Хімізм процесу утворення біогазу
Утворення біогазу з хімічної точки зору є складним багатоступеневим процесом, який включає кілька послідовних етапів, включаючи гідроліз, гліколіз, окиснення водню та інші процеси.
Під впливом бактерій на першій стадії анаеробного зброджування відбувається розклад субстрату з утворенням органічних кислот, спиртів та простих вуглеводів. На другій стадії утворюється оцтова кислота, водень та вуглекислий газ. Ці стадії анаеробного зброджування можуть бути узагальнені наступними рівняннями:
С6H12O6+2H2O → 2CH3COOH+4H2↑+2CO2↑
СН3СН2ОН+Н2O→СН3СООН+2Н2↑
СН3СНОНСООН+Н2O→СН3СООН+2Н2↑+СО2↑
СН3СН2СН2СООН+2Н2O→2СН3СООН+2Н2↑
СН3СН2СООН+2Н2O→СН3СООН+3Н2↑+СО2↑
СН3СН2СН2СН2СООН+4Н2O→2СН3СООН+5Н2↑+СО2↑
де С6Н12О6 – глюкоза; СН3СН2ОН – етанол; СН3СНОНСООН – лактат; СН3СН2СН2СООН – масляна кислота; СН3СН2СООН – пропіонова кислота;
СН3СН2СН 2СН2СООН – валеріанова кислота; Н2О – вода; СН3СООН – оцтова кислота; H2 – водень;. СО2 – вуглекислий газ.
У подальшому, метаногенез відбувається за рахунок діяльності мікроорганізмів, які відновлюють вуглекислий газ до метану, а також таких, що розкладають в
кінцевому підсумку оцтову кислоту на метан і вуглекислий газ. Рівняння біохімічних реакцій стадії метаногенезу анаеробної ферментації мають наступний вигляд:
4Н2↑+ СО2↑→СН4↑+2Н2О
СН3СООН → СН4↑+ СО2↑
де СН4 ↑– метан.
Поєднавши рівняння стадії утворення оцтової кислоти, водню та вуглекислого газу з рівняннями метаногенезу, отримаємо
С6Н12О6→3СН4↑+3СО2↑
СН3СН2ОН→1,5СН4↑+0,5СО2↑
СН3СНОНСООН→1,5СН4↑+1,5СО2↑
СН3СН2СН2СООН+Н2O→ 2,5СН4↑+1,5СО2↑
СН3СН2СООН+0,5Н2O→1,75СН4↑+1, 25СО2↑
СН3СН2СН2СН2СООН+1,5Н2O→3,25СН4↑+1,75СО2↑
Розрахунковий матеріальний баланс анаеробної ферментації вищенаведених органічних речовин біомаси у відповідності із рівнянням буде мати наступний вигляд:
180 кг (С6Н12О6) = 48 кг (СН4)↑ + 132 кг (СО2)↑
46 кг (СН3СН2ОН) = 24 кг (СН4)↑ + 22 кг (СО2)↑
90 кг (СН3СНОНСООН) = 24 кг (СН4)↑ + 66 кг (СО2)↑
88 кг (СН3СН2СН2СООН) + 18 кг (Н2O) = 40 кг (СН4)↑ + 66 кг (СО2)↑
74 кг (СН3СН2СООН) + 9 кг (Н2O) = 28 (СН4)↑ + 55 кг (СО2)↑
102 кг (СН3СН2СН2СН2СООН) + 27 кг (Н2O) = 52 кг (СН4)↑ + 77 кг (СО2)↑
Таким чином, мікробіологічний розклад під час анаеробної ферментації 1 кг органічної речовини супроводжується виділенням в середньому 0,4 кг метану та 0,7 кг вуглекислого газу.
Для орієнтиру, з 1 кг сухої органічної маси в результаті перетворення в біогазовій станції отримується: з вуглеводів – приблизно 0,9 м3 біогазу, з жирів – до 1,5 м3 біогазу, з білків – до 0,7 м3 біогазу.
