Меню

Анаэробный способ питания это



Анаэробное пищеварение — Anaerobic digestion

Анаэробное пищеварение — это последовательность процессов, посредством которых микроорганизмы разрушают биоразлагаемый материал в отсутствие кислорода . Этот процесс используется в промышленных или бытовых целях для управления отходами или для производства топлива. Большая часть ферментации, используемой в промышленности для производства продуктов питания и напитков, а также в домашней ферментации, использует анаэробное сбраживание.

Анаэробное пищеварение происходит естественным образом в некоторых почвах, а также в отложениях озер и океанических бассейнов , где его обычно называют «анаэробной активностью». Это источник метана из болотного газа, открытый Алессандро Вольта в 1776 году.

Процесс пищеварения начинается с бактериального гидролиза исходных материалов. Нерастворимые органические полимеры , такие как углеводы , распадаются на растворимые производные, которые становятся доступными для других бактерий. Затем ацидогенные бактерии превращают сахара и аминокислоты в диоксид углерода, водород , аммиак и органические кислоты . В процессе ацетогенеза бактерии превращают полученные органические кислоты в уксусную кислоту вместе с дополнительными аммиаком, водородом и диоксидом углерода. Наконец, метаногены превращают эти продукты в метан и диоксид углерода. Популяции метаногенных архей играют незаменимую роль в анаэробной очистке сточных вод.

Анаэробное сбраживание используется как часть процесса обработки биоразлагаемых отходов и осадка сточных вод . В рамках интегрированной системы управления отходами анаэробное сбраживание снижает выбросы свалочного газа в атмосферу. Анаэробные варочные котлы также можно кормить специально выращенными энергетическими культурами, такими как кукуруза .

Анаэробное сбраживание широко используется в качестве источника возобновляемой энергии . В процессе образуется биогаз , состоящий из метана , диоксида углерода и следов других «загрязняющих» газов. Этот биогаз можно использовать непосредственно в качестве топлива, в двигателях комбинированного производства тепла и энергии, или преобразовать его в биометан качества природного газа . Также производимый богатый питательными веществами дигестат можно использовать в качестве удобрения .

Благодаря повторному использованию отходов в качестве ресурса и новым технологическим подходам, которые снизили капитальные затраты , анаэробное сбраживание в последние годы привлекло к себе повышенное внимание правительств ряда стран, в том числе Соединенного Королевства (2011 г.), Германии, Дании ( 2011) и США.

Содержание

Процесс

Многие микроорганизмы влияют на анаэробное пищеварение, включая бактерии, образующие уксусную кислоту ( ацетогены ) и метанобразующие археи ( метаногены ). Эти организмы способствуют ряду химических процессов преобразования биомассы в биогаз .

Газообразный кислород исключен из реакций путем физического удержания. Анаэробы используют акцепторы электронов из источников, отличных от газообразного кислорода. Эти акцепторы могут быть самим органическим материалом или могут поступать из неорганических оксидов из входящего материала. Когда источником кислорода в анаэробной системе является сам органический материал, «промежуточными» конечными продуктами в первую очередь являются спирты , альдегиды и органические кислоты, а также диоксид углерода. В присутствии специализированных метаногенов промежуточные продукты превращаются в «конечные» конечные продукты — метан, диоксид углерода и следовые количества сероводорода . В анаэробной системе большая часть химической энергии, содержащейся в исходном материале, выделяется метаногенными бактериями в виде метана.

Популяции анаэробных микроорганизмов обычно требуют значительного периода времени, чтобы стать полностью эффективными. Следовательно, обычной практикой является внедрение анаэробных микроорганизмов из материалов с существующими популяциями, процесс, известный как «засев» варочных котлов, обычно осуществляется с добавлением осадка сточных вод или навозной жижи.

Этапы процесса

Четыре ключевых этапа анаэробного пищеварения включают гидролиз , ацидогенез , ацетогенез и метаногенез . Общий процесс можно описать химической реакцией, при которой органический материал, такой как глюкоза, биохимически переваривается анаэробными микроорганизмами в двуокись углерода (CO 2 ) и метан (CH 4 ).

В большинстве случаев биомасса состоит из крупных органических полимеров. Чтобы бактерии в анаэробных варочных котлах могли получить доступ к энергетическому потенциалу материала, эти цепи должны сначала быть разбиты на их более мелкие составные части. Эти составные части или мономеры, такие как сахара, легко доступны для других бактерий. Процесс разрыва этих цепей и растворения более мелких молекул в растворе называется гидролизом. Следовательно, гидролиз этих высокомолекулярных полимерных компонентов является необходимым первым шагом в анаэробном сбраживании. В результате гидролиза сложные органические молекулы распадаются на простые сахара , аминокислоты и жирные кислоты .

