Влияние амаранта на эффективность процесса получения биогаза из органических отходов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.06, кандидат технических наук Белостоцкий, Дмитрий Евгеньевич

• Белостоцкий, Дмитрий Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белостоцкий, Дмитрий Евгеньевич

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений

Введение

Глава 1. Анаэробное сбраживание: технологические основы, направления поиска и перспективы повышения эффективности (литературный обзор)

1.1. Введение

1.2. Процесс метаногенеза

1.3. Состав биогаза

1.4. Действие ксенобиотиков

1.5. Основные химические процессы образования биогаза

1.6. Кинетическая модель метаногенеза

1.7. Использование ко-субстратов

1.8. Технология биогаза

1.9. Условия и контроль процесса сбраживания

1.10. Утилизация биогаза

1.11. Перспективы использования биогаза

1.12. Потенциал биогаза в России

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Организация экспериментальных работ

2.2. Объекты исследований

2.3. Экспериментальное оборудование, использованное в ходе проведе-

44

ния исследовании

2.4. Методы исследований

2.5. Математическая обработка данных

Глава 3. Оптимизация и интенсификация процесса выработки биогаза из органических отходов (обсуждение результатов)

3.1. Исследование метаногенеза осадков сточных вод очистных соору-

62

жении

3.2. Анаэробная переработка отходов сельского хозяйства

3.3. Анаэробная переработка отходов пищевой промышленности

3.4. Масштабирование процесса выработки биогаза

3.4.1. Анаэробная переработка ОСВ в периодическом режиме

3.4.2. Анаэробная переработка навоза КРС в периодическом режиме

3.4.3. Масштабирование процесса метаногенного сбраживания ОСВ

3.4.4. Исследование полунепрерывного процесса сбраживания навоза

КРС с добавлением фитомассы амаранта

3.5. Влияние на процесс метаногенеза добавок мелафена и тонарола

3.6. Использование отходов производства биогаза в качестве почвенно-

107

го удобрения

114

Выводы

Список литературы

Приложение

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Сокращенное название

осв

КРС

лжк св

рН

хпк

Полное название

Осадок сточных вод Крупный рогатый скот Летучие жирные кислоты Сухие вещества Кислотность Химическая потребность в кислороде

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние амаранта на эффективность процесса получения биогаза из органических отходов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из интенсивно развивающихся направлений современной биотехнологии является защита окружающей среды и биообезвреживание отходов. Большое внимание уделяется процессу эффективной анаэробной переработки органических веществ, включая отходы животного и растительного происхождения, промышленные и бытовые отходы, в биогаз. Метановое «брожение», или биометаногенез, - давно известный процесс превращения биомассы в энергию [1]. Он был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Образование биогаза (смесь 65% СН4, 30% С02, 1% H2S и незначительных количеств N2, 02, Н2, СО) - сложный микробиологический процесс, осуществляемый в анаэробных условиях многокомпонентным микробным консорциумом.

1 3

Энергия, заключенная в 28 м биогаза, эквивалентна энергии 16.8 м природ-

о

ного газа, 20.8 л нефти или 18.4 л дизельного топлива. Из 1 м биогаза в генераторе можно выработать до 2 кВт электроэнергии. В условиях недостатка энергетических ресурсов, обусловленного интенсивной эксплуатацией месторождений невозоб-новляемых (углеводородных) энергоносителей, необходимость перехода энергетики на возобновляемое сырье, продукты жизнедеятельности живых организмов и их биомассу, является очевидной. Особенность метаногенеза - его «всеядность»: практически все классы органических соединений, промышленных и сельскохозяйственных отходов могут быть конвертированы в биогаз [2]. Производство биогаза из органических сельскохозяйственных и промышленных отходов решает как энергетическую задачу получения дешевого возобновляемого источника вторичного топлива, так и задачу обеззараживания и утилизации отходов, способствующую решению экологических проблем. Продукт анаэробного метаногенного сбраживания может служить органическим удобрением.

Анализ современного состояния процесса получения биогаза из сельскохозяйственных и промышленных отходов и возникающих при этом проблем показывает следующие актуальные направления исследований: поиск путей интенсификации газообразования, анаэробная биодеградация ксенобиотиков, поиск эффективных стимуляторов и ингибиторов процесса газообразования, наиболее эффек-

тивное использование сброженных субстратов.

Для обеспечения крупномасштабного развития предприятий по производству биогаза в России необходимо решить целый ряд биохимических, микробиологических и технологических проблем. Важная задача биотехнологии - интенсификация процессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет усовершенствования технологии и оборудования, применения биокатализаторов и активаторов [3]. Решение вышеперечисленных задач является необходимым и актуальным на сегодняшний день, и мотивирует проведение исследований в данной области.

Целью настоящей работы является разработка технологического процесса повышения эффективности получения биогаза из органических отходов с применением активирующих добавок на основе амаранта багряного (АтагаШкш сгиеШт).

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: (1) Экспериментальное исследование процесса метаногенеза с использованием в качестве субстрата осадка сточных вод (ОСВ), отходов сельского хозяйства (навоз КРС) и пищевой промышленности (пивная дробина, свекловичный и яблочный жом). Исследование кинетики газообразования. (2) Активация получения биогаза из осадка сточных вод с добавлением амаранта багряного (АтагаШкш сгиеМш) и других растительных добавок. (3) Изучение влияния синтетических стимуляторов «мела-фена» [меламиновая соль бис(оксиметил) фосфиновой кислоты] и «тонарола» [2,6-ди(трет-бутил)-4-метилфенол] на процесс получения биогаза. (4) Масштабирование процесса получения биогаза, исследование кинетики газообразования при различных температурных режимах и оптимизация состава субстрата. (5) Детоксика-ция отработанных субстратов метаногенеза на основе ОСВ и амаранта, исследование возможности получения удобрений для сельского хозяйства.

Научная новизна работы. Впервые разработан способ повышения выработки биогаза из ОСВ, отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности с использованием добавки фитомассы амаранта (АтагаШкш сгиепШ), экстрактов и жома. Установлено, что фитомасса амаранта сокращает лаг-фазу газообразования в 4 раза. Выявлено влияние амаранта на ацидогенную фазу сбраживания.

Показано, что активность экстрактов фитомассы амаранта можно выстроить

в порядке убывания: дихлорметановый экстракт (хлорофилл, фитостерины, каротин, и преимущественно липиды, являющиеся одним из лучших субстратов для ме-таногенов), жом (клетчатка, пектины, белки), спиртовый (фенольные соединения, рутин, кверцетин) и водный (минеральные соли, амарантин, свободные аминокислоты, водорастворимые полисахариды) экстракты. Максимальное содержание метана в биогазе достигнуто при сбраживании ОСВ с добавлением 24% амарантового

жома и составило 83%.

Получены новые экспериментальные результаты для процесса выработки биогаза на уровне полупромышленных установок (У=12 л). Показано, что масштабирование не оказывает значительного влияния на кинетику процесса, т.е. результаты, полученные в лабораторном масштабе, можно экстраполировать на полупромышленный масштаб.

Разработаны эффективный технологический способ конверсии органических отходов в биогаз с использованием жома амаранта багряного (АтагаМкш сгиепШ) в качестве активирующей добавки, принципиальная технологическая схема и подготовлен проект технологической инструкции.

Впервые исследовано влияние ростстимулятора мелафена в концентрациях 10~2, 10"3, 10"4 г/л и тонарола на кинетику анаэробного сбраживания. Показано, что мелафен увеличивает выход биогаза на 22%, не влияя на кинетику процесса.

Практическая значимость. Предложен эффективный активатор газообразования - амарант, позволяющий сократить лаг-фазу процесса (более, чем в 4 раза), что существенно повышает его эффективность. В технологической лаборатории в пилотных 12 л реакторах (изготовлены по проекту германского научно-исследовательского центра биомассы БВРг) масштабирован процесс выработки биогаза и проведена его интенсификация с применением добавок растительного и синтетического происхождения. Согласно полученным данным разработаны рекомендации по оптимизации состава органических субстратов и интенсификации процесса выработки биогаза. Разработанные методы повышения эффективности образования биогаза, выявленные закономерности процесса газообразования (интенсификации) и рекомендации по использованию отработанных субстратов могут быть использованы в области промышленной биотехнологии. Расчитанный годовой экономиче-

ский эффект от применения жома амаранта (1т в сутки) при получения биогаза из органических отходов составляет 431 тыс. рублей

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и конгрессах: V-VII Всероссийских конференциях «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2009; С.-Петербург, 2010; Сыктывкар, 2011), I и II Всероссийских научных конференциях «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» (Краснодар, 2009, 2010), Итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского государственного университета (Казань, 2009), X Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2009), 1st International Conference on Biogas Microbiology (Leipzig, Germany, 2011), International Congress on Organic Chemistry (Kazan, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, из них: 4 статьи в изданиях реферируемых ВАК, 1 статья в отечественных изданиях, не входящих в перечень ВАК, а также 21 тезис в сборниках международных и российских конференций.

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, выборе объектов и методов исследований, непосредственном участии в проведении основных экспериментов, систематизации и интерпретации полученных результатов, формулировании научных положений и выводов.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 29 таблиц, 63 рисунка. Она включает введение, обзор литературы, экспериментальную часть, обсуждение результатов, выводы, список литературы, содержащий 182 наименования.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБУН Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова РАН «Возобновляемое растительное сырье как источник получения практически ценных низко- и высокомолекулярных соединений. Альтернативные источники получения биотоплива» (№ гос. регистрации 0120.803975) по программе Президиума Российской академии наук № 3 «Химические аспекты энергетики» (2009-2011 гг.).

Автор выражает глубокую признательность своим научному руководителю доценту, к.т.н. С.Т. Минзановой и научному консультанту члену-корреспонденту РАН, д.х.н., профессору В.Ф. Миронову за повседневное внимание и помощь в выполнении работы. Автор также выражает благодарность своим коллегам, участвовавшим на тех или иных стадиях выполнения работы - заведующему лабораторией Химико-биологических исследований, д.б.н. В.В. Зобову, старшему научному сотруднику, к.х.н. А.З. Миндубаеву, научному сотруднику, к.б.н. Е.В. Скворцову, ведущему инженеру-химику Л.Г. Мироновой, научному сотруднику Д.В. Рыжикову, инженерам-исследователям Г.Р. Петровой и Ф.Х. Зиатдиновой, доценту, к.т.н. Ха-бибуллину Р.Э.

Глава 1. Анаэробное сбраживание: технологические основы, Направления поиска и перспективы повышения эффективности

(обзор литературы) 1.1. Введение

Мировой объем потребления энергии постоянно растет и около 88 % от этого объема обеспечивают невозобновляемые ресурсы. Расчеты показывают, что потребление энергии в 21 веке вырастет в два-три раза. В настоящее время также постоянно растет концентрация парниковых газов в атмосфере, главный источником которых является С02, как побочный продукт промышленного получения энергии. В целях снижения глобального потепления выбросы парниковых газов решено снизить наполовину от показателя в 1990 году. Другая важная мировая тенденция -энергосбережение, так как многие нефтяные и газовые ресурсы относятся к числу невозобновляемых источников энергии. Исходя из этих тенденций, биогаз получаемый из отходов, мусора и энергетических растений будет играть важную роль в энергообеспечении будущего.

Одной из важнейших проблем современности является энергетический кризис, обусловленный постепенным исчерпанием энергоносителей - нефти, природного газа, угля и сланцев. Предложен ряд решений данной проблемы, одним из которых может стать получение углеводородного топлива в результате биологического процесса, называемого метановым брожением [4-6]. Метановое брожение или метаногенез - распространенный в природе процесс. Важным условием его протекания является отсутствие доступа кислорода, т.е. анаэробная среда. В данных условиях главным продуктом разложения практически любых органических субстратов является метан. Основными источниками биогенного метана в природе являются богатая перегноем почва, отложения торфа, промышленные стоки, нефтяные месторождения, а также разлагающиеся фекалии (сточные воды канализационных сооружений). Одним из перспективных направлений энергетики будущего является выработка биогаза, основанная на продуцировании метана определенными микроорганизмами в бескислородной среде [7]. Производство биогаза отличается простотой и дешевизной, его можно развернуть в «полевых» условиях, оно не нуждается в прокладывании газопроводов. Изучение процесса выработки биогаза

имеет экономический и экологический аспекты.

Главным достоинством альтернативных энергоресурсов должна стать их во-зобновляемость, исключающая угрозу исчерпания. Атомная и гидроэнергетика обходятся дорого, к тому же несут определенную экологическую угрозу. Поэтому основной поиск альтернативного энергообеспечения направлен на биологические объекты - масличные растения и микроорганизмы, осуществляющие брожение [8].

Все виды топлив, несущих популярную приставку «био», можно условно разделить на три большие группы: биодизель (подвергнутые химической модификации растительные масла и высшие углеводороды водорослей), биоэтанол (топливный технический спирт) и биогаз (горючий газ, содержащий метан, выделяющийся в анаэробных условиях при ферментации определенными микроорганизмами). Производство биотоплив в мире приобрело такой размах, что в Европе сокращают площади под пшеницей в пользу масличного рапса. Этанол в качестве добавки к бензину в Европе производят из зерна, а в Бразилии - из сахарного тростника. Очевидно, что если производство альтернативных топлив пойдет таким путем, человечество столкнется с другой проблемой - голодом. Население планеты растет, поэтому должно расти и производство пищевых продуктов, и сжигать их не следует. В этом смысле третий перспективный энергоресурс - биогаз - имеет веское преимущество, потому что производится не из пищевых продуктов, а из отходов, и помимо богатого энергией топлива (метан - одно из самых калорийных органических веществ) дает еще и решение проблемы утилизации отходов. К отходам, способным генерировать биогаз, относятся осадки бытовых сточных вод и активные илы водоочистных сооружений, фекальные массы, пищевые отбросы, а также навоз и помет сельскохозяйственных животных и птицы, который выгодно подвергать метаногенезу, прежде чем увозить на поля как удобрение: качество органического удобрения после выработки биогаза возрастает.

Если в отходах присутствуют тяжелые металлы (свинец, ртуть, кадмий, мышьяк), в процессе анаэробного сбраживания они превращаются в сульфиды, которые нерастворимы в воде, поэтому нетоксичны. Известно, что в процессе анаэробного сбраживания погибают болезнетворные микроорганизмы и яйца гельминтов, присутствующие в отбросах. Наконец, выработка биогаза приводит к утилизации метана, который в ином случае выделяется из стоков и свалок в атмосферу,

создавая угрозу парникового эффекта. Сбор и улавливание метана предусмотрен положениями Киотского протокола. Таким образом, выработка биогаза решает сразу несколько самых насущных проблем цивилизации - энергетическую, экологическую и косвенно - проблему голода в странах третьего мира. А если учесть, что на складирование и уничтожение мусора тратятся громадные суммы (для хранения иловых осадков сточных вод строятся бетонные саркофаги), то параллельно решается и наболевшая финансовая проблема. К тому же, перебродивший субстрат является органическим удобрением для полей.

В нашей стране вопрос о получении части энергии на основе биогаза также актуален, несмотря на то, что проблема нехватки ресурсов не стоит. Экологический аспект - именно это становится главным приоритетом в любой сфере промышленности. Существует и экономический аспект освоения технологии биогаза. С помощью выработки биогаза можно решить проблему газификации населения в отдаленных районах, где нет центрального газоснабжения. Это доказывается выросшей заинтересованностью к теме биогаза как альтернативного источника энергии Правительством Российской Федерации в целом, и Республики Татарстан, в частности.

