1598005439-1326b994f1090c560653e496106b7ac8 (811216), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Пропионовая кислота может быть затем декарбоксилирована в уксусную кислоту с образованием СО, и СН4 под действием МеуйапоЬасзегуит ргорютсит, Однако в настоящее время считают, что эти соединения расщепляются под действием ацетогенных бактерий, производящих Н„поскольку — до сих пор не были получены чистые культуры метаногенов, расщепляющих жирные кислоты; — культура, фермеитирующая этаиол Мезйапозагсуиа оте!1плйй, оказалась сиитрофическим сообществом двух видов бактерий [9]; — среда, обогауценная пропиоиовой и масляной кислотами, потребляет Н, без инкубационного периода и при энергичном распределении СО, и Н, образуется СН4 в виде основного продукта в этих обогащенных средах, а не в среде, обогащенной уксусной кислотой [56]; — кратковременный контакт с водородом ингибирует расщепление пропионовой и масляной кислот, а не уксусной кислоты, расщепляю- шейся в обогащенной среде [56] и в иле сточных вод [29].
Недавно из культуры с бактериями, использующими Н„такими, как метаиогены или десульфовибрио, были выделены аиаэробиые бактерии. катаболизируюшие жирные кислоты [57]; они !)-окисляют жирные кислоты с четным числом углеродных атомов (масляную, капроновую или каприловую кислоты) в уксусную и Н,: СНзСНэСНзСОО + 2НзО юе 2СНзСОО + Н + 2Нз или жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов (валериа- новая): СНЗСНзСНзСНзСОО + 2НзО йй СНЗСОО + + СН,СН,СОО + Н' + 2Нэ, или гептановую кислоту в уксусную, пропионовую и Н,.
Эти бактерии при отсутствии бактерий, потребляющих Н„не могут использовать источник энергии или комбинацию донора и акцептора электрона, обеспечивающих их рост. Удалось также выделить виды бактерий, вызываюшнх катаболизм пропионовой кислоты в уксусную, СО, и Н, [58]: СН,СН,СОО- + ЗН,О ~ СН,СОО- +НСО; + + Н" + 3Н, АО" = + 76,1 кДж)реакция. Способы получения энергии иэ биомассы 4.3.
Второй этап, связанный с регулированием концентрации Н Равновесие реакций расщепления масляной и пропп оновой кислот [уравнения (7) и (8)] сохраняется и при неблагоприятных условиях, о чем свидетельствуют положительные значения АОоб Однако эти соединения легко расщепляются при эффективной ферментации с образованием метана в естественных системах. Объясняется это тем, что парциальное давление водорода в подобных экосистемах поддерживается на очень низком уровне и тем самым создаются термодинамически благоприятные условия для образования Н,.
Влияние парциального давления Н, на величину АО*' при анаэробной ферментации этанола, пропионовой и масляной кислот с образованием метана показано на рис. 3. Когда парциальное давление водорода становится ниже 0,15 атм, этанол расщепляется (отрицательные значения АОм). Расгцепление масляной и пропионовой кислот не происходит до тех пор, пока парциальное давление водорода не понизится примерно до 2.!О ' или 9.!О ' атм соответственно. Таким образом, даже при небольшом увеличении парциального давления водорода расщепление этих соединений, и в первую очередь пропионовой кислоты, прекращается. Согласно многим исследованиям, во время нарушения действия перегнивателя накапливается преимущественно пропиоиовая кислота [59].
Образование СН4 из Н, и СО, проходит даже при парциальном давлении водорода ниже 10 ' атм. Таким образом, парциальное давление водорода регулирует не только конечные продукты жизнедеятельности фермеитативных бактерий, но и первоначальное расщепление за счет ацетогенных бактерий, образующих Н„обеспечивающий важную роль метаногенов в процессе ферментации. 5. НЕКОТОРЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФЕРМЕНТАЦИЮ Химический состав субсвуравуса Степень усваиваемости микроорганизмами целлюлозы и других компонент оболочек растительных клеток Часть П 26! Способы получения энергии нэ биомассы обратно пропорциональна количеству неусваиваемых компонентов, таких, как лигнин и кремний, ассоциированных с полисахаридами. Для оценки степени усваиваемости микроорганизмами органических веществ и производства метана из отходов животноводства и других органических субстратов могут быть использованы уравнения, подобные полученным для оценки переваривания кормовых растений жвачными животными [60, 6!3.
Биорасщепление органического субстрата может быть повышено путем его термохимической обработки, в результате которой из полисахаридов удаляется лигнин. При этом субстрат становится более доступным для микробов; часть лигнина превращается в растворимое анаэробно биорасщепляемое вещество [623. Степень разрушения органического вещества прямо пропорциональна производству метана, и наоборот.
Авторы работ [633 вывели следующее уравнение для прогнозирования количества производимого метана на основе химического состава отходов; СлНаОь + (о — 1/4а — 1/2Ь)НзО ка (1/2л 1/йо .1- 1/4Ь)СО + (!/2п + 1/8а — !/4Ь)СН4. (10) Время удержания. Эффективность образования метана при ферментации определяется либо как степень разрушения органического вещества, измеряемая в процентах разрушенных летучих веществ, либо как скорость образования метана. Выбор метода расчета зависит от характера подготовки отходов и их назначения. Время удержания системы характеризует объем поступающей в реактор и выходящей из него жидкости в течение суток.
Так, если в !О-литровый реактор подается 2 л/сут, то время удержания будет равно 5 сут. При полностью перемешиваемом процессе время удержания обратно пропорционально скорости роста микроорганизмов при условии, что оно достаточно продолжительно, чтобы обеспечить сохранение микробной популяции. Если время удержания меньше минималъного, эффективная ферментация прекращается вследствие вымывания микробной популяции [643. По мере увеличения времени удержания концентрация органического вещества в сырье увеличивается. Уменьшение органического вещества может привести к сокращению количества метана, производимого на 1 л объема реактора. В ходе исследования влияния времени удержания на ферментацию ила при 35'С [653 был обнаружен быстрый рост протеина и ферментирующих углеводы бактерий. Субстраты расщепляются до жирных кислот даже при времени удержания менее одних суток.
Однако ферментация жирных кислот не происходит до тех пор, пока время удержания не достигнет 5 сут' и более. Ограничение скорости росгла. Как было показано [57, 583, ограничение скорости роста микроорганизмов при ферментации с образованием метана часто связано с расщеплением жирных кислот, влияющих на эф- фективность потребления водорода метаногенами, По мнению автора работы [653, это можно объяснить тем, что при ферментации углеводов и протеина в присутствии водорода на каждый электронэквивалент ферментируемого субстрата высвобождается больше энергии, чем при фер. ментации уксусной кислоты и жирных кислот с длинной цепью. В результате в первом случае интенсифицируется синтез клеток на единицу ферментируемого субстрата и ускоряется воспроизводство микроорганизмов, сохраняющихся в реакторе в течение более короткого времени удержания. Во втором случае синтез клеток замедляется и уменыпается скорость их роста.
Скорость роста клеток микроорганизмов зависит от состава отходов, Так, при ферментации городских органических отходов, содержащих главным образом целлюлозные вещества и небольшое количество липида или протеина, гидролиз целлюлозных материалов может ограничить общую скорость роста клеток микроорганизмов [66]. Скорость загрузки реакгпора. Скорость, с которой органические отходы поступают в реактор, называется скоросп,ю загрузки реактора и может быть выражена в виде масс. % органического материала, добавляемого каждый день в реактор. Между скоростью загрузки реактора, временем удержания и процентным содержанием органического материала в сырье существует зависимость вида Скорость загрузки реактора (7') = Органическое вещество в сырье (%)/Время удержания. (11) Таким образом, скорость загрузки реактора при данном времени удержания может быть увеличена за счет подачи более концентрированной суспензии органического вещества или при данном процентном содержании органического вещества в отходах путем сокращения времени удержания.
При более высоких скоростях загрузки производится больше метана на единицу объема реактора, но меньше на массу сырья, поскольку меньше разрушается летучих веществ. При снижении скорости загрузки реактора процент разрушения летучих веществ увеличивается, но при этом сокращается производство метана на объем реактора. При термофильной обработке отходов животноводства и скоростях загрузки реактора 2,7У достигается высокий выход метана — 4,5 л/сут на 1 л объема реактора при времени удержания порядка 3 сут [673.
Более детально вопрос о росте микроорганизмов и кинетике ферментации рассматривается в работах [64, 653. Ппнкппельлые вещества. Рост клеток микроорганизмов зависит от поступления питательных веществ, состоящих из органических субстратов с неорганическими веществами. Для роста некоторых видов бактерий необходимы витамин В, небольшое количество аминокислот или жирные кислоты, что обычно обеспечивается за счет жизнедеятельности других видов бактерий. Как правило, сырые субстраты, используемые для получения метана ферментацией, содержат достаточное количество минеральных веществ.
Однако в некоторых случаях, как, например, при 263 262 Способы получения энергии из биомассы Часть !1 ферментации городских отходов [66], может возникнуть необходимость в добавлении соединений азота, фосфора, серы и железа. Для эффективного проведения процесса необходимо поддерживать оптимальные условия, близкие к окружающей среде, поскольку даже в таких условиях ферментация проходит довольно медленно [3, 59]. РН среды должен быль равен 6,7 — 7,4, так как при рН ниже 6 или выше 8 процесс проходит очень ограниченно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