Ацетат и водород, полученные на первых стадиях, могут использоваться непосредственно метаногенами. Другие молекулы, такие как летучие жирные кислоты (ЛЖК) с длиной цепи больше, чем у ацетата, должны сначала катаболизироваться в соединения, которые могут быть напрямую использованы метаногенами.

Биологический процесс ацидогенеза приводит к дальнейшему расщеплению оставшихся компонентов ацидогенными (ферментативными) бактериями. Здесь образуются ЛЖК, аммиак, диоксид углерода и сероводород , а также другие побочные продукты. Процесс ацидогенеза похож на закисание молока .

Третий этап анаэробного пищеварения — ацетогенез . Здесь простые молекулы, созданные в фазе ацидогенеза, далее перевариваются ацетогенами с образованием в основном уксусной кислоты, а также диоксида углерода и водорода.

Завершающей стадией анаэробного пищеварения является биологический процесс метаногенеза . Здесь метаногены используют промежуточные продукты предыдущих стадий и превращают их в метан, диоксид углерода и воду. Эти компоненты составляют большую часть биогаза, выбрасываемого из системы. Метаногенез чувствителен как к высоким, так и к низким значениям pH и происходит между pH 6,5 и pH 8. Оставшийся неперевариваемый материал, который микробы не могут использовать, и любые мертвые бактериальные остатки составляют дигестат.

Конфигурация

Анаэробные варочные котлы могут быть спроектированы и спроектированы для работы с использованием ряда различных конфигураций и могут быть разделены на режимы периодического и непрерывного процесса, мезофильные и термофильные температурные условия, высокие и низкие доли твердых веществ и одноступенчатые процессы против многоступенчатых. Непрерывный процесс требует более сложной конструкции, но, тем не менее, он может быть более экономичным, чем периодический процесс, потому что периодический процесс требует больших начальных затрат на строительство и большего объема варочных котлов (распределенных по нескольким партиям) для обработки того же количества отходов, что и непрерывный процесс. варочный котел. В термофильной системе требуется более высокая тепловая энергия по сравнению с мезофильной системой, но термофильная система требует гораздо меньше времени и имеет большую пропускную способность по газу и более высокое содержание газообразного метана, поэтому необходимо тщательно продумать этот компромисс. Что касается содержания твердых частиц, то при низком содержании твердых частиц будет до 15%. Выше этого уровня считается высокое содержание твердых веществ и также может быть известно как сухое сбраживание. В одностадийном процессе один реактор включает четыре стадии анаэробного сбраживания. Многоступенчатый процесс использует два или более реактора для разложения, чтобы разделить фазы метаногенеза и гидролиза.

Пакетный или непрерывный

Анаэробное сбраживание может осуществляться как периодический или непрерывный процесс. В периодической системе биомасса добавляется в реактор в начале процесса. Затем реактор герметизируют на время процесса. В простейшей форме для обработки партии требуется инокуляция уже обработанным материалом, чтобы начать анаэробное сбраживание. В типичном сценарии производство биогаза будет формироваться с нормальным распределением во времени. Операторы могут использовать этот факт, чтобы определить, когда, по их мнению, процесс переваривания органических веществ завершился. Если реактор периодического действия открыть и опорожнить до того, как процесс будет полностью завершен, могут возникнуть серьезные проблемы с запахом. Более продвинутый тип периодического подхода ограничил проблемы запаха за счет интеграции анаэробного сбраживания с компостированием в емкости . В этом подходе инокуляция происходит с использованием рециркулируемого дегазированного перколята. После завершения анаэробного сбраживания биомасса хранится в реакторе, который затем используется для компостирования в сосуде перед его открытием.Поскольку периодическое сбраживание является простым и требует меньшего количества оборудования и меньшего объема проектных работ, это обычно более дешевая форма пищеварение. Использование более чем одного реактора периодического действия на заводе может обеспечить постоянное производство биогаза.

В процессах непрерывного сбраживания органические вещества постоянно добавляют (непрерывное полное перемешивание) или добавляют в реактор поэтапно (непрерывный поршневой поток; первым пришел — первым ушел). Здесь конечные продукты постоянно или периодически удаляются, что приводит к постоянному производству биогаза. Последовательно можно использовать один или несколько варочных котлов. Примеры этой формы анаэробного сбраживания включают реакторы непрерывного действия с мешалкой , анаэробные иловые подушки с восходящим потоком , расширенные гранулированные иловые слои и реакторы с внутренней циркуляцией .

