БИОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ БИОМЕТАНА: ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА И ПОТЕНЦИАЛ В ОБЛАСТИ УСТОЙЧИВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются вопросы оптимизации биохимического синтеза биометана с целью повышения эффективности процесса. Была рассчитана и построена поточно технологическая система на программе-симуляторе химических процессов – AspenHYSYS, для получения биометана биохимическим синтезом. Проведена методика расчета энергетической эффективности процесса синтеза биометана с учетом термодинамических параметров; разработан детальный процесс потока предприятия, включая все этапы синтеза биометана; проектирование и моделирование реакторов для биохимической ферментации.

ABSTRACT

The article describes the effect of optimizing the biochemical synthesis of biomethane with an assessment of the efficiency of the process. A point-by-point technological system was calculated and built using the chemical process modeling program – AspenHYSYS for the production of biomethane by biochemical synthesis. A methodology for calculating the energy efficiency of the biomethane synthesis process taking into account thermodynamic parameters was carried out; a detailed technological process of the enterprise has been developed, including all stages of biomethane synthesis; design and modeling of reactors for biochemical fermentation.

Ключевые слова: биометан, биопроцесс, биомасса.

Keywords: biomethane, bioprocess, biomass.

В настоящее время ощущается дефицит энергетических ресурсов. Заостренного внимания также требуют выбросы отходов в окружающую среду. Исходя из этого, поиск альтернативных источников энергии с производством их по устойчивым методам становится актуальной темой для современного общества. Одним из таких перспективных источников энергии считается биометан, получаемый биохимическим методом из биомассы. Благодаря биохимическому методу получения биометана, процесс протекает в анаэробных условиях при отсутствии кислорода, при котором специфические микроорганизмы разлагают органические отходы и выделяют метан в качестве продукта [1, с. 2]. Получению биометана посвящены многочисленные исследования [2, с. 119] [3, с. 171]. Каждый из способов имеет свои достоинства, но и не лишены недостатков. Например, производство биометана может зависеть от наличия сырьевых ресурсов, таких как определенные виды биомассы, что может привести к конкуренции за эти ресурсы, маленькая скорость преобразования биомассы, потребность в большом количестве ферментеров [4, с. 84]. Сырьем для анаэробного брожения биомассы являются органические и бытовые отходы, донные отложения, а также отходы сельского хозяйства и животноводства, что позволяет говорить о том, что получение биогаза относится к возобновляемым источникам энергии [5, с. 125]. Ясно, что и энергетическая ценность, и скорость разложения различных компонентов подобной сырьевой смеси очень сильно различаются. В данном случае это означает нахождение оптимальных режимов производственного цикла – нахождение наилучшего с экономической точки зрения соотношения между выходом биометана и темпами подачи исходного субстрата в зависимости от состава сырья, то есть проведение процесса, спроектированного в специальной компьютерной программе по оптимизации, варьированию параметров и т.д. Целью данной статьи является оптимизация биохимического синтеза биометана с целью повышения эффективности процесса, объектом же исследования, собственно, биометан.

Материалы и методы

Биомасса — это субстанция, которая содержит органические компоненты. Представляет биомасса собой материалы, происходящие из растений, включая водоросли, деревья, сельскохозяйственные культуры, отходы животных (навоз) [6, с. 185].  В результате процесса анаэробного сбраживания, микроорганизмы разлагают биомассу и производят биогаз.

Биогаз — смесь метана и углекислого газа (75% метан, 25% CO₂) [7, с. 33].

Под биогазовой очисткой понимается процесс извлечения CH₄ из биогаза. Для производства биометана, CO₂ должен быть очищен от биогаза, чтобы обеспечить достаточно высокую плотность энергии. Это называется модернизацией биогагаза, а CO₂ является побочным продуктом этого процесса. Процесс анаэробного сбраживания основан на микроорганизмах, которые разлагают органические вещества и превращают их в биогаз в виде метана и углекислого газа (CO₂). Процесс анаэробного сбраживания проходит через четыре последовательные стадии: гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. На первой стадии гидролиза ферментативные бактерии превращают нерастворимые сложные органические вещества, такие как целлюлоза, в растворимые молекулы, такие как аминокислоты и жиры. На этапе ацетогенеза, кислотные бактерии превращают продукты из первых двух фаз в более простые органические кислоты, углекислый газ и водород [8, с. 1004]. Основными образующимися кислотами являются уксусная кислота (CH₃COOH), пропионовая кислота (CH₃CH₂COOH), масляная кислота (CH₃CH₂CH₂COOH) и этанол (C₂H₅OH). Реакция ацетогенеза (1) представляет собой:

