كيف هو الغاز الحيوي المخمرة ؟
الغاز الحيوي التخمير هو في الواقع عملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة و تحويل الطاقة . الغاز الحيوي الكائنات الحية الدقيقة الحصول على الطاقة والمواد من أجل النمو والتكاثر ، في حين أن معظم المواد تتحول إلى غاز الميثان وثاني أكسيد الكربون . من خلال التحليل العلمي ، حوالي 90 ٪ من المواد العضوية يتم تحويلها إلى غاز الميثان ، و 10 ٪ من الكائنات الحية الدقيقة المستخدمة في استهلاك الغاز الحيوي . إنتاج الغاز الحيوي من المواد الخام المخمرة يتحقق من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية المعقدة .
تحويل المواد العضوية إلى غاز الميثان يتطلب ثلاث مراحل
تقريبا جميع المواد العضوية يمكن أن تتحلل اللاهوائية لإنتاج الغاز الحيوي . تحويل المواد العضوية الصلبة إلى غاز الميثان يمكن تقسيمها إلى ثلاث مراحل : تسييل ، وحامض الميثان .
واحد هو تسييل المرحلة . تسييل المرحلة ، وتسمى أيضا مرحلة التحلل ، هو تحويل المواد العضوية غير قابلة للذوبان في الماء في شكل صلب إلى مادة قابلة للذوبان في الماء تحت تأثير الكائنات الحية الدقيقة . العديد من الكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تفرز مجموعة متنوعة من الانزيمات خارج الخلية ، في إطار العمل من الإنزيمات خارج الخلية ، شكل صلب المواد العضوية تتحلل إلى مواد قابلة للذوبان مع انخفاض الوزن الجزيئي . على سبيل المثال ، سلولاز ، الأميليز ، البروتياز والليباز ، وما إلى ذلك ، من خلال التحلل من المواد العضوية في المختبر ، تحلل السكريات إلى السكريات الأحادية أو ثنائي السكاريد ، البروتين إلى ببتيد والأحماض الأمينية ، الدهون إلى الجليسرين والأحماض الدهنية ، وهلم جرا . هذه المواد القابلة للذوبان مع انخفاض الوزن الجزيئي يمكن أن تدخل الخلايا الميكروبية لمزيد من التحلل .
والثاني هو إنتاج حمض المرحلة . بعد مختلف المواد القابلة للذوبان ( السكريات والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية ) التي تنتجها تسييل المرحلة يدخل الخلية ، المواد العضوية البسيطة مثل حمض زبدي ، حمض البروبيونيك ، حمض الخليك ، والكحول ، كيتون ، والألدهيدات ، وما إلى ذلك يمكن أن تتحلل و تحويلها إلى انخفاض الوزن الجزيئي المواد في إطار العمل من الإنزيمات داخل الخلايا من السليلوز البكتيريا ، البكتيريا البروتين ، البكتيريا الدهنية البكتين البكتيريا . هذه المرحلة هي أساسا إنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة المختلفة ، وأهم المنتجات هي حمض الخليك ، حوالي 70 ٪ أو أكثر ، ولكن أيضا بعض الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والأمونيا وقليل من المنتجات الأخرى . حتى هذه المرحلة تسمى حمض إنتاج المرحلة .
تسييل حمض إنتاج المرحلة هي عملية مستمرة ومتداخلة . في ظل ظروف لاهوائية ، الكربوهيدرات والبروتين والدهون في المواد الخام يمكن أن تتحلل إلى مركبات جزيئية صغيرة بسيطة ، ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين يمكن أن تتولد في نفس الوقت من خلال التآزر من مختلف الكائنات الحية الدقيقة . هذه اثنين من مراحل إنتاج غاز الميثان التوليف مصفوفة ، مثل حمض الخليك ، حمض زبدي ، والكحول ، وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين ، وما إلى ذلك ، لا تنتج غاز الميثان ، لذلك يسمى أيضا غير الميثان المرحلة . غير methanogenic المرحلة يمكن أن تعتبر مرحلة تجهيز المواد الخام ، أي المواد العضوية المعقدة يمكن أن تتحول إلى المواد التي يمكن استخدامها من قبل methanogenic البكتيريا ، والتي يمكن أن تلبي احتياجات الحياة نشاط methanogenic البكتيريا . هناك العديد من الكائنات الحية الدقيقة التي تعمل في مرحلة إنتاج غاز الميثان ، وهناك العديد من أنواع مختلفة من الكائنات الحية الدقيقة . من بينها ، كمية محددة من البكتيريا اللاهوائية هو أكبر ، 100-200 مرات أكثر من اختياري البكتيريا اللاهوائية و البكتيريا الهوائية ، والتي تلعب دورا رئيسيا في هذه المرحلة . البكتيريا المنتجة للهيدروجين هي واحدة من أهم الكائنات الحية الدقيقة في مرحلة غير methanogenic ، وتشنغدو معهد البيولوجيا ، الأكاديمية الصينية للعلوم قد نجحت في إثراء وعزل البكتيريا المنتجة للهيدروجين من أنواع مختلفة من الغاز الحيوي الحمأة .
