Химический состав субстрата. Степень усваиваемости микроорганиз­мами целлюлозы и других компонент оболочек растительных клеток

Рис. 3. Влияние парциального да­вления водорода на высвобождае­мую энергию при расщеплении этанола, пропионовой и масляной кислот [уравнения (4), (7) и (9) со­ответственно] на Н2 и С02 [28].

Расчеты проводились с помошью уравнения ДС = ДС" + 1,36 log [(продукт/реагент)] при ус­ловии, что концентрация этанола, уксусной, пропионовой и масляной кислот равнялась 1 мкмоль, концентрация бикарбоната 50 мкмоль н парциальное давление метана 0,5 атм.

Обратно пропорциональна количеству неусваиваемых компонентов, та­ких, как лигнин и кремний, ассоциированных с полисахаридами. Для оценки степени усваиваемости микроорганизмами органических ве­ществ и производства метана из отходов животноводства и других ор­ганических субстратов могут быть использованы уравнения, подобные полученным для оценки переваривания кормовых растений жвачными животными [60, 61]. Биорасщепление органического субстрата может быть повышено путем его термохимической обработки, в результате которой из полисахаридов удаляется лигнин. При этом субстрат стано­вится более доступным для микробов; часть лигнина превращается в растворимое анаэробно биорасщепляемое вещество [62].

Степень разрушения органического вещества прямо пропорциональ­на производству метана, и наоборот. Авторы работ [63] вывели сле­дующее уравнение для прогнозирования количества производимого ме­тана на основе химического состава отходов:

C„HaOfc + (п - 1/4а - 1/2Ь)Н20 ^ (1/2и - 1/8а + 1/4І>)С02 + + (/2п + 1 /8а - 1/4Ь)СН4. (10)

Время удержания. Эффективность образования метана при фермен­тации определяется либо как степень разрушения органического веще­ства, измеряемая в процентах разрушенных летучих веществ, либо как скорость образования метана. Выбор метода расчета зависит от харак­тера подготовки отходов и их назначения. Время удержания системы характеризует объем поступающей в реактор и выходящей из него жид­кости в течение суток. Так, если в 10-литровый реактор подается 2 л/сут, то время удержания будет равно 5 сут. При полностью переме­шиваемом процессе время удержания обратно пропорционально скоро­сти роста микроорганизмов при условии, что оно достаточно продол­жительно, чтобы обеспечить сохранение микробной популяции. Если время удержания меньше минимального, эффективная ферментация прекращается вследствие вымывания микробной популяции [64]. По мере увеличения времени удержания концентрация органического веще­ства в сырье увеличивается. Уменьшение органического вещества может привести к сокращению количества метана, производимого на 1 л объе­ма реактора.

В ходе исследования влияния времени удержания на ферментацию ила при 35°С [65] был обнаружен быстрый рост протеина и ферменти­рующих углеводы бактерий. Субстраты расщепляются до жирных кис­лот даже при времени удержания менее одних суток. Однако фермента­ция жирных кислот не происходит до тех пор, пока время удержания не достигнет 5 сут' и более.

Ограничение скорости роста. Как было показано [57, 58], ограниче­ние скорости роста микроорганизмов при ферментации с образованием метана часто связано с расщеплением жирных кислот, влияющих на эф­фективность потребления водорода метаногенами. По мнению автора работы [65], это можно объяснить тем, что при ферментации углеводов и протеина в присутствии водорода на каждый электронэквивалент фер­ментируемого субстрата высвобождается больше энергии, чем при фер­ментации уксусной кислоты и жирных кислот с длинной цепью. В ре­зультате в первом случае интенсифицируется синтез клеток на единицу ферментируемого субстрата и ускоряется воспроизводство микроорга­низмов, сохраняющихся в реакторе в течение более короткого времени удержания. Во втором случае синтез клеток замедляется и уменьшается скорость их роста. Скорость роста клеток микроорганизмов зависит от состава отходов. Так, при ферментации городских органических отхо­дов, содержащих главным образом целлюлозные вещества и небольшое количество липида или протеина, гидролиз целлюлозных материалов может ограничить общую скорость роста клеток микроорганизмов [66].

Скорость загрузки реактора. Скорость, с которой органические от­ходы поступают в реактор, называется скоростью загрузки реактора и может быть выражена в виде масс. % органического материала, доба­вляемого каждый день в реактор. Между скоростью загрузки реактора, временем удержания и процентным содержанием органического мате­риала в сырье существует зависимость вида

Скорость загрузки реактора (%)= Органическое вещество в сырье (%)/Время удержания. (11)

Таким образом, скорость загрузки реактора при данном времени удер­жания может быть увеличена за счет подачи более концентрированной суспензии органического вещества или при данном процентном содер­жании органического вещества в отходах путем сокращения времени удержания. При более высоких скоростях загрузки производится боль­ше метана на единицу объема реактора, но меньше на массу сырья, по­скольку меньше разрушается летучих веществ. При снижении скорости загрузки реактора процент разрушения летучих веществ увеличивается, но при этом сокращается производство метана на объем реактора. При термофильной обработке отходов животноводства и скоростях загрузки реактора 2,7% достигается высокий выход метана — 4,5 л/сут на 1 л объема реактора при времени удержания порядка 3 сут [67].

Более детально вопрос о росте микроорганизмов и кинетике фер­ментации рассматривается в работах [64, 65].

Питательные вещества. Рост клеток микроорганизмов зависит от поступления питательных веществ, состоящих из органических субстра­тов с неорганическими веществами. Для роста некоторых видов бакте­рий необходимы витамин В, небольшое количество аминокислот или жирные кислоты, что обычно обеспечивается за счет жизнедеятельности других видов бактерий. Как правило, сырые субстраты, используемые для получения метана ферментацией, содержат достаточное количество минеральных веществ. Однако в некоторых случаях, как, например, при ферментации городских отходов [66], может возникнуть необходимость в добавлении соединений азота, фосфора, серы и железа.

Для эффективного проведения процесса необходимо поддерживать оптимальные условия, близкие к окружающей среде, поскольку даже в таких условиях ферментация проходит довольно медленно [3, 59]. рН среды должен быть равен 6,7-7,4, так как при рН ниже 6 или выше 8 процесс проходит очень ограниченно. При переработке сырья с высо­ким содержанием азота может возникнуть проблема, связанная с обра­зованием токсичных веществ. Ферментация некоторых субстратов, та­ких, как отходы животноводства [67, 68] или плохо расщепляемые городские отходы с высоким содержанием целлюлозы [66], значитель­но быстрее происходит при участии термофилов. На ферментацию мо­гут оказать влияние избыточные количества аммиака, жирных кислот, тяжелых металлов или более растворимых легких металлов [68, 70]. Концентрации и условия, при которых эти вещества становятся ток­сичными, определить довольно трудно, поскольку они могут модифици­роваться в результате сложных взаимодействий или микробной адапта­ции. Задержка ферментации навоза в реакторе может быть вызвана присутствием в отходах животноводства моненсина, антибиотиков или ингибиторов метана, которые добавляются в пищу животных, и, следо­вательно, могут присутствовать в ферментируемых отходах животно­водства.