GBRSRB
Početna
Foto
Video
Novosti
Katalozi
Kontakt

Proces anaerobne digestije

Obnovljivi Izvori Energije | Biogas | Proces anaerobne digestije 

Anaerobno (metansko) vrenje predstavlja složen niz biohemijskih reakcija i procesa kojim se organska materija pod uticajem kompleksne bakterijske populacije prevodi u smešu gasova, u kojoj su osnovne komponente metan i ugljen-dioksid, i koja se zove biogas. To je proces stabilizacije jedinjenja, smanjenje mirisa, patogenih organizama, i masovno smanjenje jedinjenja ugljovodonika. Jedno osnovno pitanje koje se nameće je metabolička funkcija koje kontrolišu protok elektrona i ugljenik u datom smanjenom odnosu krajnjeg proizvoda tokom čiste kulture i mešovitim kulturama za metanogene hidrolitičke bakterije.

Anaerobna digestija – anaerobno vrenje odvija se u tri faze pretvaranja:

  • Prva faza je hidroliza. U ovoj fazi, zbog dovoljne količine vode i pod dejstvom enzima, dolazi do razgradnje velikih molekula na molekule veličine da ih bakterije mogu primati kroz svoje membrane. U ovoj fazi počinje razvoj bakterija, prvo kiselinskih.
  • Druga faza je kiselinska U ovoj fazi se, pod dejstvom kiselinskih bakterija, raspadaju molekuli proteina, masnoća i ugljenih hidrata na kiseline, ugljen-dioksid, vodonik, amonijak, alkohole i dr.
  • Treća faza je metanska U njoj se odvija dalja razgradnja pod dejstvom fermenata i metanskih bakterija, što rezultira stvaranje metana i ugljen-dioksida.


Slika  Faze anaerobnog procesa digestije organske biomase

           Hidroliza

U većini slučajeva, biomasa, bez obzira na izvore i posmatrajući fizičko-hemijske karakteristike, se sastoji od velikih organskih polimernih molekula. Kako bi bakterije u anaerobnim digestorima pristupile oslobađanju energetskog potencijala materijala u vidu jednostavnih produkata, što i jeste metan CH4, ovi polimerni molekuli – lanci moraju prvo biti razloženi na manje sastavne delove, što se vrši hidrolizom ili raskidanjem hemijskih veza putem dodavanja vode. Ovi sastavni deloviili monomeri, su šećeri i oni su dalje lako dostupni drugim bakterijama. Proces razbijanja tih lanaca i formiranja manjih molekula u rastvoru naziva se hidroliza. Kroz hidrolizu kompleksni organski molekuli se dele na:

  • jednostavne šećere,
  • aminokiseline i
  • masne kiseline

 

Hidroliza kod estara i amidnih jedinjenja ili acidobazne-katalizovane hidrolize su veoma česte, pri čemu se hidroliza javlja kada nukleofil jezgro traži molekul vode ili hidroksidni jon napada ugljenik. U vodenoj bazi, hidroksilni joni su bolji nukleofili od polarnih molekula, kao što je voda. U kiselinama, karbonilnih grupa dolazi do dodavanja pozitivnog naelektrisanja i dolazi do mnogo lakšeg nukleofilnog napada. Proizvod su jedinjenja iz karboksilne grupe kiseline. Najstariji proces ove vrste je proizvodnja sapuna, a proces hidrolize se može unaprediti tako što se dodaju enzimi koji služe kao katalizatori, što omogućava hidrolizu proteina, masti, nafte i složenijih ugljenih hidrata. Kao primer, može se razmotriti reakcija proteaze enzimi koji pomažu raspad unutrašnjih peptidnih veza u proteinima i ekopeptidaze enzima, koji katalizuje hidrolizu veze peptida, oslobađajući jedan slobodan molekul amino-kiseline.

Hidroliza Adenozintrifosfata ATP - energija koja potiče od oksidacije hranljivih materija se ne koristi direktno već, putem niza reakcija, energija molekula se često skladišti u formi adenozintrifosfata (ATP). ATP molekul sadrži pirofosfatne veze koje oslobađaju energiju kada je potrebno. ATP se podvrgne hidrolizi kako bi mogli ovi molekuli da oslobode energiju u procesu digestije i to na dva načina: uklanjanjem fosfata - formira se adenozin difosfat (ADP) i neorganski fosfat, ili druga opcija otklanjanja molekula na prinos adenozindifosfatu, a to je monofosfat (AMP) i pirofosfat.

