2. Теоретичні основи метанового шумування

2.1. Загальні відомості.

Процес метанового шумування широко розповсюджений в природі. Розкладання органічних речовин в ґрунті, болотах та водоймах було описане італійським фізиком Олександром Вольта ще в 1776р, але минуло ще біля сто років поки виділення біогазу було пов’язане з життєдіяльністю мікроорганізмів. Основоположниками теорії метанового шумування були Попов, Омелянський, Кузнєцов. Попов ще в 1875р. вперше дослідив виділення болотного газу, використовуючи різний за складом органічний субстрат. Він визначив, що кінцевими продуктами розкладання більшості органічних речовин є метан, водень та СО_2. В цілому, розпад органічних речовин при метановому шумуванні являє собою складний анаеробний процес. При розкладанні органічної речовини значна частина компонентів переходить в розчин та газ. Шумування називається метановим, так як остання стадія перетворення органічної речовини здійснюється метаноутворюючими бактеріями, а головним кінцевим продуктом є метан. Для метанового шумування характерний широкий спектр речовин, які використовуються. Практично всі органічні сполуки підлягають метановому шумуванню.

За Баркером утворення метану з органічних речовин відбувається в результаті життєдіяльності декількох головних груп мікроорганізмів і проходить у дві фази (рис.2.1).

СО2 НСООН СН3-СН2-СООН		СО3+хН		х	СООН +2Н+ -Н2О
		СН3ОН+хН		х	СНО -2Н+
			-Н2О	х	СН2СН
СН3-СН2-ОН СН3-СН2-СООН		СН3СООН+хН			+2Н+
				х	СН3
			хН	+СН	+2Н+

Рисунок. 2.1. Схема процесу утворення метану.

В першій фазі (кисле або водневе шумування) кислотоутворюючі бактерії перетворюють складні органічні сполуки в найбільш прості, які, в свою чергу, є джерелом живлення для метаноутворюючих бактерій. При проходженні другої фази (лужне або метанове шумування) відбувається подальший розклад речовин, які утворилися в першій фазі. В результаті протікання цієї фази виділяється біогаз. Слід зазначити, що метаноутворюючі бактерії в значній мірі є чутливими до зміни параметрів навколишнього середовища та сировини.

Процес метанового шумування за Баркером наведено на рис.2.2.

Розмноження бактерій.

Розмноження бактерій.

Утворення метану.

1. Метан.

2. Вуглекислий газ, вода.

Рисунок. 2.2. Етапи метанового шумування органічної речовини по Баркеру.

Перша фаза ( кисле або водневе шумування) - зі складних органічних речовин (білки, жири, вуглеводи) та їх похідних за участю води утворюються кислоти (оцтова, мурашина, молочна, масляна та ін.); спирти (етиловий, пропиловий, бутиловий та ін.); гази (вуглекислий, водень, сірководень, аміак), амінокислоти, гліцерин та ін. Цей розпад обумовлюють звичайні грибки та бактерії (первинні анаероби), які широко розповсюджені в природі, швидко розмножуються та проявляють свою активність при рН 4,5-7,0. До них відносять масляно–кислі, молочно-кислі, пропилово-кислі, протеолітичні, ліполітичні та інші бактерії, мікроорганізми та дріжджі [Симоненко]. Ця фаза характеризується інтенсивним утворенням і виділенням кислот, що проявляється в сильному закисленні середовища і зниженні рН до 5,0-4,5. Ця фаза характеризується появою неприємного запаху.

В другій фазі (лужне та метанове шумування) метаноутворюючі бактерії здійснюють подальший розклад речовин, які утворилися на першій стадії. При цьому утворюється газ, який складається з метану і двоокису водню, а також незначної кількості азоту, водню та сірководню.

Схема Баркера не відображає всіх термодинамічних процесів, але розділення на дві фази є зручним при розробці технологічного процесу і широко використовується на практиці.

В інших моделях виділяють три стадії , які проходять під впливом трьох фізіологічних груп бактерій (рис.2.3).

Р исунок.2.3. Стадії анаеробного розпаду органічної речовини.

На першій стадії гетерогенна група анаеробних бактерій проводить ферментативний гідроліз багатовуглецевих речовин (білки, жири, полісахариди). Одночасно, в результаті діяльності мікроорганізмів відбувається розщеплення моносахаридів органічних кислот та спиртів. В результаті цих процесів утворюється водень, вуглекислий газ, низькомолекулярні жирні кислоти, спирти і деякі інші сполуки. В цій стадії беруть участь бактерії Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus, Butyrivibrio, а також факультативні: Escherichia coli Bacillus.

На другій стадії ацетогенні мікроорганізми Syntrophobacter, Syntrophomonas, Desulfovibrio ферментують Н₂,СО₂ та інші одновуглецеві сполуки, а також більш складні сполуки, в низькомолекулярні органічні кислоти.[Дубровський]. Реакції проходять за наступними рівнянями:

1) окислювання органічних кислот:

а) молочної-

СНзСНОНСООН+Н₂О→СН₃СООН+СО₂+Н₂О;

б) пропіонової-

СН₃СН₂СООН+2Н₂О→CH₂COOH + С0₂ + ЗН₂;

в) масляної-

CH₂CH₂CH₂COOH+2Н₂О→2СН₃СООН+2Н₂;

2) окислювання спиртів, наприклад этанола -

СН₃СН₂ОН+Н₂О→СН₃СООН+2H₂.

На цій стадії ацетогенні бактерії, які включають в себе облігатні та факультативні види, можуть зшумовувати органічні кислоти до водню та оцтової кислоти, а гомоацетогенні бактерії зшумовують одно- та багатовуглецевовмістні сполуки тільки до оцтової кислоти, без утворення водню.

На третій стадії процесу розпад органічної речовини проходить при діяльності метаноутворюючих та сульфатредукуючих мікроорганізмів, що використовують для своєї життєдіяльності метаболіти, утворені на попередніх стадіях процесу шумування.

Джерелом вуглецю і енергії для метаногенів, як правило, є суміш водню та вуглекислого газу:

4Н₂+СО₂→СН₄+2Н₂О

(ΔG=-139,2 кДж/моль СН₄)

Більш важливим субстратом для метаногенеза є ацетат. Кількість СН₄,який утворюється з ацетата становить 72% []:

СН₃СООН→СН₄+СО₂

(ΔG=-31 кДж/моль СН₄)

На заключній стадії в екосистемах з низьким вмістом сульфатів утворюються, головним чином, СН₄, СО₂ та Н₂S.

Метаноутворюючі бактерії включають популяції різних видів анаеробних бактерій і можуть використовувати для утворення біогазу переважну більшість природних органічних речовин. Метаноутворюючі бактерії являють собою фізіологічно-однорідну групу з великою різноманітністю морфологічних типів, з яких можна виділити чотири основних групи: палички, коки, вібріони і спірили [Симоненко].

З біохімічної точки зору метанове шумування являє собою анаеробне “дихання”, в ході якого електрони з органічних речовин переносяться на вуглекислий газ, який потім відновлюється до метану. Окрім різних органічних субстратів донором електронів для метаноутворюючих бактерій служить водень, що продукується декількома типами анаеробних бактерій. Для всіх метанобактерій характерна властивість росту в присутності водню і вуглекислого газу, а також висока чутливість до кисню та інгібіторів процесу шумування.

В наш час відомо біля 40 видів метаноутворюючих бактерій. Найважливіші серед них та використовувані ними субстрати наведені в табл.2.1.[Симоненко].

Найбільш важливим субстратом є ацетат, з якого при розпаді складних органічних речовин утворюється більше 40% метану.

Метаногенні бактерії 90-95% використовуваного водню перетворюють в метан і лише 5-10% водню переходить в біомасу. Завдяки цьому до 80-90 % органічних речовин, які розкладаються в процесі розвитку метанового консорціуму, перетворюється в газ.

Відповідно до деяких сучасних поглядів анаеробне перетворення органічних речовин в біогаз проходить через чотири послідовних стадії.

Таблиця 2.1. Найважливіші популяції метанових бактерій і використовувані ними субстрати.

Рід	Використовувані субстрати
	НСООН (фліат)	СН3СООН (ацетат)	С (вуглець)
Metanobacterium	+	-	-
Metanobrevibacter	+	-	-
Metanothermus	+	-	-
Metanolobus	-	-	+
Metanohalobium	-	-	+
Metanothrix	-	+	-
Metanoscrina	+	+	+

1.Стадія гідролізу складних біополімерних молекул (білків, ліпідів полісахаридів ) на більш прості амінокислоти, вуглеводи, жирні кислоти та ін.

2.Стадія ферментації (шумування) мономерів, які розпадаються до кислот і спиртів, при цьому виділяється також диоксид, вуглець та водень.

3.Ацетогенна стадія, при якій утворюються безпосередньо попередники метану: ацетат, водень, вуглекислота.

4.Метаногенна стадія, в процесі якої з’являється кінцевий продукт розкладу складних органічних речовин – метан.

Стадія гідролізу при метановому шумуванні тісно пов'язана зі стадією ферментації (кислотогенної), при цьому обидві стадії можуть здійснюватись під впливом гідролітичних бактерій, які по класифікації іноді об'єднують з ферментативними бактеріями. Питання взаємодії гідролітичної і зброджуваної мікрофлори детально розглянуті в роботах Заварзіна Г.А.

Крім основних груп бактерій в метаногенній сукупності присутня велика кількість мікроорганізмів, які не приймають безпосередньої участі в процесі деградації органічної речовини, проте вони виконують деякі важливі

функції - такі як забезпечення бактерій головними факторами видалення токсичних продуктів анаеробного метаболізму та підтримання умов анаеробіозу.

В загальному вигляді процес розкладання органічної речовини та кількість кінцевих продуктів можна описати рівнянням:

C_nH_аO_b+ (n+a/4+b/2) H₂O→(n/2+a/8+b/4)CO2+(n/2+a/8+b/4)CH₄

У кожному конкретному випадку вихід біогазу залежить від складу органічної речовини, умов процесу та ін. Наприклад, за даними Даніелс разом зі співавторами, із глюкози можна отримати наступну кількість кінцевих продуктів:1,0г С₆Н₁₂O₆→0,25г СН₄+0.69г CO₂+0,06г клітинної маси+632 кДж енергії, чи з 1 моля глюкози можна одержати 2,8 моля СН₄ і 2,6 моля СО₂.