1.2. Процесс метаногенеза

Метаногенез - сложный микробиологический процесс. Единственными организмами, способными его осуществлять, являются крайне специализированные прокариоты - очень древние архебактерии, или археи, родов МеЛапоЪаЫегшт, Ме-1капохае1а (МеЛапоЛпх), МеЛстососсш, МеЖапояагста, МегкапосогршсиЫт, Ме-вшпоЬгеуЛааег 'ш и МеШапоругш [9,10]. Для них метановое брожение является основным или даже единственным источником энергии. В процессе участвуют уникальные коферменты фурановой и птериновой природы, а также специфичные микроэлементы - молибден и вольфрам. Метановое брожение включает три стадии: гидролитическую (гидролиз полисахаридов в разлагающейся среде органического происхождения), ацидогенную (сбраживание образовавшихся в предыдущей стадии моносахаридов до спиртов и далее до короткоцепочечных летучих жирных кислот (ЛЖК) - муравьиной, уксусной, пропионовой, масляной, изомасляной, валериановой, изовалериановой, а также молочной) и, наконец, собственно метано-генную (ацетокластический метаногенез) - расщепление ЛЖК до СН4 и С02 [11] (см. рис. 1).

Другой путь метаногенеза заключается в восстановлении одноуглеродных молекул (СО, С02, НСООН, СН3ОН, СН3ЫН2) молекулярным водородом [12], также являющимся продуктом микробного метаболизма. Метаногенные архебактерии осуществляют только заключительную стадию процесса: гидролиз и ацидогенез производятся эубактериями, анаэробными грибами и простейшими [13-15]. Описаны также пути метаногенеза из длинноцепочечных жирных кислот животного жира и углеводородов нефти [16, 17].

Рисунок 1. Путь метаногенеза

Наиболее подробно исследованы симбиотрофные ассоциации микроорганизмов, при действии которых конечный продукт метаболизма одного микроорганизма является субстратом для другого. Один из наиболее ярких примеров - микробная анаэробная биоминерализация биомассы с образованием метана и углекислого газа. Последовательное действие микроорганизмов ассоциации является не просто необходимым условием последовательной деструкции веществ, приводящей к полной минерализации биомассы, но и то, что объединенные в ассоциацию микроорганизмы дают принципиально новое качественное состояние - в ассоциации протекают химические реакции, которые практически невозможны в одностадийных процессах. Микробная анаэробная ассоциация метаногенерирующих бактерий - это яркий пример такого рода процессов.

Известно, что вода при нормальных условиях в отсутствии радиационной активации не может проявлять роль окислителя связи углерод-углерод. Однако такие процессы протекают весьма эффективно в биокаталических системах с участием ассоциацией микроорганизмов:

СН3СН2СН2СООН + 2Н20 ->• 2СН3СООН + 2Н2

СН3СН2ОН + Н20 -» СН3СООН + 2Н2

Исследование анаэробного разложения масляной кислоты микробной ассоциацией показало, что на начальных этапах реакции масляная кислота практически стехиометрически превращается в две молекулы уксусной кислоты. Процесс протекает в строго анаэробных условиях и единственным источником необходимого количества атомов кислорода является вода. Окислительное расщепление связи С-С в анаэробных условиях стало возможным благодаря эффективному сопряжению двух принципиально различных стадий процесса - термодинамически невыгодного окисления алифатической кислоты водой и эффективного удаления образующегося водорода и уксусной кислоты действием метаногенных микроорганизмов. Термодинамика процессов конверсии алифатических кислот с учетом стадий образования метана следующая (происходит анаэробная конверсия алифатических кислот, содержащих п атомов углерода, в метан) [18]:

СплН^СОО" + 2Н20 ^ Сп.зН2п.5СОО" + СН3СОО + 2Н2 + Н+,

АС° = 48.3 кДж/моль;

Сп.3Н2п.5СОО + 2Н20 ^ С„_5Н2п_9СОО- + СНзСОО + 2Н2 + Н+,

АО0 = 48.3 кДж/моль;

С2Н5СОО" + ЗН20 СН3СОО_ + ЗН2 + НС03" + Н+,

Дв0 = 76.3 кДж/моль;

СН3СОО" + Н20 СН4 + НС03",

Ав0 = -31.0 кДж/моль;

НСОз" + 5Н+ + 2Н2 СН4 + ЗН20,

= -135.6 кДж/моль; НС03~ + Н+ С02 + н2о, ДО0 = -4.8 кДж/моль;

СпП2п.|02 + Н+ + (п-2)/2 Н20 (Зп-2)/4 СН4 + (2+п)/4 С02

Как видно, при любом числе атомов углерода в алифатической кислоте конверсия кислоты в метан является термодинамически выгодным процессом, причем добавление к конвертируемой алифатической кислоте одной СН2-группы приводит к дополнительному выигрышу в свободной энергии Гиббса около 2.65 кДж/моль. Если данные по Ав0 пересчитать на 1 моль образовавшегося метана, то получим значение, не зависящее от количества атомов углерода в кислоте, равное 35.4 кДж/моль.

Таким образом, объяснение необычному действию воды как агента, осуществляющего окислительное расщепление связи С-С, связано с действием микроорганизма, эффективно поглощающего молекулярный водород. Этот процесс характеризуется наибольшей отрицательной свободной энергией реакции [19]. Группу аэробных водородных бактерий, способных окислять СО, относят к карбоксидо-бактериям. Все до настоящего времени выделенные карбоксидобактерии способны также литотрофно окислять водород, тогда как не все водородные бактерии могут использовать СО как источник углерода и энергии роста. Карбоксидобактерии -факультативные автотрофы и обычно мезофилы. Однако есть сведения об умеренно термофильном стрептомицете $1герШгусех гкегтоаиШгорЫсш, который, помимо способности расти автотрофно и аэробно за счет окисления СО, обладает нечувствительной к кислороду нитрогеназой. Кроме СО карбоксидобактерии способны использовать для роста и некоторые многоуглеродные соединения - ацетаты, этанол, пропанол и др. Некоторые штаммы растут в присутствии одноуглеродных

соединений - метанола и формиатов.

В зависимости от вида карбоксидобактерии требуют различного содержания СО в газовой фазе - от 20 до 95 об. %. Окисление СО проходит по уравнению:

СО + 1/202 С02, Ав0 = -283.0 кДж/моль. Для фиксации 1 моля С02 клетки должны окислить 7 молей СО по уравнению:

7СО + 2 ^ 02 + Н20 (Н20) + 6С02. Реакцию окисления СО проводит особая СО-дегидрогеназа; она часто бывает НАД+-зависимой (А - окисленная форма акцептора электрона):

СО + Н20 + А С02 + Н2А.

В тех случаях, когда природный акцептор электрона СО-дегидрогеназы неизвестен, реакцию производят в присутствии метиленовой сини. Молекулярная

масса большинства выделенных и очищенных СО-дегидрогеназ карбоксидобакте-рий составляет около 230 кДа. Бактерии, окисляющие СО, формируют дыхательную цепь, участвующую в переносе электронов от СО к кислороду, заканчивающуюся особой цитохромоксидазой, нечувствительной к СО.

Известен ряд микроорганизмов, среди которых хорошо изучены фототроф-ные пурпурные бактерии, растущие в темноте в анаэробных условиях со 100% СО в качестве газовой фазы с образованием молекулярного водорода по уравнению:

СО + Н20 С02 + Н2. Некоторые метаногены способны использовать СО, преобразуя его в метан [12]:

СО + 2Н20 СН4 + С02.

Будучи биологическим процессом, метаногенез протекает только в определенных условиях, наиболее благоприятных для микрофлоры. По отношению к температуре выделяют три вида метаногенеза: психрофильный (низкотемпературный), протекающий при 10-14°С, мезофильный (среднетемпературный) с наиболее благоприятным интервалом температур 35-37°С и термофильный (высокотемпературный), идущий при 50-55°С. Каждый из перечисленных процессов осуществляется особым комплексом видов микробов, приспособленных к определенной температуре. Термофильный метаногенез является наиболее продуктивным, но его осуществление требует искусственного подогрева, поэтому на практике чаще используют мезофильный процесс. При температуре ниже 6°С метаногенез подавляется полностью [20, 21-27]. Культуры метаногенов хорошо сохраняются при 4°С, но замораживание при -20°С переносят хуже [28]. Как и большинство микроорганизмов, метаногены легко переносят высыхание, образуя споры, которые можно выделить из атмосферы [29]. Наиболее благоприятный рН для метаногенеза близок к нейтральному (в пределах 6-8), хотя на ацидогенной стадии происходит заметное подкисление среды. При рН 4.3 метановое брожение останавливается в результате отравления микрофлоры токсичными недиссоциированными ЛЖК (этим объясняется высокая сохранность органических отложений на торфяных болотах) [20, 25, 28, 30-32].

Одна из проблем анаэробного сбраживания различных органических отходов с образованием биометана - это его внутренняя нестабильность как очень сложного биохимического процесса (длительная лаг-фаза, низкий выход метана и

даже отсутствие сбраживания). Среди многих факторов, влияющих на выход биогаза и стабильную работу биореактора является присутствие кислорода, которое, как это общепринято, негативно сказывается на метаногенном сообществе [33, 34]. С целью освобождения от кислорода часто рекомендуют даже предварительное де-заэрирование инокулята, а иногда используют добавку сульфида натрия, легко окисляемого кислородом. Вопрос о влиянии кислорода является не столь простым. Так, в обзорах [35, 36] проанализировано современное состояние этой проблемы и сделан вывод о том, что небольшое количество кислорода не вызывает драматических изменений в среде метаногенов, и даже наоборот, может улучшать процесс анаэробного сбраживания в определенных условиях. Определенная доля С02 возникает именно за счет аэробного сбраживания водорастворимых органических веществ. Влияние кислорода весьма положительно на стадии гидролиза органического сырья, скорость которого выше именно в аэробных или кислородных условиях. В работах [37, 38] проведено моделирование влияние кислорода на анаэробное сбраживание и показана возможность достижения оптимального уровня оксигени-рования, позволяющего дать максимальный выход метана.

Метаногенные бактерии (Archaea) - строгие анаэробы, лишенные толерантности по отношению к кислороду, поскольку это одна из древнейших групп бактерий из всех прокариот, которые появились на Земле в период отсутствия кислорода. Такие бактерии не могут синтезировать энзим супероксид-дисмутазу, которая используется аэробными организмами для нейтрализации токсичных ионов кислорода 022", Ог и радикалов ОН*, которые быстро образуются в жидкой массе. Так, например метаногенные виды Methanococcus voltae и Methanococcus vannielii показывают почти нулевую толерантность по отношению к кислороду. Methanosarcina имеют период полуразложения 4 мин в воздушной среде, тогда как виды Methano-bacterium thermoautotrophicum, Methanobrevibacter arboriphilus и Methanosarcina barkeri не уменьшают размер колонии при выдерживании на воздухе более 30 час [39]; известен также эффект адаптации ряда метаногенов к небольшому количеству кислорода. Ограниченная аэрация способствует ускорению стадии гидролиза органического сырья во время анаэробного сбраживания в условиях мезофильного режима (при этом увеличивается гидролитическая активность двух энзимов - целлю-лазы и протеазы) [40].

Метаногенные бактерии чувствительны к содержанию в среде солей тяжелых металлов (гп, Сг, Си, Сё, N1, РЬ), благодаря чему даже разрабатываются микробиологические тесты на присутствие металлов в почве и воде, обладающие очень низким порогом обнаружения [41]. Тем не менее, предварительное компостирование органического сырья, загрязненного тяжелыми металлами, как недавно показано [42], позволяет в анаэробных условиях придавать им меньшую биодоступность путем перевода в более нерастворимые формы.

В обзорах [43, 44] проанализирована стимулирующая, ингибирующая и антагонистическая роль тяжелых металлов в процессе анаэробного сбраживания. Рассмотрено многообразие как биотических, так и абиотических детоксифицирующих механизмов. Вообще металлы играют важную роль в анаэробном сбраживании: как необходимые микроэлементы для различных энзиматических реакций (1), как ингибиторы и токсиканты энзиматических реакций всей микробной биомассы (2), как стимуляторы и промоторы микробной агрегации (3), как ингибиторы сульфидной токсичности (4). Те металлы, которые входят в структуру молекул (металлофлаво-протеинов, цитохромов и 8,Ре-содержащего ферридоксина) важны и не могут быть удалены без разрушения молекулы. В большинстве случаев металлы обратимо взаимодействуют с белками, образуя так называемые активные комплексы, которые стабилизируют активную конформацию белка и способствуют реализации его функции. Металлы можно расположить в следующий ряд по их содержанию в клетках метаногенов: Бе » 2п > Со = Мо > Си > Мп, причем наиболее важны из них N1, Со. Важность Бе связана с его гес/-ох-свойствами и вовлеченностью в энергетический метаболизм в качестве цитохрома и ферридоксина [45, 46]. Никель существенен для гидрогеназ, катализируя превращение Н2 2Н+ + 2е и СО-дегидрогеназу, которая играет существенную роль в ацетогенных и метаногенных бактериях. Никель играет также роль в факторе Р43о, который присутствует в компоненте С СНз-Б-СоМ метилредуктазной системы, и включается в последнюю стадию метаногенеза [47-49]. Вольфрам находят в 20 видах метанопродуцирующих бактерий и клостридиях [43]. Молибден важен для сульфат-восстанавливающих бактерий.

В работе [50] было исследовано влияние избирательного удаления тяжёлых металлов (Сг, Си, 7л, N1 и РЬ) из подвергнутого анаэробной переработке ила из

стоков предприятия «Юен Лонг» (Гонконг) в системе из нескольких реакторов посредством выделенной культуры местной железоокисляющей бактерии. Было показано, что выделенная местная культура железоокисляющих бактерий эффективно удаляет Cr, Си, Zn и Ni из подвергнутого анаэробной переработке ила, собранного на очистных сооружениях. Инокуляция железоокисляющими бактериями и добавление 4 г/л Fе2+ (в форме FeS047H20) приводит к эффективному выводу тяжёлых металлов спустя 10 дней обработки: Сг (55 %), Си (92 %), Zn (83 %), Ni (54 %), Pb (16 %). Увеличение срока переработки до 16 дней ведёт к удалению 71 % хрома, но снижает эффективность удаления меди до 67 % в результате ре-адсорбции растворённой меди твёрдыми частицами ила. Удаление хрома и меди тесно связано с микробиологической активностью ила, особенно в случае хрома. Сравнительно низкая эффективность связывания хрома указывает на возможность дальнейшего улучшения биологической системы очистки и выведения более эффективных микроорганизмов-очистителей. Тем не менее, содержание тяжёлых металлов в перерабатываемом иле было в пределах допустимого уровня для использования в сельском хозяйстве [50].

Отмечена высокая способность метаногенных культур обезвреживать продукты химической промышленности, причем даже такие, с трудом поддающиеся биологическому расщеплению вещества, как хлорорганические соединения, нитро-соединения, амины, сульфокислоты и четвертичные алкил- и ацилсодержащие аммонийные соли [14, 51-54], бензол [55], толуол [56], производные нафталина [57].

Большой интерес представляет исследование влияния на метанопродуци-рующую микрофлору биомасс и экстрактов различных видов растений. В работе [58] тринадцать растительных экстрактов, отобранных по наивысшей флавоноид-ной активности, сравнивались по своей сбраживаемости в 1 л ферментаторах, содержащих смесь экстракта из травяного сена и ячменного зерна в соотношении 1 : 1. Используя дробный факториал 214"10, авторы определяли скорость сбраживания каждого экстракта в количестве 0.5 г каждый день. Выход газа возрастал в присутствии L.officinalis (+11.9 % С02 и +13.7 % СН4) и S. virgaurea (+7.8 % С02 и +7.7 % СН4), тогда как воздействие хвоща полевого (Equisetum arvense) его снижало (-10.6 % С02 и -14.2 % СН4). Метаногенез подавлялся также в присутствии шалфея лекарственного (Salvia officinalis) (-8.2 %). В заключение, к экстрактам, рекомендо-

ванным на дальнейшее изучение, относятся таковые из L. officinalis и S. virgaurea -за стимуляцию брожения, и из Е. arvense и S. officinalis - за ингибирование выработки СН4. Авторы работы утверждают, что стимулятором активности микрофлоры являются растительные флавоноиды, поскольку они регулируют сверхспирали-зацию генома у клубеньковых азотфиксирующих бактерий, живущих в корнях растений семейства бобовых, а также влияют на транспорт электронов в бактериальных мембранах.

