Микробиологические основы процесса

Переработка сырья в метан происходит в ходе сложных взаи­модействий в смешанных популяциях микроорганизмов. По осо­бенностям обмена веществ их можно подразделить на три ос­новные группы: первая осуществляет первичный распад поли­мерных веществ, вторая образует летучие жирные кислоты, в частности уксусную, водород и СОг, а третья — метан (метан- образующие бактерии).

В осуществлении первой стадии процесса принимают участие разнообразные анаэробные бактерии, превращающие в раство­римые вещества множество соединений, включая целлюлозу, жиры и белки. Ключевую роль при этом играют процессы раз­ложения целлюлозы, так как большинство видов сырья или сточ­ных вод обогащены лигноцеллюлозой. По оптимальной темпера­туре жизнедеятельности эти бактерии можно отнести к одной из трех групп: термофильным организмам, живущим при 50— 60 °С, мезофильным (30—40°) и психрофильным, предпочитаю­щим комнатную температуру (около 20 °С). Большая часть ис­следований была выполнена для реакторов, работающих на ос­нове мезофилов. При повышенной температуре скорость распа­да исходного сырья, особенно целлюлозы, увеличивается, а это — важное преимущество. Скорость образования метана лимитиру­ется интенсивностью процессов разложения сырья. Именно по­этому время удержания при работе с некоторыми субстратами бывает так велико.

Время удержания можно уменьшить, если повысить темпе­ратуру, но это требует энергозатрат. Для получения тепла мож­но сжигать часть получаемого метана (а в крайних случаях — я весь газ). Можно использовать и тепловые отбросы сопутст­вующих производств (например, воду, использованную в них для охлаждения). Горячую воду можно получать и с помощью солнечных батарей.. Бактерии, работающие на первом этапе, лучше всего растут при рН от 6 до 7. В культуре рост многих разлагающих целлюлозу бактерий подавляется по механизму обратной связи при накоплении конечных продуктов гидролиза, однако в смешанной популяции бактерий, существующей в ана­эробном реакторе, происходит быстрое усвоение этих продуктов и подавление не так выражено. В результате скорость разруше­ния полимеров оказывается выше, чем можно было бы ожидать. Конечные продукты, обладающие свойствами ингибитора, уда­ляются с помощью бактерий второй группы, которые превраща­ют различные сахара, аминокислоты и жирные кислоты в лету­чие жирные кислоты, С0₂ и водород.

В ходе этого процесса образуется ряд летучих жирных кис­лот (молочная, уксусная, пропионовая и др.), но главным суб­стратом при синтезе метана является уксусная кислота. Метан- образующие бактерии могут также синтезировать метан из СОг и Нг. Оптимум рН для них тот же (6—7), что и для бактерий первой группы, и это важно, поскольку нарушение баланса об­разования и потребления кислот приведет к падению рН, если система не обладает достаточными буферными свойствами. Вся­кое падение рН по этой причине преимущественно сказывается на активности метанобразующих бактерий, что вызывает даль­нейшее закисление среды и прекращение образования метана. С этим можно бороться, добавляя известняк или аммиачную воду, но при внесении ионов аммония следует соблюдать осто­рожность. Метанобразующие бактерии могут использовать ам­монийные ионы как источник азота, но при высоких концентра­циях они ингибируют их рост. К числу других веществ и соеди­нений, способных ингибировать процесс, относятся кислород и окисленные соединения, такие, как нитрат и нитрит, сульфиды, цианиды, свободные ионы металлов (меди, цинка или никеля), галогены, формальдегид и сероводород. Система чувствительна также к резким скачкам температуры.