Fermentacja metanowa

Fermentacja jest procesem w którym donorami i akceptorami elektronów są związki organiczne. Podczas fermentacji, w wyniku utleniania związków organicznych wytwarzane są zarówno substancje o wysokim potencjale przenoszenia grupy fosforanowej jak i takie które służą do jako endogenne akceptory elektronów. Poszczególne fermentacje noszą zazwyczaj nazwy pochodzące od dominującego produktu. Są to np.: alkoholowa, Maslowa, mlekowa.

Fermentacja beztlenowa to taki typ procesów, w których przemiany biochemiczne substancji organicznych zachodzą bez udziału tlenu cząstkowego(powietrza). Często fermentacja beztlenowa jest również fermentacją metanową, podczas której częśc węgla pochodzącego ze związków organicznych ulega redukcji do metanu , a akceptorem elektronów jest dwutlenek węgla.

Procesy fermentacyjne występują dośc powszechnie w środowisku naturalnym. Metan jest uwalniany np.: z obszarów bagiennych, osadów dennych.

Metan powstaje również w wyniku działalności człowieka:

-niekontrolowane procesy fermentacyjne odpadów rolnych czy obornika

-w wyniku uwalniania biogazu podczas unieszkodliwiania odpadów na składowiskach

- eksploatacji obiektów gazu ziemnego oraz nieszczelnych sieci gazowych.

W atmosferze metan ulega utlenieniu poprzez CO do CO2. W reakcji uczestniczą rodniki hydroksylowe. Metan jest związkiem organicznym powodującym efekt cieplarniany. Około 1-1.5% dwutlenku węgla w atmosferze pochodzi z metanu.

Ukierunkowanie procesów fermentacyjnych na pozyskiwanie biogazu zapewnia:

1 zmniejszenie zawartości substancji organicznych w ściekach, osadach sciekowych.

2 pozyskiwanie wysokoenergetycznego paliwa

3 zmniejszenie emisji metanu do środowiska w przypadku biometanacji odpadów, przemysłowych produktów ubocznych.

Metodą fermentacji mogą być unieszkodliwianie:

1 ścieki z przemysłu fermentacyjnego, drzewnego i produkcji przerobu drewna, gnojowicy, odcieki składowiskowe.

2.osady ściekowe

Produkcja biogazu

1 organiczna frakcja odpadów komunalnych

2 odpady z przemysłu rolno-spozywczego

3 Biomasa lignocelulozowa

4 Roslinnośc wodna

Proces ma złożony charakter na który skladają się:

- hydroliza wielkocząsteczkowych związków białek węglanowych oraz lipidów

-fermentacja aminokwasów i cukrów

-oksydacja długołańcuchowa kwasów tłuszczowych i alkoholi w warunkach beztlenowych

-oksydacja produktów pośrednich fermentacji takich jak kwasy lotne

-wytwarzanie metanu z kwasu octowego oraz H2iCO2

Produkty pośrednie i końcowe fermentacji metanowej

Związki organiczne -hydroliza-proste związki organiczne(cukry ,lipidy, białka)-fermentacja kwaśna-lotne kwasy tłuszczowe o krotkich łancuchach węglowych(alkohole, kwasy organiczne, H2,CO2)-fermentacja octowa(acetogeneza)-kwas octowy, H2,CO2-Metanogeneza-metan, dwutlenek węgla oraz w śladowych ilościach azot, siarkowodór, tlenek węgla

Wymienione procesy zachodzą z udziałem bakterii zaliczanych do trzech grup troficznych. Są to:

-bakterie heterotroficzne przeprowadzające fermentację

-bakterie syn troficzne wykorzystujące protony jako akceptory elektronów

-metanogenne archeony

W obrębie każdej grupy troficznej, określone gatunki przeprowadzają szereg reakcji biochemicznych pełniąc wyspecjalizowane funkcje w zbiorowisku, współpracując ze sobą w ściśle skoordynowany i uporządkowany sposób

W żadnym wypadku pojedyncze gatunki nie są zdolne do wytwarzania metanu ze ścieków lub odpadów. Wytwarzanie metanu wymaga obecności konsojorów mikroorganizmów.

