газа значительно уменьшается. Путем интенсивного перемешивания и соответствующего подвода энергии нежелательный эффект можно существенно ограничить.

1.2. Влияние исходного материала на выход газа I.2.I. Состав исходного материала

Среди остатков и отходов сельскохозяйственного производства наиболее богаты необходимыми для метанового брожения питательными веществами экскременты животных. Однако они очень различаются между собой как по наличию отдельных компонентов (рис. 4), так и

Источник поступления

Скорость раз.южения в процессе брожения бо.чьшая -<-->- ма.^ая

Корм

Организм животного

Микрофлора

Промежуточные, конечные и химосинтети ческие производные продукты метаболизма животных и микроорганизмов

Крахмал, сахар Гликоген

Жирные кислоты

Белок, пептиды Аминокислоты

Витамины Антибиотики

Слизь, кровь Соматические клетки Ферменты

Гормоны

Биомасса

Органические

кислоты

Спирт

Целлюлоза Гемицеллюлоза

Пентозаны

Пектии Хитин

Жиры Масла

Желчные кис лоты

Индол

Скатол Фенолы Полисахариды

Лигнин

(одревесневший материал)

Целлюлоза с лиг-ииновой коркой (солома)

Кератин (волосы) Кутин

Суберин (пробковое вещество) Воск

Желчные пигменты

Лигниио-протеино-вые комплексы

Гумнновьш /вещества

Рис. 4. Содержание в экскрементах животных органических соединений, определяющих протекание процесса брожения,

Таблица 5. Состав экскрементов животных (в % к сухому

веществу)

Компонент

Экскременты

крупного рогатого скота (на откорме)

жойиых коров

свиней

Органическая масса Азот Фосфор

Калий Кальций Магний C/N

Сырая клетчатка

(целлюлоза) Сырой жир Сырой протеин Лигнии

кур

по химическому составу в зависимости от того, о каком виде животных идет речь и какой корм эти животные потребляют (табл. 5). Кроме того, отходы животноводства в зависимости от способа содержания животных могут включать в себя самые различные количества воды, подстилочного материала и остатков корма.

Если подвергаемый сбраживанию исходный субстрат содержит, кроме стойлового навоза, другие растительные остатки, следует обращать особое внимание на их состав (табл. 6). При этом прежде всего нужно учитывать характерное для определенных условий высокое содержание лигнина, который практически не разлагается микробами и, следовательно, не принимает участия в процессе газообразования. По этой причине выход газа из экскрементов жвачных животных, которые нуждаются в кормах с высоким содержанием сырой клетчатки, значительно меньше, чем из экскрементов кур и свиней. Хотя путем механического, химического или теплового воздействия лигниновые комплексы можно Сделать доступными для биохимического разложения, связанные с этим расходы делают упомянутые методы неприемлемыми для сельскохозяйственного производства [45].

2*

19

Таблица 6. Состав соломы зерновых, ботвы сахарной свеклы

и картофеля (в % к сухому веществу) [76, 98, 120]

Для сбраживания растительных материалов с высоким содержанием способных к разложению соединений углерода необходимо добавление богатых азотом веществ, например куриного помета или свиного навоза, чтобы получить соотношение C/N в пределах, требуемых для беспрепятственного протекания процесса брожения.

1.2.2. Размеры твердых частиц [89, 116, 124]

Активного обмена веществ и высокой скорости биохимических обменных процессов можно достигнуть, если поддерживать и непрерывно обновлять максимально возможную величину граничных поверхностей между твердой и жидкой фазами. Поэтому твердые материалы, в особенности растительного происхождения, должны быть предварительно подготовлены с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств, чтобы в результате эффективного механического воздействия на куски стеблей и соломы получить частицы возможно меньшего размера. Доля взвешенных в жидкости твердых частиц в значительной мере зависит от технических средств, которые используются для получения тщательного перемешивания, гидравлического транспортирования субстрата и отделения газа. Современный уровень развития техники позволяет перерабатывать в сельско-

го

хозяйственных биогазовых установках субстраты с содержанием твердых веществ до 12%, если длина частиц отдельных волокнистых и стеблевидных твердых компонентов не превышает 30 мм.

В принципе органические вещества можно сбраживать и в твердой фазе, если иметь достаточно влажную среду. Однако сбраживание твердых веществ практически не получило промышленного значения, поскольку в твердой фазе нельзя обеспечить перераспределение и взаимное перемешивание бактерий и субстрата, а также удовлетворительный отвод газа.