C₆H₁₂O₆ = 2C₂H₅OH + 2CO₂                                           (1)

Метаногенез знаменует собой заключительную стадию анаэробного пищеварения. [9, с. 252]. На этом этапе метан производится бактериями, называемые метаногенами двумя способами: либо путем расщепления молекул уксусной кислоты до углекислого газа и метана, либо путем восстановления диоксида углерода с водородом (H₂). Метаногенез — это сложный процесс, достигаемый за счет действия различных видов мезофильных бактерий. К метаногенным бактериям относятся methanobacterium, methanobacillus, methanococcus и methanosarcina. Реакции метаногенеза (2), (3) можно представить таким образом:

CH₃COOH = CH₄ + CO₂                                                 (2)

CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O                                                (3)

Общая схема получения биометана анаэробным методом представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема получения биометана анаэробным методом

Именно на последней стадии метаногенеза происходит образование собственного биогаза, в данном же этапе в ход вступают специфические метанообразующие бактерии, в результате чего из продуктов ацетогенеза образуются углекислый газ и метан – основные компоненты смеси, называемой «биогаз». К настоящему времени разработано множество моделей, описывающих перечисленные процессы с различным уровнем детальности [10, с. 715] [11, с. 6]. Известной разработкой является модель «Метан», разработанная под руководством В.А. Вавилина [12, с. 204]. В качестве структурных компартментов или динамических переменных в эту модель включены все основные группы вовлеченных в процесс анаэробного разложения микроорганизмов [3, с. 173].

Результаты и обсуждение

Будучи биологическим процессом, метановое сбраживание протекает только в определенных условиях, наиболее благоприятных для микрофлоры [13, с. 90]. По отношению к температуре выделяют три вида метаногенеза: психрофильный (низкотемпературный), мезофильный (среднетемпературный) и термофильный (высокотемпературный). Характеристики различных видов условий по отношению к температуре метанового сбраживания представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики условий метаногенеза

Технологии модернизации очистки биогаза от примесей представлены следующим образом:

• химическая очистка;
• очистка водой;
• мембранное разделение;
• адсорбция при переменном давлении.

Поточная технологическая схема процесса биометана из биомассы представлена на рисунке 2. Схема была построена с использованием программы-симулятора химических процессов – AspenHYSYS, с учётом технологических особенностей процесса производства биометана. В ходе моделирования были рассмотрены различные параметры, такие как температура, давление, концентрации реагентов и продуктов, чтобы оптимизировать условия процесса. Результаты симуляции предоставили ценную информацию о тепловом балансе, массовом балансе и других важных характеристиках производственного процесса.

Рисунок 2. Поточная технологическая схема получения биометана

Процесс производства биометана состоит из трех основных блоков, которые включают в себя подготовку исходных веществ, основную реакцию, а затем разделение продуктов. Происходит подготовка исходных веществ, а именно путем отправления газового сырья, состоящего из водорода и диоксида углерода, через смеситель MIX-100(3) для перемешивания исходных компонентов. Затем сырье подается в теплообменник E-100(4), где смесь газов подвергается нагреванию с комнатной температуры до температуры 250°C. Биомасса поступает в реактор идеального вытеснения с неподвижным слоем R-100(5), где происходит основная реакция водорода и диоксида углерода, где на выходе реакции получаются продукты, как метан (CH₄) и вода (H₂O). Далее эта газо-жидкостная фаза направляется в теплообменник E-101(6) для охлаждения потока вплоть до 150°C. На последней стадии завершения процесса, была получена смесь, состоящая из двух продуктов — CH₄ и H₂O. Газово-жидкостная смесь пропускается через сепаратор V-100(7), где отделяется газ. Смесь после сепаратора охлаждается в теплообменнике E-102(8) до 80°C. Далее необходимо разделить на ректификационной колонне T-101(9) жидкие компоненты, нагрев их перед этим до температуры испарения продукта — метана.