Следует особо подчеркнуть различие между стимуляцией и подкормкой. Стимуляторы не являются источниками биогенных элементов или энергии для живых клеток. Следовательно, сахара или жирные кислоты не являются стимуляторами метаногенеза, несмотря на сильное активирующее действие.

Существенно большее число работ посвящено поиску ингибиторов метаногенеза (для обзора см. [59]). Такой интерес объясняется, прежде всего, двойственным отношением к биологическому метаногенезу. Метан является не только возобновляемым топливом, но и парниковым газом, причем в 20 раз более эффективным, чем С02. По положениям Киотского протокола, в целях охраны окружающей среды требуется сокращать эмиссию метана в атмосферу. Подавление метанового брожения в рубце у ягнят [60], приводило к увеличению массы тела на 13 %.

К ингибиторам метаногенеза относят и вещества растительного происхождения - сапонины и таннины. Авторы работы [61] исследовали влияние фракций, богатых сапонинами, на брожение в рубце, выделение метана и микробное сообщество. Сапонины выделялись из листьев Carduus, Sesbania и Knautia, и из семян пажитника сенного (Trigonella foenum-graecum). Субстраты с двумя концентрациями сапонинов инкубировались с использованием метода Гогенгейма. Численность простейших упала на 10-39 %. Сапонины Sesbania уменьшили популяцию метано-генов на 78 %; наблюдалось также уменьшение численности грибов рубца (-20 - -60 %), рост Fibrobacter succinigenes (+21 ^ +45 %) и Ruminococcus flavefaciens (+23 +40 %). Авторы пришли к выводу, что сапонины обладают антипротозойной активностью, которая, однако, не приводит к сокращению метаногенеза. Сапонины семян пажитника имеют свойство усиливать активность рубца. Сапонины влияют на микробное сообщество, усиливая рост бактерий, расщепляющих волокна, и подавляя популяции грибов. Таким образом, прямая связь между численностью про-

стейших и метаногенезом, на которую оказывают влияние сапонины, не является обязательной. Ни один сапонин не проявил угнетающего действия на выделение метана у жвачных.

Особый интерес представляют данные работы [62], поскольку методы, описанные в ней, имеют сходство с использованными в настоящей работе. Исследование сопровождалось определением содержания общего сахара, общего белка, общего таннина и общего сапонина в водных, метанольных и ацетоновых экстрактах из двадцати одного вида травянистых растений. В дальнейшем также изучалось влияние растительных экстрактов на грамположительные и грамотрицательные культуры бактерий, их антимикробный потенциал, снижение выхода метана и раз-лагаемость сухого субстрата in vitro (IVDMD). Перечень растений, которые использовались в исследовании, следующий: Asparagus racemosus, Mentha arvensis, Alstonia scholaris, Aloe barbadanis, Tribulus terrestris, Dioscorea bulbifera, Allium sativum, Coriandrum sativum, Zingiber offcinale, Allium cepa, Azadiracta indica, Withania somnífera, Terminalia belerica, Eucalyptus globulus, Psidium guajava, Terminalia arjuna, Terminalia chebula, Acacia concinna, Sapindus mukorossi, Saraca asoca и Syzigium cumin. Различные по составу экстракты получены обработкой метанолом, ацетоном и водой и охарактеризованы по содержанию общего сахара, общего таннина и общего сапонина. Исследовано их влияние на метаногенез. Для определения антимикробного потенциала экстрактов применялись четыре бактериальные культуры: стрептококки, стафилококки (грамположительные), Esherichia coli и Enterobacter (грамотрицательные). Метанол, ацетон и вода использовались в качестве контроля. Показано, что ацетоновый и метанольный экстракты из Е. globulus и водный экстракт S. mukorossi и Е. globulus являются лучшими ингибиторами метаногенеза in vitro. Enterobacter оказался бактерией, наиболее чувствительной к исследованным экстрактам, на него оказали подавляющее действие 70 % исследуемых экстрактов. Ацетоновые экстракты оказались более эффективными ингибиторами роста бактерий по сравнению с метанольными и водными.

В статье [63] показано, что некоторые растения, содержащие сапонины, в первую очередь бобовые, используются в пищу животными, но целый ряд растений являются ядовитыми. Описаны некоторые эксперименты in vitro и in vivo, показывающие благотворное влияние сапонинов, уничтожающих биоту рубца и

влияющих на состав конечных продуктов брожения.

Авторы работы [64] сосредоточились на решении задачи определения влияния in vitro и механизма действия сапонинов чая на микробное сообщество рубца и выделение метана. В Китае, стране-производителе чайного листа, сапонины указанного растения являются крупнотоннажным продуктом. Сапонины экстрагировались из семян чая, после чего ферментировались in vitro вместе с содержимым рубца и чистой культурой Methanobrevibacter ruminantium. Добавление сапонинов чая значительно понижало выход метана и экспрессию гена mer А при ферментации в рубце, но не в чистой культуре M. ruminantium. Численность простейших и грибов снизилась на 50 % и 79 %, соответственно, но численность метаногенов не изменилась, а у Fibrobacter succinigenes возросла на 41 %. Разнообразие бактерий в культурах с присутствием и с отсутствием сапонинов оказалось сходным.

В уже упомянутой работе [60] исследовалось воздействие таннинов бобовых. По результатам двух экспериментов авторами было определено влияние таннинов через добавление обогащенного ими бобового экстракта на эмиссию метана. Потребление экстракта таннина уменьшало выделение метана, что приводило к увеличению роста тела на 13 %. Эти результаты свидетельствуют о том, что частично экстрагированные таннины могут применяться с целью смягчения эмиссии метана без значительного сокращения в корме очень богатых таннинами кустарниковых бобовых, очень эффективно ограничивающих метаногенез без снижения качества корма.

Аналогично, в публикации [65] для подавления метаногенеза применялись растительные сапонины, танниновая кислота, а также антибиотики ионофоры мо-нензин (2.5, 5.0 и 10.0 мг/л) и салиномицин (1.25, 2.5 и 5.0 мг/л), твин и растительные масла.

Таким образом, данные по ингибированию метаногенеза растительными метаболитами несколько противоречивы: в одних работах указывается, что подавление жизнедеятельности простейших рубца не затрагивает метаногенез, в других сообщается о снижении выхода метана. Вероятно, это зависит от видовой принадлежности испытуемых животных, состава микрофлоры рубца и свойств метаболитов конкретных растений.

Подробное изложение материала по ингибированию метаногенеза важно с

методологической точки зрения по исследованию ингибирования и стимуляции метанового брожения, которые предприняты в настоящей работе.

Развитие метаногенных микроорганизмов определяется составом питательных сред. Метаногенному сбраживанию, как и любому другому типу брожения, легче всего подвергаются моно- и олигосахариды, а также полисахариды, легко поддающиеся осахариванию (крахмал, гемицеллюлоы) [66-68]. Устойчивая к гидролизу целлюлоза сбраживается с трудом, а особенно трудноусваиваемым субстратом является лигноцеллюлоза, которую перед сбраживанием рекомендуется разлагать гидротермолизом при температуре 350°С и давлении 240 бар [66, 69]. Предлагаются и другие методы предварительной обработки труднодоступного питательного сырья: ультразвуком различной частоты и интенсивности [70-72], щелочным гидролизом [73]; ферментативным гидролизом целлюлозы с помощью низших грибов рода Neocallimastix [74], а также бактерий целлюлолитиков рода Fibrobacter [69].

1.3. Состав биогаза

Количественный состав биогаза сильно варьируется, однако качественный в достаточной степени постоянный: смесь метана и углекислого газа в соотношениях от 30 : 70 [75] до 60 : 40 [76, 77]. В работе Francese и др. [17] соотношение метана и углекислого газа достигало 73.6 : 26.4; в работе Kim и др. [78] 5037 л биогаза, выделившиеся из 1 м3 среды, содержали 3367 л метана. Наибольшее содержание метана в биогазе (83-85 %) представлено в работе Filidei и др. [14]. Помимо метана и углекислого газа в биогазе содержатся другие газообразные продукты, концентрация которых зависит от состава сред. В частности, промежуточным продуктом метаболизма микрофлоры является молекулярный водород [13, 26, 74]. В следовых количествах биогаз содержит кислород и азот [79]. В некоторых источниках указывается присутствие в биогазе высших гомологов метана, таких как пропан, образующихся, вероятно, при ферментативном декарбоксилировании ЛЖК (Ekpenyong et al, 1995) [29], а также этилена и СО [80]. В биогазе всегда содержится NH3 [55] и H2S; концентрация последнего возрастает при подкормке сульфатами, утилизируемыми сульфатредуцирующими бактериями [79]. При избыточной подкормке фосфором в виде фосфатов или фосфоноацетатов биогаз содержит фосфин [81]. Под-

кормка азотом в виде нитрата ведет к накоплению закиси азота [82]. Содержание в среде следов /»-металлов и металлоидов (сурьма, олово, висмут, селен, мышьяк, теллур, ртуть, свинец) ведет к появлению в биогазе летучих алкильных соединений перечисленных элементов [83].Также на выработку газа влияет предварительная обработка. Изучались эффекты различных предварительных обработок (термической, химической, ультразвуковой и термохимической) на выход биогаза и расщепление загрязнителей, выражающееся через увеличение растворимости, снижение числа взвешенных частиц, рост растворенного белка и рост ХПК раствором. Термохимическая обработка дала наилучший результат, т.е. выход метана вырос более чем на 34.3 %, а ХПК раствора (ХПКР) соответственно выросло на 67.8 % по сравнению с контролем. В данном случае, выход биогаза, выход метана и ХПКР составили 5037 л биогаза / м3 ила, 3367 л метана / м3 ила и 61.4 %, соответственно. Таким образом, обнаружено, что наиболее эффективное расщепление и соответственно высокое содержание метана наблюдается после термохимической обработки ила [84].

1.4. Действие ксенобиотиков

Существует также и экологический аспект применения метаногенеза. Еще 15-20 лет назад считалось, что органические соединения, содержащие ароматические и конденсированные циклические структуры, в анаэробных условиях микроорганизмами не используются. Но в настоящее время убедительно показана способность анаэробных микроорганизмов к деградации таких ксенобиотиков (для обзора см. [85, 86]). Когда процесс осуществляется не индивидуальный микроорганизмом, а структурированной микробной ассоциацией, эффективность и глубина деградации сложных органических соединений в анаэробных условиях увеличивается, и появляется возможность получения различных полезных конечных продуктов, в том числе и биогаза [87]. Микроорганизмы, способные к анаэробной переработке ксенобиотиков, довольно разнообразны, и зачастую высоко специализированы (см. недавние обзорные работы на эту тему [88-92]. Химическая и нефтехимическая промышленность - основной источник токсичных и устойчивых к биоразложению загрязнений. Одной из наиболее распространенных и широко используе-

мых групп таких загрязнений являются красители - синтетические органические вещества. Самую большую группу красителей составляют азокрасители. В процессе производства и использования азокрасителей примерно 10-50 % попадает в окружающую среду. Помимо негативного эстетического эффекта, некоторые красители и многие продукты их неполной трансформации, особенно в аэробных условиях, оказывают сильное токсичное и канцерогенное влияние на живые организмы. В результате восстановительного расщепления азокрасителей в анаэробных условиях образуются соответствующие ароматические амины, которые также более токсичны, чем исходные соединения. В анаэробных условиях при отсутствии такого окислителя, как кислород, разрушение ароматических веществ происходит более сложно, и в несколько этапов. Основные этапы биодеградации ароматических ксенобиотиков - карбоксилирование, восстановительное гидроксилирование, различные реакции присоединения. При этом происходит активирование бензольного кольца, завершающееся образованием очень удобных для дальнейших трансформаций КоА-тиоэфиров ароматических кислот [93, 94]. Далее происходит биодеградация ароматических веществ через образование КоА-тиоэфира бензоата. В этой реакции участвуют специфические, нерастворимые КоА-лигазы или КоА-трансферазы. При наличии заместителя в бензольном кольце далее может следовать восстановительное или гидролитическое его удаление. Бензоил-КоА затем подвергается серии последовательных восстановлений под действием бензоил-КоА-редуктазы и гидролитическому расщеплению образовавшегося производного циклогексана. Полученный неароматический продукт, в конечном счете, окисляется с образованием ацетил-КоА. [12]. Описанный процесс очень схож с реакцией Берча в органической химии - восстановлением ароматических соединений натрием в жидком аммиаке [95]. Другой путь биодеградации ароматических ксенобиотиков лежит через МАВРН-зависимое восстановление флороглюцина (1,3,5-тригидроксибензола) и резорцина (1,3-дигидроксибензола) флороглюцин- и резор-цин-редуктазами; может также происходить гидролиз под действием резорцин-гидратазы.

1.5. Основные химические процессы образования биогаза

Метаногенная стадия анаэробной переработки представляет собой сложный

процесс восстановления углекислого газа, выделяющегося при сбраживании Сахаров, до метана. Каждая стадия происходит под действием специфичного фермента [96].

Сначала С02 присоединяется к метанофурану, восстанавливаясь при этом до формильной группы.

со2 + н2 + к

МеШапоШгап (МБЯ)

/

О

*Н

&гту1теШапоА1гап (й)гту1-МР11)

Далее под действием специфической трансферазы формильная группа переносится на другой кофермент - тетрагидрометаноптерин [97],

1е1гаЬуёготеЛапор1.егт (Н4МРТ)

образуя соответственно формил-тетрагидрометаноптерин:

К

й)гшу1 - 1е1гаЬуёютеШапор1епп (йгту1 - Н4МРТ) После чего формильная группа начинает восстанавливаться, сначала до метенил тетрагидрометаноптерина:

теШепу14е1гаЬуёготеШапор1егт (шеШепу1-Н4МРТ),

К

далее до метилен-тетрагидрометаноптерина:

н

Ме1Иу1епе4еЫ1ус1готейапор1епп (те%1епе-Н4МРТ),

К

и наконец, до метил-тетрогидрометаноптерина. Метальная группа вновь отщепляется, и при помощи трансферазы переходит на кофермент М (2-меркапто-

этансульфонат), связываясь с ним через меркаптогруппу, и затем при действии фермента метилредуктазы восстанавливается до метана. Окисленная меркапто-группа кофермента М образует при этом дисульфидную связь с меркаптогруппой фактора В (7-меркаптогептаноилтреонин фосфат). Далее молекулярный водород, образующийся на клеточной мембране, восстанавливает в присутствии гетероди-сульфидредуктазы дисульфид до исходных кофермента М и фактора В [13].

HoN

+ H03S—сн2-

-СН,

-SH

2-mercaptoethanesulfonate (CoM-SH)

H

methyl - tetrahydromethanopterin (methyl- H4MPT)

HO3S-CH2-CH2

(C0M-S-CH3)

C0B-S-S-C0M +CH4

-СНЯ

CoB-SH

7-mercaptoheptanoylthreonine phosphate

Выделяющаяся в этом процессе энергия запасается в АТФ.

1.6. Кинетическая модель метаногенеза

Динамика процесса образования метана в результате анаэробной конверсии метаногенерирующей ассоциацией микроорганизмов детально исследована экспериментально и теоретически [98-101]. Исследования заключались в экспериментальном изучении кинетики разложения исходного субстрата и многочисленных промежуточных веществ, а также динамики образования конечных продуктов -СН4 и С02. В качестве исходных соединений были исследованы вещества разных классов: углеводы (целлюлоза, ксилан, глюкоманнан, галактоманнан, глюкоза, галактоза, манноза, ксилоза, арабиноза), аминокислоты и белки (альбумин, лизин, аланин, глутамин, аспарагин, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота), али-

фатические спирты и кислоты (метанол, этанол, уксусная, пропионовая, масляная, изомасляная, валериановая, изовалериановая, капроновая и каприловая кислоты), ароматические и фосфорорганические соединения (п-нитрофенол, фенол, бензойная кислота, индиго, диэтилфосфорная кислота). Для каждого соединения изучено изменение во времени концентрации всех низкомолекулярных компонентов.

