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]

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]

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].