Температура

Два обычных рабочих уровня температуры для анаэробных варочных котлов определяют виды метаногенов в варочных котлах:

  • Мезофильное пищеварение оптимально происходит при температуре от 30 до 38 ° C или при температуре окружающей среды от 20 до 45 ° C, где мезофилы являются основными присутствующими микроорганизмами.
  • Термофильное расщепление оптимально происходит при температуре от 49 до 57 ° C или при повышенных температурах до 70 ° C, когда термофилы являются основными присутствующими микроорганизмами.

В Боливии достигнут предел анаэробного сбраживания при рабочих температурах ниже 10 ° C. Анаэробный процесс протекает очень медленно, более чем в три раза превышая нормальный мезофильный процесс. В ходе экспериментальной работы в Университете Аляски в Фэрбенксе 1000-литровый варочный котел с использованием психрофилов, собранных из «грязи из замерзшего озера на Аляске», произвел 200–300 литров метана в день, что составляет около 20–30% продукции, получаемой из варочных котлов в более теплых условиях. климат. Мезофилов больше, чем термофилов, и они также более устойчивы к изменениям условий окружающей среды, чем термофилы. Поэтому мезофильные системы считаются более стабильными, чем термофильные системы пищеварения. Напротив, в то время как термофильные системы разложения считаются менее стабильными, их энергозатраты выше, при этом большее количество биогаза удаляется из органического вещества за равное время. Повышенные температуры способствуют более высокой скорости реакции и, следовательно, более быстрому выходу газа. Работа при более высоких температурах способствует большему уменьшению количества патогенов в дигестате. В странах, где законодательство, такое как Положения о побочных продуктах животного происхождения в Европейском Союзе, требует, чтобы дигестат соответствовал определенным уровням снижения количества патогенов, может быть полезно использовать термофильные температуры вместо мезофильных.

Дополнительная предварительная обработка может использоваться для уменьшения времени удерживания, необходимого для производства биогаза. Например, некоторые процессы измельчают субстраты для увеличения площади поверхности или используют стадию предварительной термической обработки (например, пастеризацию) для значительного увеличения выхода биогаза. Процесс пастеризации также можно использовать для снижения концентрации патогенных микроорганизмов в дигестате, покидающем анаэробный реактор. Пастеризация может быть достигнута термической обработкой в ​​сочетании с мацерацией твердых веществ.

Содержание твердых веществ

В типичном сценарии три различных рабочих параметра связаны с содержанием твердых частиц в сырье, поступающем в варочные котлы:

  • Высокий сухой остаток (сухой — штабелируемый субстрат)
  • С высоким содержанием твердых частиц (влажный — перекачиваемый субстрат)
  • Низкое содержание твердых частиц (влажный — перекачиваемый субстрат)

Варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц (сухие) предназначены для обработки материалов с содержанием твердых частиц от 25 до 40%. В отличие от варочных котлов мокрого типа, которые обрабатывают перекачиваемые суспензии, варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц (сухой — штабелируемый субстрат) предназначены для обработки твердых субстратов без добавления воды. Основными типами сухих варочных котлов являются варочные котлы с вертикальным поршневым потоком непрерывного действия и горизонтальные варочные котлы периодического действия. Варочные котлы непрерывного вертикального вытеснения представляют собой вертикальные цилиндрические резервуары, в которых сырье непрерывно подается в верхнюю часть варочного котла и течет вниз под действием силы тяжести во время варки. В туннельных варочных котлах периодического действия сырье размещается в туннельных камерах с газонепроницаемой дверцей. Ни один из подходов не предусматривает перемешивания внутри варочного котла. Объем предварительной обработки, такой как удаление загрязняющих веществ, зависит как от природы обрабатываемых потоков отходов, так и от желаемого качества дигестата. Уменьшение размера (измельчение) выгодно в непрерывных вертикальных системах, поскольку оно ускоряет пищеварение, в то время как периодические системы избегают измельчения и вместо этого требуют структуры (например, отходы склада) для уменьшения уплотнения штабелированной кучи. Вертикальные сухие варочные котлы непрерывного действия имеют меньшую занимаемую площадь из-за более короткого эффективного времени удержания и вертикальной конструкции. Влажные варочные котлы могут быть спроектированы для работы либо с высоким содержанием твердых частиц, с общей концентрацией взвешенных твердых частиц (TSS) более

20%, либо с концентрацией с низким содержанием твердых частиц менее

Варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц (влажные) перерабатывают густую суспензию, которая требует большего количества энергии для перемещения и обработки сырья. Толщина материала также может вызвать проблемы с истиранием. Варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц обычно требуют меньше земли из-за меньших объемов, связанных с влажностью. Варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц также требуют корректировки обычных расчетов производительности (например, производства газа, времени удерживания, кинетики и т. Д.), Первоначально основанных на концепциях сбраживания очень разбавленных сточных вод, поскольку более крупные фракции массы сырья потенциально могут быть преобразованы в биогаз.

