Среди различных биохимических методов конверсии биомассы наиболь­шее распространение имеют два процесса: спиртовое сбраживание, в резуль­тате которого образуется этанол, и анаэробная (без доступа кислорода) пере­работка, позволяющая получить конечные продукты в виде биогаза и ценных органических удобрений.

Спиртовое сбраживание. Этиловый спирт CiHsOH (этанол) в естествен­ных условиях образуется из сахаров под воздействием дрожжевых микроорга­низмов в кислой среде с pH = 4-5. Вещество известно уже давно. Применяется в пишевой промышленности, парфюмерии, медицине и т. д. Только с недавних пор его стали использовать в качестве моторного топлива или добавок к нему. Характеризуется высокой теплотой сгорания — 30 МДж/кг.

Схема производства этилового спирта (рис, 3.10) включает основные ис­точники биомассы, предварительные операции, промежуточные и конечный п

В процессе спиртового сбраживания после предварительной обработки исходной биомассы подучают сахара — основной энергоаккумулирующий продукт. Затем при добавлении соответствующих микроорганизмов — дрож­жей — проводят сбраживание и получают раствор с 10%-ной концентрацией спирта. При этой концентрации микроорганизмы погибают, поэтому раствор подвергают перегонке (дистилляции) до получения смеси, состоящей из 95% этанола и 5% воды. Дальнейшее обезвоживание производят путем перегонки с растворителем типа бензола.

Сложность получения этанола зависит от трудности переработки исход, ной биомассы. Сахарный тростник, например, сначала измельчают, давят и получают сладкий сок. Из него получают сахарозу. Остающуюся патоку с со. держанием 55% сахаров используют для получения спирта. Отжатый тростник (жом) сжигают, чтобы обеспечить энергией производство этанола. Такое при. менение жома удешевляет конечный продукт — этанол.

Сахарная свекла легко поддается переработке на сахар для сбраживания. Но в этом случае мало отходов, которые можно использовать в качестве топли­ва. Требуется дополнительный энергоноситель, и этанол становится дороже.

По российской технологии клетчатку свекловичного жома предваритель­но обрабатывают острым паром. В результате скорость ферментации увеличи­вается в 3-4 раза и существенно повышается выход этанола.

Зерновые культуры, в том числе кукуруза, корнеплоды (картофель, мани­ок), содержат крахмал, который подвергается гидролизу на сахар. Углеродные связи в крахмале разрушаются ферментами солода или подходящих плесеней (грибков). Получающийся при сбраживании вторичный продукт (отходы) идет на корм скоту.

На долю древесной целлюлозы приходится до 40% всей сухой биомассы. Полисахарид ее разрушается с трудом в кислой среде. Этот процесс дорогой, поэтому в промышленном производстве проводят измельчение исходного Продукта-

Выработка этанола упрощается, если сырьем служит макулатура, для ко­торой не требуется предварительная обработка, как это необходимо для лиг - ноцеллюлозы. Сахарифнкация макулатуры протекает за короткий период под воздействием фермента целлюлазы при температуре 45°С. Из 1 тонны бумаги получают 350-400 л этанола.

Этиловый спирт — хорошее жидкое топливо, поэтому некоторые страны (Бразилия, США и др.) имеют национальные программы по его производству и использованию на транспорте. Опубликованные данные показывают рост спроса на этот тип топлива. Так, производство этанола в мире в 1995 г. со­ставляло 24,2 млн м3. Из них на долю Бразилии приходилось 12,16 млн м США потребляли — 5,5 млн м3. Из 12 млн автомобилей Бразилии 5 млн ма­шин заправлялись этанолом [76]. Рост производства этилового спирта в этой стране прогнозируется в объеме 13 млн м3 к началу XXI века и 22,4 млн м3 — к 2015 г., чтобы обеспечить весь парк автомобилей. В двигателях внутреннего сГорания может применяться как 95%-ный этанол, так и обезвоженный 100%- ный продукт. Сжигание 95%-ного этанола требует некоторой модернизации карбюратора в бензиновых двигателях. Смесь бензина с 20-22% обезвоженно - РО этанола, называемую газохолом, используют в обычных карбюраторных двигателях. Этанол прекрасно горит, выдерживает ударные нагрузки без взрыва. Добавки спирта устраняют необходимость введения в бензин такого антидетонатора, как свинец. Мощность двигателя, работающего на смеси бен­зина и спирта, возрастает на 20% по сравнению со сжиганием чистого бензи­на. Наиболее активно перевод автомобилей на этанол или его смесь с бензи­ном происходит в Бразилии.