Hidroliza polisaharida (saharifikacija) - enzimi koji vrše hidrolizu glikozidnih veza u koje spajaju ugljovodonični monomeri u grupe, se nazivaju glikozidaze – glikozidne hidrolaze. Zajedno da glikoziltransferazama – GTF formiraju efikasan mehanizam za razlaganje biomase sa ili sa - glikozidnim vezama, naročito značajno kod celuloze i hemiceluloze. GTF katalizuju prenos monosaharidnih molekula iz aktivnog monosaharida – saharidne nukleotide i prenosi se na funkcionalnu grupu nekog drugog molekula što je često neka forma alkohola. Postoji devet tipova aktivnih monosaharida, UDP - Glc, UDP - Gal, UDP - GalNAc, UDP - GlcUA, UDP - Xyl, GDP - Man, GDP-Fuc, CMP - Neu5Ac koji su u formi monofosfata, što su jedinjenja koja se sintezuju kod sisara. Efikasan enzim za razlaganje je enzim beta-galaktozidaza LacZ prisutan u digestivnom traktu životinja, zato stajnjak može da se koristi za digestiju u biogas ili da pospeši planiran proces anaerobne digestije kod silažne biomase. Glikozidne hidrolaze omogućavaju rastavljanje celuloze do stanja glukoze i može da se primeni pri dobijanju biogoriva od biomase, uključujući i proces anaerobne digestije.

 Slika Trosložni sistem digestije sa prikazom slaganja flokula u rastvoru biogas rastvora

Najpoznatiji disaharid je u koji se raspada celuloza je saharoza koji daljom hidrolizom daje glukozu i fruktozu. Invertaza (EC 3.2.1.26) se koristi industrijski za hidrolizu saharoze u mešavinu glukoze i fruktoze, pri čemu je optimalna temperatura procesa 60ºC – termofilična digestija i pH od 4.5. Laktaza (EC 3.3.1.108) je neophodna za hidrolizu laktoze. Slad se od ječma se koristi kao izvor β-amilaze kojima se skrob razlaže u disaharid maltoze, koja se može koristiti kao kvasac za proizvodnju piva. Drugi enzimi amilaze mogu konvertovati skrob u glukozu ili oligosaharide. Celuloza je prvi stepen hidrolize da onda enzim celobioze se dalje hidrolizuje u glukozu od beta-glukozidaze. Životinje poput krava (preživari) mogu da sami hidrolizuju celulozu u celobiozu a zatim u glukozu zbog simbioznih bakterija koje proizvode celulaze. Proces silaže otpočinje reakciju hidrolize, a uvođenje u proces biodigestije hidroliza se ubrzava i podvrgava boljim uslovima.

Slika Veza kod polisaharida, glikozidna veza koja je predstavljena centralnim atomom
kiseonika koji vezuju dve monosaharidne jedinice

              Acidogeneza

Biološka reakcija gde se jednostavni monomeri pretvaraju u isparljive masne kiseline, je druga faza anaerobne digestije. Thermoanaerobioum brockii je predstavnik termofilnih, hidrolitičkih bakterija, koje fermentira glukozu. Ova bakterija je netipična bakterija hetero-mlečne kiseline jer stvara molekularni vodonik, pored mlečne kiseline i etanola. Uslovi rasta ove bakterije je temperatura 35 do 80°C i sa pH od 7.5, pri tome je potrebno menjati pH vrednost u zavisnosti od faze anaerobne digestije. Glukoza je krajnju produkt fermentacije koja je enzimski formirana od piruvata, kroz sledeće mehanizme: laktati od Fruktoza bisphosphatase-fruktoza 1-6 (F6P) koji aktivira laktat, i piruvat H2 po feredokin okidoreduktaza i hidrogenaza; i nastaje etanol preko NADH i NADPH-alkohola. Ovaj proces je bitan za ostvarivanje efikasne proizvodnje bioetanola. Nakon hidrolize, amidi se pretvaraju u karboksilne kiseline i amonijak. Karboksilne kiseline imaju hidroksilne grupe koje potiču iz vode molekula i amonijak koji dobija jon vodonika. Hidroliza peptida u daljem procesu daju amino kiseline.

Slika - prikaz 2 CHP generatora u kogeneraciji biogasa 

Sve do sredine 1960-ih godina nije primenjen inženjering razdvajanja faza biomase gde je pretpostavljeno da bi se poboljšala stabilnost i primenio pravilan tretman otpada digestorima. U ovoj fazi,. kompleksni molekuli, kao što su: ugljeni hidrati, masti i proteini su u depolimerizovanoj formi koji sadrži rastvorljiva jedinjenja od hidrolitičkih enzima celulaze, hemicelulaze, amilaze, lipaze i proteaze. Hidrolizovana jedinjenja se fermentacijom raspadaju do isparljivih masnih kiselina acetat, propionat, butirat, i laktat, i na takođe neutralna jedinjenja etanol, metanol, amonijak, vodonik i ugljen dioksid. Stepen razlaganja i mogućnosti da dođe do isparavanja produkata hidrolize i acidogeneze se izražava sa procentom isparljivih čvrstih materija VS – volatile solids.