Badania bioróżnorodności populacji bakterii w komorach fermentacji metanowej metodą sekwencji 16S r RNA pozwolily zidentyfikowac 393 klony bakteryjne. W zbiorowisku mikroorganizmów z domeny Bacteria stwierdzono udział nastepujących typów: Proteobacteria(podtyp a,b,gama, sigma),Fermicutes, bacteroides.

Z punktu zdolności wytwarzania metanu najważniejsze metabolity pośrednie stanowią propionian i maślan, które stanowia substrat dla syn troficznych bakterii acetogennych i pozostających w kooperacji bakterii metanowych.

Zdolnośc degradacji maślanu wykazuje Syntrophomonas wolfei należący do bakterii acetogennych . Znane są również inne gatunki zdolne do degradacji maslanu. Należą do nich m.in. Syntrophospora Brytanii oraz Syntrophomonas savoporans.

Bakterie wytwarzające metan jak: Methanobacterium, Methanobrevibacterium,Methanoplanus maja zdolnośc aktywowania wodoru i sprzegania jego utlenieniu z redukcją dwutlenku wegla. Ponieważ dwutlenek węgla służy jako akceptor wodoru w procesie wytwarzania energii z równoczesnym powstaniem metanu, wytwarzanie metanu można rozpatrywac jako formę oddychania weglanowego.

Bakterie wykorzystujące wodor i dwutlenek węgla mają chemolitotroficzny metabolizm, ponieważ źródłem energii i węgla komórkowego są związki nieorganiczne.

Bakterie wykorzystujące octan to: Methanosaara oraz Methanosarcina. Metan powstaje z grupy metylowej, natomiast dwutlenek wegla jest uwalniany podczas dekarboksylacji, zgodnie z reakcją:CH3COOH=CH4+CO2

Z uwagi na biologiczny charakter procesu, powstający w wyniku fermentacji metanowej gaz jest określany mianem biogazu. Gaz fermentacyjny zawier metan 60-70% i dwutlenek węgla ok. 30%. W małym stężeniu wystepują ponadto wodór,siarkowodór, azot, tlenek węgla i inne.

Skład gazu fermentacyjnego, a zwłaszcza proporcja ch4/co2 zależy od:

-rodzaju poddawanych fermentacji substancji organicznych

-parametrów technologicznych procesu

-warunków środowiskowych w jakich proces jest prowadzony

Wydajnośc Biogazu - ilośc biogazu pozyskiwana z różnych surowców

Skrobia-0,8m3/kg, kwasy lotne-1,5,bialka-0,9, osad czynny-0,6, gnojowica-0,4, nawóz bydlęcy-0,2

Oczyszczanie biogazu- umożliwia poprawe właściwości energetycznych a także:-zmiejszenie problemów technicznych związanych z obecnością H2S-eliminację zagrożeń związanych z emisją CO do atmosfery. Do tego celu stosuje się metody adsorpcji na zeolitach. Uklad składa się z dwóch kolumn pracujących w cyklu sorpcja/desorpcja: -sorpcje prowadzi się w niskiej temp i pod cisnieniem, - desorpcję z zastosowaniem podciśnienia i ogrzania. Oczyszczony biogaz zawierający metan od 95 do 98% może być uzywany jako paliwo napędowe do silników.

Układy jedno i wielostopniowe

1.scieki są oczyszczone w układzie dwustopniowym w fazie fermentacji metanowej

2 w osadniku wstępnym następuje oddzielenie zawiesin, a proces fermentacji osadu i wody osadowej jest prowadzony w dwóch równolegle pracujących reaktorach.

3 ścieki są oczyszczone w układzie dwu- a nawet trzyfazowym(hydroliza chemiczna, fermentacja kwaśna, fermentacja metanowa)

---