США утилизируют стебли кукурузы для производства этанола. Произво­дители намерены вырабатывать ежегодно 19 млн т этанола как топлива.

В Швеции, в Стокгольме автобусы заправлялись этанолом, произведен­ным из отходов деревообрабатывающей промышленности, а с 1995 г. перешли на этанол, вырабатываемый из дешевых испанских вин.

Анаэробное сбраживание. Анаэробная ферментация — это процесс пере­работки биомассы с помощью бактерий без доступа кислорода. При этом орга­нические вещества разлагаются до метана СН4 и диоксида углерода СОг - На до­лю метана приходится до 90% энергии, содержащейся в исходном сырье.

Смесь метана и диоксида углерода при наличии небольшого количества других газов называют биогазом. Его состав: 55—80% СН^, 15-40% СО,, 0-1% HjS, 0-1% N2, 0-1% Hj. Теплота сгорания в зависимости от состава меняется в пределах 21-27 МДж/м3.

Кроме получения газообразного топлива, анаэробное сбраживание при­водит к полной минерализации азота, фосфора, калия и других микроэлемен­тов, делая их более доступными для усвоения растениями. Удобрения полу­чаются экологически чистыми, без семян сорняков, патогенной микрофлоры, нитратов и ни тритов.

Таким образом, биогазовая переработка любых органических отходов по­зволяет решать энергетические задачи, создавая удобный вид топлива, улуч­шает экологию при ликвидации отходов, вносит положительный эффект в ви­де удобрений в сельскохозяйственное производство, помогает в решении некоторых социальных проблем улучшением условий труда и быта.

Процесе анаэробной ферментации особенно эффективен при наличии большого количества навоза, т. е. в условиях содержания животных — крупно­го рогатого скота, свиней, птицы на крупных механизированных и автомати­зированных комплексах с централизованным сбором экскрементов. Наряду с отходами жизнедеятельности животных для биогазовой технологии можно использовать силос, солому, зерно, подстилку для скота, пищевые И другие отходы ферм, твердые бытовые отходы, отходы предприятий, перерабаты­вающих сельскохозяйственную продукцию.

Из 1 т органического субстрата (сухого вещества) можно пролучить био­газа [77, 78]:

Температурные условия ферментации обеспечивают существование 2 ос­новных видов микроорганизмов: термофилов, активных при 45-70°С, и мезо - филов, активных при 20~40°С. Жизнедеятельность микроорганизмов Methano - sarcina протекает в диапазоне температур 20-70°С.

Длительность процесса переработки определяется температурным режи­мом и видом микроорганизмов. Мезофильный режим при Т = 31-33° С протека­ет 16-18 суток, термотолерантный с Т = 38-40° С длится 10-15 суток, термо­фильный при повышенной температуре Т = 53-55° С завершается в течение 5-7 суток. Таким образом, чем выше температура ведения процесса, тем быстрее происходит разложение органического вещества. При этом увеличивается и вы­ход биогаза, однако затраты теплоты на собственные нужды повышаются.

Производство биогаза с помощью анаэробного сбраживания происходит в три стадии: гидролизная, кислотная и метановая. На стадии гидролиза (оса­харивания) происходит разложение очень больших молекул на маленькие, простые молекулы, которые способны пройти через бактериальные мембраны.

Реакция имеет вид:

п (Со Н^Ої) + Н2О -*■ n(CoHi20«).