Slika Prikaz konstrukcija zidova biogasa sekundarnog biogas anaerobnog biodigestora

            Acetogeneza

Acetogenesis – acedogeneza je jedna od glavnih reakcija u ovoj fazi, pri čemu posrednik metaboličnih jedinjenja su proizvedena u formi acetata, vodonika i ugljenog gasa kroz tri glavne grupe bakterija. Acetogeneza je proces kroz koji se acetat proizvodi od anaerobnih bakterija sa različitim vrednostima energije (na primer, vodonik) i ugljenika (na primer, ugljen-dioksid) iz izvora. Različite vrste bakterija koje su u stanju da se kolektivno nazivaju acetogenezne bakerije dele se u tri glavne grupe bakterija:

  • homoacetogene;
  • sintropne i
  • sulphoreductors – sumpor reduktori.

 

Za proizvodnju sirćetne kiseline smatraju se da su pogodne tri vrste bakterija:

  • Clostridium aceticum,
  • Acetobacter voodii i
  • Clostridium termoautotrophicum

 

Primer za pravilan proces acetogeneze je Acetobacter voodii u saradnji sa Methanosarcin bakterijom proizvode metan i ugljen-dioksid iz fruktoze, umesto tri molekula acetata. Sirćetna kiselina je podjednako ko-metabolit organskog jedinjanja fermentacije od šećera, glicerola, mlečna kiselina, itd; od strane različitih grupa mikroorganizama koji proizvode različite kiseline:

  • Propionske bakterije (propionat + acetat);
  • Clostridium (butirat + acetat);
  • Enterobakterije (acetat + laktat) i
  • Hetero-fermentativne bakterije (acetat, propionat, butirat itd.)

 

Slika Prikaz biogas postrojenja kapaciteta 3MW u Holandiji

            Metanogeneza

Metanogeneza ili biometanizacija formiranje metana zahvaljujući mikrobima metanogenih bakterija. Organizmi sposobni da proizvode metan su identifikovani samo iz domena Archaea, grupa koja se razlikuje od eukariota i klasičnih bakterija, iako mnoge žive u tesnoj saradnji sa anaerobnim bakterijama. Proizvodnja metana je važan i široko rasprostranjen oblik metabolizma mikroba i predsavlja zadnji korak u sistemu anaerobne digestije. Metanogeneza u mikrobima – metanogenima je oblik anaerobnog disanja i ne koristi se kiseonik za upotrebu, koji čak inhibira rad mikroba. Trenutni elektron akceptor u Metanogenezi nije kiseonik, već je ugljenik. Ugljenik može doći u malom broju organskih jedinjenja, i imaju malu molekulsku težinu. Dva najbolja opisa puta da se upotrebi ugljen-dioksid i sirćetna kiselina, kao akceptor elektrona za dalju proizvodnju metana su:

Takođe je u procesu metanogeneze pokazano da se koristi ugljenik iz drugih malih organskih jednjenja, kao što su metanol, dimetil – sulfid, metilamini i metan – etol. Biohemijski proces metanogeneze je relativno složen proces, koji koriste koenzime:

  • F420 koenzim B – koristi se za redoks reakciju metanogena; pri čemu koenzim B reaguje sa Koenzimom – M pri čemu se direktno izdvaja metan,
  • Koenzim – M – koristi se za prebacivanje metabolizma metanogena, gde se odvija metanogeneza
  • Metanofuran – je jedinjenje koje se nalazi u hemijskim jedinjenjima metanogenere arhacee; metanogeneza se odvija tako što se dodaje još jedan pozitivan jon,

 

Za vreme procesa raspadanja, elektronski akceptori (kiseonik, gvožđe, sulfat i nitrat) te je nepodesno da se koristi kiseonik kao element koji je prisutan anaerobnoj digestiji. Supstance koje su zastupljene i koje se apsorbuju u procesu su vodonik i ugljendioksid. Za vremene procesa složenijeg organskog raspada svi elektronski akceptori postaju osiromašeni sa ugljenikom osim CO2, koji je produkt u najvećem broju procesa i ne može da se istroši kao druge suptance. Samo matanogeneza i fermentacija mogu da se pojave u odsustvu akceptora elektrona pored ugljenika. Metanogeneza efektno uklanja polu – finalne produkte u raspadu: vodonik, mala organska jedinjenja i CO2. Ukoliko ne bi postojala zadnja faza u digestiji onda bi se veoma veliki broj jedinjenja ugljenika akumulirao u bezvazdušnoj sredini. Metanogene bakterije sadrže i preživari u većem procentu i ljudi u nešto manjem udelu u crevnom traktu i ovo omogućava razlaganje celuloznih biljnih materija i da se preživa trava – kod preživara. Sama faza metanogeneze može da se obavlja samo ukoliko su pH između vrednosti od 6.5 do 8, a preostali materijal koji ne može da bude u procesu biodigestije su mrtve bakterije koje ostaju činioci u digestatu. Ukoliko se sumira proces vrenja ugljenih hidrata, može se videti koliko molekula metana i CO2 nastane pri vrenju, odnosno i deo nastanka CO2 se u reakciji sa vodonikom pretvara u metan relacija (4), što upućuje na veliki procenat prisutnog metana u odnosu na ostale činioce biogasa.

Pronađite nas na: