Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




предыдущая главасодержаниеследующая глава

4. Получение метана микробиологическим путем

Образование анаэробными микроорганизмами метана известна достаточно давно. Получение метана микробиологическим путем стимулировали исследования по конверсии органических отходов. Этот процесс реализуется в санитарной инженерной практике для конверсии твердых отходов городского хозяйства. Было показано, что в анаэробных условиях многие отходы городского хозяйства и сельскохозяйственного производства микробиологическим путем в значительной степени могут быть переведены в газообразное состояние.

В последние годы в этом плане были выполнены интересные инженерные исследования, направленные на создание технологии получения газообразного топлива [182-186]. В настоящее время функционирует несколько крупномасштабных пилотных установок получения метана. Ряд технических и экономических аспектов промышленного получения этого биогаза рассмотрен в работах [182, 187, 188].

Микробиологическое получение метана особенно экономически выгодно в случае органического материала, распределенного в относительно небольших концентрациях в воде [189]. В работе [190] рассмотрены возможности увеличения выхода газа путем предварительной обработки биоматериалов теплом, кислотами и щелочами. При этом экономически обосновано проведение процесса с термофильными микроорганизмами [182, 191].

Коэффициенты конверсии энергии в системах получения метана из органического сырья весьма высоки. Это иллюстрирует табл. 12.

Таблица 12. Получение метана при анаэробной конверсии отходов [187, 192]
Таблица 12. Получение метана при анаэробной конверсии отходов [187, 192]

В среднем выделение метана соответствует 250-500 л газа на кг веса сухого сырья. Средняя скорость разложения биомассы в искусственных сооружениях (метантанках) равна 5 кг/м3⋅сут.

Основным классом соединений, превращаемых в метан смешанными культурами микроорганизмов, являются углеводы. Углеводы могут быть конвертированы в метан в оптимальном случае по уравнению

(1.10)

В соответствии с этой реакцией происходит диспропорционирование углевода и значительное концентрирование энергосодержания в метане. Образовавшийся метан составляет 26,7% от исходного углевода. Свободная энергия окисления метана по реакции

(1.11)

равна - 194,4 ккал/моль (эта величина вычислена на основе термодинамических данных работы [164]). Предельное теоретическое значение КПД преобразования энергии в такого рода системах составляет 85,7%. Таким образом, 26,7% вещества по массе содержат 85,7% энергии. Практически реализуется КПД 50-80%. При метановом брожении образуется большое количества газов с относительно малым ростом биомассы. В силу этого в данных системах наблюдаются высокие значения КПД преобразования энергии.

Конверсия углеводов в метан является сложным микробиологическим процессом. Обычная динамика выделения газов в естественных условиях конверсии отходов представлена на рис. 9 [188]. Процесс протекает в нестационарном режиме значительный период времени. Первая стадия процесса характеризуется существенным уменьшением в системе концентраций кислорода и азота, вторая стадия связана с активным выделением углекислоты и водорода. На последующей стадии происходит уменьшение концентрации водорода, углекислого газа и образование метана. Затем процесс переходит в стационарный режим, при этом концентрация метана в газовой фазе составляет 60-80% (см. табл. 12).

Рис. 9. Обычная динамика выделения газов в естественных условиях конверсии углеводных материалов [188]
Рис. 9. Обычная динамика выделения газов в естественных условиях конверсии углеводных материалов [188]

В санитарных системах конверсии городских отходов нестационарный процесс в зависимости от условий протекает 180 дней [193], 250 дней [197], 500 дней [188].

Анаэробная конверсия биомассы в метан протекает под действием комплекса микроорганизмов. Процесс включает действия нескольких групп бактерий [195, 196]. Первая группа бактерий, обладая большой целлюлозолитической и протеолитической активностью, гидролизует биомассу до составных частей и конвертирует их ферментативным путем в органические кислоты, спирты. Процесс проводят в условиях, в которых концентрация кислорода и других окислителей минимальна при температуре до 45-70°С. pH-Оптимум процесса около 7,0, причем скорость выделения водорода заметно падает с понижением pH. Удаление водорода из системы существенно увеличивает рост этой группы бактерий. В нее входят строгие и факультативные анаэробы (Enterobacterium, Clostridium и др.). Анализ микробиологической флоры первой группы бактерий дан в обзорной работе [197]. Большую роль на первой стадии процесса играют целлюлозолитические и протеолитические организмы [198, 199]. Результатом их деятельности являются сахара, аминокислоты, пептиды, которые конвертируются в водород, углекислый газ, ацетат, пропионат, масляную кислоту. При этом также образуется ряд аминокислот и алифатических кислот: изомасляная, изовалериановая, валериановая, 2-метилмасляная кислоты [200-202].

Известно, что сами метанообразующие бактерии метаболизируют водород, углекислый газ, уксусную кислоту, метанол, формиат, но не используют субстраты с большой алифатической цепочкой. Продукты первой стадии метанового брожения используются ацетогенными бактериями (вторая группа бактерий) для получения уксусной кислоты [203]. Например, такие бактерии, как Desulfovibrio, окисляют этанол и молочную кислоту с образованием ацетата [206].

(1.12)

Аналогично в ацетат может быть конвертирована пропионовая кислота.

(1.13)

Третья группа бактерий представляет собой непосредственно метаногенные организмы, которые, используя водород, уксусную кислоту, углекислый газ, образуют метан. Метанообразующие микроорганизмы являются строгими анаэробами и очень чувствительны к кислороду, окислительно-восстановительный потенциал среды для роста составляет -300 мВ и ниже [207]. Бактерии, непосредственно ответственные за образование метана, достаточно трудно получить в чистой культуре. В настоящее время известны следующие виды метанообразующих микроорганизмов: Methanobacterium ruminantium, М. formicicum, М. mobilis, Methatiosarcina farkeri, Methatiococcus sp., M. vannilii, Methanospririllum sp. и др. [208-211].

Предпочтительными субстратами для образования метана являются Н2 и СО2. Некоторые виды способны к автотрофному росту [212], но другие нуждаются в дополнительных органических соединениях.

В ряде случаев метанообразующие бактерии оказались консорциями. Например Methanobadilus omelianskii, долгое время считавшийся чистой культурой, представляет собой синергетическую ассоциацию двух организмов. Культура использует этанол, продуцируя метан [204]

Первый организм

(1.14)

Второй организм

(1.15)

В комплексе организмы очень эффективно растут на среде с этанолом. При этом происходит межвидовой перенос водорода, обеспечивающий метаболизм второго организма [205]. Согласно современной точке зрения непосредственным предшественником метана может являться уксусная кислота [214]. По данным работ [215, 216], проведенным с радиоактивной меткой углерода, 73% метана образуется из уксусной кислоты.

Важным является то обстоятельство, что некоторые анаэробные микроорганизмы (Clostridium aceticum) способны использовать углекислый газ с образованием уксусной кислоты

(1.16)

Интересно отметить, что интенсивность образования метана метаногенными микроорганизмами, например Methanosarcina barken, существенно увеличивается в присутствии в культуральной, среде неметаногенных микроорганизмов.

Пока мало известно о химическом механизме образования метана. Пируват, который стимулирует образование метана клеточными экстрактами [217], действует как источник углекислоты, образующейся при его декарбоксилировании [218]. В работе [219] показано, что С-3 серина действует как предшественник метана у Methanobacterium sp. М.О.Н. Этот углеродный атом переносится на тетрагидрофолат с помощью фермента серинтрансгидроксиметилазы, образуя N-5, N-10-метилентетрагидрофолат с последующим восстановлением метиленовой группы до метила. Клеточные экстракты активно выделяют 14С-меченый метан из N-5-14СН3-тетрагидрофолата. Предполагается, что с А-5-метилтетрагидрофолата метальная группа переносится на метилкобальтамин, который является источником метальных групп при образовании метана в присутствии клеточного экстракта, АТФ и водорода [220].

У М. barkeri, для которой донором метальных групп является метанол, образование метана протекает с участием ферредоксина, АТФ, ионов магния, водорода [221].

Таким образом, метановое брожение - весьма сложный процесс, многие микробиологические и биохимические особенности которого еще не достаточно поняты. Вместе с тем коэффициенты преобразования энергии в такого рода системах достаточно высоки. При этом используются нетрадиционные источники сырья, представляющие собой отходы городского и сельского хозяйства. Это делает проведение процесса экономически выгодным. Согласно оценкам, сделанным в работах [187, 189], получение газа таким путем может составить около 1% производства энергии для развитых стран. С другой стороны, для развивающихся стран, имеющих богатые источники первичной органической биомассы, разработка и использование этого процесса может составить основу новой энергетической технологии [222-224].

предыдущая главасодержаниеследующая глава



ИНТЕРЕСНО:

Биохимической реакцией будут управлять с помощью света

Новый композитный материал позволит получать чистый водород из метана

Новое соединение вольфрама и бора станет материалом рекордной твердости

Японские химики синтезировали «нано-Сатурн»

Учёные создали «невозможные» нитриды простым способом

Искусственный интеллект научили составлять молекулы

Ученые научились наблюдать за сверхбыстрыми химическими процессами

Почему на Западе периодическую таблицу никак не связывают с именем Менделеева

Люминесцентные наночастицы открыли новый этап в истории дактилоскопии

Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'