(глюкоза, целлюлоза) . (глюкоза)

В течение кислотной стадии сложные молекулы типа протеина, жиров, сПиртов, глюкозы разбиваются кислотообразующими бактериями в органиче­ские кислоты (молочную кислоту), СОг, Н2, NH3 и т. д. по схеме

Q, Н12 Ой + Н20 — СН3 СН(ОН) СООН

(жирные кислоты, протеины, (молочная кислота) спирты, глюкоза)

На метановой стадии Н2 и С02 образуют некоторое количество метана, а ферментация кислот и спиртов дает еще больше метана

4Н2 + С02 2НгО + СИ,

• Г Н3 СН2 ОН + С02 СНз СООН +СН4

СН:,С00Н—С02 + СН4

СН3СН2СНгСООН + Н20 +С02 -н. СНз СООН + СНф

На биогазовых установках все три стадии протекают одновременно, и ес­ли какая-либо из них доминирует, то производство метана значительно за­трудняется, При сильной кислотности м етанообразу ющи е бактерии не функ­ционируют, поэтому рекомендуется поддерживать слабощелочную среду (pH 6,8-7,2).

Для реализации контролируемого анаэробного сбраживания во многих зарубежных странах и некоторых странах СНГ (в России, на Украине) созда­ны биоэнергетические установки различного масштаба для применения в ус­ловиях индивидуальных хозяйств, где содержится 2-6 голов крупного рогато­го скота, или крупных животноводческих комплексов и птицефабрик. Технологическая схема одной из таких установок изображена на рис. 3.11. Ока разработана московским институтом ВНИИКОМЖ с объемами биореак­тора от 0,2 до 3000 мэ [79].

Отходы содержания животных (птицы) поступают с фермы 1 (рис. 3.11) в накопитель 2. Из него исходное сырье с помощью погружного насоса 3 пода­ется на отделитель грубых включений 4, а затем насосом-дозатором 5 в метан - тенк й. Периодичность работы дозатора 5 определяется программным устрой­ством. Метантенк 6 оборудован системой подогрева посту пающей биомассы и поддержания необходимого температурного режима метановой генерации. В генераторе биогаза имеются перемешивающие устройства, а также система принудительного отвода биогаза и выгрузки переработанной биомассы.

В метангенераторе под действием анаэробных микроорганизмов проис­ходит сбраживание исходного субстрата без доступа воздуха. Результатом этого процесса является биогаз и обеззараженные жидкие органические удоб­рения без неприятного запаха. При этом семена сорных растений теряют всхожесть.

Жидкие органические удобрения удаляются из метантанка через гидроза­твор 7 и могут быть сразу же использованы для внутри почвенного внесения или подаваться на очистку в систему биопрудов, где выращиваются рачки и рыба. Для получения твердых удобрений, более удобных для хранения и транспортировки, сброженная масса поступает в концентратор — смеситель 8, где доводится до пастообразного состояния при смешивании с сорбентом — опилками, торфом и др. Твердые удобрения можно получить также путем от­гонки на центрифуге.

Выработанный биогаз собирается в газгольдере 10. Частично он расходу­ется на собственные нужды установки (до 30%), поступая в блок-контейнер 9, где размещены котел для подогрева воды, насос, средства контроля и автома­тики. Остальной биогаз используется другими потребителями на бытовые и энергетические нужды. В ряде стран Европы были продемонстрированы лег­кие и тяжелые грузовики, работающие на биогазе.

Сточные воды городов также могут быть источником получения биогаза. Такой источник существует давно, и в первую очередь к нему применялась технология получения биогаза. О масштабах переработки сточных вот можно судить по следующим данным. В Великобритании к концу XX века насчиты-
далось 150 небольших электростанций суммарной мощностью 174 МВт, рабо- ^ших на биогазе из сточных вод. Там же проектируют строительство других электростанций общей мощностью 380 МВт.

Дания — одна из ведущих европейских стран в переработке отходов жи­вотноводства для выработки био газа переходит на новй уровень этого произ­водства. Вместо множества мелких биогазогенераторов действуют 20 крупных централизованных систем [80].