Схема химических превращений веществ под действием ассоциации микробов составлена исходя из предположения, что минимальное количество микроорганизмов, вовлеченных в процесс, равно четырем. Например, для глюкозы базовыми химическими реакциями являются:

С6Н1206 + Н20 С2Н5ОН + С3Н7СООН + С02 + Н2

С2Н5ОН + Н20 СН3СООН + 2Н2 С3Н7СООН + H20-^V 2СН3СООН + 2Н СН3СООН СН4 + С02

4Н2 + С02-^>- СН4 + 2Н20, где XI-х4 - соответствующие микроорганизмы. Микроорганизм Х1 осуществляет расщепление глюкозы с образованием алифатических спиртов и кислот, х2 - Р~ окисление спиртов водой, х3, х4 - образование метана из уксусной кислоты и С02, соответственно.

В результате экспериментального и теоретического анализа удалось построить адекватную экспериментальным данным динамическую модель метаногенеза, а также получить численные характеристики (константы) отдельных стадий. Последние четыре реакции приведенной схемы являются общими для любых веществ, подвергающихся метаногенезу. Модель позволяет предсказать динамику разложения различных веществ и их смесей, а также динамику образования промежуточных и конечных веществ при наблюдении за реакцией в течение небольшого периода времени в начале процесса [12].

1.7. Использование ко-субстратов

Исторически для получения биогаза использовали навоз животных (свиней, КРС) и птицы, а также сточные воды. В настоящее время все больше биогазовых

заводов перерабатывают данные отходы (навоз свиней и КРС, птичий помет) с добавлением ко-субстрата с высоким содержанием органического вещества для повышения выработки биогаза. Обычно это остатки урожая, ботва сахарной свеклы, органические отходы с перерабатывающих заводов сельхозяйственой и пищевой промышленности, органические муниципальные отходы и энергетические растения. Выход биогаза напрямую зависит от используемых субстратов, содержания в них органических веществ и их соотношения. Жиры способствуют высокому выходу биогаза, но для их усваивания необходимо более длительное время, в течение которого они переходят в более биодоступные субстраты. Углеводы и белки поддаются переработке быстрее, но выход биогаза в этом случае меньше, чем для жиров. Важным показателем в метаногенезе является соотношение углерода к азоту. Показатель С/Ы должен быть от 15 до 30 [102, 103], такое соотношение препятствует накоплению аммония. Необходимо учитывать содержание дополнительно вносимых элементов, так как смесь для после анаэробной переработки может использоваться в качестве удобрения.

Наиболее популярными ко-субстратами являются энергетические растения. Более 50 % получаемого биогаза в Европе, основано на их использовании. Главным параметром при выборе энергетического растения является количество энергии получаемого с гектара при его выращивании. Многие традиционные культуры содержат большое количество легко перерабатываемой биомассы для повышения выработки биогаза. Наиболее перспективными являются кукуруза и кормовая свекла, злаковые культуры и многолетние растения. Кормовые культуры имеют преимущество, так как методы их уборки и хранения хорошо известны. Содержание метана в биогазе зависит от химического состава в растении, которое изменяется во время созревания культуры. [104]. Время и частота сбора урожая также влияет на качество субстрата и выход биогаза. В работе [105] показано, что собранная кукуруза после 97 дней вегетативного периода дает прибавку на 37 % больше по общему объему, если сравнивать с кукурузой, готовой для уборки. Также были исследованы смеси из разных растений, например, кукурузы и подсолнечника [106]. В качестве ко-субстратов можно использовать отходы различных производств; так, например, в работе [107] предложено использовать смеси силоса кукурузы, морковных очисток, отходов сахарной свеклы и сыворотки от сырного

производства в различных соотношениях. В работе [108] предложено перерабатывать травяной силос и коровий навоз совместно. Индийские ученые [109] использовали для сбраживания добавку отходов в производстве яблочного сока: яблочные выжимки представляют собой ко-субстрат, богатый углеводами, пектином и минеральными элементами.

Энергетические растения и различные отходы растений могут храниться в силосованном виде. Силосование - биохимический процесс, который ингибирует рост вредных микроорганизмов путем снижения pH до показателя 3-4 [110]. При этом происходит превращение углеводов, содержащихся в растении, в молочную, уксусную, пропионовую, масляную кислоты и некоторые их производные. Оптимальные показатели силосования - быстрое (в течение нескольких дней) образование молочной (5-10%) и уксусной кислот (2-4%). Процессом силосования можно управлять и ускорять кислотообразование добавлением специальных заквасок, ферментов или легкоусвояемых углеводов. Для оптимального силосования растения должны быть измельчены до размера 10-20 мм. Содержание сухого вещества в растении должно составлять не менее 25-35 % от общего веса. Силосование является процессом предобработки, так как полисахариды, содержащиеся в растении, являющиеся достаточно устойчивыми при анаэробной переработке, подвергаются частичному разложению при хранении. Силосование также приводит к энергетическим потерям примерно 8-20 %, которые происходят при нежелательных аэробных процессах биодеградации [111], поэтому при силосовании необходимо закрывать остатки урожая полиэтиленом, для снижения потери биомассы в результате аэробных процессов. Также для подавления нежелательных процессов, можно использовать закваски с содержанием уксусной и молочной кислот. Уксусная кислота повышает аэробную стабильность силоса, так как ингибирует рост дрожжей, которые вызывают разогревание при действии кислорода. Для повышения степени разложения субстрата используется также механическая, термическая и химическая и ферментативная обработка [112]. При измельчении субстрата процесс идет быстрее, но это не влияет на общий выход метана [113-115]. В результате обработки термическим гидролизом под давлением (230 °С, 20-30 бар) происходит расщепление органических полимеров в короткие цепочки, биологически более доступные вещества, которые повышают выход биогаза. В этом случае время переработки в

реакторе может быть существенно снижено [116, 117].

Добавление ферментов для гидролиза может повысить эффективность переработки полисахаридов, что в конечном итоге повышает выход биогаза на 20 % [118-120]. Эксперименты с соломой показывают, что образование биогаза лучше при добавлении ферментов, однако к концу периода сбраживания практически не происходит изменений в выработке метана или конверсии сухого вещества [121]. Добавление ферментов существенно снижает вязкость смеси субстратов в реакторе и препятствует расслоению субстрата. Эффект от добавления ферментов может резко снизиться, если протеазы анаэробных микроорганизмов разлагают их [122].

1.8. Технология биогаза

Для производства биогаза применяются различные технологии, которые могут быть разделены на сухую и влажную ферментации [123]. При влажной ферментации концентрация сухих веществ не превышает 10 % от общего объема, такая ферментация применяется в реакторе с постоянным перемешиванием. Сбраживаемый субстрат может быть перекачен насосами и удаляется для изготовления удобрений. Для переработки сухих субстратов, таких как энергетические растения, необходимо их смешивание с жидкими ко-субстратами при добавлении в реактор. При сухом процессе переработки содержание сухого вещества в ферментере 15-35 %. При влажной переработке используется непрерывный процесс, тогда как при сухой - как непрерывный, так и периодический. В настоящее время влажная переработка доминирует в сельскохозяйственном секторе [124].

Биореакторы отличаются большим разнообразием [125, 126]. Среди них, прежде всего, следует отметить два типа - биореактор для классического анаэробного низкоскоростного сбраживания и для высокоскоростного процесса. В первом типе реактора (рис.2) имеется вертикальное расслоение и можно выделить следующие слои (снизу вверх): пенный слой, состоящий из трудно биодеградируемого сырья, такого как пластики, плавающего на поверхности жидной фазы, который может слепиться и препятствовать выходу биогаза (особенно при низкой температуре); следующий слой - супернатант жидкой фазы с относительно низкой концентрацией твердого вещества, который образуется при седиментации; далее - активная зона сбраживания, где происходит биоконверсия органического вещества в биогаз; и наконец, стабилизированная зона активного ила, где он аккумулируется и

направляется на дополнительную или окончательную обработки. Такой реактор выполняет одновременно две важных функции стабилизацию ила анаэробным сбраживанием и отделение твердого сброженного осадка от супернатанта, что является на практике не очень эффективным.

Принципиальная схема высокоскоростного реактора показана на рис.3. Его отличие в том, что весь объем реактора используется для высокоэффективного сбраживания и фаза отделения проводится в отдельном аппарате, предназначенном именно для этой цели. Присутствие двух аппаратов придает гибкость системе и лучшую стабильность процессу анаэробного сбраживания.

Low-rate anaerobic sludge digester

Biogas to combustion

Scum layer

Supernatant

Supernatant

returned to biological reactor

Fresh sludge

Digesting sludge

{primary and secondary)

Digested sludge

to drying or dewatering

Рисунок 2. Схема низкоскоростного анаэробного реактора [125].

High-rate anaerobic sludge digester

Рисунок 3. Схема высокоскоростного анаэробного реактора [125].

Существуют много типов биогазовых заводов [127]. Наиболее распространенные конфигурации, применяемые для влажной ферментации - это вертикальные непрерывные реакторы с перемешиванием. Их около 90 % из применяемых в данное время в Германии [128]. Достаточно часто ферментеры под крышей покрыты пленками для удерживания и сохранения газа, до того как он утилизируется. Активное перемешивание необходимо применять для того чтобы микроорганизмы всегда контактировали с новым добавляемым субстратом, и для поддержания одинаковой температуры во всем реакторе. Перемешивание бывает механическое, гидравлическое, или пневматическое. Более 90 % биогазовых установок использует механические перемешивающие устройства. В зависимости от размера реактора и типа субстрата, необходимо не менее 4 перемешивающих устройств с целью избегания расслоения и образования осадка. Если в ферментере используется субстрат с высоким содержанием сухого вещества, преимущественно используются горизонтальные, вертикальные или диагонально расположенные перемешивающие устройства с большими лопастями. Их двигатель расположен снаружи ферментера. Осевые мешалки устанавливаются на вал, расположенный по центру реактора и прикрепленный к потолку реактора. Таким образом, создается поток снизу вверх, дающий хорошую гомогенизацию сухих субстратов с навозом и циркуляцию воды.

Пневматическое перемешивание приводит к смешиванию субстрата, воздействию в нижней части реактора. Необходимое оборудование может быть установлено снаружи реактора, что является преимуществом данной системы, но такое устройство часто неэффективно в условиях расслоения смеси в реакторе [9]. Гидравлическое перемешивание насосами используется только для некоторых типов реакторов. Обычно объем реактора с полным перемешиванием от 1000 до 4000 м .

Горизонтальные реакторы обычно оснащены медленно вращающимися горизонтальными мешалками. Часто они применяются на первом этапе при двухступенчатой технологии сбраживания, так как они могут использоваться при высоком содержании сухого вещества в субстрате. Максимальный объем реактора может достигать 700 м3 в связи с техническими и экономическими расчетами. Для сбраживания энергетических растений преимущественно используется двухступенчатая система, состоящая из большого ферментера на первой стадии и меньшего по объему ферментера - на второй, где происходит переработка оставшегося субстрата, поступающего из первого ферментера. Изучение 61 установки показало, что двухстадийная система сбраживания имеет более продуктивную выработку биогаза и снижает показатель остаточного метана в сброженном субстрате [128]. В двух-стадийном процессе сбраживания стадии гидролиза и метанообразрования проходят в обоих реакторах. Для достижения лучшего превращения сухих органических соединений в биоразлагаемые карбоновые кислоты, применение двухстадийной технологии с отдельной стадией гидролиза может быть предпочтительнее, так как наилучшие показатели рН для гидролиза (от 5.5 до 6.5) и метанообразования (6.87.2) различаются [129, 130]. Данная технология часто применяется для муниципальных и промышленных органических отходов и сухого навоза, для сбраживания только некоторых энергетических растений. Недостаток данной технологии - это сложность контролирования процесса и его характеристик. При стадии гидролиза метан и водород могут образовываться в больших объемах, которые связаны с потерей потенциальной энергии и негативным эффектом при попадании в атмосферу [131]. Таким образом, использование газонепроницаемого покрытия над ферментером необходимо для снижения энергетических потерь, эмиссии газов и других веществ в атмосферу.

1.9. Условия и контроль процесса сбраживания

В большинстве ферментеров влажного типа сбраживания используют мезо-фильный режим термостатирования с оптимальной температурой 38-42°С, и только в некоторых - термофильный (50-55°С). При высоких температурах, высокая степень разложения субстрата достигается быстрее, что снижает время пребывания субстрата в реакторе и позволяет снизить его объем. Однако это не влияет на общее количество получаемого метана из органической смеси. Снижение температуры до 50°С и ниже понижает токсичность солей аммония; однако при этом рост термофильных микроорганизмов серьезно замедляется и существует риск вымывания микрофлоры, в связи с тем, что ее накопление недостаточно при данном времени нахождении субстрата в реакторе [132].

Сбраживание энергетических растений требует продолжительного времени нахождения субстрата в реакторе от нескольких недель до 2 месяцев для достижения полной ферментации с высоким газообразованием и минимальным образованием газа в сброженном субстрате [128]. Показатель добавки органического сухого вещества для влажной ферментации колеблется от 2 до 4 кг ОСВ/ (м -д).

Контроль процесса достаточно сложен, так как только некоторые параметры можно измерять с мгновенным результатом. Сложность процесса затрудняет поиск простого и подходящего контроля за параметрами, которые отражают показатели метаболизма на протяжении всего процесса сбраживания. Выработка СН4 - обычно единственный параметр, который можно измерять постоянно на биогазовых установках, но он не отражает стабильность процесса, особенно если последний работает на субстратах с различным составом. Выделение водорода и Red-Ox потенциал могли бы быть подходящими параметрами контроля, но сложная динамика и постоянные изменения в реакторах и субстратах делают сложным анализ результатов [133]. Только летучие жирные кислоты могут служить эффективным индикатором нестабильности процесса. В работе [124] предложено соотношение С2Н5СООН : СН3СООН > 1, которое может быть показателем проблемности сбраживания при концентрации пропионовой кислоты больше 1000 мг-л. Авторы работы [134] выдвинули предположение, что концентрация бутирата и изобутирата также может быть более надежным показателем неустойчивости процесса. В работе [135] отмечено, что концентрация пропионовой кислоты - главный параметр контроля про-

цесса и его оптимизации. Измерение ЛЖК имеет недостатки, так как отбор проб вручную и последующий анализ с помощью газовой хроматографии и ВЭЖХ -медленные процедуры [136]. Быстрый контроль за процессом возможен при измерении соотношения ЛЖК к объему неорганического углерода простым методом титрования [137]. Если этот показатель меньше 0.3 - процесс стабилен, и измерение ЛЖК можно не производить [138].

1.10. Утилизация биогаза

Как было отмечено выше, биогаз в основном состоит из СН4 и С02 и содержит небольшие примеси H2S, NH3 и насыщен водяным паром. Биогаз необходимо очищать от сероводорода и высушивать во избежание повреждения оборудования для сжигания газа. Биогаз, получаемый при совместном сбраживании навоза и энергетических растений или остатков сбора урожая может содержать сероводород на уровне от 100 до 3000 частей на миллион. Когенерационные установки, в основном используются для утилизации биогаза с содержанием сероводорода меньше 250 м.д. в целях предотвращения коррозии и дорогостоящего ремонта. Для удаления H2S в настоящее время в основном используют биологическую очистку [139]. Процесс основан на окислении H2S введением небольшого количества воздуха (25%) в сырой биогаз. Для этого вида очистки используются бактерии Sulfobacter oxydans, которые превращают H2S в элементарную серу и H2S03. Для удаления серы внутри реактора, специально добавлять эти бактерии нет необходимости, так как они уже находятся в смеси субстратов. Подача воздуха может быть осуществлена напрямую в реактор и реакция проходит в слое субстрата, на стенках реактора и на других поверхностях. Для достижения эффективной биологической очистки от серы возможно установление деревянных оснований над крышей реактора в целях создания больших поверхностей для фиксации микроорганизмов. Для биологической очистки от серы снаружи ферментера также устанавливают биофильтры из пластика, где могут размножаться соответствующие микроорганизмы [139]. Избыточное содержание серы в субстрате ведет в анаэробных условиях к накоплению в нем сульфид-ионов, ингибирующих ацетокластический метаногенез (метаногенез из Н2 и С02 менее чувствителен к сульфиду) [20].

1.11. Перспективы использования биогаза

Анаэробное сбраживание - не только источник топлива, это еще и способ переработки отходов - мусора, сельскохозяйственных, бытовых и промышленных стоков, способствующий сбережению окружающей среды [17, 27, 41, 53, 73, 78]. Продукт анаэробного метаногенного сбраживания может служить удобрением [14]. Кроме того, доказана обеззараживающая способность анаэробного сбраживания отходов. Например, анаэробная переработка стоков при 35 °С способна уничтожать патогенные бактерии Streptococcus faecalis за 15 дней, Salmonella typhi-за, 10 дней, а Shigella dysenteriae - всего за 5 дней [140]. При комнатной температуре процесс обеззараживания занимает примерно вдвое больше времени.

Очевидно, что процесс, имеющий такое большое применение, весьма перспективен для внедрения в практику. Так, в Индии планируется создание до 38 миллионов метаногенных биореакторов, работающих на бытовых отходах, для газификации сельских частных хозяйств [141]. В Малайзии осуществляется постепенный перевод птицефабрик на энергетическое самообеспечение путем превращения в биогаз куриного помета [142]. В Швеции еще в 1991 году правительство выделило 120 млн. крон на исследование, создание и применение биотоплива (технического спирта и биогаза) в транспортных средствах [143]. В Дании начиная с 2001 года осуществлена программа по строительству 22 биогазовых заводов для их централизованного использования по переработке 1.5 млн. т отходов в год и получения 39 миллионов м3 чистого метана [132]. В 2000 году в Германии функционировало 850 биогазовых фабрик как небольшого, так и крупного промышленного масштаба, которые оказывали благотворное влияние, как на экологию, так и экономику страны; в последующие годы планируется создание еще нескольких сотен новых биогазовых фабрик [144]. В итоге, к концу 2009 года на территории Германии работали уже 5000 установок различной мощности [145]. В Китае наблюдается настоящий бум создания биогазовых установок малой мощности, особенно после принятия "закона о возобновляемой энергии" в 2005 г. Уже к 2009 г. было зарегистрировано более 30 млн. установок, использующих газ из различных отходов (в основном на фермах, содержащих от 2 до 10 голов КРС или свиней). Общий выход получаемого биогаза составил 12.4 млр. м3, что эквивалентно получаемой энергии из 19 миллионов тонн угля [146]. В 1997 г. в странах ЕС была принята программа

«THERMIE», поддерживающая концепцию энергетической переработки бытовых, индустриальных и сельскохозяйственных стоков, позволившая дать новый импульс исследованию биогаза [147]. В недавно опубликованном обзоре канадских авторов [148], посвященном выработке топлива методами биотехнологии, производство биогаза является одним из самых перспективных направлений энергетики будущего, наряду с модернизированным производством этилового спирта, синтез-газа, жидких липидов микроводорослей и водорода, а также микробиологическим разжижением каменного угля и прямой выработкой электроэнергии микроорганизмами.

1.12. Потенциал биогаза в России

Потенциал для развития биогазовой промышленности в России очень существенный. [149]. Оценки, базирующиеся на данных о поголовье скота и птицы в начале 2006 г., показывают, что в России ежегодно образуется около 520 млн. т отходов животноводства (67 млн. т по сухому веществу), переработка которых может генерировать 23.5 млрд. м3 биогаза (70% метана). Отходы, генерируемые российским растениеводством, составляют 773 млн. т (228 млн. т по сухому веществу). Применяя анаэробную конверсию для их переработки, можно получить около 66 млрд. м биогаза и около 112 млн. т высококачественных удобрений. Энергетически 66 млрд. м3 эквивалентны 33 млрд. л бензина (дизельного топлива). Если утилизировать этот биогаз в газогенераторах (КПД 38%), можно получить 110 млрд. кВт-ч электроэнергии и 1 млд. ГДж тепла. Для сравнения по данным Госкомстата РФ, в 2005 г. отечественное сельское хозяйство потребило 1.6 млн. т бензина, 4.4 млн. т дизельного топлива и 60 млрд. кВт-ч электроэнергии. Таким образом, агропромышленный комплекс России может стать энергетически автономным при условии использования сельскохозяйственных отходов. Более того, производимой электроэнергии достаточно и для снабжения электричеством всего сельского населения нашей страны (39 млн. человек, ежегодно потребляющих 43 млрд. кВт-ч электроэнергии). Аналогичная автономность может быть достигнута и для удобрений: в 2005 г. на сельскохозяйственные поля России было внесено 14 и 50 млн. т минеральных и органических удобрений соответственно, то есть в 2 раза меньше, чем могло бы быть получено при биогазификации отходов [149-152].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белостоцкий, Дмитрий Евгеньевич, 2012 год

Список использованной литературы

1. Варфоломеев, С.Д. Биотоплива. / Варфоломеев С.Д., Ефременко Е.Н., Крылова Л.П. // Успехи хим. 2010. Т. 79. Вып. 6. С. 544-564.

2. Варфоломеев, С.Д. Энергоносители из возобновляемого сырья. Химические аспекты. / Варфоломеев С.Д., Моисеев И.И., Мясоедов Б.Ф. // Вестн. Росс. акад. наук. 2009. Т. 79. № 7. С. 595-604.

3. Biomethanation I. Ed. by B.K.Ahring. (In monograph. Series: Adv. Biochem.Eng. / Biotechnol. 2003. Vol. 81). Springer-Verlag: Berlin, Heidelberg, New York, 2003. 220 p.; Biomethanation II. Ed. by B.K.Ahring. (In monograph. Series: Adv. Biochem.Eng. / Biotechnol. 2003. Vol. 82). Springer-Verlag: Berlin, Heidelberg, New York, 2003. 200 p.

4. Biogas. Ed by S.Kumar. Publ. by InTechO, Croatia, 2012. 412 p. (ISBN 978-95351-0204-5)

5. J.G.Ferry and K.A.Kastead. Methanogenesis. In book: Archaea: Molecular and Cellular Biology. Ed. by R.Cavicchioli. ASM Press: Washington, D.C. 2007. Ch. 13. P. 288-314.

6. Methanogenesis: Ecology, Physiology, Biochemistry & Genetics. Ed. J.G.Ferry. Chapman & Hall Inc: New-York, 1993. 553 p.

7. С.В.Калюжный, А.Е.Пузанков, С.Д.Варфоломеев. Биогаз: проблемы и решения II Итоги науки и техники / ВИНИТИ. Сер. биотехнол. 1988. Т. 21. 177 с.

8. T.Abbasi, S.M.Tauseef, S.A.Abbasi. Biogas Energy. Springer: 2012. 182 p.

9. M.H.Gerardi. The Microbiology of Anaerobic Digesters. John Wiley & Sons, Inc: Hoboken, New Jersey, 2003. 177 p.

10. Schiraldi, C. Perspectives on biotechnological applications of archaea. / Schiraldi C., Giuliano M. and de Rosa M. // Archaea. 2002. Vol. 1. N 2. P. 75-86.

11. R.K.Thauer, A.-K.Kaster, H.Seedorf, W.Buckel & R.Hedderich. Methanogenic archaea: ecologically relevant differences in energy conservation. Nature Reviews Microbiology 2008. Vol. 6. N. P. 579-591.

12. А.И.Нетрусов, М.А.Егорова, Л.М.Захарчук. Практикум по микробиологии. Учеб. пособие для студ. Высш. учеб. заведений. М.: Изд. центр Академия, 2005. -608 с.

13. Shima, S. Structure and Function of Enzymes Involved in the Methanogenic Pathway Utilizing Carbon Dioxide and Molecular Hydrogen. / Shima S., Warkentin E., Thauer R.K., Ermler U. // J. Biosci. Bioenginer. - 2002. Vol. 93. - N 6. - P. 519-530.

14. Filidei, S. Anaerobic digestion of olive oil mill effluents: evaluation of wastewater organic load and phytotoxicity reduction / Filidei S., Masciandaro G., Ceccanti В // Water, Air and Soil Pollution. - 2002. - Vol. 145. N 1. - P. 79-94.

15. Holubar, P. Advanced controlling of anaerobic digestion by means of hierarchial neural networks / Holubar P., Zani L., Hager M., Frôschl W., Radak Z., Braun R // Water Research. - 2002. - Vol. 36. N 10. - P. 2582-2588.

16. Pallasser, R. Recognising biodégradation in gas/oil accumulations through the 8 13C compositions of gas components / Pallasser R.J. // Org. Geochem. - 2000. - Vol. 31. -N 12. P. 1363-1373.

17. Francese, A. Feeding approaches for biogas production from animal wastes and industrial effluents / Francese A.P., Aboagye-Mathiesen G., Olesen T., Copdoba P.R., Sineriz F // World Journal of Microbiology and Biotechnology. - 2000. - Vol. 16. - N 2. -P. 147-150.

18. B.Schink. Energetics of Syntrophic Cooperation in Methanogenic Degradation. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1997. Vol. 61. N 2. P. 262-280.

19. С.Д.Варфоломеев. Химическая энзгшология. Учебник. M.: Изд. центр "Академия", 2005.-480 с.

20. Pender, S. Term effects of operating temperature and sulphate addition on the methanogenic community structure of anaerobic hybrid reactors / Pender S., Toomey M., Carton M., Eardly D., Patching J.W., Colleran E., O'Flahertly V. Long // Water Research. - 2004. - Vol. 38. -N 3. -P. 619-630.

21. Solera, R. Analysis of the methane production in thermophilic anaerobic reactors: use of autofluorescense microscopy / Solera R., Romero L.I., Sales D // Biotechnology Letters. - 2001. - Vol. 23. -N 22. - P. 1889-1892.

22. Alkhamis, T. Heating of a biogas reactor using a solar energy system with temperature control unit / Alkhamis T.M., El-Khazali R., Kablan M.M., Alhusein M.A. // Solar Energy. - 2000. - Vol. 69. - N 3. - P. 239-247

23. Zupancic, G. Heat and energy requirements in thermophilic anaerobic sludge digestion / Zupancic G.D., Ros M // Renewable energy. - 2003. - Vol. 28. N 14. - P. 22552267.

24. Schober, G. One and two-stage digestion of Solid organic waste / Schober G., Schäfer J., Schmid-Staiger U., Trosch W. // Water Research. - 1999. - Vol. 33. -N 3. -P. 854-860

25. Sambo, A. Effect of some operating parameters on biogas production rate / Sambo A.S., Garba B., Danshehu B.G // Renewable Energy. - 1995. - Vol. 6. - N 3. - P. 343-344

26. Lokshina, L. Kinetic analysis of the key stages of low temperature methanogene-sis / Lokshina L .J., Vavilin V.A // Ecological Modelling. - 1999. - Vol. 117. - N. - P. 285-303.

27. Broughton, M. Anaerobic batch digestion of sheep tallow / Broughton M.J., Ghiele J.H., Birch E.J., Cohen A. // Water Research. - 1998. - Vol. 32. - N 5 - P. 14231428.

28. Castro, H. Preservation methods for the storage of anaerobic sludges / Castro H., Queirolo M„ Quevedo M., Muxi L. // Biotechnol. Lett. - 2002. - Vol. 24. N 5. - P. 339333.

29. Ekpenyong, K. Biogas production potential of unextracted, nutrient - rich elephant - grass lignocellulose / Ekpenyong K.I., Arawo J.D.E., Melaiye A., Ekwenchi M.M., Abdullah! H.A. // Fuel. - 1995. - Vol. 74. -N 7. - P. 1080-1082.

30. Bergman, I. Microbial carbon mineralization in an acid surface peat: effects of environmental factors in laboratory incubations / Bergman I., Lundberg P., Nilsson M // Soil Biol. Biochem. - 1999. - Vol. 31. N 13. - P. 1867-1877.

31. Dongowski, G. Unsaturated oligogalacturonic acids are generated by in vitro treatment of pectin with human faecal flora / Dongowski G., Lorenz A // Carbohyd. Research. - 1998. - Vol. 314. N 3-4. - P. 237-244.

32. Murnleitner, E. State detection and control of overloads in the anaerobic wastewater treatment using fuzzy logic / Murnleitner E., Becker T.M., Delgado A. // Water Research. - 2002. - Vol. 36. N 1.- P. 201-211.

33. Zitomer, D.H. Feasibility and benefits of methanogenesis under oxygen-limited condition. / Zitomer D.H., Shrout J.D. // Waste Manag. 1998. Vol. 18. N 2. P. 107-116.

34. Kato M.T., Field J.A., and Lettinga G. High tolerance of methanogens in granular sludge to oxygen. // Biotechnol. Bioengineer. 1993. Vol. 42. N 11. P. 1360-1366.

35. D.Botheju and R.Bakke. Oxygen Effects in Anaerobic Digestion - A Review. // The Open Waste Manag. J. 2011. Vol. 4. P. 1-19.

36. R.Angel, D.Matthies, R.Conrad. Activation of Methanogenesis in Arid Biological Soil Crusts Despite the Presence of Oxygen. // PLoS ONE. 2011. Vol. 6. N 5. P. 1-8. e20453.

37. D.Botheju, B. Lie. R.Bakke. Oxygen Effects in Anaerobic Digestion. // Modelling, Identification and Control. 2009. Vol. 30. N 4. P. 191-201.

38. D.Botheju, B.Lie, and R.Bakke. Oxygen effects in Anaerobic Digestion - II. // Modeling, Identification and Control. 2010. Vol. 31. N 2. P. 55-65.

39. A.Kiener, and T.Leisinger. Oxygen sensitivity of methanogenic bacteria. // Systematic and Appl. Microbiol. 1983. Vol. 4. N 3. P. 305-312.

40. W.Charles, L.Walker, and R.Cord-Ruwisch. Effect of preaeration and inoculum on the start-up of batch thermophilic anaerobic digestion of municipal solid waste. // Biore-source Technology. 2009. Vol. 100. N 8. P. 2329-2335.

41. Codina, J. The inhibition of methanogenic activity from anaerobic domestic sludges as a simple toxicity bioassay / Codina J.C., Munoz M.A., Cazorla F.M., Perez-Garcia A., Morinigo M.A., de Vicente A. // Water Research. - 1998. - Vol. 32. - N 4. -P. 1338-1342.

42. A.V.Barker and G.M.Bryson. Bioremediation of Heavy Metals and Organic Toxicants by Composting. // The Scientific World J. 2002. Vol. 2. P. 407-420.

43. Oleszkiewicz, J.A. Stimulation and inhibition of anaerobic processes by heavy metals - A review. / J.A. Oleszkiewicz, V.K. Sharma // Biol. Wastes. - 1990. - Vol. 31. -N 1.-P. 45-67.

44. Aquino, S.F. Bioavailability and Toxicity of Metal Nutrients during Anaerobic Digestion. / S.F.Aquino and D.C.Stuckey. // J. Environ. Eng. - 2007. - Vol. 133. - N 1. -P. 28-35.

45. Xu, H. Stimulation of methanogenesis in a laboratory scale UASB reactor treating domestic sewage by Fe(0) application. / Xu H„ Aiyuk S., Zhang Y., Chen G., Pieters J., Verstraete W. // Environ Technol. - 2004. - Vol. 25. - N 5. - P. 613-619.

46. Takashima, M. Minimum Requirements for Trace Metals (Iron, Nickel, Cobalt, and Zinc) in Thermophilic and Mesophilic Methane Fermentation from Glucose. / Takashima M., Shimada K., Speece R.E. // Water Environ Res. - 2011. - Vol. 83. - N 4. - P. 339-346.

47. Speece R.E. Nickel stimulation of anaerobic digestion. / R.E.Speece, G.F.Parkin, D.Gallagher. // Water Research. - 1983. - Vol. 17. - N 6. - P. 677-683.

48. Cánovas-Díaz, M. Effect of nickel on methane production and butyric acid utilization in a downftow fixed-film reactor. / M.Cánovas-Díaz and J.A.Howell. // Biotechnol. Lett. 1986. Vol. 8. N 4. P. 287-292.