Твердые вещества, плотность которых существенно выше, чем жидкости, обусловливают образование осадка (седиментацию) илн плавающей корки, чему способствует флотация. Возникающие в связи с этим механико-гидравлические проблемы и ухудшение процесса газообразования могут привести к тому, что для устранения подобных нарушений потребуются более высокие затраты технических средств и энергии. Эти трудности можно исключить, если упомянутые вещества перед подачей в реактор отделить от субстрата с помощью механического сепаратора [53]. Однако это приводит к соответствующему уменьшению выхода газа.

1.2.3. Максимальный выход газа

По вопросу о том, какое количество газа может быть выделено из различных сельскохозяйственных отходов, остатков и их смесей при оптимальных условиях сбраживания, имеются весьма разноречивые данные, что объясняется paзиooбpaзиe^5 состава субстрата. Поэтому мы не можем здесь привести приемлемые для всех условий данные о максимально возможном выходе газа.

Если отнести выход газа, возможный при температуре процесса около 32°С, к количеству разложившейся органической массы, то соответствующие значения будут лежать в пределах Уобщ = 0,8... 1,0 м^ на 1 кг разложившейся органической массы.

Напротив, выход газа, отнесенный к единице закладываемой в реактор органической массы, будет находиться в интервале Уобщ = 0,4... 0,6 м на 1 кг внесенной в реактор органической массы. Таким образом, в зависимости от доли способной к сбраживанию органической

21

1 "1

^200 Ч 100

О 10 20 SOifO 506070 80 90100 Время дрожния, сут

Рис. 5. Выход газа в расчете на 1 г сухого органического вещества типичных сельскохозяйственных материалов при температуре брожения 30 °С [89]:

й —трава; б — солома; в — экскременты крупного рогатого

массы в реакторе разлагается лишь 40... 50 % всей закладываемой в него органической массы.

Соотношение количеств газа, которые могут быть выделены из органического вещества жидкого навоза дойных коров (Д), бычков на откорме (Б), свиней (С) и кур (К) в процессе брожения при температуре 33°С, в первом приближении можно принять равным Д : Б : :С:К = 5:7:8: 10 {18].

Для выделения определенного количества газа из различных органических материалов требуется специфическая для каждого из них продолжительность процесса брожения, причем выход газа в единицу времени сначала резко увеличивается, а затем по достижении максимума постепенно уменьшается. Полученные при этом суммарные кривые для типичных объектов брожения представлены на рисунке 5. Из рисунка следует также, что трава, содержащая много белковых веществ, обладает высокой скоростью реакции и дает большой выход газа, в то время как солома и экскременты откармливаемых бычков из-за значительной доли лигнина сбраживаются гораздо медленнее и выделяют меньше газа [89]. Это также хорошо видно из таблицы 7, в которой приводятся данные о возможных значениях выхода газа и о продолжительности процесса, необходимой для полного сбраживания типичных сельскохозяйственных материалов.

О повышении выхода газа при увеличении температуры процесса (до 54°С) уже говорилось выше.

1.3. Особенности технологии

Практически достижимый в промышленной установке выход газа зависит от многочисленных факторов, влияние которых, обусловленное конструкцией установки и

Таблица 7. Выход газа и продолжительность цикла брожения

(полное сбраживание) для типичных

сельскохозяйственных материалов при температуре

30°С [89]

Сбраживаемый материал

Выход газа (смз г), _ отнесенный

is

0) 2

и

Выход газа в % от общего коли-!чества по истечении времени цикла

Экскременты откармливаемых бычков Свиной навоз

Солома с длиной резки

30 мм ■ Солома с длиной резки

2 мм

Картофельная ботва Ботва сахарной свеклы Трава

производственными условиями, может быть самым различным. В дополнение к уже названным в разделе 1.2. факторам существенное значение имеют:

—загрузка рабочего пространства (количество загружаемой органической массы, приходящееся на единицу времени и единицу чистого объема реактора);

—технологическое время цикла брожения (время пребывания в реакторе закладываемой в него органической массы);

—интенсивность перемешивания.

1.3.1. Загрузка рабочего пространства

При непрерывном или квазинепрерывном технологическом процессе сбраживания (см. раздел 3.1) наибольшая интенсивность разложения получается в том случае, если количество органического вещества, которое добавляется в единицу времени к находящемуся в реакторе субстрату, соответствует уже разложившемуся к данному моменту количеству органического вещества. Добавление больших партий массы ведет к получению