosarcina barkeri , Methanococcus mazei и Methanotrix soehngenii ) могут разлагать ацетат на CH 4 3 2 и CO2 ( 132 ). Поскольку все микробы в консорциуме тесно связаны друг с другом, процесс фактически может осуществляться в два этапа ( 140 ).Среди четырех микробных групп наиболее медленно растут метаногенные бактерии и они наиболее чувствительны к изменениям условий внешней среды. Это делает метаногенез лимитирующей стадией всего процесса БА. Однако при разложении лигноцеллюлозного сырья из-за его неподатливой структуры гидролиз может стать ограничивающим этапом. По этой причине требуется этап предварительной обработки лигноцеллюлозных материалов перед анаэробным сбраживанием, чтобы добиться более эффективного микробного разложения целлюлозы и гемицеллюлозы, что в конечном итоге приведет к увеличению выхода биогаза ( 139 ).

Разложение проводят при мезофильной (35-42 °С) или термофильной (45-60 °С) температуре ( 132 ). Колебания температуры отрицательно сказываются на биопроцессе, поэтому для крупномасштабной операции необходимо поддержание температуры. Биосинтез метана происходит в относительно узком интервале рН (6,5-8,5) с оптимумом между 7,0 и 8,0. Он может сильно ингибироваться при pH ниже 6,0 или выше 8,5. Накопление аммиака вызывает повышение рН за счет деградации белка, а накопление ЛЖК связано со снижением рН.ЛЖК являются ключевым промежуточным звеном в этом процессе, и в высоких концентрациях они могут ингибировать метаногенез.

Молекулы, содержащие углерод, азот, фосфор и серу, считаются макроэлементами. Рост микробной биомассы при AD очень низок, поэтому соотношение питательных веществ сохраняется около C:N:P:S=600:15:5:1 соответственно ( 132 ). Такой состав макроэлементов способствует высокой метаболической активности в отношении продукции метана. Микроэлементы, такие как кобальт, железо, селен, никель, молибден и вольфрам, считаются микроэлементами, важными для оптимального физиологического состояния микробного консорциума, который осуществляет процесс АД ( 132 ).Добавление питательных микроэлементов имеет решающее значение для AD, когда энергетические культуры используются в качестве единственного субстрата для производства биогаза ( 132 ). Требуемые концентрации микронутриентов чрезвычайно низки и составляют от 0,05 до 0,06 мг/л. Единственным исключением является железо, так как его уровень держится в пределах 1-10 мг/л ( 131 , 141 ).

Существует два общих типа биологических процессов AD ( 132 ): ( i ) влажное (или жидкостное анаэробное сбраживание, , т.е. LAD) и ( ii ) сухое (или твердофазное анаэробное сбраживание, i .е. SS-AD) биопроцесс. В этих биопроцессах могут использоваться различные конфигурации биореакторов, и их можно разделить на три основные группы: ( и ) обычные анаэробные биореакторы (анаэробный биореактор периодического действия с секвенированием, биореактор непрерывного действия с мешалкой и анаэробный биореактор с поршневым потоком), ( ii ) биореакторы с удерживанием ила (анаэробный контактный биореактор, биореактор с внутренней циркуляцией, анаэробный реактор со слоем ила с восходящим потоком, анаэробный твердотельный биореактор с восходящим потоком, анаэробный биореактор с перегородками) и ( iii ) анаэробные мембранные реакторы (биореактор с анаэробным фильтром , анаэробный реактор с псевдоожиженным слоем и слой расширенного гранулированного ила) ( 142 ).

LAD (или влажные) биопроцессы работают с содержанием менее 10% твердых веществ в бульоне, чтобы обеспечить хорошее перемешивание в автоклавах ( 132 ). Биопроцессы SS-AD (или сухие) работают в диапазоне от 15 до 35% общего содержания твердых веществ. Мокрые биопроцессы удобнее проводить непрерывно, и они широко используются в сельском хозяйстве ( 132 ). Биопроцессы LAD имеют более высокую скорость реакции и более короткое время удерживания, но обычно считается, что SS-AD более выгоден из-за меньшего требуемого объема реактора, а это означает меньшее потребление энергии и более простое обращение со сточными водами ( 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, а мешалки с медленным вращением работают более или менее непрерывно. Смешивание в CSTR также обеспечивает контакт микроорганизмов с субстратом, подъем пузырьков газа и поддержание постоянной оптимальной температуры во всем биореакторе.Для предотвращения образования осадка и всплывающих слоев требуются три или четыре мешалки ( 132 ).

При использовании энергетических культур удобнее проводить АД в двухступенчатой ​​биореакторной системе последовательно. На первом этапе биореактор имел высокую загрузку субстрата, а на втором — низкую загрузку субстрата, который обрабатывает дигестат с первой стадии ( 132 ). В двухстадийной биореакторной системе гидролиз и метаногенез происходят в обоих биореакторах.Однако применение двухступенчатой ​​системы для разделения гидролиза в первом биореакторе может быть выгодным из-за того, что идеальный рН для гидролиза (5,5-6,5) и метаногенеза (6,8-7,2) различен ( 132 , 144 ). Этот режим конфигурации чаще применяется для промышленных и коммунальных органических отходов, а также для твердого навоза ( 132 ). Для AD энергетических культур время гидравлического удержания необходимо продлить на несколько недель. С этой целью нормы загрузки органического сухого вещества во влажных биопроцессах поддерживаются низкими (2-4 кг/(м 3 . день)). Большинство объектов AD работают с мезофильными микроорганизмами, и лишь немногие применяют термофильные условия ( 145 ).

Сухие биологические процессы 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 выполнения инокуляции.После завершения AD, обычно через 3 или 4 недели, дигестат выгружают, чтобы начать новую партию. Три или более биореакторов должны работать в параллельном режиме, чтобы обеспечить постоянное и постоянное производство биогаза. Выходы производимого биогаза сопоставимы с влажным биопроцессом ( 132 , 147 ). Выход метана можно увеличить за счет использования дополнительного метаногенного биореактора второй ступени в сочетании с биопроцессом на слое 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 субстрат смешивается с дигестатом, выходящим из нижней части. Поддержание оптимального соотношения дигестата и свежего корма поддерживает низкое накопление ЛЖК, тем самым обеспечивая 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 ), образование метана с различным лигноцеллюлозным сырьем (кукурузная солома, пшеничная солома, просо, листья, макулатура, клен и сосна) оценивали при жидкостном анаэробном сбраживании (LAD) и твердофазном анаэробном сбраживании (SS- ОБЪЯВЛЕНИЕ). Авторы не обнаружили существенной разницы в выходе метана между ЛАД и СС-
-АД, за исключением макулатуры и сосны. Чжу и др. ( 152 ) изучали совместное сбраживание отходов переработки сои (SPW) и сена в процессе SS-AD.Наибольший выход метана в размере 258 л/кг летучих твердых веществ наблюдался при использовании соотношения SPW/сена 75:25 и соотношения сырье/сточные воды 3, что было на 148 и 50% выше, чем при использовании только SPW или сена соответственно. Реакторы CSTR и анаэробный иловый слой с восходящим потоком (UASB) использовались для оценки потенциала гидролизата пшеничной соломы для производства биогаза ( 153 ). В реакторе UASB выход метана составлял до 267 мл/г химической потребности в кислороде (ХПК; удаление 72%) при работе со скоростью загрузки органических соединений (OLR), равной 2.8 г ХПК/(л·сут), но только с 10% (по объему) гидролизата. Авторы также сообщают, что максимальная объемная доля гидролизата не должна превышать 25%. Кроме того, при совместном сбраживании гидролизата со свиным навозом (объемное соотношение 1:3) наблюдался повышенный выход метана до 219 мл/г ХПК (удаление ХПК 72%). Результаты этого исследования показали, что анаэробное сбраживание гидролизата пшеничной соломы в качестве единственного субстрата возможно как в реакторах CSTR, так и в реакторах UASB.

Чен и др. ( 154 ) провел эксперименты в погружном анаэробном мембранном биореакторе с мембраной прямого осмоса (FO-AnMBR) для очистки синтетических сточных вод.Полученные результаты показали, что процесс FO-
-AnMBR позволяет успешно удалить более 96% органического углерода, почти 100% общего фосфора и 62% аммиачного азота.

Бо и др. ( 155 ) предложили новый модернизированный процесс производства биогаза, в котором они объединили микробную электролизную ячейку (MEC) и анаэробное сбраживание в однокамерном реакторе. Они задокументировали, что в системе, связанной с МЭК-АД, CO 2 , генерируемый из AD, может восстанавливаться in situ на аноде до дополнительного CH 4 гидрогенотрофными метаногенами.Авторы добились содержания метана более 98%, а выход СН 4 увеличился в 2,3 раза. Кроме того, скорость удаления ХПК увеличилась в три раза, а извлечение углерода увеличилось на 56,2%.

Производство биогаза из лигноцеллюлозных материалов

Основными энергетическими культурами, используемыми в настоящее время в промышленных масштабах для производства биогаза, являются сахарные и крахмальные культуры. Среди них наиболее интенсивно изучаются сахарная свекла, кукуруза (зерно) и картофель, но сообщалось также 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 AD, 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 этапом для достижения высоких выходов процесса ( 139 , 156 ).

Мирахмади и др. ( 157 ) изучали производство биогаза из хвойной ели и лиственной березы с использованием предварительной обработки щелочью (NaOH) в мягких условиях эксплуатации. Предварительная обработка привела к увеличению производства метана из березы и ели на 83 и 74% соответственно. O-Thong и др. ( 158 ) изучали образование биогаза во время термофильного анаэробного совместного сбраживания пустых гроздей плодов масличной пальмы (EFB) и стоков 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 сбраживании обработанного EFB (предварительное замачивание NaOH и гидротермическая обработка) и POME в соотношении 6,8:1 на основе летучих твердых веществ (соответственно до 1:1 по объему). Биоразлагаемость EFB увеличилась на 46% по сравнению с необработанным EFB ( 158 ). Различные отходы сосны (хвойные листья, ветки, шишки и кора) были предварительно обработаны 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 было исследовано Song et al. ( 160 ). Комбинированная разбавленная кислотно-термическая предварительная обработка использовалась для преобразования жмыха подсолнечника в метан путем мезофильного анаэробного сбраживания ( 161 ). Предварительная обработка стеблей подсолнечника HCl или FeCl 3 при 170 °C в течение 1 ч увеличивала образование метана на 21 и 29% соответственно ( 162 ). Предварительная обработка водяного гиацинта ( Eichhornia crassipes ) ионной жидкостью и сорастворителем (хлоридом 1-N-бутил-3-метилимидазолия и диметилсульфоксидом) удалена 49.2% лигнина и увеличили выход биогаза на 97,6% ( 105 ). N-метилморфолин-N-оксид (NMMO), растворитель целлюлозы, снижающий кристалличность целлюлозы ( 163 ), использовали для предварительной обработки ячменной соломы и лесных отходов ( 164 ). Оптимальные условия привели к увеличению теоретического выхода метана на 88 и 83% при использовании ячменной соломы и лесных отходов 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 видов лигноцеллюлозного сырья (солома озимой ржи, солома масличного рапса и солома конских бобов) изучалось в работе Petersson et al. ( 168 ). Это сырье было предварительно обработано влажным окислением с использованием параметров, ранее признанных оптимальными для предварительной обработки кукурузной соломы (195 °C, 15 мин, 2 г/л Na 2 CO 3 и давление кислорода 1,2 МПа).

Предварительно обработанная микроволнами остаточная солома (ячмень, яровая и озимая пшеница или овес) была исследована на производство биогаза в лабораторных исследованиях, но результаты показали, что предварительная микроволновая обработка соломы не улучшила характеристики АД ( 169 ).Однако Jackowiak et al. ( 170 ) использовал микроволновое излучение для предварительной обработки пшеничной соломы и обнаружил, что оно способно повысить выход метана на 28%. Чезаро и др. ( 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 изучалось Hjorth et al. ( 172 ). Экструзия вызывает увеличение производства метана в течение 90 дней.На самом деле влияние экструзии на кумулятивное производство метана из соломы было значительным через 28 дней (70%), но стало статистически незначимым через 90 дней.

Основное внимание в биологической предварительной обработке для повышения производства биогаза при AD уделяется использованию ферментативной и грибковой предварительной обработки или предварительной обработки микробным консорциумом ( 139 ). Чжао ( 143 ) изучил влияние предварительной обработки против грибков Ceriporiopsis subvermispora на выход метана из садовой обрезки и сообщил, что это увеличило выход метана до 154% при влажности 60% и естественной аэрации.Более того, дереворазрушающий гриб Auricularia auricula-judae для разложения листьев и сена сладкого каштана ( Castanea sativa ) 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) увеличивала производство биогаза на 15% по сравнению с необработанными образцами. Увеличение образования метана из высушенных на солнце остатков маниоки путем биологической предварительной обработки с использованием сконструированного 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 спиртзавода 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 грибками ( 139 ). Ферментативная предварительная обработка лигноцеллюлозных отходов, таких как жом сахарной свеклы и отработанный хмель, для улучшения производства биогаза была оценена Ziemiński et al. ( 175 ). Ферментативная обработка свекловичного жома и отработанного хмеля приводит к увеличению общего выхода биогаза на 19 и 13% соответственно. В целом, большинство биологических предварительных обработок не так эффективны, как химические, и время их удерживания относительно велико; таким образом, для коммерческого производства необходимы дополнительные исследования для решения проблем эффективности и производственных затрат ( 139 ).

Остаточная биомасса водорослей (после извлечения продуктов с добавленной стоимостью, таких как пигменты, липиды или биологически активные соединения) также может быть использована для производства биогаза ( 176 ).Потенциал остаточной биомассы водорослей сильно зависит от видового состава водорослей и процесса предварительной обработки для извлечения ценных продуктов. Однако следует отметить, что остаточная биомасса водорослей может быть непосредственно использована в биогазовой установке без процесса сушки. Кроме того, отходы производства биогаза (дигестат) богаты питательными веществами (, например, калием, фосфатами и второстепенными минеральными соединениями), поэтому их 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 испаряется из жидкости сам по себе ( 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%), окись углерода (<0.6%) и азот (0-2%), и они могут быть неудобны, если их не удалить ( 133 ).

Для очистки и повышения качества биогаза используются различные технологии. В методах конденсации обычно используются туманоуловители, циклонные сепараторы или влагоуловители ( 133 ). Методы сушки, такие как адсорбция и абсорбция, используются для удаления воды в сочетании с пеной и пылью. 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. Наиболее часто 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 включают адсорбцию на гранулах оксида и гидроксида железа или на активированном угле, абсорбцию в жидкости, 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. Методом удаления CO 2 может быть абсорбция аминами, но для этого требуется дополнительная стадия удаления H 2 S. В конце концов, удаление CO 2 из биогаза обычно выполняется с использованием физической или химической абсорбции CO 2 , адсорбции при переменном давлении, адсорбции при переменном вакууме и мембранного разделения. Кроме того, можно производить биометан с помощью криогенной сепарации, путем охлаждения и сжатия биогаза.Впоследствии для таких следовых компонентов, как силоксаны, углеводороды, аммиак, кислород, монооксид углерода и азот, могут потребоваться дополнительные этапы удаления, если они не удаляются в достаточной степени на других этапах обработки ( 133 ).

Различные адсорбенты, такие как активированный уголь, силикагель и цеолиты, были испытаны на удаление H 2 S при преобразовании биогаза в твердооксидном топливном элементе, где цеолит был лучшим кандидатом в качестве адсорбента ( 178 ). В работе Миколи и др. В качестве сорбентов H 2 S для заправка топливных элементов с расплавленным карбонатом.Немодифицированные и модифицированные активированные угли оказались более эффективными сорбентами H 2 S, чем цеолиты, причем наиболее эффективным сорбентом оказался активированный уголь, обработанный Na 2 CO 3 .

В исследовании Krayzelova et al. ( 180 ). Авторы получили надежную и стабильную эффективность удаления при длительной эксплуатации, а в микроаэробном реакторе UASB (UMSB) они получили эффективность удаления H 2 S в среднем 73%.

Долейш и др. ( 181 ) изучали использование набухающих 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 исходного потока при давлении 220 кПа. Разделение СО 2 путем образования клатратного гидрата раствором тетра- н -бутиламмонийбромида (ТБАБ) в присутствии тетрафторбората 1-бутил-3-метилимидазолия ([BMIm]BF 4 ) считалось перспективный и экономически целесообразный подход по сравнению с традиционными методами, описанными в работе Li et al. ( 182 ). Эффективность системы промывки водой для удаления СО 2 из биогаза изучалась путем изменения различных параметров процесса, таких как соотношение жидкость/газ, давление, температура и содержание СО 2 ( 183 ). Наиболее выгодным подходом к снижению содержания СО 2 при постоянном расходе газа было повышение давления (с 0,8 до 1,2 МПа) в сочетании со снижением температуры. В этих условиях удаление CO 2 могло достигать значений от 24.4 до 83,2% при содержании СО 2 в моделируемом газе 25-45%.

Качество силоса и производство биогаза из Spartina pectinata L., ферментированного новым разлагающим ксилан штаммом Lactobacillus buchneri M B/00077

  • 1.

    Ambye-Jenses, M. et al. Силосование в качестве биологической предварительной обработки травы ( Festulolium Hykor ): влияние состава, сухого вещества и инокулята на конвертируемость целлюлозы. Биомасса Биоэнергия. 58 , 303–312 (2013).

    Артикул КАС Google Scholar

  • 2.

    Guo, H., Hong, C., Zheng, B., Jiang, D. & Qin, W. Повышение ферментативной усвояемости пшеничной соломы, предварительно обработанной не содержащим целлюлозы секретором ксиланазы Pseudomonas boreopolis G22 с одновременным производством биофлокулянтов. Биотехнология. Биотопливо 11 , 250 (2018).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 3.

    Weiβ, S. и др. Увеличение производства биогаза за счет добавления гемицеллюлозолитических бактерий, иммобилизованных на активированном цеолите. Водный ресурс. 44 , 1970–1980 (2010).

    Google Scholar

  • 4.

    Климиук, Э., Покой, Т., Будзыньски, В. и Дубис, Б. (Теоретическое и наблюдаемое производство биогаза из растительной биомассы с различным содержанием клетчатки. Биоресурс. Технология. 101 , 9527 –9535 (2010 г.).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 5.

    Cesaro, A., Velten, S., Belgiorno, V. & Kuchta, K. Улучшение анаэробного сбраживания путем ультразвуковой предварительной обработки органических остатков для производства энергии. Дж. Чистый. Произв. 74 , 119–124 (2014).

    КАС Статья Google Scholar

  • 6.

    Girio, F. et al. Гемицеллюлоза для топливного этанола: обзор. Биоресурс. Технол. 101 , 4775–4800 (2010).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 7.

    Frigon, J.C., Mehta, P. & Guiot, S. Влияние предварительной механической, химической и ферментативной обработки на выход метана при анаэробном сбраживании проса. Биомасса Биоэнергетика 36 , 1–11 (2012).

    КАС Статья Google Scholar

  • 8.

    Sun, Y. & Cheng, J. Гидролиз лигноцеллюлозных материалов для производства этанола: обзор. Биоресурс. Технол. 83 , 1–11 (2002).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 9.

    Тахерзаде М. и Карими К. Предварительная обработка лигноцеллюлозных отходов для улучшения производства этанола и биогаза. Обзор. Междунар. Дж. Мол. науч. 9 , 1621–1651 (2008 г.).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Статья Google Scholar

  • 10.

    Саха, Б. Биоконверсия гемицеллюлозы. Дж. Индонес. микробиол. Биотехнолог. 30 , 279–291 (2003).

    КАС Статья Google Scholar

  • 11.

    Mosier, N. et al. Особенности перспективных технологий лигноцеллюлозной биомассы. Биоресурс. Технол. 96 , 673–686 (2005).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 12.

    Абдель-Рахман, М. А., Таширо, Ю. и Сономото, К. Производство молочной кислоты из сахаров, полученных из лигноцеллюлозы, с использованием молочнокислых бактерий: обзор и ограничения. Дж. Биотехнология. 156 (4), 286–301 (2011).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 13.

    Ромеро, Э., Баутиста, Дж., Гарсия-Мартинес, А., Кремадес, О. и Паррадо, Дж. Биоконверсия высушенного зерна кукурузного дистиллятора с растворимыми веществами (CDDGS) во внеклеточные протеазы и пептоны. Процесс биохим. 42 , 1492–1497 (2007).

    КАС Статья Google Scholar

  • 14.

    Бейкер, П. В., Чарлтонм, А. и Хейл, М. Д. К. Предварительная обработка лесной биомассы грибами с акцентом на биоочистку: сравнение деградации биомассы и ферментативной активности грибков древесной гнили у трех видов. Биомасса Биоэнергетика 107 , 20–28 (2017).

    КАС Статья Google Scholar

  • 15.

    де Оливейра Родригес, стр. и др. Производство ксиланазы и β-глюкозидазы штаммом Aspergillus fumigatus с использованием коммерческих и лигноцеллюлозных субстратов, подвергнутых предварительной химической обработке. Ind. Культуры Prod. 95 , 453–459 (2017).

    Артикул КАС Google Scholar

  • 16.