49. Zitomer, D.H. Metal Stimulation and Municipal Digester Thermophil-ic/Mesophilic Activity. / Zitomer D.H., Johnson C.C. and Speece R.E. // J. Environ. Eng. -2008.-Vol. 134.-N l.-P. 42-47.

50. Xiang, L. Removal of heavy metals from anaerobically digested sewage sludge by isolated indigenous iron-oxidizing bacteria. / Xiang L., Chan L.C., Wong J.W.C. // Che-mosphere. - 2000. - 41. N 1-2. - P. 283-287.

51. Booker, R. Microbial reductive dechlorination of hexachloro-1,3-butadiene in a methanogenic enrichment culture. / Booker R.S., Pavlostathis S.G. // Water Research. -2000.-Vol. 34.-N 18.-P. 4437-4445.

52. Garcia, M. Anaerobic degradation and toxicity of commercial cationic surfactans in anaerobic screening tests. / Garcia M.T., Campos E., Sanchez-Leal J., Ribosa I // Chemosphere. - 2000. - Vol. 41. N 5. - P. 705-710.

53. Kawachara, K. Evaluation of laboratory - made sludge for an anaerobic biode-gradability test and its use for assessment of 13 chemicals. / Kawachara K., Yakabe Y., Ohide T„ Kida K. // Chemosphere. - 1999. - Vol. 39. - N 12. - P. 2007-2018

54. Saravanane, R. Anaerobic fluidized bed degradation and the development of a kinetic model for a particulate organic matter enriched wastewater sludge / Saravanane R., Murthy D.V.S., Krishnaioh K // Water, Air and Soil Pollution. - 2001. - Vol. 127. N 1/4. -P. 15-30.

55. C.Vogt, S.Kleinsteuber and H.-H.Richnow. Anaerobic benzene degradation by bacteria. // Microbial Biotechnol. 2011. Vol. 4. N 6. P. 710-724.

56. S.J.Fowler, X.Dong, C.W.Sensen, J.M.Suflita and L.M.Gieg. Methanogenic toluene metabolism: community structure and intermediates. // Environ. Microbiol. 2012. Vol. 14. N3.754-764

57. C.Berdugo-Clavijo, X.Dong, J.Soh, C.W.Sensen & L.M.Gieg. Methanogenic biodegradation of two-ringed polycyclic aromatic hydrocarbons. // FEMS Microbiol. Ecol. 2012. doi: 10.111 l/j,1758-2229.2012.00333.x. P. 1-10.

58. Broudiscou, L.P. Effects of dry plant extracts on fermentation and methanogenesis in continuous culture of rumen microbes. / Broudiscou, L.P., Papon G., Broudiscou A.F. // Animal Feed Science and Technology. 2000. Vol. 87. N 3-4. P. 263-277.

59. C.Ye, J.C.Jay, S.K.Creamer. Inhibition of anaerobic digestion process: A review. // Bioresource Technol. 2008. Vol. 99. N 10. P. 4044-4064.

60. Hess, H.D. Strategic use of tannins as means to limit methane emission from ruminant livestock / Hess H.D., Tiemann T.T., Noto F., Carulla J.E., Kreuzer M. // International Congress. Series N 1293, Elsevier, The Netherlands. 2006. P. 164-167.

61. Goel, G. Changes in microbial community structure, methanogenesis and rumen fermentation in response to saponin-rich fractions from different plant materials / Goel G., H.P.S. Makkar and K. Becker // J. Applied Microbiol. 2008. Vol. 105. N 3. P. 770777.

62. Sirohi, S.K. Microbial Activity and Ruminal Methanogenesis as Affected by Plant Secondary Metabolites in Different Plant Extracts / S.K.Sirohi, Neha Pandey, Navneet Goel, B. Singh, Madhu Mohini, Poonam Pandey and P.P Chaudhry // Internat. J. Environment. Sci. and Eng. 2009. Vol. 1. N 1. P. 52-58.

63. Wina E. The impact of saponins or saponin-containing plant materials on ruminant production: A review. / Wina E., Muetzel S., Becker K. // J. Agricul. Food Chem. 2005. Vol. 53. N21. P. 8093-8105.

64. Guo, Y.Q. Effect of tea saponin on methanogenesis, microbial community structure and expression of mcrA gene, in cultures of rumen micro-organisms / Y.Q.Guo, J.-X. Liu, Y.Lu, W.Y.Zhu, S.E.Denman and C.S.McSweeney. // Lett. Appl. Microbiol. 2008. Vol. 47. N5. P. 421-426.

65. Hristov, A.N. Evaluation of several potential bioactive agents for reducing protozoal activity in vitro / A.N. Hristov, M. Ivan, L. Neill, T.A. McAllister // Animal Feed Sci. Technol. 2003. Vol. 105. N 1-4. P. 163-184.

66. Van Laar, H. Fermentation of the endosperm cell walls of monocotyledon and dicotyledon plant species by faecal microbes from pigs. The relationship between cell wall characteristics and fermentability / Van Laar H., Tamminga S., Williams B.A., Verstegen M.W.A. // Animal Feed Sci. Technol. - 2000. - Vol. 88. N 1-2. - P. 13-30.

67. Dongowski, G. Unsaturated oligogalacturonic acids are generated by in vitro treatment of pectin with human faecal flora / Dongowski G., Lorenz A. // Carbohyd. Research. - 1998. - Vol. 314. - N 3-4. - P. 237-244.

68. Миндубаев, А.З. Метаногенез: Биохимия, Технология, Применение. / Мин-дубаев А.З., Белостоцкий Д.Е., Минзанова С.Т., Миронов В.Ф., Алимова Ф.К., Миронова Л.Г., Коновалов А.И. // Учен. зап. КГУ. Сер. естест. наук. 2010. Т. 152. Кн. 2. С. 178-191.

69. Lissens, G. Advanced anaerobic bioconversion of lignocellulosic waste for bioregenerative life support following thermal water treatment and biodégradation by Fibro-bacter succinogenes. / Lissens G., Verstraete W., Albrecht T., Brunner G., Creuly C., Seon J., Dussap G., Lasseur С // Biodégradation. - 2004. - Vol. 15. N 3. - P. 173-183.

70. Filidei, S. Anaerobic Digestion of Olive Oil Mill Effluents: Evaluation of Wastewater Organic Load and Phytotoxicity Reduction. / Filidei S., Masciandaro G. and Cec-canti B. // Water, Air, & Soil Pollution. 2003. Vol. 145. N 1-4. P. 79-94.

71. Tiehm, A. Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization / Tiehm A., Nickel K., Zellhorn M., Neis U. // Water Research. - 2001. -Vol. 35,-N8.-P. 2003-2009.

72. Salsabil, M.R. Pre-treatment of activated sludge: Effect of sonication on aerobic and anaerobic digestibility. / Salsabil M.R., Prorot A., Casellasa M., Dagot C. // Chem. Engineer. J. 2009. Vol. 148. N 2-3. P. 327-335.

73. Saiki, Y. Solubilization of excess activated sludge by self-digestion / Saiki Y., Im-abayashi S., Iwabuchi C., Kitadawa Y., Okumura Y., Kawamura H. // Water Research. -1999. _ Vol. 33. - N 8. - P. 1864-1870; Chi, Y. Enhancement of thermophilic anaerobic digestion of thickened waste activated sludge by combined microwave and alkaline pre-treatment. / Chi Y., Li Y., Fei X., Wang S., Yuan H. // J. Environ. Sci. 2011. Vol. 23. N 8. P. 1257-1265.

74. Nakashimada, Y. Direct conversion of cellulose to methane by anaerobic fungus Neocallimastix frontalis and defined methanogens. / Nakashimada Y., Srinivasan K., Murakami M„ Nishio N. // Biotechnol. Lett. - 2000. - Vol. 22. - N 3. - P. 223-227.

75. Kendall, K. Effects of dilution on methane entering an SOFC anode. / Kendall K., Finnerty C.M., Saunders G., Chung J.T. // J. Power Sour. - 2002. - Vol. 106. - N 1-2. -P. 323-327.

76. Huang. J. Assessment of simulated biogas as a fuel for the spark ignition engine. / Huang J., Crookes R.J. // Fuel. - 1998. - Vol. 77. - N 15. - P. 1793-1801.

77. Van Herle, J. Energy balance model of a SOFC cogenerator operated with biogas. / Van Herle J., Marechal F., Leuenberger S., Favrat D. // J. Power Sour. - 2003. - Vol. 118.-N 1-2.-P. 375-383.

78. Kim, J. Effects of various Pretreatments for Enhanced Anaerobic Digestion with Waste Activated Sludge. / Kim J., Park C., Kim T.H., Lee M., Kim S., Kim S.W., Lee J. // J. Biosci. Bioeng. - 2003. Vol. 95. -N 3. - P. 271-275.

79. Bari, S. Effect of carbon dioxide on the performance of biogas/diesel duel-fuel engine. / Bari S. // Renewable Energy. 1996. - Vol. 9 (World Renewable Energy Congress). -N 1-4.-P. 1007-1010.

80. Lietti, L. NH3 oxidation during the catalytic combustion of biomasses-related fuels over Mn - substituted hexaaluminates. / Lietti L., Groppi G., Ramella CM Catalysis Letters. - 1998. - Vol. 53. - N 1-2. - P. 91-95.

81. Han, S. Phosphine and methane generation by the addition of organic compounds containing carbon-phosphorus bonds into incubated Soil. / Han S.H., Zhuang Y.H., Zhang H.X., Wang Z.J., Yang J.Z. // Chemosphere. - 2002. - Vol. 49. - N 6. - P. 651657.

82. Bonin, P. Determination of the bacterial processes which are sources of nitrous oxide production in marine samples. / Bonin P., Tamburini C., Michotey V // Water Research. - 2002. - Vol. 36. - N 3. - P. 722-732.

83. Feldmann, J. Complementary use of capillary gas chromatography-mass spectrometry (ion trap) and gas chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry for the speciation of volatile antimony, tin and bismuth compounds in landfill and fermentation gases. / Feldmann J., Koch I., Cullen W.R. // Analyst. - 1998. - Vol. 123. - N 5.-P. 815-820.

84. Kim, J. Effects of Various Pretreatments for Enhanced Anaerobic Digestion with Waste Activated Sludge. / Kim J., Park C., Kim T.H., Lee M., Kim S., Kim S.-W., Lee J. // J. Biosci. Bioengineer. 2003. Vol. 95. N 3. P. 271-275.

85. Carmona, M. Anaerobic Catabolism of Aromatic Compounds: a Genetic and Genomic View. / Carmona M., Zamarro M.T., Blazquez B., Durante-Rodríguez G., Juarez J.F., Valderrama J.A., Barragan M.J.L, García., J.L., and Díaz E. // Microbiol. Mol. Biolog. Rev. 2009. Vol. 73. N 1. P. 71-133.

86. Mogensen, A.S. Potential for Anaerobic Conversion of Xenobiotics. / A.S.Mogensen, J. Dolfing, F.Haagensen, B.K.Ahring. // Adv. Biochem. Engineer./Biotchnol. 2003. Vol. 82. P. 69-134.

87. Morris, B.E.L. Microbial interactions during residual oil and n-fatty acid metabolism by a methanogenic consortium./ Morris B.E.L., Herbst F.-A., Bastida F., Seifert J., von Bergen M., Richnow H.-H. and Suflita J.M. // Environ. Microbiol. 2012. Vol. 14. N 3. P. 754-764.

88. Rieger, P.-G. Xenobiotics in the environment: present and future strategies to obviate the problem of biological persistence. / Rieger P.-G., Meier H.-M., Gerle M., Vogt U., Groth T., Knackmuss H.-J. // J. Biotechnol. 2002. Vol. 94. N 1. P. 101-123.

89. S.Sinha, P.Chattopadhyay, I.Pan, S.Chatterjee, P.Chanda, D.Bandyopadhyay, K.Das and S.K.Sen. Microbial transformation of xenobiotics for environmental biore-mediation. // African J. Biotechnol. 2009. Vol. 8. N 22. P. 6016-6027.

90. R.K.Jain, M.Kapur, S.Labana, B.Lai, P.M.Sarma, D.Bhattacharya and I.S.Thakur. Microbial diversity: Application of microorganisms, for the biodégradation of xenobiotics. // Current Sci. 2005. Vol. 89. N 1. P. 101-112.

91. B.M. van der Zaan, F.T.Saia, A.J.M.Stams, C.M.Plugge, W.M. de Vos, H.Smidt, A.A.M. Langenhoff and J.Gerritse. Anaerobic benzene degradation under denitrifying conditions: Peptococcaceae as dominant benzene degraders and evidence for a syntroph-icprocess. //Environ. Microbiol. 2012. doi:10.1111/j. 1462-2920.2012.

92. F.X.Prenafeta-Boldú, M.Guivernau, G.Gallastegui, M.Viflas, G.Sybren de Hoog, & A.Elias. Fungal-bacterial interactions during the biodégradation of TEX hydrocarbons (toluene, ethylbenzene and p-xylene) in gas biofilters operated under xerophilic conditions. //FEMS Microbiol. Ecol. 2012. Doi: 10.1111/j.l574-6941.2012.01344.x..02697.x.

93. C.S.Harwood, G.Burchhardt, H.Herrmann, G.Fuchs. Anaerobic metabolism of aromatic compounds via the benzoyl-CoA pathway. // FEMS Microbiol. Rev. 1998. Vol. 22. N5. P. 439-458.

94. D.Pérez-Pantoja, R.Donoso, L.Agulló, M.Córdova, M.Seeger, D.H.Pieper and B.González. Genomic analysis of the potential for aromatic compounds biodégradation in Burkholderiales. // Environ. Microbiol. 2011. doi:10.1111/j.l462-2920.2011.02613.x P. 1-27.

95. Heider, J. Anaerobic metabolism of aromatic compounds. / Heider J., Fuchs G. // Eur. J. Biochem. 1997. Vol. 243. N 3. P. 577-596.

96. Ferry, J.G. Biochemistry of Methanogenesis. / Ferry J.G. // Critical Rev. Biochem. Mol. Biol. 1992. Vol. 27. N 6. P. 473-503.

97. Ferry, J.G. Enzymology of one-carbon metabolism in methanogenic pathways. / Ferry J.G. // FEMS Microbiol. Rev. 1999. Vol. 23. N 1. P. 13-38.

98. Billington, R.S. A review of the kinetics of the methanogenic fermentation of lig-nocellulosic wastes. // J. Agricul. Engineer. Res. 1988. Vol. 39. N 2. P. 71-84.

99. Yang, S.-T. A Kinetic Model for Methanogenesis from Whey Permeate in a Packed Bed Immobilized Cell Bioreactor. / Yang S.-T.and Guo M.// Biotechnol. Bioengineer. 1991. Vol. 37. N 4. P. 375-382.

100. Borja, R. Kinetic modelling of the hydrolysis, acidogenic and methanogenic steps in the anaerobic digestion of two-phase olive pomace (TPOP). / Borja R., Martin A., Sánchez E., Rincón B., Raposo F. // Process Biochem. 2005. Vol. 40. N 5. P. 1841-1847.

101. Sosnowski, P. Kinetic investigations of methane co-fermentation of sewage sludge and organic fraction of municipal wastes. / Sosnowski P., Klepacz-Smolka A., Kaczorek K„ Ledakowicz S. //Bioresource Technol. 2008. Vol. 99. N 13. P. 5731-5737.

102. R.Braun. Biogas, Methangarung organischer Abfallstoffe: Grundlagen und Anwendungsbeispiele. Springer Verlag, Wien, New York, 1982. 204 s.

103. Zubr, J. Methanogenic fermentation of fresh and ensiled plant materials. / Zubr J.// Biomass. 1986. Vol. 11.N3.P. 159-171.

104. Eckel H., Dôhler H., Frisch J. Energiepflanzen. KTBL-Datensammlung mit Internetangebot. Kuratorium for Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V., Darmstadt, Leibniz-Institut fur Agrartechnik Potsdam-Bornim e. V., Potsdam. 2006.