وثالثا ، مرحلة إنتاج الميثان . في هذه المرحلة ، methanogens تحويل مركبات جزيئية منخفضة مثل حمض الخليك ، حمض الفورميك ، والهيدروجين وثاني أكسيد الكربون إلى غاز الميثان .
التفاعل بين ثلاث مراحل من الغاز الحيوي التخمير
في عملية تخمير الغاز الحيوي ، ثلاث مراحل مترابطة ومستمرة ، وفي الوقت نفسه ، فهي مترابطة و مقيدة . وأظهرت النتائج أن كمية كبيرة من الأحماض المتطايرة المنتجة في المرحلة الأولى من التخمير ، في حين أن تركيز الأحماض المتطايرة زيادة سريعة ، تركيز الأمونيا النيتروجين زيادة حادة . عند تركيز الأمونيا النيتروجين تصل إلى ذروتها ، تركيز الأحماض المتطايرة ، الأكسدة والاختزال المحتملة انخفض إنتاج الغاز و محتوى الميثان في الغاز ارتفع إلى ذروته . بعد الانتهاء من سلسلة من ردود الفعل ، قيمة الرقم الهيدروجيني ، الأكسدة والاختزال المحتملة ، إنتاج الغاز والميثان المحتوى كلها مستقرة ، في حين أن تركيز الأحماض المتطايرة انخفضت بشكل ملحوظ . هذا يدل على أن جميع العوامل البيوكيميائية قد تغيرت بشكل ملحوظ في عملية التخمير الغاز الحيوي ، وأنها تعتمد على بعضها البعض و تقييد بعضها البعض . ومع ذلك ، فإن الكائنات الحية الدقيقة الغاز الحيوي هي أيضا حساسة للتغيرات البيئية ، والتغيرات في بعض العوامل البيئية سوف تؤثر على التوازن أو حتى تدميرها . على سبيل المثال ، إذا كان هناك الكثير من المواد الخام في وقت واحد ، تغير مفاجئ في درجة الحرارة أكثر من 2 درجة مئوية ، بعض المواد السامة في تغذية السائل ، وهلم جرا ، درجة الحموضة ، إنتاج الغاز وإنتاج الغاز مكونات التغيير ، كسر التوازن ، تؤثر على إنتاج الغاز . ومع ذلك ، فإن الكائنات الحية الدقيقة الغاز الحيوي لديها بعض القدرة على التكيف مع البيئة ، طالما أن العوامل البيئية لا تتجاوز مجموعة معينة ، حتى لو كان التوازن هو كسر مؤقت ، بعد فترة معينة من التنظيم الذاتي يمكن أن تصل إلى توازن جديد . هذا النوع من الحالة لا تحتاج إلى تعديل مصطنع عموما ، فقط عندما تغير العوامل البيئية يتجاوز قدرة تحمل الميكروبات ، التوازن الديناميكي هو تدمير لا يمكن استعادة تلقائيا ، تحتاج فقط إلى اتخاذ التدابير اللازمة من أجل تعديل مصطنع .
العلاقة بين المواد الصلبة و الغاز الحيوي التخمير
في عملية تخمير الغاز الحيوي ، تسييل المرحلة تتم عن طريق التحلل ، والتي تتطلب بعض الطاقة . ومع ذلك ، في معظم الحالات ، لا يمكن أن توفر الطاقة الميكروبية في مرحلة تسييل الغاز الحيوي التخمير ، مما يؤدي إلى بطء التقدم في تسييل المواد العضوية الصلبة ، وغالبا ما تصبح الحد من سرعة الغاز الحيوي التخمير . سرعة تسييل المواد الصلبة يؤثر بشكل مباشر على معدل إنتاج الغاز الحيوي . تسييل المواد الصلبة لديها أيضا تأثير مباشر على إنتاج الغاز . معظم المواد الخام المخمرة ، ولا سيما المواد الخام من مختلف المحاصيل النفايات ، وارتفاع محتوى المواد الصلبة ، وأقل ذوبان المكونات ، وبعض سطح الشمع ، لذلك ، في الإنتاج ، ينبغي أن تعتمد طريقة المعالجة من النفايات الزراعية لتسريع عملية تسييل المرحلة وزيادة درجة تسييل ، بحيث يمكن تسريع نسبيا سرعة التخمير ، ولكن أيضا زيادة إنتاج الغاز الحيوي . المعالجة من نفايات المحاصيل يمكن أن يتحقق عن طريق سحق و التعطن .
بطبيعة الحال ، بعض المواد الخام المخمرة ، مثل النفايات الخمور ، الأحماض الدهنية الاصطناعية النفايات السائلة ، منتجات فول الصويا النفايات السائلة ، وهلم جرا ، تحتوي على أكثر من المواد العضوية الذائبة ، وقد تم الانتهاء من مرحلة تسييل قبل التخمير في البركة ، التخمير السريع جدا ، فترة الاحتفاظ يمكن اختصارها إلى بضع ساعات أو بضع ساعات ، لذلك ، فإنه ليس من الضروري إجراء المعالجة .