    Wagner, A. O. et al. Стратегии биологической предварительной обработки лигноцеллюлозных ресурсов второго поколения для повышения производства биогаза. Энергия 11 (1797), 1–14 (2018).

    Google Scholar

  • 17.

    Зерва И., Реммас Н. и Нтугиас С. Разнообразие и биотехнологический потенциал микроорганизмов, разлагающих ксилан, из отходов производства апельсинового сока. Вода 11 (274), 1–13 (2019).

    Google Scholar

  • 18.

    Yue, Z.B., Li, W.W. & Yu, H.Q. Применение микроорганизмов рубца для анаэробной биоконверсии лигноцеллюлозной биомассы. Биоресурс. Технол. 128 , 738–744 (2013).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 19.

    Дигман, М. и др. Оптимизация предварительной обработки многолетних трав в хозяйстве для производства топливного этанола. Биоресурс. Технол. 101 , 5305–5314 (2010).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 20.

    Олескович-Попиль, П., Томсен, А. и Шмидт, Дж. Метод влажного силосования лигноцеллюлозной биомассы для производства биоэтанола. Биомасса Биоэнергия 35 , 2087–2092 (2011).

    КАС Статья Google Scholar

  • 21.

    Пакаринен А. и др. Оценка методов сохранения для улучшения производства биогаза и ферментативной конверсии однолетних культур. Биотехнология. Биотопливо 4 , 20 (2011).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 22.

    Zhao, X. et al. Влияние добавок для силосования и силоса на производство биогаза и динамику микробного сообщества при анаэробном сбраживании проса. Биоресурс. Технол. 241 , 349–359 (2017).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 23.

    Халид К.Обзор молочнокислых бактерий. Междунар. Дж. Биоци. 1 (3), 1–13 (2011).

    КАС Google Scholar

  • 24.

    Heinl, S. et al. Взгляд на полностью аннотированный геном Lactobacillus buchneri CD034, штамма, выделенного из стабильного травяного силоса. Дж. Биотехнология. 161 , 153–166 (2012).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 25.

    Нсереко, В. и др. Влияние инокуляции корма молочнокислыми бактериальными штаммами, продуцирующими ферулатэстеразу, на силос и разложение клетчатки в рубце. Аним. Кормовая наука. Технол. 145 , 12–13 (2008).

    Артикул КАС Google Scholar

  • 26.

    Herrmann, C., Heiermann, M. & Idler, C. Влияние силосования, силосных добавок и периода хранения на образование метана биогазовыми культурами. Биоресурс. Технол. 102 , 5153–5161 (2011).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 27.

    Zhao, J. et al. Силосование в качестве предварительной обработки рисовой соломы: влияние гемицеллюлозы и Lactobacillus plantarum на разлагаемость гемицеллюлозы и конверсию целлюлозы. Биоресурс. Технол. 266 , 158–165 (2018).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 28.

    Ху, гл. Y., Chi, D.J., Chen, S.S. и Chen, YC. Прямое превращение ксилана в молочную кислоту с помощью Lactobacillus brevis , трансформированных геном ксиланазы. Зеленый хим. 13 , 1729–1734 (2011).

    КАС Статья Google Scholar

  • 29.

    Oude Elferink, S. et al. Анаэробное превращение молочной кислоты в уксусную кислоту и 1,2-пропандиол под действием Lactobacillus buchneri . Заяв. Окружающая среда. микробиол. 67 (1), 125–132 (2001).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 30.

    Филя И. Влияние Lactobacillus buchneri с гомоферментативными молочнокислыми бактериями или без них на ферментацию, аэробную стабильность и способность к разложению в рубце силоса из пшеницы, сорго и кукурузы. J. Appl. микробиол. 95 (5), 1080–1086 (2003).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 31.

    Богута, А. М., Брингель, Ф., Мартинуссен, Дж. и Дженсен, Р. Дж. Скрининг молочнокислых бактерий на их потенциал в качестве фабрик микробных клеток для биоконверсии лигноцеллюлозного сырья. Микроб. Сотовый факт. 13 , 97 (2014).

    ПабМед ПабМед Центральный Статья КАС Google Scholar

  • 32.

    Новик Г., Мееровская О., Савич В. Разложение и утилизация отходов молочнокислыми бактериями: Использование молочнокислых бактерий в производстве пищевых добавок.В Биоэнергетика и биогаз , гл. 5 (изд. Карунаранте, Д.Н. и Памунува, Г.), 105–146 (ИНТЕК, 2017).

  • 33.

    Окано, К. и др. Улучшенное производство гомо-D-молочной кислоты посредством ферментации ксилозы путем введения генов ассимиляции ксилозы и перенаправления фосфокетолазного пути на пентозофосфатный путь в Lactobacillus plantarum с дефицитом гена L-лактатдегидрогеназы. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 75 (24), 7858–7861 (2009).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 34.

    Danner, H., Holzer, M., Mayrhuber, E. & Braun, R. Уксусная кислота повышает устойчивость силоса в аэробных условиях. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 69 (1), 562–567 (2003).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 35.

    Дотри, К.V., Johanningsmeier, S.D., Sanozky-Dawes, R., Klaenhammer, T.R. & Barrangou, R. Фетотипическое и генотипическое разнообразие штаммов Lactobacillus buchneri , выделенных из испорченного ферментированного огурца. Междунар. Дж. Пищевая микробиология. 280 , 46–56 (2018).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 36.

    Cuyvers, S. et al. Оценка потенциала расщепления ксилана восьми мезофильных эндоксиланаз. Фермент микроб. Технол. 49 , 305–311 (2011).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 37.

    Чапла Д., Пандит П. и Шах А. Производство ксилоолигосахаридов из ксилана кукурузных початков грибковой ксиланазой и их использование пробиотиками. Биоресурс. Технол. 115 , 215–221 (2011).

    ПабМед Статья КАС ПабМед Центральный Google Scholar

  • 38.

    Охара, Х., Оваки, М. и Сономото, К. Ферментация ксилоолигосахаридов с Leuconostoc lactis . J. Biosci. биоинж. 101 (5), 415–420 (2006).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 39.

    Erlandson, K., Delamarre, S.C. & Ball, K.A. Генетические доказательства дефектного пути деградации ксилана у Lactococcus lactis . Заяв. Окружающая среда.микробиол. 67 (4), 1445–1452 (2001).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 40.

    Vervaeren, H., Hostyn, K., Ghekiere, K. & Willems, G. Биологические добавки для силосования в качестве предварительной обработки кукурузы для увеличения производства биогаза. Продлить. Энергия 35 , 2089–2093 (2010).

    КАС Статья Google Scholar

  • 41.

    Макдональд, П., Хеднерсон, А. и Херон, С. в Биохимия силоса 2-е изд. (Публикации Чалкомба, 1991).

    Google Scholar

  • 42.

    Пакаринен О., Лехтомаки А., Риссанен С. и Ринтала Дж. Хранение энергетических культур для производства метана: влияние содержания твердых веществ и биологической добавки. Биоресурс. Технол. 99 , 7074–7082 (2008 г.).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 43.

    Plöchl, M., Zacharias, H., Herrmann, C., Heiermann, M. & Prochnow, A. Влияние силосных добавок на выход метана и экономические показатели выбранного сырья. Сельскохозяйственный. англ. Междунар. CIGR EJ 2 , 1–16 (2009 г.).