105. Amon, T. Methane production through anaerobic digestion of various energy crop grown in sustainable crop rotations. / Amon T., Amon B., Kryvoruchko V., Machmüller A., Hopfner-Sixt K., Boriroza V., Hrbek R„ Priedel J., Pötsch E., Wagentristel H„ Schreiner M., Zollitsch W. // Bioresour Technol. 2007. Vol. 98. N 17. P. 3204-3212.

106. M.Karpenstein-Machan. Energiepflanzenbau für Biogasanlagenbetreiber. DLG-Verlag, Frankfurt am Main, 2005. 189 s.

107. Kacprzak, A. Co-digestion of agricultural and industrial wastes. / Kacprzak A., Krzystek L., Ledakowicz S. // Chemical Papers. 2010. Vol. 64. N 2. P. 127-131.

108. Wang, H. Microbial community structure in anaerobic co-digestion of grass silage and cow manure in a laboratory continuously stirred tank reactor. / Wang H., Tolvanen K., Lehtomaki A., Puhakka J., Rintala J. // Biodegradation. 2010. Vol. 21. N 1. P. 135146.

109. Rachana, S. Utilization of pomace from apple processing industries: a review. / Rachana S., Gupta D.K. // J. Food Sei. Technol. 2010. Vol. 47. N 4. P. 365-371.

110. Weinberg, Z.G. The survival of silage inocculent lactic acid bacteria in rumen fluid. / Weinberg Z.G., Muck R.E., Weimer P.J. // J. Appl. Microbiol. 2003. Vol. 94. N 6. P. 1066-1071.

111. Banemann D, Nelles M (2009) Von der Ernte bis in den Fermenter. VDI-Berichte. 2009. N 2057. S. 29^16.

112. Müller, J. Thermische, chemische und biochemische Desintegrationsverfahren. / Müller J., Dichtl N., Schwedes J. // Korrespondenz Abwasser. 2003. Bd 50. N 6. S. 796804.

113. Kim, J. Effects of various pretreatments for enhanced anaerobic digestion with waste activated sludge. / Kim J., Park C., Kim T.-H., Lee M., Kim S., Kim S-W., Lee J. // J. Biosci. Bioeng. 2003. Vol. 95. N 3. P. 271-275.

114. Lehmann T. Biogasanlagenbau-auf den Aufschluss kommt es an. Biogas 2008, Proc. Innovations Kongress, Osnabrück, 2008. P. 14-23.

115. Nickel K. Mehr Biogas durch Ultraschallbehandlung-erster Bericht aus der Praxis. Biogas 2008, Proc. Innovations Kongress, Osnabrück, 2008. P. 96-102.

116. Prechtel S., Anzer T., Schneider R., Faulstich M. Biogas production from substrates with high amounts of organic nitrogen. In: Proc. 10th World Congress - Anaerobic Digestion 2004, Montreal. P. 1809-1812.

117. Mladenovska, Z. Thermal pretreatment of the solid fraction of manure: impact of the biogas reactor performance and microbial community. / Mladenovska Z., Hartmann H., Kvist T., Sales-Cruz M., Gani R., Ahring B.K. // Water Sei Technol 2006. Vol. 53. N 8. P. 59-67.

118. Gerhardt M. The use of hydrolytic enzymes in agricultural biogas production. In: Progress in Biogas, Stuttgart-Hohenheim. 2007. P. 247-254.

119. Ellenrieder, J. Combined mechanical enzymatic pretreatment for an improved substrate conversion when fermenting biogenic resources. / Ellenrieder J., Schieder D., Mayer W., Faulstich M. // Eng. Life Sei. 2010. Vol. 10. N 6. P. 544-551.

120. Schimpf U., Valbuena R. Increase in efficiency of biomethanation by enzyme application. Bornimer Agrartechnische Berichte. 2009. H. 68. S. 44-56.

121. Romano R.T., Zhang R., Teter S., McGarry J.A. The effect of enzyme addition on anaerobic digestion of Jose Tall Wheat Grass. // Bioresour. Technol. 2009. Vol. 100. N 20. P. 4564^571.

122. Morgavi, D.P. Resistance of feed enzymes to proteolytic inactivation by rumen microorganisms and gastrointestinal proteases. / Morgavi D.P., Beauchemin K.A., Nse-reko L.M. // J. Anim. Sei. 2001. Vol. 79. N 6. P. 1621-1630.

123. Biogas from Waste and Renewable Resources. Ed by D.Deublein and A. Steinhauser. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.: Weinheim, 2008. 443 p.

124. Weiland P. Trockenfermentation in der Landwirtschaft-Welche Substrate und Techniken finden Anwendung. In: Anaerobe biologische Abfallbehandlung. Bilitewski B., Werner P., Dornack C„ Stegmann R., Rettenberger G., Faulstich M., Wittmaier M. (Eds). Dresden, 2008. P. 235-245.

125. J. van der Lübbe. Handbook Biological Wastewater Treatment. Quist Publishing -Leidschendam - The Netherlands, 2007. 570 p.

126. Nizami, A.-S. What type of digester configurations should be employed to produce biomethane from grass silage? / Nizami A.-S., Murphy J.D. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2010. Vol. 14. N 6. P. 1558-1568.

127. Schulz H., Eder B. Biogas-Praxis. Grundlagen-Planung-Anlagenbau-Beispiele. Ökobuchverlag, Staufen bei Freiburg. 2001. 165 s. (ISBN 3-922964-59-1).

128. Gemmeke B., Rieger C., Weiland P. Biogas-Messprogramm II, 61 Biogasanlagen im Vergleich. FNR, Gülzow. 2009. 168 p.

129. Vieitez E.R., Gosh S. Biogasification of solid wastes by twophase anaerobic fermentation. // Biomass Bioenergy. 1999. Vol. 16. N 5. P. 299-309.

130. Parawira W., Read J.S., Mattiasson B., Björnsson L. Energy production from agricultural residues: high methane yields in a pilot-scale two-stage anaerobic digestion. // Biomass Bioenergy. 2008. Vol. 32. N 1. P. 44-50.

131. Oechsner H., Lemmer A. Was kann die Hydrolyse bei der Biogas Vergärung leisten? VDI-Berichte. 2009. N 2057. S. 37-46.

132. Angelidaki I., Ellegaard L„ Ahring B. Application of the anaerobic digestion process. In book: Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. Biomethanation II. Springer. 2003. P. 2-33.

133. Brauer A., Weiland P. Kontinuierliche Wasserstoffmessung zur Beurteilung der Prozessstabilität von Fermentationsversuchen. VDI Berichte. 2009. N 2057. S. 22372247.

134. Ahring, B.K. Volatile fatty acids as indicators of process imbalance in anaerobic digesters. / Ahring B.K., Sandberg M., Angelidaki I. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1995. Vol. 43. N3. P. 559-565.

135. Nielsen, H.B. Regulation and optimization of the biogas process: propionate as a key factor. / Nielsen H.B., Uellendahl H., Ahring B.K. // Biomass Bioenergy. 2007. Vol. 31. N 11-12. P. 820-830.

136. Boe, K. Online headspace chromatographic method for measuring VF A in biogas reactor. / Boe K., Bastone D.J., Angelidaki I. // Water Sei Technol 2005. Vol. 52. N 1-2. P. 473^178.

137. Rieger, C. Prozessstörungern frühzeitig erkennen. / Rieger C., Weiland P. // Biogas J. 2006. Vol. 4. N 1. P. 18-20.

138. Lossie U., Pütz P. Targeted control of biogas plants with the help of FOS/TAC. Practice Report Hach-Lange. 2008. Available from: <http://www.nl.hach-lange.be>.

139. Schneider R., Quicker P., Anzer T., Prechtl S., Faulstich M. Grundlegende Untersuchungen zur effektiven, kostengünstigen Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Biogas. In: Biogasanlagen Anforderungen zur Luftreinhaltung. Bayerisches Landesamtfür Umweltschutz, Augsburg. 2002. 91 s. (ISBN 3-936385-13-0).

140. Kumar, R. Fate of bacterial pathogens in cattle dung slurry subjected to anaerobic digestion. / Kumar R., Gupta M.K., Kanwar S.S. // World J. Microbiol. Biotechnol. -1999. - Vol. 15. N 3. - P. 335-338.

141. Purohit, P. Using renewable energy technologies for domestic cooking in India: a methodology for potential estimation. / Purohit P., Kumar A., Rana S., Kandpal T.C. // Renewable Energy. - 2002. - Vol. 26. N 2. - P. 235-246.

142. Othman, M. Chicken dung biogas power generating system in Malaysia. / Othman M.Y.H., Yatin В., Salleh M.M. // Renewable Energy. 1996. - Vol. 9 (World Renewable Energy Congress). -N 1-4. - P. 930-933.

143. Bucksch, S. The Swedish program for investigations concerning biofuels. / Bucksch S., Egeback K.-E // The Sci. Total Environ. - 1999. - Vol. 235. N 1-3. - P. 293303.

144. Weiland, P. Anaerobic waste digestion in Germany - Status and recent developments. / Weiland P // Biodégradation. - 2000. - Vol. 11. N 6. - P. 415-421.

145. Djatkova, D. New method for assessing the performance of agricultural biogas plants. / D.Djatkova, M.Effenbergerb, A.Lehner, M.Martinova, M.Tesic, A.Gronauer. // Renewable Energy. 2012. Vol. 40. N 1. P. 104-112.

146. Jiang, X. A review of the biogas industry in China. / X.Jiang, S.G.Sommer, K.V. Christensen. // Energy Policy. 2011. Vol. 39. N 10. P. 6073-6081.

147. Zakkour, P. Anaerobic treatment of domestic wastewater in temperate climates: treatment plant modelling with economic considerations / Zakkour P.D., Gaterell M.R., Griffin P., Gochin R.J., Lester J.N. // Water Research. - 2001. - Vol. 35. - N 17. - P. 4137-4149.

148. Kosaric, N. Liquid and gaseous fuels from biotechnology: challenge and opportunities / Kosaric N„ Velikonja J. // FEMS Microbiol. Rev. - 1995. - Vol. 16. N. - P. 111142.

149. Моисеев, И.И. Альтернативные источники органического топлива. / Моисеев И.И., Плате Н.А., Варфоломеев С.Д. // Вестник Росс. Акад. наук. - 2006. - Т. 76. -№ 3. - С. 252-261.

150. Василов, P.F. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 3: биогаз // Вест, биотехнол. физ.-хим. Биолог, им. Ю.А.Овчинникова. -2007. - Т. 3. -№ 3. - С. 54-61.

151. Корзникова М.В., Блохин А.Ю., Козлов Ю.П. Оценка степени конверсии органического вещества отходов животноводства и птицеводства в биогаз (на примере РФ) // Вестн. Воронеж, иос. ен-та. Сер. Хим. Биол. Фармация. 2008. - № 2. - С. 108-111.

152. Л.И.Пугач, Ф.А.Серант, Д.Ф.Серант. Нетрадиционная энергетика - возобновляемые источники, использование биомассы, термохимическая подготовка, экологическая безопасность: учеб. пособие. - Новосибирск: НГТУ, 2006. - 346 с.

153. И.А.Чернов. Амарант - физиолого-биохимические основы интродукции. Казань: Изд-во Казанск. универ. - 1992. - 89 с.

154. Минзанова С.Т., Миронов В.Ф., Коновалов А.И., Выштакалюк А.Б., Цепаева О.В., Миндубаев А.З., Миронова Л.Г., Зобов В.В. Пектины из нетрадиционных источников: технология, структура, свойства и биологическая активность. Казань, Изд-во «Печать-Сервис-XXI век». - 2011. - 224 с.

155. Amaranth -plant of the future. Book of abstracts 5th international symposium of the European Amaranth association, November 2008, Nitra, Slovak Republic. 2008. 116

P-

156. Hill, R.M. Evaluation of food potential some toxicological aspects and preparation of a protein isolate from the aerial part of Amaranth. / Hill R.M., Rawate P.D. // J. Agr. and Food Chem. 1982. Vol. 30. N 3. P. 465-469.

157. G.M.Kavalali. The chemical and pharmacological aspects of Urtica. Ch. 3. In book: Urtica: therapeutic and nutritional aspects of stinging nettles. Ed. By G.M.Kavalali. Taylor & Francis, CRC Press. 2003. 91 p.

158. Мартыненко B.A., Груздев Б.И. Определитель сосудистых растений окрестностей Сыктывкара. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005. - С. 211.

159. Фаттахов, С.Г. Мелафен - перспективный регулятор роста растений для сельского хозяйства и биотехнологии. / Фаттахов С.Г., Резник B.C., Коновалов А.И. // Материалы Всероссийского семинара-совещания «Состояние исследований и перспективы применения регулятора роста растений нового поколения «Мелафен» в сельском хозяйстве и биотехнологии». - Казань, 12-14 октября 2006 г. - С. 3-12.

160. Ермохина, О.В. Влияние мелафена на экспрессию шаперонного белка hsp70b хлоропластов и пигменты фотосинтеза в клетках Chlamydomonas reinhardtii / О.В.

Ермохина, Г.Г. Белкина, Ю.П. Олескина, С.Г. Фатгахов, Н.П. Юрина. // Прикладная биохимия и микробиология. 2009. Т. 45. № 5. С. 612-617.

161. Жигачева, И.В. Антистрессовые свойства препарата мелафен / И.В. Жигаче-ва, Л.Д. Фаткуллина, И.Ф. Русина, А.Г. Шугаев, И.П. Генерозова, С.Г. Фаттахов,

A.И. Коновалов // Докл. Акад. Наук. 2007. Т. 414. № 2. С. 263-265.

162. Алексеева, О.М. Изучение влияния малых доз мелафена на клетки злокачественных новообразований животных in vivo и in vitro / Алексеева О.М., Ерохин

B.Н., Кременцова А.В., Миль Е.М., Бинюков В.И., Фаттахов С.Г., Ким Ю.А., Семёнов В.А., Голощапов А.Н., Бурлакова Е.Б., Коновалов А.И. // Докл. Акад. наук, 2010. Т. 431, вып.З. С. 408-410.

163. Захарова, К.А. Исследование ила в ходе биосорбционной обработки сточных вод гальванических производств. / Захарова К.А., Морозов Д.Ю., Шулаев М.В., Шагинурова Н.С. // Экология и промышленность России. 2007. № 10. С. 33-35.

164. Захарова, К.А. Исследование биодеструкции нефтезагрязнений в подзолистых почвах западной Сибири под воздействием препаратов «Мелафен» и «Fyre-Zyme» / Захарова К.А., Моисеев В.В., Шулаев М.В., Емельянов В.М. // Вестн. Ка-занск. госуд. аграрн. унив. 2007. Т. 5. № 1. С. 60-65.

165. Зарудий, Ф.С. 2,6-Ди-трет-бутил-4-метилфенол (дибунол, ионол, тонарол) классический антиоксидант (обзор). / Зарудий Ф.С., Зарудий Р.Ф., Гершанов Ф.Б., Гильмутдинов Г.З., Мышкин М.А., Новиков Т.А. // Хим.-фарм. Журн. 2001. - N 3. -

C. 42-48.

166. В.Г.Артюхов, А.А.Пантявин. Математические методы в биологии. Учебно-метод. Пособие для вузов. Изд. ИПС Воронежск. гос. ун-та. 2007. 29 с.

167. Pisarikova, В. Chemical Composition of the Above-ground Biomass of Amaran-thus cruentus and A. hypochondriacus. / Pisarikova В., Peterka J., Trackova M., Moudry J., Zraly Z., Herzig I. // Acta Vet. BRNO. 2006. Vol. 75. N 1. P. 133-138.

168. П.Ф.Кононков, В.К.Гинс, М.С.Гинс. Амарант - перспективная культура 21 века. Москва: Изд. Российского ун-та дружбы народов. 1999. 296 с.

169. Latham, M.J. Effect of Low-Roughage Diets on the Microflora and Lipid Metabolism in the Rumen. / Latham M.J., Storry J.E., Sharpe M.E. // Applied Microbiology. 1972. Vol. 24. N6. P. 871-877.

170. Kurenkov, V.F. Application of polyacrylamide flocculants for water treatment. / Kurenkov V.F., Hartan H.-G., Lobanov F.I. // Butlerov Commun. 2002. Vol. 3. № 11. P. 31-40.

171. Mursec, B. Analysis of different substrates for processing into biogas. / Mursec В., Vindis P., Janzekovic M., Brus M., Cus F. // J. Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2009. Vol. 37. N 2. P. 653-659.

172. Balodis, O. Biomass yield of different plants for biogas production. / Balodis O., Bartusevics J., Gaile Z. // Proceedings of the 8th Internat. Sci. Pract. Conf. "Environ. Technol. Resour.". 2011. Vol. 1. P. 238-245.

173. Balezentiene, L. Chemical Composition of galega mixtures silages. / L. Balezentiene, S. Mikulioniene. // Agronomy Research. 2006. Vol. 4. N 2. P. 483-492.

174. Wilson C. Pasture productivity, cattle productivity and metabolic status following fertilization of a grassland with liquid hog manure: A three-year study. / Wilson C., Undi M., Tenuta M., Wittenberg K.M., Flaten D., Krause D.O., Entz M.H., Holley R., and Ominski K.H.. // Canad. J. Animal Sci. 2010. Vol. 90. N 2. P. 233-243.

175. Е.Н.Офицеров, В.И.Костин. Углеводы амаранта и их практическое использование. Под ред. Акад. Ю.С. Оводова. Ульяновск. 2001. 180 с.

176. C.Paulsen. Determination of methanogenic potential of an apple processing wastewater treatment system. Diss, of Master Sci. Food Sci. Univer. of Stellenbosch. 2006. 101 p.

177. Coalla, H.L. Biogas generation apple pulp. / Coalla H.L., Fernandez J.M.B., Moran M.A.M., Bobo M.R.L. // Bioresource Technol. 2009. Vol. 100. N 17. P. 3843-3847.

178. Liu, W. Thermophilic anaerobic digestion of sugar beet tailings. / Liu W., Pul-lammanappallil P.C., Chynoweth D.P., Teixeira A.A. // Transactions of the ASABE. 2008. Vol. 51. N2. P. 615-621.

179. Rajeshwari, K.V. State-of-the-art of anaerobic digestion technology for industrial wastewater treatment. / Rajeshwari K.V., Balakrishnan M., Kansal A., Lata K., Kishore V.V.N. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2000. Vol. 4. N 2. P. 135-156.

180. Braun R. Anaerobic digestion: a multi-faceted process for energy, environmental management and rural development. P. 335-416. In book: Improvement of crop plants for industrial end uses. Ed. by P.Ranalli. Springer, 2007. 533 p.

181. С.Ю.Селивановская, П.Ю.Галицкая. Биологические методы в оценке токсичности отходов и почв. Изд-во: Казанский университет. Казань, 2011. - 96с.

182. Селивановская, С.Ю. Микробиологические процессы в серой лесной почве, обработанной компостом из осадка сточных вод. / Селивановская С.Ю., Латыпова В.З., Губаева Л.А. // Почвоведение. 2006. № 4. С. 495-501.

Учреждение Российской академии наук Институт органической и физической химии им. А. Е, Арбузова КазНЦ РАН

УТВЕРЖДАЮ

3 а м е с г и т ел ь ди ре кто ра Института

У/9-

'^фс^—В.С. Резник

*</ S// , № 201 /^Г

Технологическая тнчрукыш по тч ининшо биогазовой установки в ¡гЧдеьн" n%v „ягбораторин

СОСТАВЛЕНО:

Заведующий техиологической лабораторией

■^т&ое? t^x^ty ИМ. Магдеев

В едуДщй тех \ml\ о г техно|ГОгиче^ой лабораторией

Г,Г. Величковский

[аучныи сотрудник лаооратории ? ~~ Е,В.Скворцов

Дат введения

20Г' г.

СОГЛАСОВАНО:

В|луишй инжеь^р ОТ и ТБ j/yr /^/^Г ' ^• В• ДУШУтина

айвньш и нжене);

А. Г. Кузнецов

тию

Н. Никонов

Продлена до

201 г.

/рок действия инструкции 5 лп

1. НАЗНАЧЕНИЕ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

Установка предназначена для экспериментальных работ по получению биогаза из различных субстратов животного и растительного происхождения с целью оптимизации технологических режимов, параметров процесса, состава субстрата и дозировки компонентов, а также как демонстрационный объект в учебном процессе.

2. СОСТАВ И УСТРОЙСТВО ОБОРУДОВАНИЯ, ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ БИОАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

2.1. Состав оборудования

Лабораторная установка получения биогаза включает в себя следующее технологическое оборудование и приборы:

2.1.1. Ферментатор с мешалкой "RZR 2102 control Z"

2.1.2. Измеритель давления выделяющегося биогаза - "МВ-2Ш-6000"

2.1.3. Измеритель объема выделяющегося газа "MQC -1V3,0"

2.1.4. Трубопровод для сброса выделяющегося газа в атмосферу

2.1.5. Термостат жидкостный "ВТ 14-1" с блоком регулирования температуры

"М01"

2.1.6. Печь муфельная "ИМ-10"

2.1.7. Система автоматической перегонки с водяным паром жидких систем "Vapodest - 20S"

2.1.8. Термостат для твердых и жидких продуктов "GFL тип 1031"

2.1.9. Весы электронные Vibra AJ-220CE

2.1.10. Комплект приборов для титрования жидких субстратов

2.1.11. Комплект гибких шлангов из ПВХ, тройников, штуцеров, зажимов

2.2. Устройство и правила безопасной эксплуатации технологического оборудования

2.2.1. Реактор-ферментатор.

Реактор-ферментатор представляет собой цилиндрический сосуд емкостью 12 л,выполненный из полипропилена с верхним фланцем и крышкой. На крышке размещены штуцера, привод мешалки, загрузочная воронка. В донной части реактора имеется кран для удаления содержимого реактора после завершения процесса. Реактор снабжен рубашкой для нагрева. Привод мешалки осуществляется двигателем переменного тока напряжением 220V. Нагрев и регулирование температуры в реакторе осуществляется с помощью жидкостного термостата ВТ 14-1. Его устройство и правила безопасной эксплуатации изложены в руководстве по эксплуатации ТКЛШ 2.998.033. РЭ и ТКЛШ 3.222.009-01РЭ. Все 4 реактора соединены с трубопроводом сброса образующегося газа в атмосферу.

2.2.2. Устройство и правила безопасной эксплуатации остального оборудования перечислены в разделе 2.1 из документов по их эксплуатации.

- Мешалка ферментатора - паспорт RZR 2102 control Z

- Измеритель давления газа- MB - 2Ш - 6000

- Измеритель количества выделяемого газа (миллигазометр) - паспорт MQC -

1V3,0

- Шкаф сушильный - паспорт ES4620

- Термостат жидкостный с блоком регулирования температуры - паспорт ВТ 141; М01

- Печь муфельная ПМ-10 - паспорт, руководство по эксплуатации ПМ -10.00.00.00.000 ПС - система автоматической перегонки с водяным паром для жидкостных систем - Vapodest 20S руководство пользователя

-Термостат - паспорт GFL тип 1031

- Весы электронные - паспорт Vibra AJ -220СЕ

- Комплект приборов для титрования жидкостных систем с портативным рН-метром и комплектом буферных растворов - паспорт HI - 8314

- Газоанализатор проточный - паспорт Geotech GA - 2000

2.3. Технологическая схема

Технологическая схема лабораторной установки представлена в приложении. Нумерация приборов и аппаратов на технологической схеме соответствует разделу 2.1. настоящей инструкции. Все аппараты и приборы установки соединены гибкими ПВХ-шлангами и укомплектованы тройниками и зажимами, что позволяет производить подключение приборов (газоанализатор, газометр), не прерывая процесса.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА 3.1. Предварительные замечания

3.1.1. Все рабочие операции производить в халате, защитных очках и перчатках.

3.1.2. Перед началом работ включить вентиляцию. Пусковая кнопка вытяжной вентиляционные установки ВУ-18 находится слева от двери в комнату №208.

3.1.3. Рабочий персонал должен быть ознакомлен с общеинститутскими инструкциями: №7-26 «По охране труда при работе с электрооборудованием в химических лабораториях»; №25-26 «По охране труда при работе в химической лаборатории (общие правила)»; №50-26 «По охране труда при работе в лаборатории с электронагревательными приборами»; №51-26 «По охране труда при работе с электрооборудованием и электроприборами в лаборатории», № 79-26 «По охране труда при работе на приборах и лабораторном оборудовании», №136-26 «О мерах пожарной безопасности в лаборатории», с росписью в журнале инструктажа.

3.1.4. При выполнении рабочих операций с использованием технологического оборудования лаборатории биогаза персонал должен руководствоваться эксплуатационной документацией перечисленной в разделе 2.2.2.

3.1.5 Расчеты количества загружаемых субстратов, а также аналитические операции производятся по методикам, предоставленным Немецким центром переработки 6noMaccbi(DBFZ) г. Лейпциг, Германия.

3.1.6. Новые субстраты анализируются по методикам: измеряется сухой вес (СВ) сырья и органический сухой вес (ОСВ). Для жидких субстратов из меряется рН с точностью до 2 знаков после запятой. Данные анализов заносятся в рабочий журнал.

3.1.7. Субстраты для сбраживания транспортируются в герметично закрытых полиэтиленовых канистрах, пред использованием хранятся в холодильнике при температуре от 0 до 10°С в течение не более двух месяцев. Длительность проводимых экспериментов колеблется от 1 до 6 месяцев.

3.1.8. После транспортировки свежего субстрата необходимо под тягой слегка приоткрыть крышку канистры для сброса небольшого избыточного давления.

3.1.9. Отработанное сырье анализируется: измеряется рН, значения СВ и ОСВ, значения ШЧН4+ (на дистилляторе Уарос^), значения БОБ/Т АС.

3.1.10. Перед запуском техпроцесса ферментации производится теоретический расчет в соответствии с электронным протоколом №1 для определения параметров техпроцесса:

- объем и масса загружаемого субстрата;

- рабочая температура в реакторе (20 - 60 °С);

- число оборотов мешалки (60-180 об/мин);

- частота загрузки;

3.2. Последовательность технологических операций по сбраживанию биомассы

3.2.1. Подготовка и загрузка субстратов

• Субстрат в расчетном количестве загружается в полиэтиленовое ведро и перемешивается. Объем подготовленного субстрата не должен быть более 70-75% от объема реактора.

• Субстрат перемешивать до загрузки в реактор поз.2.1.1.

• Включить термостат поз.2.1.5. и установить расчетную температуру согласно инструкции по обслуживанию.

• Загрузить субстрат через загрузочную воронку реактора, после чего отверстие загрузочной воронки герметично закрыть штатной пробкой.

• Включить мешалку реактора и выставить необходимую скорость вращения.

• Открыть зажимы на шланге подачи образующегося в реакторе газа в газометр и на манометр.

• Процесс ферментации происходит непрерывно в течение расчетного периода.

3.2.2. Добавление сырья в ходе эксперимента

• Перед началом работ, записать объем газа и время записи в рабочий журнал, а также указать номер эксперимента, комнатную температуру и давление.

• Включить мешалку на максимальные обороты (350 оборотов/мин).

• Перекрыть шланг отвода газа от реактора к газосчетчику.

• Присоединить мешок для сбора газа (объем 5 литров) к отводящему шлангу. Открыть краны, как на отводящем шланге, так и на мешке.

• Через воронку добавить новое сырье (от 100 до 500 мл в зависимости от расчетов эксперимента) предварительно открыв пробку.

• Отсоединить мешок для сбора газа, предварительно перекрыв все краны.

• Открыть кран на шланге к газосчетчику.

• Выставить скорость мешалки на рабочий режим.

3.2.3. Загрузка и выгрузка сырья в ходе эксперимента

При достижении рабочего объема 70-75% субстрата в реакторе, перед последующим добавление новой смеси, необходимо сначала извлечь работающий субстрат из реактора. Для этого:

• Проделать пункты 1-4 раздела 3.2.2.

4

• Постепенно открыть кран выгрузки из реактора и вылить необходимое кол-во субстрата в мерный стакан (от 100 до 500 мл в зависимости от расчетов эксперимента)

• Выполнить операции 5-8 раздела 3.2.2.

Анализ отработанного субстрата

Анализ отработанного субстрата выгруженного из реактора в соответствии с п.2 раздела 3.2.3 производится 2 раза в неделю. Результаты вносятся в рабочий журнал.

• Измерение рН (точность - 2 знака после запятой)

• Измерение значения содержания сухого вещества (СВ), органического сухого вещества (ОСВ) (см. методика «Определение количества СВ и ОСВ»).

• Измерение значения М-МН4+ на дистилляторе Уароёезг (см. методика «Определение аммония перегонкой с водяным паром»)

• Измерение значение кислотности процесса, (см. методика «Измерение объема кислот методом Каппа»)

• Оставшийся сброженный субстрат вылить в пластиковую герметичную канистру для отходов.

3.2.5. Измерение состава выделяемого газа

Для измерения состава выделяемого из реактора газа используется портативный газоанализатор вА - 2000. Измерение проводятся 1 раз в неделю. Измерение проводится в указанной ниже последовательности:

• Перекрыть шланг отвода газа от реактора к газосчетчику.

• Присоединить два шланга от реактора к газоанализатору, открыть их.

• Включить газоанализатор, в течение 1 минуты производить измерения. Записать результаты в рабочий журнал.

• Перекрыть и отсоединить шланги от газоанализатора.

• Открыть шланг отвода газа к газосчетчику.

3.2.6 Остановка процесса

Для прекращения процесса выполнить следующие операции:

• Выключить термостат;

• Перекрыть шланг отвода газа от реактора к газосчетчику;

• Присоединить мешок для сбора газа для (объем 5 литров) к отводящему шлангу. Открыть краны, как на отводящем шланге, так и на мешке;

• Постепенно открыть кран на отводящем нижнем люке для субстрата, вылить все содержимое реактора в мерный стакан или пластиковую канистру для отправки на утилизацию;

• Отсоединить мешок для сбора газа. Открыть крышку реактора и удалить оставшийся сброженный субстрат (совком, ложкой, щеткой), далее промыть реактор водой с добавлением моющих средств.

4. ОБЩИЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В ЛАБОРАТОРИИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ

ПО ПОЛУЧЕНИЮ БИОГАЗА

4.1. Персонал лаборатории биогаза обязан соблюдать требования нижеперечисленных общеинститутских инструкций:

- Инструкция №25 - 26 «По охране труда при работе в химической лаборатории (общие правила)»

- Инструкция №51 - 26 «По охране труда при работе с электрооборудованием и электроприборами в лаборатории»

- Инструкция №7 - 26 «По охране труда при работе с электрооборудованием в химических лабораториях»

- Инструкция №136-26 «О мерах пожарной безопасности в лаборатории»,

- Инструкция №50 - 26 «По охране труда при работе в лаборатории с электронагревательными приборами»

- Инструкция №79 - 26 «По охране труда при работе на приборах и лабораторном оборудовании»

4.2. Обслуживание оборудования установки биогаза производить в соответствии с инструкциями по обслуживанию, см. раздел 2.2.

4.3. Лабораторная комната в корпусе модельных установок (к. 208 КМУ), где производится биогаз, оборудована потолочными датчиками задымления, сигнал от которых поступает на пульт охраны Института (главный корпус).

4.4. В результате ферментации выделяющаяся газовая смесь содержит метан, в количестве, которое за время проведения экспериментальных работ при пересчете на объем помещения (к. 208, КМУ) не приводит к образованию взрывоопасной смеси (0,025 %), исходя из нижнего порога взрываемости метана (5,00 %).

5.1. Контроль за выполнением данной инструкции возлагается на руководителя подразделения, его заместителя и руководителя группы, в которой выполняется работа.

5.2. Ответственность за выполнение настоящей инструкции несут лица, работающие в лаборатории биогаза.

5.3. Лица, нарушавшие инструкцию по работе в лаборатории, привлекаются к ответственности

5. Контроль и ответственность

РАЗРАБОТАНО:

Аспирант лаборатории ХБИ

Д.Е. Белостоцкий

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

Фитомасса