X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В основе методики расчета процесса образования биогаза при переработке биоотходов используется разработанный алгоритм двухстадийного процесса биоконверсии [¹]:

1 стадия - разложение органических полимеров (ОП) под действием анаэробных бактерий до более простых соединений: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и окиси углерода, уксусной и муравьиной кислот, метилового спирта;

2 этап - превращение простых органических соединений (ОС) метанообразующими бактериями в метан, углекислый газ и воду.

На первом этапе при разложении ОП происходит постоянное изменение отдельных параметров, и в каждый момент времени клетки функционируют в иных условиях. В связи с этим при управлении технологическим процессом следует учитывать индивидуальные особенности «поведенческих реакций» биообъектов в конкретных условиях культивирования, а именно: чувствительность к воздействию физико-механических факторов, специфику наследственных свойств рассматриваемых анаэробных бактерий, механизм обменных и биохимических процессов

Бактериальное сообщество, может самостоятельно регулировать такие критерии как значение рН, окислительно-восстановительного потенциала для поддержания своего роста, а как следствие, обеспечивая стабильность процесса разложения органических полимеров.

Реакции разложения ОП в зависимости от их биополимерной природы разделяются на группы: распад белков, липидов, углеводов

ОП= Б + Л + У.

Главным путем распада белков является ферментативный гидролиз – протеолиз. Распад клеточных белков, катализируемый протеолитическими ферментами с различной специфичностью, приводит к образованию аминокислот, которые используются в этой же клетке по схеме

- которую можно записать выражением

Б → α-минокислоты (n+2)H₂NHCOOH-R.

Распад липидов определяется распадом обязательных структурных компонентов: спиртов и высших жирных кислот

Л = Л.С + Л.ЖК.

В состав липидов Л.С входят следующие спирты: высшие одноатомные - С₁₆ и более; двухатомный аминоспирты – фингозин; трехатомный спирт – глицерин НОСН₂СН(ОН)СН₂ОН [²]

Л.С = ROH +R(OH)₂ + R(OH)₃,

которые распадаются до низших спиртов: СН₃ОН, С₂Н₅ОН, бутанола и пропанола.

Высшие жирные кислоты распадаются до глицериновой и стеариновой кислоты

Л.Ж.К: С₃Н₅(С₁₈Н₃₅О₂₎₃ → С₃Н₅(ОН)₃ + С₁₃Н₃₆О₂.

Распад углеводов можно разделить по способности к гидролизу углеводов: распад простых углеводов – моносахаридов М.У и сложных – полисахаридов П.У

У (СН₂О)n = М.У + П.У.

Анаэробный путь распада моносахаридов можно оценить на примере глюкозы – гликолиз. Заключительной реакцией этого метаболического пути является молочная кислота, которая образуется при восстановлении пировиноградной кислоты. Процесс образования молочный кислоты из пировиноградный обратим

М.У (глюкоза) С₆Н₁₂О₆ →молочная к-та + пировиноградная к-а

С₆Н₁₂О₆ → СН₃СH(ОHCООН) + СН₂СОСООН.

Способные к гидролизу полисахариды можно рассматривать как продукты поликонденсации моносахаридов [³], а распад полисахаридов - на примере гликогена – гликогенолиз, который осуществляться либо путем гидролиза, либо фосфоролиза. Фосфоролиз является основным путем распада гликогена, его катализирует фермент гликогенфосфорилаза, относящийся к классу трансфераз. Оба процесса идут до образования глюкозы и фосфорной кислоты

П.У (гликоген) → глюкоза + фосфорная к-та.

2й этап процесса, разложение биополимеров: углеводов, белков и других до летучих органических кислот - муравьиной, уксусной, пропионовой, молочной, янтарной, низкомолекулярных спиртов, альдегидов, кетонов, водорода (Н₂) и углекислого газа (СО₂) происходит под действием анаэробных бактерий:

Б → уксусная и муравьиновая кислоты,

α-минокислоты (n+2)H₂NHCOOH-R →СН₃СООН + НСООН;

Л.С → уксусная и муравьиновая кислоты,

ROH +R(OH)₂ + R(OH)₃ → СН₃СООН + НСООН;

Л.ЖК

С₃Н₅(ОН)₃ → СН₄ + СО₂

С₁₃Н₃₆О₂ → СН₄ + СО₂,

С₆Н₁₂О₆ → Н₂О + СО₂

Распад органических кислот и спирта до уксусного (ацетат) или муравьиного (формиат) альдегидов, кетонов, водорода (Н₂) и углекислого газа (СО₂) протекает двумя путями

СН₃СООН → СН₄ + СО₂ ,

СО₂ + 4 Н₂ → СН₄ + Н₂О .

По первому пути образуется 73 % метана, а по второму – 30 %. Для повышения эффективности метанового брожения процесс проводят ступенчато.

По результатам проведенных теоретических исследований последовательность биохимических превращений сложных органических компонентов отходов в процессе брожения можно представить системой уравнений, решение которой позволит оценить выхода биогаза в процессе биоконверсии.

Список использованных источников

1 Салова Т.Ю., Громова Н.Ю., Громова Е.А. Термические методы переработки органических отходов. Источники возобновляемой энергии Монография. СПб.: СПбГАУ, 2016. - С.224.

2 Громова Н.Ю., Громова Е.А. Теоретические аспекты биоконверсии целлюлозосодержащих отходов // Известия международной академии аграрного образования. СПб.: СПбГАУ, 2013. - с.113-116.

3 Салова Т.Ю., Громова Н.Ю, Громова Е.А. Моделирование процесса биоконверсии твердых отходов и получения биогаза // Известия международной академии аграрного образования. СПб.: СПбГАУ, 2014. - № 19. - с.25-31.

Код для цитирования: Скопировать