    Google Scholar

  • 44.

    Крюгер Э., Нгес И. А. и Бьернссон Л. Силосование сельскохозяйственных культур для производства биогаза: влияние на выход метана и определение общего содержания твердых веществ. Биотехнология.Биотопливо 4 , 44 (2011).

    Артикул КАС Google Scholar

  • 45.

    Teixeira Franco, R., Buffiere, P. & Bayard, R. Силосование для производства биогаза: критические параметры. Обзор. Биомасса Биоэнергетика 94 , 94–104 (2016).

    КАС Статья Google Scholar

  • 46.

    Зелинска К., Фабишевска А., Свёнтек М.& Szymanowska-Powałowska, D. Оценка способности метаболизировать 1,2-пропандиол гетероферментативными бактериями рода Lactobacillus . Электрон. Дж. Биотехнология. 26 , 60–63 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 47.

    Ghose, T.K. & Bisaria, V.S. Измерение активности гемицеллюлозы. Часть 1: Ксиланазы. Чистое приложение. хим. 59 (12), 1739–1752 (1987).

    КАС Статья Google Scholar

  • 48.

    Porter, M. & Murray, R. Летучесть компонентов травяного силоса при сушке в печи и взаимосвязь между содержанием сухого вещества, оцененная различными аналитическими методами. Травяной корм Sci. 56 , 405–411 (2001).

    КАС Статья Google Scholar

  • 49.

    Ким Дж., Квон К., Шин К. и Ким К. Влияние местоположения, года и сорта на урожайность и качество озимой ржи. Азиатская австралия. Дж. Аним. науч. 18 (7), 997–1002 (2005).

    Артикул Google Scholar

  • 50.

    Baserga, U. Landwirtschaftliche Co-Vergärungs-Biogasanlagen. Biogas aus organischen Reststaffen und Energiergas. FAT-Berichte 512 , 1–11 (1998).

    Google Scholar

  • Что такое биогаз? Руководство для начинающих

    Преобразование отходов в энергию

    Упомянутое выше разложение происходит в анаэробной среде, поэтому процесс, приводящий к образованию биогаза, также известен как анаэробное сбраживание — естественная форма преобразования отходов в энергию, в которой используется процесс ферментации для разрушения органических веществ.Навоз животных, пищевые отходы, сточные воды и сточные воды являются примерами органических веществ, которые могут образовывать биогаз в результате анаэробного сбраживания. Из-за высокого содержания метана (обычно 50-75%) биогаз легко воспламеняется, поэтому дает темно-синее пламя и может использоваться в качестве источника энергии.

    ЧТО ТАКОЕ БИОГАЗ И КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

    Биогаз представляет собой смесь метана, двуокиси углерода и небольшого количества других газов. Соединение может быть успешно использовано в качестве возобновляемого источника энергии.Биогаз является побочным продуктом анаэробного сбраживания биомассы (органических материалов).

    ИЗ ЧЕГО СДЕЛАНО БИОГАЗ?

    Поскольку биогаз образуется в результате естественного процесса, происходящего в закрытой среде, контроль его состава может быть сложной задачей. Вот почему соотношение метана и углекислого газа может варьироваться. Наиболее распространенное соотношение – 60% Ч5 (метан) и 40% СО2 (углекислый газ), но можно ожидать, что биогаз будет содержать метан в пропорции от 45 до 75% и углекислый газ от 55 до 25%.

    ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ БИОГАЗА

    Производство и использование биогаза, как и всех других источников энергии, имеет свои преимущества и недостатки.Вы должны тщательно учитывать эти практические аспекты при анализе того, стоит ли инвестировать в биогазовую установку.

    Среди самых популярных преимуществ биогаза можно отметить: 

    1. Это возобновляемый, чистый источник энергии, основанный на углеродно-нейтральном процессе, что означает, что при использовании биогаза в атмосферу не выбрасывается новое количество углерода.

    2. Помогает перенаправлять пищевые отходы со свалок, положительно влияя на окружающую среду и экономику.

    3.Он снижает загрязнение почвы и воды навозом животных и человеческими фекалиями, поддерживая здоровую и безопасную окружающую среду для многих сообществ по всему миру.

    4. Снижает количество выбрасываемого в атмосферу Ch5 (метана), противодействуя изменению климата с возможным немедленным воздействием на окружающую среду.

    Некоторые недостатки использования биогаза в качестве источника энергии:

    1. Производство биогаза зависит от биологического процесса, поэтому его нельзя полностью контролировать.

    2. Он лучше работает в теплом климате, а это означает, что биогаз не одинаково доступен во всем мире.

    ИЗ КАКИХ ОТХОДОВ МОЖЕТ ПРОИЗВОДИТЬСЯ БИОГАЗ?

    Все органические отходы можно использовать для производства биогаза. Вы можете использовать сырье, такое как сельскохозяйственные отходы, бытовые отходы, растительный материал, навоз, человеческие фекалии, сточные воды, садовые (зеленые) отходы или пищевые отходы.

    БИОГАЗ ПОЛЕЗЕН ИЛИ ПЛОХ?

    Биогаз является отличным источником чистой энергии, а это означает, что он оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем ископаемое топливо.Хотя биогаз не оказывает нулевого воздействия на экосистемы, он является углеродно-нейтральным. Это потому, что биогаз производится из растительного материала, который ранее связывал углерод из углекислого газа в атмосфере. Поддерживается баланс между углеродом, выделяемым из биогаза, и количеством, поглощаемым из атмосферы.

    Экология биогаза

    Биогаз известен как экологически чистый источник энергии, потому что он одновременно решает две основные экологические проблемы:

    1.Глобальная эпидемия отходов каждый день выбрасывает опасное количество метана.

    2. Мы полагаемся на энергию ископаемого топлива для удовлетворения глобального спроса на энергию.

    В процессе производства биогаза используется элегантная тенденция природы перерабатывать вещества в продуктивные ресурсы для преобразования органических отходов в энергию. Генерация биогаза восстанавливает отходы, которые в противном случае загрязнили бы свалки, предотвращает использование токсичных химикатов на очистных сооружениях и экономит деньги, энергию и материалы за счет обработки отходов на месте.

    Кроме того, использование биогаза не требует добычи ископаемого топлива для производства энергии. Вместо этого биогаз берет проблемный газ и преобразует его. В частности, метан, присутствующий в разлагающихся отходах, превращается в двуокись углерода. Газообразный метан обладает примерно в 20-30 раз большей способностью улавливать тепло, чем углекислый газ. Проще говоря, когда гниющая буханка хлеба превращается в биогаз, воздействие буханки на окружающую среду будет примерно в десять раз меньше, чем если бы ее оставили гнить на свалке.

    Биогазовые установки

    В отличие от выброса метана в атмосферу биогазовые реакторы представляют собой системы, которые перерабатывают отходы в биогаз, а затем направляют этот биогаз для продуктивного использования энергии. Существует несколько типов биогазовых систем и установок, которые были разработаны для эффективного использования биогаза. Хотя каждая модель отличается в зависимости от входа, выхода, размера и типа, биологический процесс, который превращает органические отходы в биогаз, является единым.