Варочные котлы с низким содержанием твердых частиц (мокрые) могут транспортировать материал по системе с помощью стандартных насосов, требующих значительно меньших затрат энергии. Варочные котлы с низким содержанием твердых частиц требуют большего количества земли, чем варочные котлы с высоким содержанием твердых частиц, из-за увеличения объемов, связанного с повышенным соотношением жидкости к сырью в варочных котлах. Есть преимущества, связанные с работой в жидкой среде, поскольку она обеспечивает более тщательную циркуляцию материалов и контакт между бактериями и их пищей. Это позволяет бактериям более легко получать доступ к веществам, которыми они питаются, и увеличивает скорость газообразования.

Сложность

Системы пищеварения могут быть сконфигурированы с разным уровнем сложности. В одноступенчатой ​​системе разложения (одностадийной) все биологические реакции происходят в одном герметичном реакторе или резервуаре для хранения. Использование одной ступени снижает затраты на строительство, но приводит к меньшему контролю реакций, происходящих в системе. Ацидогенные бактерии, производя кислоты, снижают pH в аквариуме. Метаногенные бактерии, как отмечалось ранее, действуют в строго определенном диапазоне pH. Следовательно, биологические реакции различных видов в одноступенчатом реакторе могут напрямую конкурировать друг с другом. Еще одна одноступенчатая реакционная система — анаэробная лагуна . Эти лагуны представляют собой земляные бассейны, похожие на пруды, которые используются для обработки и длительного хранения навоза. Здесь анаэробные реакции содержатся в естественном анаэробном иле, содержащемся в бассейне.

В двухэтапной системе пищеварения (многоступенчатой) различные сосуды для пищеварения оптимизированы для обеспечения максимального контроля над бактериальными сообществами, живущими внутри ферментов. Ацидогенные бактерии производят органические кислоты и быстрее растут и размножаются, чем метаногенные бактерии. Метаногенные бактерии требуют стабильного pH и температуры для оптимизации их работы.

В типичных условиях гидролиз, ацетогенез и ацидогенез происходят в первом реакционном сосуде. Затем органический материал нагревают до необходимой рабочей температуры (мезофильной или термофильной) перед перекачкой в ​​метаногенный реактор. Резервуары для начального гидролиза или ацидогенеза перед метаногенным реактором могут служить буфером для скорости добавления исходного сырья. В некоторых европейских странах требуется повышенная термическая обработка для уничтожения вредных бактерий во входных отходах. В этом случае может быть стадия пастеризации или стерилизации перед разложением или между двумя баками для разложения. Примечательно, что невозможно полностью изолировать различные фазы реакции, и часто некоторое количество биогаза образуется в резервуарах для гидролиза или ацидогенеза.

Время жительства

Время пребывания в варочном котле зависит от количества и типа загружаемого материала, а также от конфигурации системы варки. При типичном двухстадийном мезофильном расщеплении время пребывания варьируется от 15 до 40 дней, тогда как для одностадийного термофильного разложения время пребывания обычно меньше и составляет около 14 дней. Характер поршневого потока некоторых из этих систем будет означать, что полное разложение материала, возможно, не было реализовано в этом масштабе времени. В этом случае дигестат, выходящий из системы, будет более темным по цвету и обычно будет иметь более сильный запах.

В случае анаэробного разложения ила с восходящим потоком (UASB) время гидравлической выдержки может составлять от 1 часа до 1 дня, а время удерживания твердого вещества может достигать 90 дней. Таким образом, система UASB способна разделять твердые частицы и время гидравлического удерживания с помощью слоя ила. Варочные котлы непрерывного действия имеют механические или гидравлические устройства, в зависимости от уровня твердых частиц в материале, для перемешивания содержимого, позволяя бактериям и продуктам контактировать. Они также позволяют непрерывно извлекать излишки материала для поддержания достаточно постоянного объема в резервуарах для разложения.

Источник

Читайте также:  Лечебное питание ваш личный гастроэнтеролог

Все о питании © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.

Часть серии о
Устойчивая энергия
Обзор
  • Устойчивая энергия
  • Углеродно-нейтральное топливо
  • Поэтапный отказ от ископаемого топлива
Энергосбережение
  • Когенерация
  • Эффективное использование энергии
  • Хранилище энергии
  • Зеленое здание
  • Тепловой насос
  • Низкоуглеродистая энергия
  • Микрогенерация
  • Пассивная солнечная конструкция здания
Возобновляемая энергия
  • Биотопливо
  • Геотермальный
  • Гидроэлектроэнергия
  • Солнечная
  • Приливный
  • Волна
  • ветер
Экологичный транспорт
  • Электромобиль
  • Зеленый автомобиль
  • Подключаемый гибрид