Процес утворення біогазу
Метан утворюється під час складних хімічних процесів у змішаних популяціях бактерій, які відносяться до групи археїв і відомі як метаногенні організми.
Процес розкладання біомаси можна умовно розділити на 4 етапи:
І етап.
Аеробні гідролізні бактерії розщеплюють високомолекулярні органічні речовини за допомогою спеціальних ферментів. До таких речовин належать білки, вуглеводи, жири та целюлоза. У результаті утворюються низькомолекулярні сполуки: цукри, амінокислоти, жирні кислоти та вода. Ферменти гідролізних бактерій називають екзоферментами, оскільки вони виділяються назовні клітини. Вони прикріплюються до зовнішньої стінки бактерій та розщеплюють складові субстрату. Полімери перетворюються на мономери, тобто окремі прості молекули. Цей процес називається гідролізом і проходить під впливом позаклітинних ферментів. До них належать амілази, протеази, ліпази та інші ферменти. Швидкість гідролізу залежить від рівня pH та часу перебування субстрату в резервуарі. Оптимальний рівень pH для процесу становить 4,5–6.
ІІ етап.
Далі розщепленням займаються кислотоутворюючі бактерії. Окремі молекули проникають в клітини бактерій, де вони продовжують розкладатися. У цьому процесі частково беруть участь аеробні бактерії, що споживають залишки кисню, створюючи при цьому необхідні для метанових бактерій анаеробні умови. При рівні рН 6–7,5 виробляються в першу чергу нестійкі жирні кислоти (оцтова, мурашина, масляна, пропіонова), низькомолекулярні алкоголі (етанол), вуглець і гази — вуглекислий газ, водень, сірководень і аміак. Цей етап називають фазою окислення (рівень pH знижується).
ІІІ етап.
Після цього воднепродукуючі бактерії з органічних жирних кислот створюють вихідні продукти для утворення метану: оцтову і мурашину кислоту, вуглекислий газ, водень. Такі бактерії, що знижують кількість вуглецю (в складі органічних кислот), є дуже чутливими до температури.
ІV етап.
На останньому етапі за допомогою метаноутворюючих бактерій з оцтової і мурашиної кислот, вуглецю і водню утворюються метан, вуглекислий газ і вода. 90 % всього метану виробляється на цьому етапі, причому 70 % метану утворюється з оцтової кислоти. Таким чином, утворення оцтової кислоти (тобто ІІІ етап і в меншій мірі ІІ етап) є фактором, що визначає швидкість утворення метану. Метаноутворюючі бактерії виключно анаеробні.
В процесі розщеплення продукти переварювання (обміну речовин) кожної групи бактерій виступають живильними речовинами для наступної групи бактерій.
Розщеплення органіки на окремі складові і перетворення на метан можуть відбуватися лише у вологому середовищі, оскільки бактерії можуть переробляти лише речовини в розчиненому вигляді. Таким чином, для бродіння твердих субстратів існує потреба у додаванні води.
Пофазне розщеплення органіки відбувається нерівномірно, адже різні групи бактерій працюють з різною швидкістю. Швидше за всіх працюють кислотоутворюючі бактерії, що розщеплюють органіку вже протягом часу від декількох годин до 2 днів. В ідеальному випадку між фазами розщеплення встановлюється динамічна рівновага в концентрації речовин, а саме: між подачею живильних речовин і їх розщепленням. Найчастішою помилкою є перегодовування бактерій субстратом, який швидко розщеплюється, що призводить до накопичення кислот в результаті дії кислотоутворюючих бактерій. У зв’язку з цим може настати дуже різке падіння рівня pH, якого не витримають інші види бактерій. Крім того, надлишкова концентрація виробленої речовини призводить до затримки росту групи бактерій, що виробляють її.
Хімічний склад біогазу
Динамічна рівновага також визначається легкістю розщеплення субстрату. Цукор і крохмаль, наприклад, через свою просту структуру розщеплюються дуже швидко і вимагають лише короткого часу перебування у ферментаторі. Чим складніша структура субстрату, тим довше буде тривати розщеплення. Целюлоза і геміцелюлоза мають широко розгалужену структуру і розкладаються повільно. Лігнін (здерев’яніла речовина рослин), кількість якого збільшується з віком рослини, розкладається бактеріями дуже погано, оскільки він проявляє стійкість навіть до кислот. Швидкість розщеплення субстратів має прямий вплив на технічно необхідний час для бродіння.
Ефективний перебіг метанової ферментації органічних речовин потребує виконання чотирьох основних умов:
- безкисневої атмосфери;
- відповідної температури маси, що зброджується;
- слабо-лужної реакції середовища;
- присутності бактерій, що виробляють метан.
Виділення метану із речовини, що піддається ферментації, відбувається лише в анаеробних умовах, тобто тоді, коли немає доступу кисню (повітря).
Тому ферментація повинна протікати у спеціальних резервуарах, закритих ферментаційних камерах та іншому подібному обладнанні. Для аналізу процесу бродіння є показник FOS/TAC.