    В отличие от выброса метана в атмосферу биогазовые реакторы представляют собой системы, которые перерабатывают отходы в биогаз, а затем направляют этот биогаз для продуктивного использования энергии.

    Существует несколько типов биогазовых систем и установок, предназначенных для эффективного использования биогаза. Хотя каждая модель отличается в зависимости от входа, выхода, размера и типа, биологический процесс, который превращает органические отходы в биогаз, является единым. В метантенки биогаза поступают органические вещества, которые разлагаются в камере пищеварения. Камера пищеварения полностью погружена в воду, что делает ее анаэробной (бескислородной) средой. Анаэробная среда позволяет микроорганизмам расщеплять органический материал и превращать его в биогаз.

    Полностью натуральное удобрение

    Поскольку органический материал разлагается в жидкой среде, питательные вещества в отходах растворяются в воде, а поскольку органический материал разлагается в жидкой среде, питательные вещества в отходах растворяются в воде и образуют богатый питательными веществами ил, обычно используемый в качестве удобрения. для растений. Этот выход удобрений производится ежедневно и, следовательно, является высокопродуктивным побочным продуктом анаэробного сбраживания.

    Биологический распад

    Органическое вещество сбраживается с помощью бактериальных сообществ с образованием биогаза.Четыре стадии ферментации переводят органический материал из его исходного состава в состояние биогаза.

    1. Первой стадией процесса пищеварения является стадия гидролиза. На стадии гидролиза нерастворимые органические полимеры (такие как углеводы) расщепляются, что делает их доступными для следующей стадии бактерий, называемых ацидогенными бактериями.

    2. Кислотные бактерии превращают сахара и аминокислоты в углекислый газ, водород, аммиак и органические кислоты.

    3.На третьем этапе ацетогенные бактерии превращают органические кислоты в уксусную кислоту, водород, аммиак и углекислый газ. Этот процесс делает последний шаг возможным с помощью метаногенов.

    4. Метаногены превращают эти конечные компоненты в метан и двуокись углерода, которые можно использовать в качестве легковоспламеняющейся экологически чистой энергии.

    История биогаза

    Этот анаэробный процесс разложения (или ферментации) органического вещества происходит повсюду вокруг нас в природе и происходит уже очень давно.Бактерии, расщепляющие органический материал на биогаз, являются одними из древнейших многоклеточных организмов на планете. Использование человеком биогаза, конечно, не зашло так далеко. Неподтвержденные данные прослеживают первые случаи использования биогаза ассирийцами и персами в 10-м и 16-м веках. Совсем недавно 20-й век принес возрождение как промышленных, так и небольших биогазовых систем.

    В 18 веке фламандскому химику Яну Баптисе ван Гельмонту стало ясно, что при разложении органического вещества образуется горючий газ.Вскоре после этого Джон Далтон и Хамфри Дэви пояснили, что этим горючим газом был метан. Первая крупная установка анаэробного сбраживания была построена в 1859 году в Бомбее. В 1898 году Великобритания использовала анаэробное сбраживание для преобразования сточных вод в биогаз, который затем использовался для освещения уличных фонарей. В следующем столетии анаэробное сбраживание в основном использовалось для очистки городских сточных вод. Когда в 1970-х годах цены на ископаемое топливо выросли, популярность и эффективность промышленных установок анаэробного сбраживания возросли.

    Примерно в 1960-х годах Индия и Китай начали разработку небольших биогазовых установок для фермеров. Цель состояла в том, чтобы уменьшить энергетическую бедность в сельских районах и сделать более чистые виды топлива для приготовления пищи более доступными в отдаленных районах. Почти треть населения мира по-прежнему использует дрова и другую биомассу для получения энергии, вызывая разрушительные проблемы со здоровьем и окружающей средой.

    В Индии популярна модель с плавающим барабаном, а в Китае предпочтительна биогазовая модель с фиксированным куполом.

    С тех пор биогазовые установки для всей семьи привлекают все больше внимания и популярности как средство сокращения количества бытовых отходов и обеспечения чистой, возобновляемой энергии для семей во всем мире. За последние 15 лет страны по всему миру приняли программы биогаза, чтобы сделать как бытовые биогазовые системы, так и более крупные установки анаэробного сбраживания доступными, эффективными и удобными. По мере того, как свалки незаконно перегружаются, а выброс метана вызывает все больше беспокойства, преимущества биогазовых систем становятся все более актуальными и важными.

    Многие виды использования биогаза:

    Биогаз может производиться из различных видов органических веществ, поэтому существует несколько типов моделей биогазовых котлов. Некоторые промышленные системы предназначены для очистки: городских сточных вод, промышленных сточных вод, твердых бытовых отходов и сельскохозяйственных отходов.

    Небольшие системы обычно используются для переваривания отходов животноводства. А новые семейные системы предназначены для переваривания пищевых отходов. Полученный биогаз можно использовать в качестве газа, электричества, тепла и транспортного топлива.

    Например, в Швеции сотни автомобилей и автобусов работают на очищенном биогазе. Биогаз в Швеции производится в основном на очистных сооружениях и на свалках.

    Еще одним примером диверсифицированного использования биогаза является завод «Первое молоко». Один из крупнейших производителей сыра в Великобритании строит установку анаэробного сбраживания для переработки молочных остатков и их преобразования в биометан для газовой сети. Новые заводы по анаэробному сбраживанию, подобные этим, с увлекательными историями появляются каждый день.

    Малые биогазовые системы

    Небольшие или семейные биогазовые установки чаще всего встречаются в Индии и Китае. Однако спрос на такие установки быстро растет благодаря более продвинутым и удобным технологиям, таким как HomeBiogas. Поскольку современный мир производит все больше и больше отходов, люди стремятся найти экологические способы обращения с мусором.

    Традиционные системы, обычно встречающиеся в Индии и Китае, ориентированы на отходы животноводства. Из-за нехватки энергии в сельской местности в сочетании с избытком навоза биогазовые установки очень популярны, практичны и даже меняют жизнь.Во многих развивающихся странах биогазовые установки даже субсидируются и поддерживаются правительством и местными министерствами, которые видят различные преимущества биогаза. В дополнение к чистой возобновляемой энергии, которая обеспечивает газ на кухне, многие семьи широко используют побочный продукт удобрений, который производят биогазовые установки.

    В африканских странах некоторые потребители биогаза даже получают прибыль, продавая побочный продукт биогазовой суспензии, производимый биогазовыми системами. Эта био-суспензия отличается от жидкого удобрения, которое производится ежедневно.Биошлам относится к наиболее разложившейся стадии органического вещества после того, как оно было разрушено в метантенке. Биошлам опускается на дно биогазовой системы и с помощью современных устройств, таких как HomeBiogas, быстро опорожняется после накопления (обычно ежегодный процесс). Эта биожидкость, по сути, представляет собой ил, богатый питательными веществами, который приносит много пользы почве и может повысить продуктивность огородов.

    Биогаз — это технология, которая имитирует способность природы отдавать.Как промышленные, так и семейные биогазовые установки становятся невероятно популярными и актуальными в современном мире. По мере расширения области применения биогаз может оказать существенное влияние на сокращение выбросов парниковых газов. Биогаз применим как в слаборазвитых, так и в промышленно развитых странах в качестве источника чистой энергии и возобновляемого средства переработки органических отходов.