Биогаз можно производить из большинства видов биомассы и отходов, независимо от состава и в широком диапазоне содержания влаги, с ограниченной подготовкой исходного сырья. Биогаз затем может быть очищен от примесей, таких как сероводород, аммиак, влага и другие вещества, чтобы получить биометан в чистом виде [14, с. 45]. Биометан считается возобновляемым источником энергии за счет того, что органические отходы израсходовали углекислый газ из биогаза в процесс фотосинтеза, и может быть представлен как углеродно-нейтральное сырье.

Заключение

Биохимический синтез биометана представляет собой инновационный и перспективный подход к производству чистого и устойчивого топлива. Развитие данной технологии обещает значительное снижение выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ, и содействует устранению зависимости от ископаемых ресурсов. Использование метаногенных микроорганизмов для конвертации органического материала в метан открывает новые перспективы для устойчивого энергетического развития. Кроме того, биометан может быть произведен из разнообразных источников, включая органические отходы, сточные воды, и сельскохозяйственные отбросы. Это делает технологию биохимического синтеза биометана важным инструментом для решения проблемы утилизации органических отходов и одновременного производства энергии.

Список литературы:

1. Jay Meegoda, Brian Li, Kush Patel. A Review of the Process, Parameters, and Optimization of Anaerobic Digestion // International Journal of Environmetal Research and Public Health, 2018. – P. 1-16.
2. Неджи П.А., Нгандже Т.Н., Ибе К.А., Абара Э.А. Биометан из биомассы как возобновляемый экологический источник топлива // Журнал Известия высших учебных заведений. Пищевая технология, 2009. – № 1. – С. 119-121.
3. Топаж А.г., Вигонт В.А., Хворова Л.А. Имитационная модель процесса производства биогаза из многокомпонентного растительного сырья. Анализ и параметрическая оптимизация // Химия растительного сырья, 2018. – № 1. – С. 171-184.
4. Глухова П.Е., Колосов Г.В., Кондратьев А.Е. Особенности получения биометана из органических отходов. // Экологическая безопасность в техносферном пространстве: сборник материалов Шестой Международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых и студентов, Екатеринбург, 2023. – С. 83-85
5. Yue Li, Yinguang Chen, Jiang Wu. Enhancement of methane production in anaerobic digestion process: A review // State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, 2019. – P. 120-137.
6. Миндубаев А.З., Белостоцкий Д.Е., Минзанова С.Т., Миронов В.Ф, Алимова Ф.К., Миронова Л.Г., Коновалов А.И. Метаногенез: биохимия, технология, применение // Ученые записки Казанского Государственного Университета, 2010. – Т. 152. – С. 178-191.
7. Добрынина О.М., Калинина Е.В. Технологические аспекты получения биогаза // Изд-во Пермский Гос. технический Университет, 2010. – С. 33-40.
8. Andrew Molino, Frew Nanna, Brian Bikson. Biomethane production by anaerobic digestion of organic waste // Energy and Sustainable Economic Development, Italy, 2013. – P. 1003-1009.
9. Шекель А.И., Петухов И.С. Определение объемов образования биогаза на полигонах твердых бытовых отходов // 4-й Междунар. конгресс по управлению отходами, М.: СИБИКО Инт., 2005. – 252 с.
10. Andrews J.F. A Mathematical Model for the Continuous Culture of Microorganisms Utilizing Inhibitory Substrates // Biotechnology and Bioengineering, 1968. –  V. 10. – P. 707-723
11. Geber M., Span R. An Analysis of Available Mathematical Models for Anaerobic Digestion of Organic Substances for Production of Biogas // Int. Gas Union Research Conf., French Gas Association, Neuilly-sur-Seine, France, 2008.
12. Вавилин В.А., Васильев В.Б., Рытов С.В. Моделирование деструкции органического вещества сообществом микроорганизмов. М., 1993. – 204 с.
13. Archana K., Sylwia F., Malgorzata S. Biomass in biogas production: Pretreatment and codigestion // Department of Water and Wastewater Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdansk University of Technology, Poland, 2021. – P. 80-233.
14. Peter McKendry. Energy production from biomass: overview of biomass, Review paper // Bioresource Technology, United States, 2002. – P. 37–46.