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.