    Как построить Солнечные ГОРОДА «Бочка для рассола»

     

    Изготовление биореактора в бочке для рассолов на солнечной энергии CITIES проста и эффективна, и ее можно сделать за короткий семинар продолжительностью около часа, поэтому он идеально подходит для классных комнат и конференций.Это дает практический опыт STEM Science и может быть выполнено по большей части с помощью легко доступных местных деталей сантехники, а единственный необходимый инструмент — это нож. Хозяйственный склад или ведро с краской с водонепроницаемой крышкой может заменить бочку для рассола. Мы провели этот семинар в Бейт Джала в Палестине 18 мая 2016 года, поэтому фотографии и детали подходят для этого региона Ближнего Востока.

    Сложнее всего достать для сборки фитинги переборки. Можно использовать местные резиновые уплотнители (они продаются в сантехнических магазинах в Рамаллахе для труб 50 мм), но тогда вам понадобится точная кольцевая пила или нагретая металлическая труба, чтобы окружность отверстия, которое вы делаете, была идеально гладкой и точной.С переборочным фитингом, который имеет стопорную гайку, сжимающую плоскую резиновую шайбу, у вас есть право на ошибку, поэтому вы можете использовать нож, чтобы вырезать отверстие.

    Мы использовали переборочные фитинги с 2-дюймовой резьбой, которые можно приобрести по отличной цене (менее 6 долларов за штуку!) на складе Uniseal по адресу http://Aussieglobe.com. Точный URL-адрес для их заказа у Кейта Беранека (он знает все о нашем проекте, если вам нужно напрямую поговорить с кем-то, кто может помочь) — http://www.aussieglobe.com/Bulkhead-ABS-Thread-x-Thread—2-inch_p_51.html

     

    Вы можете использовать переборочные фитинги меньшего размера (особенно для выхода газа и шлама), но мы предпочитаем использовать все 2-дюймовые фитинги по нескольким причинам:

    1) Минимальный размер подводящей трубы, практически исключающий засорение, составляет 2 дюйма.

    2) Если вы сбалансируете размер подающей трубы и размер навозной жижи, вы не столкнетесь с неприятными обратными разливами, если будете подавать слишком быстро (т.е. каждый литр пищевых отходов, которые вы кладете, немедленно даст вам литр навозной жижи). Это также означает, что вам не нужно делать входную трубу намного выше, чем выходную трубу.

    3) Если газоотводная труба сначала составляет 2 дюйма и уменьшается до половины дюйма только тогда, когда она поднимается над выпускной трубой для навозной жижи, вам не нужно беспокоиться о засорении газоотводной трубы остатками навоза или кусочками соломы. или другие поплавки; газ выйдет выше 2-дюймовой ватерлинии и только затем столкнется с сокращением до половины дюйма.

    Тем не менее, вы могли бы, если потребуется, использовать полудюймовый штуцер переборки для прямого выхода газа. Тем не менее, преимущество использования всех 2-дюймовых фитингов и труб заключается в том, что вы можете легко перейти на более крупную систему, просто заменив бочку для рассола (около 40 литров) на 200-литровую бочку или 1000-литровый бак IBC, не покупая что-нибудь еще, кроме муфты и нескольких более длинных 2-дюймовых секций трубы, чтобы добраться до дна нового резервуара.

    Другими словами, вы можете попрактиковаться в сборке на бочке для рассола или ведре с краской, а затем использовать те же фитинги для переборок и верхние части сантехники для любой более крупной системы.Это позволяет вам расти вместе с вашим драконом!

    Таким образом, это основная идея между протестированными в полевых условиях ведрами для краски и бочками для рассола Solar CITIES и бочками на 55 галлонов (200-литровыми бочками) — идеально подходит для школьных и домашних проектов, чтобы вы могли окунуться в игру с биогазом, чтобы вы могли двигаться дальше. к более крупным системам по мере роста вашего желания. Небольшие мини-системы эффективны (производят от 1 до 3, от 5 до 10 минут газа в день (достаточно, чтобы сварить яйцо или приготовить чашку чая). Резервуар IBC, сделанный из 1000-литровых резервуаров, может дать вам до 2 часов. приготовления в день.Эмпирическое правило заключается в том, что каждые 100 литров объема биореактора дают примерно 100 литров несжатого газа при идеальных условиях (35°C и pH 7, подача 1/40 объема биореактора), а 100 литров несжатого биогаза дают примерно 15 минут приготовления на одной конфорке со средним пламенем.

    На практике вы можете получить вдвое меньше, так как в большинстве помещений легче поддерживать температуру 25 ° C. Но это по-прежнему означает, что вы можете получать около 3 минут в день от варочного котла в бочке (при условии, что бочка вмещает 40 литров и должна быть кормят 1/40 своего объема (1 литр) в день пищевыми отходами и что он может производить максимум 40 литров несжатого газа, но с большей вероятностью производит 20 литров в день.20 литров, что составляет одну пятую от 100, должно давать 1/5 от 15 минут, что достаточно для 3-минутного яйца!).

    Вот как это сделать:

     

    Вам потребуются следующие детали из местного сантехнического или сельскохозяйственного магазина:

     

    Желудок дракона:

    1. 1 40-литровая бочка для рассола с крышкой (убедитесь, что крышка имеет резиновое уплотнительное кольцо внутри для водонепроницаемости и металлическое зажимное кольцо для герметичности!).

    Газгольдер:

    1. 1 камера большой грузовой шины (удалите сердцевину из впускного газового клапана, чтобы не было препятствий для поступления газа).
    2. 1 прозрачная 1/2-дюймовая резиновая трубка из ПВХ длиной примерно 20 футов (для подачи газа из ствола во внутреннюю трубку)
    3. 1 Резиновый шланг длиной примерно 3 фута, который надевается на клапан внутренней трубки и входит в прозрачную трубку, чтобы их можно было соединить.
    4. Два хомута

    Рот и зев дракона (подающая трубка) и мочеточник (трубка для отвода удобрений):

     

     

    1. 4 переходника с резьбой 50 мм для ввинчивания в 2-дюймовые фитинги с переборкой и соединения труб 50 мм.Вы будете использовать по две для каждой из переборок, используемых для подающей трубы и шламовой трубы.
    2. 1 Переходник с 4 дюймов на 50 мм (используется в качестве воронки, как рот, для переливания пищи в горло).
    3.  1 50 мм T для пульпопровода (позволяет пользователю разблокировать пульпопровод палкой и предотвращает сифонирование).
    4. 1 колено 50 мм для выпускной трубы
    5. 4 метра 50-миллиметровой трубы (некоторые, длиной от 10 до 15 дюймов, используются для соединения воронки с переходником горловины, некоторые для соединения колена с тройником и тройника с переходником трубы, а некоторые, около полуметра или около того, в зависимости от глубины вашей бочки для рассола, используется для расширения до дна бочки от подающей трубы и до дна бочки от трубы для выпуска суспензии.)

    Газоотводный патрубок

    1. Двухдюймовая наружная резьба с переходником на один дюйм.
    2. Ниппель с резьбой 1 дюйм (трубка), длиной примерно 15 см.
    3. Переходник с 1 дюйма на 1/2 дюйма
    4. полудюймовый клапан
    5. полудюймовое колено
    6. полудюймовый соединительный фитинг для шланга с зазубринами (для подключения газового шланга)

    ЗАМЕЧАНИЕ, ЧТО МНОГИЕ ДРУГИЕ ДЕТАЛИ МОГУТ БЫТЬ ЗАМЕНЕНЫ, ЕСЛИ ОНИ ВЫПОЛНЯЮТ ТЕ ЖЕ ПРОСТЫЕ ФУНКЦИИ: ПИЩА ДОЛЖНА ПОПАДАТЬ В РЕЗЕРВУАР ДО ДНА, ЖИЖА ДОЛЖНА ВЫХОДИТЬ ИЗ РЕЗЕРВУАРА ИЗ СРЕДНИ, И ГАЗ ДОЛЖЕН ВЫХОДИТЬ ИЗ РЕЗЕРВУАРА БАК СВЕРХУ.Это по существу! Зайдя сверху наших баков, мы поняли, что нам не нужно повреждать бак, и мы получаем хорошее давление газа.

    Если вам нужна более полезная система, вы можете просто заменить емкость для травления на бак IBC и немного удлинить трубы подачи и подачи пульпы. В остальном все так же!! IBC даст вам два часа готовки в день; бочка для рассола от 3 до 5 минут.

    Как построить варочный котел:

    1. Поместите фитинги переборки на крышку бочки и маркером начертите окружность резьбовой части.
    2. Очень-очень аккуратно вырежьте острым ножом отверстия, в которые вы будете вставлять фитинги переборки. Убедитесь, что вы не порезали и не надрезали трюм за пределами его внутренней окружности. Постарайтесь сделать срез как можно более круглым и гладким, соскребите или отшлифуйте любые заусенцы. Вы хотите, чтобы поверхность крышки, где находится резиновая прокладка фитинга перегородки, была как можно более гладкой.
    3. Вставьте штуцер перегородки снизу крышки с резиновой прокладкой ВНУТРИ. Используйте силиконовую смазку для сантехники или осевую смазку, если она у вас есть.Это действительно помогает обеспечить герметичность.
    4. Закрутите стопорную гайку. Используйте смазку или силикон как сверху, так и снизу, прежде чем закручивать стопорную гайку.
    5. Одну из переборок обозначьте как входную трубу (это помогает писать на крышке), а одну из них — как выходную трубу.
    6. Вкрутите 50-мм фитинги сверху и снизу переборки для подачи и отвода шлама, чтобы к ним можно было подсоединить трубы.
    7. Отрежьте два отрезка трубы достаточной длины, чтобы достать до дна бочки от обоих 50-мм фитингов.Отрежьте угол в нижней части подающей трубы, чтобы пища могла скользить по дну бочки и не застревать. Вырежьте отверстие в центре трубы для выхода навозной жижи, чтобы переваренная жидкость, которая концентрируется в центре резервуара, могла выйти (дополнительная длина трубы, доходящей до дна резервуара, служит дополнительной поверхностью для бактерий, образующих биопленки). ).
    8. Прикрепите отрезки труб к днищу переборочных фитингов и убедитесь, что они достигают дна резервуара, но не препятствуют закрыванию крышки.
    9. Отрежьте один отрезок трубы длиной около 15 см и соедините его с верхним штуцером подающей трубы на переборке. Прикрепите к этой трубе «воронкообразный» переходник с 4 дюймов на 50 мм. Вы закончили с подающей трубой.
    10. Отрежьте один отрезок трубы длиной около 10 см (как минимум на 5 см короче подающей трубы) и прикрепите к фитингу трубы для отвода пульпы. Прикрепите Т к этой трубе так, чтобы она выглядела как прямая труба с отверстием, выходящим сбоку.
    11. Отрежьте один отрезок трубы длиной около 10 см и прикрепите его к отверстию тройника, выходящего горизонтально.
    12. Прикрепите колено к трубе, выходящей из тройника, коленом вниз. Это перелив навозной жижи.
    13. Присоедините к этому колену еще один отрезок трубы, достаточной для того, чтобы войти в ведро для жидкого удобрения. Это где ваши удобрения будут выходить каждый день, когда вы кормите пищеварочный котел.
    14. Прикрепите переходник с резьбы 2 дюйма на 1 дюйм к ВЕРХУ оставшейся перегородки. У этой переборки НЕТ труб или переходников внутри ствола, потому что мы хотим, чтобы газ, который поднимается, мог выйти отсюда.
    15. Присоедините 1-дюймовую трубу, которая должна быть выше трубы для выпуска пульпы.
    16. Прикрепите переходник с 1 дюйма на полдюйма
    17. Прикрепите 1/2-дюймовый клапан (это может быть водяной клапан, так как биогаз не находится под давлением).
    18. Присоедините колено 1/2 дюйма
    19. Прикрепите соединитель шланга с зазубринами на 1/2 дюйма.
    20. Подсоедините прозрачный пластиковый шланг диаметром 1/2 дюйма.
    21. Поместите внутреннюю камеру шины грузовика или трактора рядом с автоклавом в защищенном месте (чтобы она не пострадала от солнца или животных) и убедитесь, что сердцевина удалена (чтобы газ мог свободно входить и выходить).
    22. Подсоедините кусок шланга, который подходит к газовой трубе внутренней трубы, и зажмите его. Подсоедините этот шланг к 1/2-дюймовому шлангу (возможно, вам придется немного сбрить его ножом, чтобы вставить одну трубу в другую).

    Наконец, наполните бочку для рассола 10 или 20 кг коровьего или конского навоза или другого навоза или инокулянта, а затем наполните водой и пластиковыми бутылками с водой, в которых прорезаны отверстия, чтобы они тонули. Бросьте кусочки пластика в варочный котел. Вы также можете добавить гравий на дно.Вы хотите увеличить площадь поверхности. Скорлупа фисташек и косточки оливок также являются хорошим материалом для варочного котла. Как и пластиковые щетки. Если у вас поблизости есть другой активный биореактор, как у нас, заполните его как можно большим количеством навозной жижи (тогда вы получите газ через 24 часа, а не три недели или около того, как обычно, необходимые для ферментации свежего навоза).

    Не кормить, пока не появится первое голубое пламя горючего биогаза.

    После этого давайте ТОЛЬКО максимум 1 литр пищевых отходов в день, чтобы они не стали кислотными (вы можете кормить меньше, просто у вас не будет много газов.Вы также можете оставить его на несколько дней или недель без кормления!). Вам не нужно добавлять больше навоза, но вы можете это сделать.

     

    Держите в теплом месте и кормите теплой водой, и вы должны получать до 40 литров газа в день (это означает, что вы сможете кормить внутреннюю трубку каждый день). Результаты будут разными. Мы с нетерпением ждем ваших сообщений по телефону

    .

    https://www.facebook.com/groups/methanogens/

    Разместите фотографии, описание и местонахождение вашего биореактора на http://biogascentral.сеть.

    Наслаждайтесь и распространяйте информацию!

    См. изображения ниже, чтобы лучше понять, как устроен этот простой варочный котел, и посмотрите наше очень глупое, но почти исчерпывающее пояснительное видео (глупое, потому что я использую псевдо британский колониальный голос 19-го века для развлечения) здесь: