Wie wird Biogas fermentiert?
Der Biogasfermentationsprozess ist eigentlich der Stoffwechsel und der Energieumwandlungsprozess von Mikroben. Während des Stoffwechsels bekommen Biogasmikroben Energie und Substanz, um sich zu vermehren, während die meisten Substanzen in Methan und Kohlendioxid umgewandelt werden. Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass etwa 90% der organischen Substanz in Biogas umgewandelt wird und 10% von Biogas-Mikroben für ihren eigenen Verbrauch verwendet werden. Fermentierte Rohstoffe erzeugen Biogas durch eine Reihe komplexer biochemischer Reaktionen.
Die Umwandlung von organischem Material in Biogas dauert drei Phasen
Fast alle organischen Substanzen können sich anaerob abbauen, um Biogas zu erzeugen. Organische Substanzen in fester Form, die in Biogas verwandelt werden, können in drei Phasen unterteilt werden: Verflüssigung, Säureproduktion und Methanproduktion.
Die Flüssigkeitsphase. Die Flüssigkeitsphase wird auch als Hydrolyse-Phase bezeichnet, bei der organische Substanzen in fester Form, die in Wasser unlöslich sind, unter der Wirkung von Mikroben in wasserlösliche Substanzen umgewandelt werden. Viele Mikroorganismen können verschiedene extrazelluläre Enzyme sekretieren, und unter der Wirkung von extrazellulären Enzymen wird organische Substanz in fester Form in lösliche Substanzen mit kleinerem Molekulargewicht hydrolysiert. Wie Cellulose, Amylase, Protease und Lipase, durch die in vitro-Enzymalyse von organischen Substanzen, Polyzucker-Hydrolyse in Mono- oder Dizucker, Protein in Polypeptide und Aminosäuren, Fett in Glycerin und Fettsäuren, etc. Diese löslichen Substanzen mit kleinerem Molekulargewicht können in die mikrobiellen Zellen gelangen und weiter aufgebaut werden.
Zweitens die Säurephase. Verschiedene lösliche Substanzen, die in der Flüssigkeitsphase entstehen (Monozucker, Aminosäuren, Fettsäuren), gelangen in die Zelle und werden unter der Wirkung von Cellulosebakterien, Proteinbakterien, Fettbakterien, Fruktogelbakterien und anderen bakteriellen Enzymen weiter in niedermolekulare Substanzen wie Butarsäure, Propionatsäure, Essigsäure und einfache organische Substanzen wie Alkohol, Ketone und Aldehyde umgewandelt. Diese Phase besteht hauptsächlich in der Produktion verschiedener flüchtiger Fettsäuren, das Hauptprodukt ist Essigsäure, die etwa 70% ausmacht, aber auch ein Teil Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak und eine kleine Menge anderer Produkte. Diese Phase wird als Säurephase bezeichnet.
Die Flüssigkeitsphase und die Säureproduktionsphase sind ein kontinuierlicher und kreuzender Prozess. Es wird unter anaeroben Bedingungen durch die Synergie verschiedener Mikroorganismen Kohlenhydrate, Proteine und Fette in Rohstoffen in einfache kleine molekulare Verbindungen aufgebaut und gleichzeitig Kohlendioxid und Wasserstoff erzeugt. Diese beiden Phasen produzieren nur synthetisches Methan-Matrix, wie Essigsäure, Butarsäure, Alkohol, Kohlendioxid, Wasserstoff usw., produziert kein Methan und wird daher auch als Methanphase bezeichnet. Die Phase der Nicht-Methanproduktion kann als eine Rohstoffverarbeitungsphase angesehen werden, bei der komplexe organische Substanzen in Substanzen umgewandelt werden, die für Methanbakterien verwendet werden können, um die Bedürfnisse der Methanbakterien für ihre Lebensaktivitäten zu erfüllen. Es gibt viele Arten und Mengen von Mikroben, die in der Phase der Methanproduktion wirken, und es gibt erhebliche Unterschiede zwischen den Fermentierungsrohstoffen. Die Anzahl der spezifischen anaeroben Bakterien ist die größte, 100 bis 200 Mal mehr als die kompatiblen anaeroben Bakterien und die anaeroben Bakterien, die in dieser Phase die Hauptrolle spielen. Wasserstofferzeugende Bakterien sind eine sehr wichtige Flotte von Mikroorganismen in der nicht-methanproduzierenden Phase, und das Chengdu-Institut für Biologie der chinesischen Akademie der Wissenschaften hat erfolgreich verschiedene Arten und Gattungen von Wasserstofferzeugenden Bakterien aus dem Schlamm des Biogasbeckens angereichert und isoliert.
Die dritte Phase ist die Methanproduktion. Diese Phase wird von Methanogenen abgeschlossen, die niedermolekulare Verbindungen wie Essigsäure, Methansäure, Wasserstoff und Kohlendioxid, die in der vorherigen Phase erzeugt wurden, in Methan reduzieren.
Wechselwirkung der drei Phasen der Biogasfermentation
Beim Biogasfermentationsprozess sind die drei Phasen untereinander abhängig und kontinuierlich, aber auch miteinander verbunden und gegenseitig eingeschränkt. Sein spezifischer Ausdruck ist: in der frühen Fermentationsphase wird eine große Menge flüchtige Säure erzeugt, während die Flüchtige Säure-Konzentration schnell steigt, steigt die Ammonialstoffkonzentration drastisch. Wenn die Stickstoffkonzentration von Ammoniak den Höhepunkt erreicht, sinkt die Flüchtige Säure-Konzentration, sinkt das Oxidationsreduktionspotenzial, steigt die Produktion von Gas und der Methangehalt im Gas und erreicht den Höhepunkt. Nach Abschluss dieser Kettenreaktion waren der pH-Wert, das Oxidationsreduktionspotential, die Gasproduktion und der Methangehalt im Wesentlichen stabil, während die flüchtige Säurekonzentration deutlich zurückging. Dies zeigt, dass sich während der Biogasfermentation die einzelnen biochemischen Faktoren deutlich verändern, sie sind sowohl voneinander abhängig als auch gegenseitig gebunden, die Matrix zerbricht sich ständig und das Biogas bildet sich ständig, so dass die gesamte Fermentation in einem dynamischen Gleichgewichtszustand steht. Aber Biogasmikroben sind auch sehr empfindlich auf Umweltveränderungen, und Änderungen bestimmter Umweltfaktoren können das Gleichgewicht beeinträchtigen oder sogar beeinträchtigen. Zum Beispiel: Wenn zu viel Zufuhr, plötzliche Temperaturänderungen von mehr als 2 ° C auftreten, eine bestimmte giftige Substanz in der Flüssigkeit eintritt, verändert sich die Säure-Alkalität, die Gasproduktion und die Gaszusammensetzung, brecht das Gleichgewicht und beeinflusst die Gasproduktion. Allerdings haben Biogasmikroben auch eine gewisse Anpassungsfähigkeit an die Umwelt, solange die Veränderungen der Umweltfaktoren nicht über einen bestimmten Bereich hinausgehen, auch wenn das Gleichgewicht gebrochen wird, ist es vorübergehend und nach einer gewissen Zeit kann sich selbst regulieren, um ein neues Gleichgewicht zu erreichen. Diese Situation erfordert in der Regel keine menschliche Regulierung, nur wenn sich die Umweltfaktoren ändern, die die Fähigkeit des Mikrobies überschreiten, und das dynamische Gleichgewicht so zerstört wird, dass es sich nicht wiederherstellen kann, müssen die notwendigen menschlichen Regulierungsmaßnahmen ergriffen werden.
Beziehung zwischen Feststoff und Biogasfermentation
Bei der Biogasfermentation erfolgt die Flüssigkeitsphase durch Hydrolysereaktionen, die in den meisten Fällen eine gewisse Energie benötigen. Aber in den meisten Fällen kann die Flüssigkeitsphase der Biogasfermentation keine Energie für Mikroorganismen liefern, was zu einer sehr langsamen Flüssigkeitsforderung von festen organischen Stoffen führt, die oft zum Geschwindigkeitsgrenzschritt der Biogasfermentation werden. Die schnelle und langsame Verflüssigung von Feststoffen beeinflusst direkt die Geschwindigkeit der Biogasproduktion. Der Flüssigkeitsgrad der Feststoffe hat auch einen direkten Einfluss auf die Gasproduktion. Die meisten fermentierten Rohstoffe, insbesondere verschiedene landwirtschaftliche Abfallrohstoffe, haben einen hohen Feststoffgehalt, wenige lösliche Bestandteile und einige Oberflächenschichten haben Wachs, daher sollten in der Produktion Methoden zur Vorbehandlung von Pflanzenabfällen verwendet werden, um die Verflüssigungsphase zu beschleunigen und den Grad der Verflüssigung zu verbessern, so dass die Fermentationsgeschwindigkeit relativ beschleunigt und die Biogasproduktion erhöht werden kann. Die Vorbehandlung von Pflanzenabfällen kann durch Zerkleinerung und Stapel erfolgen.
Natürlich enthalten einige Fermentierungsrohstoffe wie Alkohol-Abfall, synthetisches Fettsäureabwasser, Sojanprodukteabfall usw. mehr lösliche organische Substanzen, vor der Fermentierung in den Pool ist die Flüssigkeitsphase abgeschlossen, die Fermentierungsgeschwindigkeit ist sehr schnell, die Verweilzeit kann auf Dutzende oder mehrere Stunden verkürzt werden, daher ist keine Vorbehandlung erforderlich.