Биогаз түзілу технологиясының басты кезеңдері
Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігі
Оңтүстік Қазақстан мемлекеттік педагогикалық университеті
Төлепберген Дания Асылханқызы
Оңтүстік өңірде өндірілетін биогаз технологиясымен микрофлорасының жергілікті штамдарын зерттеу
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Мамандығы 5В011300 - Биология
Шымкент 2020
Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігі
Оңтүстік Қазақстан мемлекеттік педагогикалық университеті
Қорғауға жіберілген
Биология кафедра меңгерушісі
________Н.М. Байсейтова
_________2020 жыл
Оңтүстік өңірде өндірілетін биогаз технологиясымен микрофлорасының жергілікті штамдарын зерттеу
Дипломдық жұмыс
Мамандығы 5В011300-Биология
Орындаған Д.А.Төлепберген, 113-16а тобы
Ғылыми жетекшісі
б.ғ.к., доцент Э.Б.Жаппарбергенова
Норма бақылаушы Ж.Әль-Фарабиқызы
Шымкент 2020
МАЗМҰНЫ
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР
АНЫҚТАМАЛАР
БЕЛГІЛЕУЛЕР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР
КІРІСПЕ
7
1
БИОМЕТАНОГЕНДІ ӨНДІРІС НЕГІЗДЕРІ
10
1.1
Биометаногенезді жүргізетін заманауи технологиялар
10
1.2
Метанның анаэробты биоконверсиясы
12
1.3
Биометаногенез процесінің технологиялық кезеңдері
27
1.4
Биогаз өндірісіне әсер ететін факторлар
40
1.5
Биометаногенездің негізгі кезеңдері
45
2
БИОМЕТАНОГЕНДІ МИКРООРГАНИЗМДЕР АССОЦИАЦИЯСЫНЫҢ ЖЕРГІЛІКТІ ШТАМДАРЫ
51
2.1
Биогазға арналған шикізаттар
51
2.2
Биометаногенез процессін жергілікті шикізат негізінде алу технологиясының нәтижелері
54
2.3
Бактериологиялық бақылау әдістері. Қоректік орта даярлау
57
2.4
Биометаногенді микрофлораның культуральды белгілерін анықтау
62
2.5
Метаногенді микрофлораның жергілікті штамдарын бактериологиялық тәсілдер арқылы зерттеу
66
Тұжырым
67
Қорытынды
69
Пайдаланған әдебиеттер тізімі
71
АНЫҚТАМАЛАР
Бұл магистрлік диссертацияда келесі терминдер сәйкес анықтамаларымен пайдаланылған:
Ашытқы саңырауқұлақтары - бір клеткалы қозғалмайтын және бактериялардан шамамен алғанда он еседен ірі микроорганизмдер.
Ферментер - организмдегі жүретін биологиялық реакцияларды тездетуші биологиялық катализаторлар.
Аэрация - микроорганизмді оттегімен культивирлеу.
Ашыту - микроорганизмдер және ферменттің көмегімен қоректік ортаның заттарын жаңа заттарға айналдыратын күрделі биохимиялық процесс.
Сахаромицеттер - бұларға мәдени ашытқы саңырауқұлақтар жатады. Олар бүршіктену және споралар түзу арқылы көбейеді.
Катализатор - химиялық реакцияны жылдамдата отырып, өзгеріске ұшырамайтын заттарды айтамыз.
Ферменттік активтілік - белгілі фермент бөлшегінің көмегімен нақты уақыт ішінде алынған субстрат шамасы.
Флавиндік дегидрогеназа - сутегі атомын бөліп алу жолымен субстратты тотықтырады.
Амилаза - спирт, сыра, шарап, нан, кондитер заттарын алуда қолданылады.
Пектиназа - шарапты түссіздендіруде, жеміс секторын түссіздендіруде қолданады.
Микробты протеза - сыра қайнатуда, қамырдың жетілуін тездетуде, ет сапасын жақсартуда қолданылады.
Өсу стимуляторы - микроорганизмнің аз концентрациясында өсудің физиологиялық және биохимиялық қасиеті.
Агар-агар - микроорганизмдерді өсіруге арналған қоректік орта.
БЕЛГІЛЕУЛЕР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР
Нм-нанометр
мкм -микрометр
Л - литр ;
Кг-килограмм ;
Г-грамм ;
Сағ - сағат ;
Мин - минут ;
Т - тонна ;
М - метр ;
Мкм - микрометр ;
См - сантиметр ;
Па - Паскаль ;
МПа - мега Паскаль ;
Тн - тенге ;
% - пайыздық үлес ;
0С - градус Цельсия ;
Вт - Ватт;
кВт - киловат;
ТМД - Тәуелсіз мемлекеттер достығы
БТ - Биотехнология
МБ - Микробиология
М.О - Микроорганизм
ФАД - Флавинадениндинуклеотид
ТПФ - Тиминпрофасфат
ТДФ - Тиминдифосфат
НАД - Никотинамиднуклеотид
НАДФ - Никотинамидадениндинуклеотидфосфат
КО - Кофермент
ФМН - Флавинмононуклеотид
ПКО - Пиридоксиндік кофермент
г - грамм, масса өлшемі
%-пайыз
тәу-тәулік
АБК - Азықтық витаминді концентрат
КС - культуральды сұйықтық
мм - милиметр
м3 - метр куб
с- секунд
p - тығыздық
V- көлем
ГОСТ-мемлекеттік стандарттар жүйесі
БТ - биотехнология
КІРІСПЕ
Тақырыптың өзектілігі. Қазақстан Республикасы өткізген ЭКСПО -2017 тақырыбы қазіргі бүкіл әлем алдындағы тұрған жаңа альтернативті энергия іздестіру мәслесіне арналып, адамзат алдында арзан әрі, тиіміді, қоршаған ортаға залал әкелмейтің әрі қайта қалпына келіп, толықтырылып отыратын қуат көзін іздестіруіөзекті мәселе болып келетінің айқындады.
Осыған орай, альтернативті энергия, оның ішінде қалдықтарды биоконверсиялайтын мәселелер біздің елемізде нарық жағдайында қолға алынып кележатыр.
Қазақ халқы дәстүрлі мал шаруашылығында негізділген тұрмыс-тіршілігі бар ел болып саналады.
Сол себептенде, ауылшаруашылық қалдықтарды метаногенез барысында биоконверсиялау тиіміді және елдің менталитетіне жақын болып келетің процесс.
Соңғы жылдары Республиканың фермерлік қожалықтарында биогаз өндірісіне бет бұрылып, шаруалықтар арасында қызығушылық байқалып келеді.
Нәтижесінде отандық және шетелдік корпорациялар түрлі биогазды қондырғыларды ұсынып, жекемеңшік қожылықтармен қатар бұл салаға көптеген коммуналды қожалықтар, су тазартқыш жүйелермен үлкен көлемді зауыттар дамытып келеді.
Энергетикалық шаруашылықтың алдынғы орталықтары да бұл саламен айналасуды бастап, биогазды құрылыстардың сапалы әрі тиімді құрылыстарын жасауда.
Мәселен, көптеген азық-түлік өндірістер мен үлкен көлемді тамақтандыру орталықтары, ресторандар үшін тағамдық қалдықтарды өңдеп, утилизация барысында арзан қуат көзін алу, қоршаған ортаны зиян қоқыстардан қорғау, тыңайтқыштыр алу аса маңызды және қосымша табыс әкелетің бағыт болып келеді.
Диплом жұмысының практикалық мыңызы.
Қуат көзін тиімді пайдаланумен бағасын қол жетімді деңгейде сақтау, қоршаған ортаның тазалығын ескеру мен қорғау мәселесін шешуде биогаз технологиясы салмақты үлес қосып, қарқынды дамып келеді.
Сол себептенде, биогаз өңдірістің ережелерін орындаумен ескеру - маңызды іс шарап деп ескеріледі.
Энергия көзі болып табылатын биометаногенез технологиясы тәсілдердің Жасыл Әлем бағытындағы инновациялық технологиялардың бір түрі болып келіп, қауіпсіз өңдіріске жатады.
Осыған орай, біздің зертеуіміз Оңтүстік Қазақстан топырағында биометаногенез процесін жүргізетің микроорганизмдерді микробиологиялық зерттеуге арналып, тәжірибелер өткізіліді.
Биометаногенді технологиялар соңғы жылдықта аса қарқынды дамып, көптеген елдерде кең қолданыста келеді. Әсіресе, фермерлік қожалықтар биогазды қондырғыларды құрып, табыстың жаңа көзін, әрі арзан электрэнергия табу жолына көшуде [1].
Диплом жұмысының мақсаты. Дипломдық жұмысты орындау барысында келесі мақсат қойылды: Қазақстанның оңтүстігінде өндірілетін биогаз жасау технологиясын менгере келе, биометаногендік микрофлораның жергілікті штамдарын зерттеу. Сонымен бірге, биомассадан алынған биометаногенді микробты ассоциациялардың жергілікті штамдарын микробиологиялық зерттеу, дақылдық және морфоцитологиялық белгілерін анықтау, туысқа дейін штаммдардың идентификациясын жүргізу.
Сонымен бірге, тәжірибе барысында биометаногенді технологияның қондырғысы - метанотенкте микрофлораның ауысу динамикасын салыстырмалы зерттеу.
Диплом жұмысының міндеттері
Тәжірибелік жұмыстарды орындау барысында келесі міндеттер қойылды:
1) Тәжірибелік метанотенк үлгісінде жергілікті жылқы мен сиыр тезегінің биомассасын ферменттеу;
2) Биометаногенді ассоциациялардың сынамасын төрт тәулік сайын зерттеп, популяциялық өзгерістердің динамикасын анықтау;
3) Сынамалық үлгілерді зертхана жағдайында, агар-агар қоректік ортада дақылдандыру;
4) Микробты ассоциацияларды бактериологиялық термостат жағдайында өсіріп, элективті жағдайлар жасау: температура 30-320С, ылғалдылық 55-57%, екі тәуліктік экспозиция;
5) Сынамалық дақылдар популяциялардың дақылдық белгілерін анықтау;
6) Тәжірибелік үлгілерді микробиологиялық зерттеу: микропрепараттар әзірлеу, микроскопиялау, микрофототүсіру;
7) Тәжірибелік зерттеу нәтижелерін талқылау, тұжырымдау.
Диплом жұмысының ғылыми жаңалығы. Зерттеу объектісі ретінде Түркістан облысының территориясындағы түрлі органикалық биомасса негізінде мекең ететің биометаногенді микробты ассоциациялар зерттелініп, алғаш рет жергілікті штамдары бөліп алынды, бактериологиялық зертхана жағдайында дақылданып, дақылдық белгілері сарапталды.
Диплом жұмысының объектілері мен әдістері: Зерттеу объектісі ретінде Түркістан облысының территориясындағы жылқы мен сиырдың көктемгі органикалық биомассасы зерттелінді.
Зерттеу әдістері келесі болып келді:
1) Тәжірибелік метанотенк үлгісінде жергілікті жылқы мен сиыр тезегінің биомассасын ферменттеу технологиясы;
2) Биометаногенді ассоциациядағы өзгерістердің динамикасын өлшеп, талдау тәсілі;
3) Колониялардың дақылдық белгілерін зерттеу арқылы биометаногенезді бактериялардың жергілікті штамдарын бөліп алу әдісі;
4)бактериологиялық идентификация жұмыстарын төменде берілген микробиологиялық жолдарымен анықтау: қоректік ортаға сынаманы инокуляттау, элективті жағдайда дақылдау, дақылдық белгілерін сараптау тәсілі, микроскопиялық зерттеу мақсатында Тірі, Қақталағн, Романовский-Гимзе микропрепараттарын дайындап, микроскопиялау, салыстырмалы сараптау.
Микропрепараттар мен дақылдық популяцияларды микрофототүсірілім тәсілімен түсіру.
Диплом жұмысы 60 бетке толық копьютерлік текстпен теріліп, 4 кесте, 14 суреттен енгізілген және жұмыс кіріспе, негізгі бөлім мен қорытындыдан тұрады.
МЕТАНОГЕНЕЗ ҮДЕРІСІНІҢ НЕГІЗІ
0.1 Метаногенез үдерісінің дәстүрлі және жаңа технологиялары
Көптеген елдерде биотехнология ауыл шаруашылығының, медицинаның, экологияның, ұлттық қауіпсіздіктің дәстүрлі мәселелерін айтарлықтай дәрежеде шешуге бағытталған, ғылымдағы ең перспективалы бағыттардың бірі ретінде қарастырыла бастады.
Ғылым қажет ететін ДНК-технологияларды игеру аштық пен ауруларға қарсы күрес проблемаларын шешуде, шаруашылық аумақтардың экологиялық жағдайын жақсарту үшін жаңа мүмкіндіктер ашады.
Жаңа сорттардың өнімділігін арттыру үшін және тамақ өнімдерінің сапасы мен экологиялық қауіпсіздігін жақсартуда, өндірісті ұйымдастырудың зиянсыз ресурстарды үнемдейтін жаңа әдістерін әзірлеу және енгізуде биотехнологияның үлесі зор.
Республиканың ішкі нарығында қазіргі таңда келесі мәселелер өзекті болып табылады:
1)жануарлардың ауруларын алдын алу мен биологиялық құралдарымен емдеу,
2)жемдерді сүрлемдеуге арналған биопрепараттар құрастыру,
3)ауыл шаруашылығы дақылдарын қорғау құралдарымен, битыңайтқыштар жасау,
4) қоршаған ортаны қорғауға арналған ферменттік препараттарды толықтыру,
5)өнімділікті айтарлықтай арттыру,
6)аурулар, зиянкестер және арамшөптермен күресу шығындарының азайту,
6)экономикалық, әлеуметтік және экологиялық әсерге ие улы химикаттармен ластанған жерлерді тазарту,
7)биологиялық белсенді заттар мен жоғары сапалы өнімдерді өндіру үшін генетикалық түрленген жасушаларды және жоғары өнімді штамдарды құру, оларды пайдаланудың принциптері,
8)жануарлардың өнімділігін және олардан алынған өнімнің сапасын биотехнологиялық әдістермен арттыру және in vitro селекциясының негізгі принциптер негізінде бастапқы генетикалық материалдарын жасау, бағалау және іріктеу,
9) In vitro жағдайында жануарлардың генетикалық әртүрлілігін жаңадан құрастыру,
10) жануарлар селекциясындағы in vitro технологиясын пайдалану заңдылықтары мен ерекшелігі негізіндегі әдістерді жетілдіру және қолдану мүмкіндіктерін қарастыру [2].
Өсімдік шаруашылығы жалпы өнімнің жартысына жуығын - ауылшаруашылық өсімдіктері, сабан мен пәлек құрайды. Ауыл шаруашылық өндірісте көң көп мөлшерде органикалық қалдықтан тұрады.
Сабанның жартысына жуығы және пәлектің 30% -дан аспайтын бөлігі мал азығы үшін қолданылады.
Сабан мен пәлектің қалған бөлігі іс жүзінде қолданылмайды, өрістерде немесе уақытша сақтау орындарында шіріп кетеді немесе өртеледі.
Көннің шамамен 70% тыңайтқыш үшін пайдаланылады, қалғаны жыралар, орман алқабтарына, суағарларға түсіп, қоршаған ортаны ластайды.
Органикалық қалдықтарды пайдаланудағы негізгі міндеті - оның құнарлылығын арттыру үшін топыраққа енгізу болып табылады.
Сонымен бірге, биотехнологтар мен инженерлер олардың биогазға айналуын биоконверсия жолдары арқылы ұсынды.
Биоконверсия - органикалық қалдықтардан шыққан биогазды (метанды) өндіру, яғни көң бойындағы энергияны ферменттеу нәтижесінде газды формадағы энергияға айырбастау технолгиясы.
Бір тонна құрғақ заттың көңінен 400 м3 биометан алып, биоконверсиялық қондырылғыларды пайдаланады.
Әрбір текше метр метан жану кезінде 8 000 МДж энергиясын беру мен бірге, биоконверсиядан кейін қалған органикалық қалдықтардың құрамында көміртек, фосфор, калий, кальций, микроэлементтерді органикалық тыңайтқыш ретінде қолданады.
Көң мен басқа да органикалық қалдықтардың биоконверсиясы үнемі жаңартылатын энергия көзі бола алады және ауыл шаруашылығында тұтынылатын жалпы энергияның 5% -ын қамтамасыз етеді.
90-шы жылдардың аяғында Қазақстан Республикасында агроөнеркәсіп кешенінің өнімдерінің негізгі түрлерін өндіру үшін энергияны тұтыну 3-4 есе жоғары болатын.
Мәселен, АҚШ, Ұлыбритания, Бельгия, Нидерланды елдерінде салыстырмалы өте жоғарғы көрсеткішке ие болып келеді [3,4].
Сондықтан аграрлық сектордың экономикасы энергия үнемдейтін негізге көшіру жұмыстарын бастап келеді.
Энергия үнемдеу мен биоконверсиялау принциптерін Қазақстан Республикасының Энергетика Министрлігі жанынан құрылған (2003 жыл) мемлекеттік комиссиясы мемлекеттік саясат деңгейіне көтеріп, көпшіліктің, ғылыми зерттеушілер мен қожалықтардың назарын аударып келеді.
Энергияны үнемдеуге бағытталған барлық өндіріс көзінде - кәсіпорын деңгейінен мемлекеттік деңгейге дейін белгілі бір жетістікке қол жеткізілді.
Мысалы, 2003-2007 жылдарға арналған Республикалық Энергия үнемдеу бағдарламасын іске асыру нәтижесінде, ішкі жалпы өнімнің энергия сыйымдылығын 25% төмендеуіне қол жеткізді.
Қазақстан Республикасының энергетикалық қауіпсіздігімен энергетикалық тәуелсіздігінің негізгі қағидалары қабылданып, Мемлекеттік кешенді жаңарту бағдарламасы аталатын өндірістік қордың заңнамасында жарияланған.
Нәтижесінде, Республикамыздың энергетикалық жүйесінің жұмысы энергия тиімділігін қадағалап, 2008-2017 жылдар аралығында бақылау нәтижесін жариялап келіп, отандық отын-энергетикалық ресурстардың кеңінен ұлғайтылуын қамтыйды.
Альтернативті отын көзін пайдалануда жергілікті мал шаруашылық қожалықтар биомассаны анаэробты ферменттеу технологиясына көңіл аударып келеді.
Биомассаны биоконверсиялау кезінде ауыл шаруашылық қалдықтар өңделіп, экологиялық сұрақтар шешілуде, сонымен қатар, тыңайтқыштар түзіліп, ең бастысы, биометаногенез процессі бағытталып, жүргізіліп, энергияның тиімді формасы түзілуде [5].
0.2 Анаэробты метаногенездегі конверсиялар
Анаэробты ортада бір қатар топырақ микроорганизмдер популяциясы энергияны тікелей көміртекті қосылыстардан ферменттеу барысында түзіп, метан (CH4), көмірқышқыл газы (СО2) және қосымша газдарды (сутегі, оттегі, аммиак, сутегі сульфиді) өңдіреді.
Аталған газдар метанның жанама газдары болып келіп, құрылымдық бірліктікте аз пайызын құрайды, ал осы газдардың қоспасы биогаз деп аталады.
Көңнің анаэробты метанды ашыту кезінде үш маңызды міндет шешіледі.
Біріншіден, жақсы энерготасымалдауш міндетің атқарып, биогаз өндіріледі.
Биогаз қоспалардың тазартпаған түрінде 22-27 МДжм3-ге дейін (орташа есеппен 24 МДжм) энергия кездеседі.
Екіншіден, тиімді экологиялық мәселелер шешілуде, себебі ферменттеу нәтижесінде биомасса бойындағы патогенді, ауру тудыратын микроорганизмдері жойылып келеді.
Үшіншіден, анаэробты ферменттеу нәтижесінде органикалық тыңайтқыштар түзіледі.
Көңді қайта өңдеу биогаз қондырғыларында (БГҚ) жүзеге асырылады. Батыс Еуропа елдерінде бірнеше мың орта және ірі, ал Азия елдерінде (Қытай, Үндістан) миллиондаған ұсақ (отбасылық) БГҚ пайдаланылады [6,7].
Биогаз ферменттеудің үш режимі кездеседі:
1) Психофильді-14-270С,
2) Мезофильді-32-480С,
3) Термофильді - 43-530С.
Температураны ұстап тұру үшін метантенкте жылу алмастырғыш-жылытқыш орнатылып, оған су жылытатын қазандықтан ыстық су беріліп отырылады.
Метантенк көң массасымен 80% көлемге толтырылып, жоғарғы, толтырылмаған бөлігінде биогаз жиналады, ол үнемі іріктеліп, уақытша сақталатын газгольдерге беріледі.
Газгольдерден биогаз қазандықтың оттығына, одан әрі өндірістік пайдалану үшін сыртқа шығарылады.
Метантенктен шығатын ашытылған қалдықтар ашыту режимінің температурасында өңделеді. Жылу алмастырғышта ол өзінің жылу энергиясын бастапқы шикізатқа береді, содан кейін көң қоймасына түседі [8].
Анаэробты ашыту процесінде көңнің органикалық заттарының ыдырау дәрежесі 47% аспайды (сурет 1).
1-сурет. Биометаногенді қондырғы
Термофильді режим үшін 1 м3 биогаз алуға жұмсалатын энергияның үлесі 5,5 кВтсағатына, бұл мезофильді режим үшін 3,7 кВт·сағм3 энергия шығындарынан 1,5 есе асып келетінің көрсетеді.
Дегенімен, бұл сандар жылу алмастырғыш утилизаторымен жабдықталмаған БГҚ қондырығысында жүреді.
Термофильді режим үшін энергия шығыны 0,2- 0,5 дейінгі шектерде болып келіп, жылуды кәдеге жарату коэффициентің мезофильді деңгейге дейін азайтуға болады [9].
Ауыл шаруашылығындағы жануарлар мен құстардан шығатын жылуды кәдеге жарату коэффициенті төмендегі суретте келтірілген (сурет 2).
Сонымен қатар, көңнің метанды ашуы оның дезодорациясын, дегельминтизациясын, арамшөптер тұқымдарының өнгіштікке қабілеттілігін жоюды, тыңайтқыш заттарды өсімдіктермен оңай сіңетін минералды нысанға ауыстыруды қамтамасыз етеді.
Бұл ретте өсімдіктер үшін қоректік заттар-азот, фосфор және калий іс жүзінде жоғалмайды.
Биогаз қондырғысының басты бөлігі көңді ашытуға арналған реактор болып табылады,оның типі бойынша әр түрдегі және құрамды көңді ашытуға арналған биогаз қондырғыларының жіктелуі жасалған.
Метантенктердің конструкциялары әртүрлі, негізінен гидравликалық режиммен (ағынды немесе мерзімді толтыру) және жүктеу тәсілдерімен (үздіксіз немесе мерзімді) ерекшеленеді.
Үздіксіз (ағынды) схема кезінде көңді белгілі бір уақыт аралығында (тәулігіне 10 ретке дейін) жүктейді және ашытқы массасының осындай мөлшерін алып тасталынады [10,11].
Ашытудың барлық шарттарын сақтаған кезде мұндай схема биогаздың максималды шығуына мүмкіндік береді.
Периодтық схемада метантенкалар (әдетте екі) кезек бойынша жүктеледі. Бұл ретте жаңа көң ашыған көң қалдықтарымен араластырылады.
Газ 5-10 тәулік өткеннен кейін пайда болады және ең жоғары мөлшерге жеткен кезде біртіндеп ең төменгі мөлшерге дейін төмендейді. Содан кейін шығарылған көңді түсіреді және метантенкаға қайтадан көң салады.
Анаэробты көң қоймаларында биогаз жинау үшін синтетикалық жабындарды қолдану, температура мен рН ұстау, абайлап араластыру, ондағы көң рециркуляциясы қарастырылады.
Анаэробты көң қоймаларының артықшылығы - олардың құрылғысының қарапайымдылығы, сондай - ақ өлшенетін заттардың құрамына сезімталдықтың төмендігі; жетіспеушілігі-үлкен алаңдарға қажеттілігі, сондай-ақ қыс мезгілінде жылудың үлкен шығыны болып келмеуінде.
Батыс Еуропа елдерінде жұмыс істейтін биогаз қондырғыларының басым бөлігі мезофильді режимде жұмыс істейді, яғни ашыту 30-350С кезінде жүзеге асырылады [13].
Жапония, Германия және Швейцарияда қоршаған орта температурасында өтетін ашытудың жаңа психрофильді процестері қолданыла бастады [14].
2-сурет. Фермерлік қожалықтардағы метаногенді үдерістің үлесі
Шетелдік сарапшылардың пікірінше, бұл үнемді бағыт түрі болашақта одан әрі дами алады.
50-540С кезінде көңді ашыту үшін термофильді процестерді практикада пайдалану жоғарыда көрсетілген және бұл процесс дамыған басқа да елдерде де сирек кездеседі.
Ұсынылған пікір бойынша анаэробты ашудың ең үнемді температуралық режимі туралы бірыңғай мәліметтер жоқ.
Көң өңдеу ұзақтығы және тәуліктік жүктеу мөлшері бойынша практикада қолданылатын биогаз қондырғылары айтарлықтай ерекшеленеді (7-29 тәулік пен 5-25% тәуліктік жүктеу дозасы).
Бір шартты мал басына есептегенде метантенктердің үлес көлемі 3,5 м3гол (Венгрия) - 0,91 м3гол (Ресей) құрайды; биогаздың шығу үлесі 0,8-2,7 м3гол құрайды [15].
Мамандар атап өткендей, метаногенез процесті жүзеге асыру кезінде энергияның едәуір шығынын талап етеді. Температура жоғары болса, қосымша жылу шығыны жоғары болып есептеліп, гидролиз жылдамдығы жоғарлайды (сурет 3).
Сондықтан температуралық әсер есебінен метаногенез жылдамдығын арттырудың кейбір жағымсыз жақтары бар.
Биогаз қондырғыларының экономикалық тиімділігі, пайдаланып отырған аудан мен шаруашылықтың нақты жағдайларына байланысты.
3-сурет. Метаногенездің гидролиттік қосылыстары
Суық региондарда отынды үнемдеу мақсатында мезофильді режимді пайдаланып, реакторлардың ұстап қалу уақыты мен жұмыс көлемі ұлғаяды.
Мысалы, "AB Enso" (Финляндия) фирмасы әзірлеген 330С температуралы ферментация режимінде Лапландия жағдайында жұмыс істейтін биогаз қондырғыларының конструкциялары қызмет ете алады [16,17,18].
Жекелеген жағдайларда жылу шығындарын төмендету мақсатында және тауарлық биогаз шығымын арттыру үшін метаногенерация процесін екі фазаға бөледі: қышқылдық және метаногенді. Біріншісі 31-370С, екіншісі 580С.
Осы реакторлардағы биогаздың шығу көрсеткіштері реакторлар көлемінің бірлігіне берілген жүктемеге толық сәйкес келеді және 0,93-3,1 м3тәулік құрайды.
Энергия көзі ретінде биомассаны пайдалануға қызығушылықтың себебіне келесі факторлар жатады:
1. Биомассаның үнемі жаңартылуы;
2. Биогазда сақталған энергия ұзақ уақыт бойы сақталуы және пайдаланылуы мүмкін және де әр түрлі отын түрлеріне айырбасталынады;
3. Бірқатар өңірлерде биоотын экономикалық неғұрлым тиімді немесе энергияның негізгі түрі болып табылады;
4. Биогаз экологиялық таза энергия көзі болып табылады. Оны пайдалану кезінде күкірттің зиянды газ тәрізді оксидтері түзілмейді. Биосферадағы көмірқышқыл газының балансы өзгермейді.
Егер биогаз қондырғылары фермалардағы қиды кәдеге жаратудың технологиялық желілерінде қолданылатын болса, биогаз өндірісінің өзіндік құны айтарлықтай төмендетілуі мүмкін.
Бұл жағдайда биогаз ала отырып қи анаэробты ашыту өңдеудің балама немесе қосымша әдісі ретінде қарастырылуы мүмкін.
АҚШ-та қи биогаз өндірісіне үлкен мән береді: біріншіден, энергетикалық аспектіде; екіншіден, жыл сайын мал шаруашылығы фермаларында пайда болатын, биогазға қайта өңдеу үшін экономикалық жағынан проблемалық қи көлемінің жартысына жуығы қарқынды өндірістік жүйелерге (ірі бордақылау кешендері мен ІҚМ алаңдары, өндірістік шошқа өсіру және құс өсіру кешендері) келеді [19].
Германиядағы мал шаруашылығында жыл сайын қидың шығуы қазіргі уақытта 200 млн. т құрайды, оның ішінде 70 млн.т сұйық түрінде.
Шектелген ауыл шаруашылығы алаңдары мен қоршаған ортаны қорғауға қойылатын жоғары талаптар жағдайында қидың барлық көлемін кәдеге жарату қажеттілігі мамандар мен фермерлік шаруашылықтардың алдына қи толық зарарсыздандыру әдісін әзірлеу және одан жоғары сапалы органикалық тыңайтқыш дайындау міндетін қояды.
Соңғы жылдары елде сұйық қиды анаэробты метанды ашыту әдісін қарқынды әзірлеу қайта басталды.
Неміс мамандарының есептеуі бойынша, биогазға қи көлемін анаэробты өңдеу кезінде жалпы ұлттық қажеттіліктің 4% - ына тең энергия алуға болады.
Жапонияның ауыл шаруашылығында жыл сайын 56,5 млн.т көң ағындары пайда болады.
Қазіргі заманғы технология деңгейінде мал шаруашылығы өнімдерін қарқынды өндіруге көшумен мамандар 1,7 млрд.м3 көлемінде биогаз алу үшін барлық көң массасын қайта өңдеу экономикалық орынды деп санайды (бұл 1 млн. т. мұнайды үнемдеуге теңестіріледі).
Ресей ауыл шаруашылығы жануарларының қиынан биогаз өндірудің әлеуетті мүмкіндіктеріне ие [20,21].
Жыл сайын елдің мал шаруашылығы фермаларында 665 млн.тонна қи пайда болады, оның әрбір тоннасынан биогаз қондырғыларында өңдегеннен кейін 10-нан 20 м3 дейін 5600-6300 ккалм3 жылу шығару қабілеті бар биогаз алуға болады.
Биогаз өндіру үшін пайдаланылуы мүмкін Ресей фермаларындағы қи мен көң ағындыларының әртүрлі түрлерінің көлемі жылына 408,5 млн.тоннаны құрайды, құрғақ заттардың жалпы құрамы 34,6 млн. тонна, осы қидың энергетикалық әлеуеті - жылына 6025 млн. м3 биогаз, ал оны фермалардың технологиялық қажеттіліктері үшін пайдалану шартты 4,3 млн. тонна сұйық отынды үнемдеуді қамтамасыз етеді.
Қиды жою және қайта өңдеуге арналған энергия ресурстарының шығынын төмендету жолдары оны үй-жайлардан алып тастау және қи қоймасына тасымалдау-фермалардағы жалпы энергия шығындарының 30% - ын құрайтын энергия сыйымды процесс болып табылады.
Техникалық құралдарды, қи жинау және тасымалдау тәсілдерін таңдау жануарларды ұстау технологиясына, оларды азықтандыру түріне және қиды кәдеге жарату тәсіліне байланысты.
Сондай-ақ бұл факторлар алынатын органикалық тыңайтқыштардың санына және осы тыңайтқыштарды шығару және егістікке енгізу үшін энергия шығындарының көлеміне елеулі әсер етеді.
Еңбек шығындарының салыстырмалы түрде жоғары болуы (72 адам-чт) қиды қырғыш транспортермен жоюдан байқалады. Олар станоктардан қолмен қиды жинау және төсеніштерді қолмен енгізу қажеттіліктерімен негізделген.
Жануарларды мезгіл-мезгіл ауыстырылатын төсеніште ұстау кезінде қиды жоюдың механикалық жүйесі азғана шығындармен сипатталады.
Қой шаруашылығы кәсіпорындары үшін аталған технологиялар да қолданылады және оларды салыстырмалы талдау ұқсас қорытындыларға әкеледі.
Көрсетілген жағдайларға байланысты соңғы жылдары республиканың көптеген шаруашылықтары мезгіл-мезгіл ауыстырылатын немесе терең төсеніштерді пайдалана отырып, ірі қара мал мен қойларды топтап ұстау үшін мал шаруашылығы қоралары мен жеке фермаларды қайта жаңғыртуда.
Бұл айтарлықтай шамада энергия шығынын төмендетуді қамтамасыз етеді және мұндай кәсіпорындардың рентабельділігін арттырады.
Шағын қой шаруашылығы кәсіпорындары мен фермерлік шаруашылықтар үшін қойларды ұстаудың Энви-Стим жүйесі сияқты технологиялары неғұрлым тиімдірек, мұнда төсеніштерді бір жарым жылға дейін ауыстырусыз станоктарда қи компостирлеу принципі іске асырылады, шошқаларды көлбеу (өздігінен тазаланатын) едендерде ұстау [21,22].
Құс шаруашылығында, энергия ресурстарын үнемдеу тұрғысынан бройлер етін өндіру кезінде балапандарды еденде өсіру торда өсіруге қарағанда анағұрлым жақсырақ.
Сонымен, тірі салмақтың 1 т-на келетін электр энергиясының үлестік шығыны бройлерлерді циклдік өсіру кезінде оларды торда ұстау еденде ұстауға қарағанда 30-35% - ға артығырақ.
Жаңа клеткалық жабдықта ленталық саңғырық жою әдісі осы процесті 30-40% арзандатуға мүмкіндік береді.
Қиды кәдеге жаратудың тиімді тәсілі БГҚ қолдану болып табылады. Алынған биогаз өндірістік үй-жайларды жылыту үшін пайдаланылуы мүмкін.
Ірі қалаларда қатты қалдықтар үлкен экологиялық проблема болып отыр. Күн сайын әрбір қала тұрғыны орта есеппен 2-3 кг түрлі қалдықтарды тастайды, олардың жартысы - полиэтилен, қағаз, қаптамалар материалдары.
Коммуналдық қалдықтарды толық ыдырау жүрмейтін қоқыстарға орналастырылады.
Өте төмен қаржы шығындары кезінде қатты қалдықтар проблемасының ең қарапайым техникалық шешімі оларды көму болып табылады. Бірақ бұл әдіс экологиялық тұрғыдан тиімсіз: ондаған жылдар бойы орасан зор алаңдар жұмсалуда,сол себептен қоршаған ортаның ластануы жүріп жатыр.
Мұндай көмулерде органикалық зат 30-50 жылға дейін баяу ыдырайды.
Қатты қалдықтарды өңдеудің бастапқы сатысында аэробтық процестер басым болады,олардың барысында неғұрлым жеңіл бұзылатын молекулалар омыртқасыздар (кенелер, құрттар, тегіс, нематодтар), төменгі сатыдағы саңырауқұлақтар мен микроорганизмдер пайдаланылады.
Келесі кезеңде тек баяу тозуға қабілетті лигноцеллюлоза, лигнина, танина және меланин тәрізді макромолекулалардың ыдырауы жүреді.
Бұл кезеңнің ұзақтығы қатты өзгереді және ішінара өңдеуге байланысты.
Жоғары температура (80°С дейін) және микробтан шыққан антибиотиктердің болуы патогенді микроорганизмдер мен вирустардың, жәндіктердің дернәсілдерінің және өсімдіктер тұқымдарының өлуіне немесе инактивациялануына әкеп соғады. Температура қоқыс үйіндінің жұмыс индикаторы ретінде қолданылады.
Біраз уақыттан кейін оттегі аэробты микрофлорамен сіңеді, СО2 жинақталады және метан түзетін анаэробты микрофлораның, содан кейін метаногендердің қызметі басталады
Жергілікті жағдайларға байланысты бірнеше айдан кейін немесе бір жылдан кейін тұрақты метанды ашыту басталады және бөлінетін газдың құрамында 50-55% СН4, 40% СО2 және 5% N2 болады.
Қоқыс тастайтын жерлерде пайда болатын газды пайдалану үлкен перспективаға ие, өйткені оны көп мөлшерде алуға болады.
Алайда, қазіргі уақытта ол өтімді таппайды, тек қалдықтар ғана болып табылады және қоқыс тастайтын жерлерді пайдалануда қолайсыздық туғызады.
Қоқыс тастайтын жерлерде пайда болған газды полиэтилен құбырларының көмегімен шығаруды үйренді. Конденсат пен шаңды жойғаннан кейін бұл биогазды отын ретінде қолдануға болады.
Бұл әдіске балама әдіс -сүзілетін суларды рециркуляциямен (қайта пайдалану) суландыру болып табылады.
Бұл жағдайда қоқыс анаэробты биофильтр ретінде пайдаланылады. Судың әсері ылғалдылықтың ұлғаюынан және бұл сулардың қалдықтардың қалыңдығы арқылы тасымалдануынан тұрады, бұл биодеградация процесін тездетеді.
Егер қайта суландыру алдында рН реттесе, қосымша қоректік заттар мен микроорганизмдердің белсенді дақылдарын енгізсе, суды рециркуляциялау әрекеті күшейтіледі.
Бүрку арқылы суды рециркуляциялау булануды, төмен молекулярлы органикалық қосылыстардың ұшып кетуін тездетеді.
Ірі қара малды бордақылау алаңдарында мал басы 100 мың басқа дейін кездескенде көңнен биометаногенез барысында газ өндірудегі жыл сайынғы алатын көрсеткіштер 4 суретте келтірілген (сурет 4).
Орташа (1-ден 10 мыңға дейін) және ірі (10 мыңнан астам бас.) бордақылау алаңдарындабиогаз өндіру экономикалық жағынан орынды болып есептелінеді [23].
Деректер сондай-ақ биогаз өндірісінің өзіндік құны өте жоғары және жекелеген жағдайларда дәстүрлі отын түрінің өзіндік құнына қарағанда жоғары болуы мүмкін екендігін куәландырады.
Бұл көрсеткіш биогаз қондырғыларын пайдалануға байланысты басқа экономикалық әсерлерді ескермей есептеледі.
Биометаногенез немесе метанды ашыту - биомассаның энергетикалық құнды материалға (метан) айналуының бұрыннан белгілі процесі болып табылады.
Бұл процесті 1776 жылы А. Вольт ашып, ол батпақта метан газы болуын дәлелдеді [24].
Биогаз өндірісі үшін қажет шикізаттар:
- әртүрлі өсімдік биомассасы, яғни ауыл шаруашылығы өсімдіктерінің жеуге жарамсыз бөліктері;
- сүрек қалдықтары, яғни құрамында жоғары целлюлоза бар шикізат, оның өңдеу әдістері қиын, бірақ тиімді ыдырайды және биогазға айналады.
- Қайта өңдеу өнеркәсібінің қалдықтары.
4-сурет. Биометаногенді заттардың пайыздық үлесі
- Су гиацинт, үлкен қоңыр балдырлар сияқты арнайы өсірілген дақылдар.
- Ауыл шаруашылығы фермаларының сұйық қалдықтары.
- Өнеркәсіптік және тұрмыстық ағындар және тазарту құрылыстарының тұнбалары.
- Қалалық қоқыс тастайтын жерлердің қоқысы.
Метан өндірісінің бірінші фазасы. Биогаз өндірісінде басқа ешбір өндірістерде бөлінбеген микроорганизмдердің таза түрлерінен олардың консорциясы маңыздырақ.
Олар микроорганизмдердің жеке түрлері мен штаммдарына қарағанда жоғары биодеградациялық белсенділікке ие.
Консорциядағы микроорганизмдердің құрамы шикізаттың қандай да бір түрлерінің ыдырау тиімділігін анықтайды.
Метанды ашытудың бірінші сатысы - қышқылды-спирттік, майлы қышқылды, пропиондық, ацетонобутилдік және ашытудың басқа түрлеріне (энтеробактериялар, клостридиялар, стрептококтар, лактобациллалар) қабілетті түрлі микроорганизмдермен жүзеге асырылады [25].
Органикалық массаның деструкциясында целлюлоза бұзатын микроорганизмдер белсенді рөл атқарып, гидролиттік түрлі қосылыстар түзеді (сурет 5).
Олардың белсенділігі шикізаттың аса қиын компонентінің ыдырауына байланысты.
Органикалық қышқылдардың сірке қышқылына айналуында ацетогендер - анаэробты бактериялардың мамандандырылған тобы маңызды рөл атқарады.
Бұл ең алдымен клостридиялар, атап айтқанда Clostridium thermoaceticum.
Олар органикалық қышқылдарды сірке қышқылына, сутегі және көміртегі тотығына айналдырады.
Метанның пайда болуындағы ацетогенді сатысы биогаз түзілуінің екінші негізгі фазасымен тығыз байланысты (сурет 6).
Кейбір метаногенді бактериялар ортада сутегі концентрациясы белгілі бір деңгейге дейін төмендеген кезде ацетогенді метаболизм қайта құрылады.
Метаногендер анаэробты аймақтарда:
а)теңіз шөгінділерінде,
б)батпақтарда,
в)өзен және көлдерде,
г) көмірқышқыл түзілетін органикалық заттардың деструкциясына кеңінен және белсенді қатысатын топырақтар алаңы,
д)барлық белгілі метан түзетін бактериялар сутегінің тотығушы топырақтар алаңы.
Осы аймақтарда тәжірибе нәтижесінде энергия алып, көмірқышқылын метанға айналдыра алады.
5-сурет. Метаногенді гидролиздегі заттардың үлесі, гкг
6-сурет. Метаногенездің соңғы кезеңіндегі заттардың үлесі, гкг
Бір метаногендер автотрофтылар болып табылады және олардың өсуі үшін тек сутегі мен көмірқышқылының қоспасы ғана пайдаланылады, басқалары гетеротрофтылар бола отырып, құмырсқа және сірке қышқылдарын, сондай-ақ метанол мен метиламиндерді пайдаланады.
Метаногендер-облигатты анаэробтар, олардың ішінде аллофилдер, мезофиллдер және термофилдер бар. Олардың кейбіреулері тұзды су қоймаларында және тіпті қаныққан тұз ерітіндісінде өсуге қабілетті. Олар қышқыл ортада 4-тен 970 - ге дейін және тіпті 2500С-ге дейін дамиды.
Метаногенез-архейден бүгінгі күнге дейін бактериялар өндіретін ежелгі процестердің бірі. Мұндай бактерияларды архебактериялар деп атайды және олардың жасын 3,0-3,5 млрд жаста деп бағалайды [26,27].
Архебактериялар прокариоттық микроорганизмдерден клеткалық қабырғада муреиннің болмауымен, липидтердің спецификалық құрамымен, рибосомальды РНК өзіндік нуклеотидтік тізбектілігімен, метаболизмнің спецификалық компоненттерінің болуымен ерекшеленеді.
Биометаногенез процестері табиғи газды биогаз - алмастырғышты алу үшін өнеркәсіпте қолданылады.
Өнеркәсіпте қолданылатын метаногенды консорциум, өз құрамының күрделілігіне қарамастан, биогаз алу кезінде тиімді нәтижелер беретін жеткілікті сенімді авторегуляцияға ие [28].
Қарапайым метанотектің конструкциясы. Метанотенктің қарапайым конструкциясы газдың бекітілген көлемі бар топырақтағы кәдімгі ашыту шұңқыры болып табылады.
Жеткілікті, бірақ әлсіз араласуды қамтамасыз ету өте маңызды. Әдетте тамақ және микробиология өнеркәсібінің қалдықтарын жою уақыты шамамен 5-14 тәулікті құрайды.
Екінші буын аппараттары. Екінші буын метантенктерінде (сұйылтылған субстраттар үшін) қалдықтардың толық биоконверсиясы (90-95%) есебінен биогаздың жоғары шығуын қамтамасыз ететін (реактордың 1м3 көлеміне тәулігіне 4-5 м3 дейін) конструкциясы бар- тамақ және микробиологиялық өнеркәсіп болып табылады.
Жоғары температурадағы жұмыс биореакторды іске қосу кезінде бастапқы қыздыру үшін энергия шығынын талап етеді, бірақ процесс жылдамдығы мезофильді жағдайлармен салыстырғанда 2-3 есе жоғары.
Екі сатылы қондырғы. Екі сатылы метантенке метаногенез сатылары бөлінген. Бірінші аппаратта қышқылдар, көміртек тотықтары мен сутегінің пайда болуымен органикалық анаэробты ыдырау процесі жүреді (қышқылдық кезең).
Алынған бражка екінші аппаратқа түседі, онда метанның пайда болу процесі болады. Мұндай жүйенің біріншісінде микроорганизм-диструкторлардың және екіншісінде метаногендердің дамуына тиімді жағдай жасауды ескере отырып, әрбір аппаратта ферментация жағдайларын (ағынның жылдамдығы, РН, температура) тәуелсіз өзгертуге болады. Нәтижесінде, биожүйені қолдану процесті екі-үш есе қарқындандыруға мүмкіндік береді.
Қоқыс тастайтын жерлерде пайда болатын газды пайдалану үлкен перспективаға ие, өйткені оны көп мөлшерде алуға болады. Алайда, қазіргі уақытта ол өтімді таппайды, тек қалдықтар ғана болып табылады және қоқыс тастайтын жерлерді пайдалануда қолайсыздық туғызады.
Қоқыс тастайтын жерлерде пайда болған газды полиэтилен құбырларының көмегімен шығаруды үйренді. Конденсат пен шаңды жойғаннан кейін бұл биогазды отын ретінде қолдануға болады.
Бұл әдіске балама сүзілетін суларды рециркуляциямен (қайта пайдалану) суландыру болып табылады. Бұл жағдайда қоқыс анаэробты биофильтр ретінде пайдаланылады.
Судың әсері ылғалдылықтың ұлғаюынан және бұл сулардың қалдықтардың қалыңдығы арқылы тасымалдануынан тұрады, бұл биодеградация процесін тездетеді.
Егер қайта суландыру алдында рН реттелсе, қосымша қоректік заттар мен микроорганизмдердің белсенді дақылдарын енгізу мен суды рециркуляциялау әрекеті күшейтіледі. Бүрку арқылы судың рециркуляциясы буланудың, төмен молекулярлы органикалық қосылыстардың ұшып кетуін тездетеді.
Тапшы бензинді отынның өзге түрлерімен ауыстыру қазіргі заманның өзекті мәселесі болып табылады, мысалы, Америка, Батыс Еуропа елдерінде.
Этанолды таза күйінде немесе бензинмен (газахол) қоспада пайдалану қоршаған ортаның ластануын төмендетеді, өйткені оның жануы кезінде тек көмірқышқыл мен су түзіледі [29,30].
Ашыту процесі аяқталғаннан кейін бражкадағы спирт концентрациясы 6-12 % құрайды. Дистилляция құрамында 96% этанол бар суэтанол қоспасын береді.
Бұл қоспаны іштен жану қозғалтқыштары үшін отын ретінде пайдалануға болады. Қазіргі уақытта кеңінен қолданылатын биореакторлардың құрамында биомассаны культуральдық сұйықтықтан бөлу жүйесі немесе бірінші кезекте мембраналық микрофильтрлеу, ультрафильтрлеу немесе диализді қолдану негізінде этанолды бөлу және тазарту жүйесі бар.
Спирттің соңғы шоғырлануы неғұрлым жоғары болса, айдау кезеңі энергия сыйымдылығы да аз. Мысалы, бражкадағы спирттің 5%-дық концентрациясы кезінде 96%-дық спиртті алу үшін бу шығыны 4 кгл-ден асады; спирт мөлшері 10% - ға жуық болған кезде бұл шама 2,25 кгл-ге дейін төмендейді [31].
Бір тонна картоптан 100 л этил спиртін, бір тонна қара бидай дәнінен - 270 л, 170-180 л этанол ағашынан және 40 кг ашытқының биомассасын өндіруге болады.
Өндірілетін көмірқышқыл газы сұйық (сусындарды газдау) немесе қатты (құрғақ мұз) түрінде қолданылады.
Ашытқы биомассасы бұдан әрі құрама жем құрамында қолданылады. Сивушные майлар бұдан әрі химия индустриясында пайдаланылады.
Осылайша, энергетикалық тасығыштарды өндірудің жаңа және тиімді тәсілдерін әзірлеу және шикізат ресурстарын толықтыру қажеттілігі жаһандық ауқымдағы шикізат пен энергия тапшылығының және технологиялардың экологиялық қауіпсіздігіне қойылатын талаптардың артуынан соңғы екі онжылдықта аса өзекті болып отыр.
Осыған байланысты биотехнологияның жаңа бағыты - энергияны алу мен түрлендірудің тиімді және экологиялық қауіпсіз технологияларын әзірлейтін биоэнергетика қарқынды дами бастады.
4.1 Биогаз түзілу технологиясының басты кезеңдері
Биогаз энергиясын біздің дәуірімізге дейінгі жүз жылда бірінші болып қытайлықтар пайдалана бастаған.
Қазіргі кезеңде, осындай терең тарихи тамыры мен саланы мемлекеттік қолдау бағдарламасының арқасында Қытайда 2000 жылы 30млн дана биогаз қондырғылары кеңінен қолданылады [32].
Метанды "ашыту" немесе биометаногенез - биомассаны энергияға айналдыру процесін еуропалықтар тек 1776 жылы ашқан болатын.
Осы процесті Вольта дәлеледеп, зерттей отырып, құбылыс нәтижесінде 65% метан, 30% көмірқышқыл газы, 1% күкірт сутегі мен азот, аз мөлшерде жанама оттегі, сутегі мен көміртегі тотығынан тұратын газ түзілетінің анықтаған [33].
Ауыл шаруашылығы қалдықтарынан алынған биогазды еуропалықтардың практикалық пайдалануы туралы алғашқы мәліметтер Дейви еңбектерінде кездеседі. Айталық, бұл деректерде, ірі қара малдың қиының агрохимиялық қасиеттерін зерттей отырып, биогаз жиналғаны келтірілген (1814 жыл).
1881 жылдан бастап қалдықтарды жинау үшін шағын модификацияланған "септик" аталатын жабық ыдыстар пайдаланыла бастады. Эксетер қаласының (Англия) аудандарының бірінде көше шамдары 1895 жылда ақаба суларды ашыту нәтижесінде алынған газбен жабдықталған.
1897 жылдан бастап, осы қалада суды тазалау барысында биогазды жинап, оны жылыту және жарықтандыру үшін пайдаланды.
Қазіргі уақытта қондырғы құрылған материалдың беріктігі, масса мен жылуөткізгішті бірінші кезекте ескеріліп, араластыруға арналған құрылғылар, тиелетін субстратты дайындау және жылыту, биогазды жинау және жинақтау және жауын-шашынды бұру мәселелері де қарастырылған түрлі құрылымдағы биореакторлар белгілі.
Қазақстан Республикасының Қарағанды облысындағы Экомұражайда 2000 жылдың 1 желтоқсанынан бастап биогаз технологияларын енгізу бойынша "BIOGAS" жобасы жүзеге асып келеді [34].
Бұл жоба Орталық Қазақстанда биогаз технологияларын пайдаланудың алғашқы тәжірибесі болып табылады.
Жобаны іске асыру барысында экологиялық мұражай биогаз қондырғыларын салу, іске қосу және пайдалану туралы көптеген тәжірибе мен ақпарат жинақталған.
Тәжірибе Орталық Қазақстанның жергілікті ерекшеліктеріне байланыстырылып салынған әрі осыған дейін аталған технологиялар пайдаланылмаған.
Қарағанды экологиялық мұражайының қызметкерлері Қазақстанның шаруалары мен фермерлеріне арналған биогаз қондырғыларын салудың бірнеше технологиясын әзірлеп, жүзеге асырды.
Биогаз-бұл органикалық массаның ыдырауы нәтижесінде пайда болатын метанды бактерияларының зат алмасу өнімі.
Биогаз жоғары сапалы және толыққанды энергия тасымалдаушы болып табылып, үй шаруашылығында отын ретінде және тамақ дайындау, электр энергиясын өндіру, тұрғын және өндірістік үй-жайларды жылыту, қайнату, кептіру және күту үшін орта және шағын кәсіпкерлікте пайдаланылуы мүмкін. Жануы мен жылуы орташа есеппен 6,0 кВт сағ м3 тең келеді [35].
Биогаз қондырғысын пайдалану кезінде пайдаланылған шикізат шаруа немесе фермер қожалығының экономикалық және экологиялық жағдайларын жақсартуға қабілетті пайдалы өнім болып табылады.
Биошлам-бұл жоғары сапалы, ыңғайлы биогумус, саңырауқұлақтарды өсіру үшін субстрат көзі болып келеді.
Балық, қой, тауық шаруашылықтарындағы қоректенуге арналған белок пен қосымша жемдерді қалыпты дамыту үшін қажетті мал азықтық қоспа.
Биометаногенез технологиясын пайдалану келесі пайда әкеледі:
- Уақыт пен еңбекті үнемдеу,
- Тамақ дайындау уақытын азайту,
- Ыдысты пен құралдарды жуу уақытын азайту,
- Ас үйде тазалау уақытын азайту,
- Пешке қызмет көрсетуге жұмсалатын уақыттан босатылу: күлден тазарту, күлді жинау, отынды әкелу, пешті тиеу, жағу, пешті қадағалау және отын қосу,
- Бұрын кизякті жинауға, тасымалдауға, кептіруге және қоймалауға немесе көмірді іздеуге, тасымалдауға және артып тиеуге, отынды іздеуге, сатып алуға, кесуге, кептіруге және қоймалауға жұмсалатын уақыттан босатылу,
- Арамшөптерді жұлу уақытың азаюы: тұқымдары жинағышта өледі,
- Ақшаны үнемдеу,
- Пеш ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Оңтүстік Қазақстан мемлекеттік педагогикалық университеті
Төлепберген Дания Асылханқызы
Оңтүстік өңірде өндірілетін биогаз технологиясымен микрофлорасының жергілікті штамдарын зерттеу
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Мамандығы 5В011300 - Биология
Шымкент 2020
Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігі
Оңтүстік Қазақстан мемлекеттік педагогикалық университеті
Қорғауға жіберілген
Биология кафедра меңгерушісі
________Н.М. Байсейтова
_________2020 жыл
Оңтүстік өңірде өндірілетін биогаз технологиясымен микрофлорасының жергілікті штамдарын зерттеу
Дипломдық жұмыс
Мамандығы 5В011300-Биология
Орындаған Д.А.Төлепберген, 113-16а тобы
Ғылыми жетекшісі
б.ғ.к., доцент Э.Б.Жаппарбергенова
Норма бақылаушы Ж.Әль-Фарабиқызы
Шымкент 2020
МАЗМҰНЫ
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР
АНЫҚТАМАЛАР
БЕЛГІЛЕУЛЕР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР
КІРІСПЕ
7
1
БИОМЕТАНОГЕНДІ ӨНДІРІС НЕГІЗДЕРІ
10
1.1
Биометаногенезді жүргізетін заманауи технологиялар
10
1.2
Метанның анаэробты биоконверсиясы
12
1.3
Биометаногенез процесінің технологиялық кезеңдері
27
1.4
Биогаз өндірісіне әсер ететін факторлар
40
1.5
Биометаногенездің негізгі кезеңдері
45
2
БИОМЕТАНОГЕНДІ МИКРООРГАНИЗМДЕР АССОЦИАЦИЯСЫНЫҢ ЖЕРГІЛІКТІ ШТАМДАРЫ
51
2.1
Биогазға арналған шикізаттар
51
2.2
Биометаногенез процессін жергілікті шикізат негізінде алу технологиясының нәтижелері
54
2.3
Бактериологиялық бақылау әдістері. Қоректік орта даярлау
57
2.4
Биометаногенді микрофлораның культуральды белгілерін анықтау
62
2.5
Метаногенді микрофлораның жергілікті штамдарын бактериологиялық тәсілдер арқылы зерттеу
66
Тұжырым
67
Қорытынды
69
Пайдаланған әдебиеттер тізімі
71
АНЫҚТАМАЛАР
Бұл магистрлік диссертацияда келесі терминдер сәйкес анықтамаларымен пайдаланылған:
Ашытқы саңырауқұлақтары - бір клеткалы қозғалмайтын және бактериялардан шамамен алғанда он еседен ірі микроорганизмдер.
Ферментер - организмдегі жүретін биологиялық реакцияларды тездетуші биологиялық катализаторлар.
Аэрация - микроорганизмді оттегімен культивирлеу.
Ашыту - микроорганизмдер және ферменттің көмегімен қоректік ортаның заттарын жаңа заттарға айналдыратын күрделі биохимиялық процесс.
Сахаромицеттер - бұларға мәдени ашытқы саңырауқұлақтар жатады. Олар бүршіктену және споралар түзу арқылы көбейеді.
Катализатор - химиялық реакцияны жылдамдата отырып, өзгеріске ұшырамайтын заттарды айтамыз.
Ферменттік активтілік - белгілі фермент бөлшегінің көмегімен нақты уақыт ішінде алынған субстрат шамасы.
Флавиндік дегидрогеназа - сутегі атомын бөліп алу жолымен субстратты тотықтырады.
Амилаза - спирт, сыра, шарап, нан, кондитер заттарын алуда қолданылады.
Пектиназа - шарапты түссіздендіруде, жеміс секторын түссіздендіруде қолданады.
Микробты протеза - сыра қайнатуда, қамырдың жетілуін тездетуде, ет сапасын жақсартуда қолданылады.
Өсу стимуляторы - микроорганизмнің аз концентрациясында өсудің физиологиялық және биохимиялық қасиеті.
Агар-агар - микроорганизмдерді өсіруге арналған қоректік орта.
БЕЛГІЛЕУЛЕР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР
Нм-нанометр
мкм -микрометр
Л - литр ;
Кг-килограмм ;
Г-грамм ;
Сағ - сағат ;
Мин - минут ;
Т - тонна ;
М - метр ;
Мкм - микрометр ;
См - сантиметр ;
Па - Паскаль ;
МПа - мега Паскаль ;
Тн - тенге ;
% - пайыздық үлес ;
0С - градус Цельсия ;
Вт - Ватт;
кВт - киловат;
ТМД - Тәуелсіз мемлекеттер достығы
БТ - Биотехнология
МБ - Микробиология
М.О - Микроорганизм
ФАД - Флавинадениндинуклеотид
ТПФ - Тиминпрофасфат
ТДФ - Тиминдифосфат
НАД - Никотинамиднуклеотид
НАДФ - Никотинамидадениндинуклеотидфосфат
КО - Кофермент
ФМН - Флавинмононуклеотид
ПКО - Пиридоксиндік кофермент
г - грамм, масса өлшемі
%-пайыз
тәу-тәулік
АБК - Азықтық витаминді концентрат
КС - культуральды сұйықтық
мм - милиметр
м3 - метр куб
с- секунд
p - тығыздық
V- көлем
ГОСТ-мемлекеттік стандарттар жүйесі
БТ - биотехнология
КІРІСПЕ
Тақырыптың өзектілігі. Қазақстан Республикасы өткізген ЭКСПО -2017 тақырыбы қазіргі бүкіл әлем алдындағы тұрған жаңа альтернативті энергия іздестіру мәслесіне арналып, адамзат алдында арзан әрі, тиіміді, қоршаған ортаға залал әкелмейтің әрі қайта қалпына келіп, толықтырылып отыратын қуат көзін іздестіруіөзекті мәселе болып келетінің айқындады.
Осыған орай, альтернативті энергия, оның ішінде қалдықтарды биоконверсиялайтын мәселелер біздің елемізде нарық жағдайында қолға алынып кележатыр.
Қазақ халқы дәстүрлі мал шаруашылығында негізділген тұрмыс-тіршілігі бар ел болып саналады.
Сол себептенде, ауылшаруашылық қалдықтарды метаногенез барысында биоконверсиялау тиіміді және елдің менталитетіне жақын болып келетің процесс.
Соңғы жылдары Республиканың фермерлік қожалықтарында биогаз өндірісіне бет бұрылып, шаруалықтар арасында қызығушылық байқалып келеді.
Нәтижесінде отандық және шетелдік корпорациялар түрлі биогазды қондырғыларды ұсынып, жекемеңшік қожылықтармен қатар бұл салаға көптеген коммуналды қожалықтар, су тазартқыш жүйелермен үлкен көлемді зауыттар дамытып келеді.
Энергетикалық шаруашылықтың алдынғы орталықтары да бұл саламен айналасуды бастап, биогазды құрылыстардың сапалы әрі тиімді құрылыстарын жасауда.
Мәселен, көптеген азық-түлік өндірістер мен үлкен көлемді тамақтандыру орталықтары, ресторандар үшін тағамдық қалдықтарды өңдеп, утилизация барысында арзан қуат көзін алу, қоршаған ортаны зиян қоқыстардан қорғау, тыңайтқыштыр алу аса маңызды және қосымша табыс әкелетің бағыт болып келеді.
Диплом жұмысының практикалық мыңызы.
Қуат көзін тиімді пайдаланумен бағасын қол жетімді деңгейде сақтау, қоршаған ортаның тазалығын ескеру мен қорғау мәселесін шешуде биогаз технологиясы салмақты үлес қосып, қарқынды дамып келеді.
Сол себептенде, биогаз өңдірістің ережелерін орындаумен ескеру - маңызды іс шарап деп ескеріледі.
Энергия көзі болып табылатын биометаногенез технологиясы тәсілдердің Жасыл Әлем бағытындағы инновациялық технологиялардың бір түрі болып келіп, қауіпсіз өңдіріске жатады.
Осыған орай, біздің зертеуіміз Оңтүстік Қазақстан топырағында биометаногенез процесін жүргізетің микроорганизмдерді микробиологиялық зерттеуге арналып, тәжірибелер өткізіліді.
Биометаногенді технологиялар соңғы жылдықта аса қарқынды дамып, көптеген елдерде кең қолданыста келеді. Әсіресе, фермерлік қожалықтар биогазды қондырғыларды құрып, табыстың жаңа көзін, әрі арзан электрэнергия табу жолына көшуде [1].
Диплом жұмысының мақсаты. Дипломдық жұмысты орындау барысында келесі мақсат қойылды: Қазақстанның оңтүстігінде өндірілетін биогаз жасау технологиясын менгере келе, биометаногендік микрофлораның жергілікті штамдарын зерттеу. Сонымен бірге, биомассадан алынған биометаногенді микробты ассоциациялардың жергілікті штамдарын микробиологиялық зерттеу, дақылдық және морфоцитологиялық белгілерін анықтау, туысқа дейін штаммдардың идентификациясын жүргізу.
Сонымен бірге, тәжірибе барысында биометаногенді технологияның қондырғысы - метанотенкте микрофлораның ауысу динамикасын салыстырмалы зерттеу.
Диплом жұмысының міндеттері
Тәжірибелік жұмыстарды орындау барысында келесі міндеттер қойылды:
1) Тәжірибелік метанотенк үлгісінде жергілікті жылқы мен сиыр тезегінің биомассасын ферменттеу;
2) Биометаногенді ассоциациялардың сынамасын төрт тәулік сайын зерттеп, популяциялық өзгерістердің динамикасын анықтау;
3) Сынамалық үлгілерді зертхана жағдайында, агар-агар қоректік ортада дақылдандыру;
4) Микробты ассоциацияларды бактериологиялық термостат жағдайында өсіріп, элективті жағдайлар жасау: температура 30-320С, ылғалдылық 55-57%, екі тәуліктік экспозиция;
5) Сынамалық дақылдар популяциялардың дақылдық белгілерін анықтау;
6) Тәжірибелік үлгілерді микробиологиялық зерттеу: микропрепараттар әзірлеу, микроскопиялау, микрофототүсіру;
7) Тәжірибелік зерттеу нәтижелерін талқылау, тұжырымдау.
Диплом жұмысының ғылыми жаңалығы. Зерттеу объектісі ретінде Түркістан облысының территориясындағы түрлі органикалық биомасса негізінде мекең ететің биометаногенді микробты ассоциациялар зерттелініп, алғаш рет жергілікті штамдары бөліп алынды, бактериологиялық зертхана жағдайында дақылданып, дақылдық белгілері сарапталды.
Диплом жұмысының объектілері мен әдістері: Зерттеу объектісі ретінде Түркістан облысының территориясындағы жылқы мен сиырдың көктемгі органикалық биомассасы зерттелінді.
Зерттеу әдістері келесі болып келді:
1) Тәжірибелік метанотенк үлгісінде жергілікті жылқы мен сиыр тезегінің биомассасын ферменттеу технологиясы;
2) Биометаногенді ассоциациядағы өзгерістердің динамикасын өлшеп, талдау тәсілі;
3) Колониялардың дақылдық белгілерін зерттеу арқылы биометаногенезді бактериялардың жергілікті штамдарын бөліп алу әдісі;
4)бактериологиялық идентификация жұмыстарын төменде берілген микробиологиялық жолдарымен анықтау: қоректік ортаға сынаманы инокуляттау, элективті жағдайда дақылдау, дақылдық белгілерін сараптау тәсілі, микроскопиялық зерттеу мақсатында Тірі, Қақталағн, Романовский-Гимзе микропрепараттарын дайындап, микроскопиялау, салыстырмалы сараптау.
Микропрепараттар мен дақылдық популяцияларды микрофототүсірілім тәсілімен түсіру.
Диплом жұмысы 60 бетке толық копьютерлік текстпен теріліп, 4 кесте, 14 суреттен енгізілген және жұмыс кіріспе, негізгі бөлім мен қорытындыдан тұрады.
МЕТАНОГЕНЕЗ ҮДЕРІСІНІҢ НЕГІЗІ
0.1 Метаногенез үдерісінің дәстүрлі және жаңа технологиялары
Көптеген елдерде биотехнология ауыл шаруашылығының, медицинаның, экологияның, ұлттық қауіпсіздіктің дәстүрлі мәселелерін айтарлықтай дәрежеде шешуге бағытталған, ғылымдағы ең перспективалы бағыттардың бірі ретінде қарастырыла бастады.
Ғылым қажет ететін ДНК-технологияларды игеру аштық пен ауруларға қарсы күрес проблемаларын шешуде, шаруашылық аумақтардың экологиялық жағдайын жақсарту үшін жаңа мүмкіндіктер ашады.
Жаңа сорттардың өнімділігін арттыру үшін және тамақ өнімдерінің сапасы мен экологиялық қауіпсіздігін жақсартуда, өндірісті ұйымдастырудың зиянсыз ресурстарды үнемдейтін жаңа әдістерін әзірлеу және енгізуде биотехнологияның үлесі зор.
Республиканың ішкі нарығында қазіргі таңда келесі мәселелер өзекті болып табылады:
1)жануарлардың ауруларын алдын алу мен биологиялық құралдарымен емдеу,
2)жемдерді сүрлемдеуге арналған биопрепараттар құрастыру,
3)ауыл шаруашылығы дақылдарын қорғау құралдарымен, битыңайтқыштар жасау,
4) қоршаған ортаны қорғауға арналған ферменттік препараттарды толықтыру,
5)өнімділікті айтарлықтай арттыру,
6)аурулар, зиянкестер және арамшөптермен күресу шығындарының азайту,
6)экономикалық, әлеуметтік және экологиялық әсерге ие улы химикаттармен ластанған жерлерді тазарту,
7)биологиялық белсенді заттар мен жоғары сапалы өнімдерді өндіру үшін генетикалық түрленген жасушаларды және жоғары өнімді штамдарды құру, оларды пайдаланудың принциптері,
8)жануарлардың өнімділігін және олардан алынған өнімнің сапасын биотехнологиялық әдістермен арттыру және in vitro селекциясының негізгі принциптер негізінде бастапқы генетикалық материалдарын жасау, бағалау және іріктеу,
9) In vitro жағдайында жануарлардың генетикалық әртүрлілігін жаңадан құрастыру,
10) жануарлар селекциясындағы in vitro технологиясын пайдалану заңдылықтары мен ерекшелігі негізіндегі әдістерді жетілдіру және қолдану мүмкіндіктерін қарастыру [2].
Өсімдік шаруашылығы жалпы өнімнің жартысына жуығын - ауылшаруашылық өсімдіктері, сабан мен пәлек құрайды. Ауыл шаруашылық өндірісте көң көп мөлшерде органикалық қалдықтан тұрады.
Сабанның жартысына жуығы және пәлектің 30% -дан аспайтын бөлігі мал азығы үшін қолданылады.
Сабан мен пәлектің қалған бөлігі іс жүзінде қолданылмайды, өрістерде немесе уақытша сақтау орындарында шіріп кетеді немесе өртеледі.
Көннің шамамен 70% тыңайтқыш үшін пайдаланылады, қалғаны жыралар, орман алқабтарына, суағарларға түсіп, қоршаған ортаны ластайды.
Органикалық қалдықтарды пайдаланудағы негізгі міндеті - оның құнарлылығын арттыру үшін топыраққа енгізу болып табылады.
Сонымен бірге, биотехнологтар мен инженерлер олардың биогазға айналуын биоконверсия жолдары арқылы ұсынды.
Биоконверсия - органикалық қалдықтардан шыққан биогазды (метанды) өндіру, яғни көң бойындағы энергияны ферменттеу нәтижесінде газды формадағы энергияға айырбастау технолгиясы.
Бір тонна құрғақ заттың көңінен 400 м3 биометан алып, биоконверсиялық қондырылғыларды пайдаланады.
Әрбір текше метр метан жану кезінде 8 000 МДж энергиясын беру мен бірге, биоконверсиядан кейін қалған органикалық қалдықтардың құрамында көміртек, фосфор, калий, кальций, микроэлементтерді органикалық тыңайтқыш ретінде қолданады.
Көң мен басқа да органикалық қалдықтардың биоконверсиясы үнемі жаңартылатын энергия көзі бола алады және ауыл шаруашылығында тұтынылатын жалпы энергияның 5% -ын қамтамасыз етеді.
90-шы жылдардың аяғында Қазақстан Республикасында агроөнеркәсіп кешенінің өнімдерінің негізгі түрлерін өндіру үшін энергияны тұтыну 3-4 есе жоғары болатын.
Мәселен, АҚШ, Ұлыбритания, Бельгия, Нидерланды елдерінде салыстырмалы өте жоғарғы көрсеткішке ие болып келеді [3,4].
Сондықтан аграрлық сектордың экономикасы энергия үнемдейтін негізге көшіру жұмыстарын бастап келеді.
Энергия үнемдеу мен биоконверсиялау принциптерін Қазақстан Республикасының Энергетика Министрлігі жанынан құрылған (2003 жыл) мемлекеттік комиссиясы мемлекеттік саясат деңгейіне көтеріп, көпшіліктің, ғылыми зерттеушілер мен қожалықтардың назарын аударып келеді.
Энергияны үнемдеуге бағытталған барлық өндіріс көзінде - кәсіпорын деңгейінен мемлекеттік деңгейге дейін белгілі бір жетістікке қол жеткізілді.
Мысалы, 2003-2007 жылдарға арналған Республикалық Энергия үнемдеу бағдарламасын іске асыру нәтижесінде, ішкі жалпы өнімнің энергия сыйымдылығын 25% төмендеуіне қол жеткізді.
Қазақстан Республикасының энергетикалық қауіпсіздігімен энергетикалық тәуелсіздігінің негізгі қағидалары қабылданып, Мемлекеттік кешенді жаңарту бағдарламасы аталатын өндірістік қордың заңнамасында жарияланған.
Нәтижесінде, Республикамыздың энергетикалық жүйесінің жұмысы энергия тиімділігін қадағалап, 2008-2017 жылдар аралығында бақылау нәтижесін жариялап келіп, отандық отын-энергетикалық ресурстардың кеңінен ұлғайтылуын қамтыйды.
Альтернативті отын көзін пайдалануда жергілікті мал шаруашылық қожалықтар биомассаны анаэробты ферменттеу технологиясына көңіл аударып келеді.
Биомассаны биоконверсиялау кезінде ауыл шаруашылық қалдықтар өңделіп, экологиялық сұрақтар шешілуде, сонымен қатар, тыңайтқыштар түзіліп, ең бастысы, биометаногенез процессі бағытталып, жүргізіліп, энергияның тиімді формасы түзілуде [5].
0.2 Анаэробты метаногенездегі конверсиялар
Анаэробты ортада бір қатар топырақ микроорганизмдер популяциясы энергияны тікелей көміртекті қосылыстардан ферменттеу барысында түзіп, метан (CH4), көмірқышқыл газы (СО2) және қосымша газдарды (сутегі, оттегі, аммиак, сутегі сульфиді) өңдіреді.
Аталған газдар метанның жанама газдары болып келіп, құрылымдық бірліктікте аз пайызын құрайды, ал осы газдардың қоспасы биогаз деп аталады.
Көңнің анаэробты метанды ашыту кезінде үш маңызды міндет шешіледі.
Біріншіден, жақсы энерготасымалдауш міндетің атқарып, биогаз өндіріледі.
Биогаз қоспалардың тазартпаған түрінде 22-27 МДжм3-ге дейін (орташа есеппен 24 МДжм) энергия кездеседі.
Екіншіден, тиімді экологиялық мәселелер шешілуде, себебі ферменттеу нәтижесінде биомасса бойындағы патогенді, ауру тудыратын микроорганизмдері жойылып келеді.
Үшіншіден, анаэробты ферменттеу нәтижесінде органикалық тыңайтқыштар түзіледі.
Көңді қайта өңдеу биогаз қондырғыларында (БГҚ) жүзеге асырылады. Батыс Еуропа елдерінде бірнеше мың орта және ірі, ал Азия елдерінде (Қытай, Үндістан) миллиондаған ұсақ (отбасылық) БГҚ пайдаланылады [6,7].
Биогаз ферменттеудің үш режимі кездеседі:
1) Психофильді-14-270С,
2) Мезофильді-32-480С,
3) Термофильді - 43-530С.
Температураны ұстап тұру үшін метантенкте жылу алмастырғыш-жылытқыш орнатылып, оған су жылытатын қазандықтан ыстық су беріліп отырылады.
Метантенк көң массасымен 80% көлемге толтырылып, жоғарғы, толтырылмаған бөлігінде биогаз жиналады, ол үнемі іріктеліп, уақытша сақталатын газгольдерге беріледі.
Газгольдерден биогаз қазандықтың оттығына, одан әрі өндірістік пайдалану үшін сыртқа шығарылады.
Метантенктен шығатын ашытылған қалдықтар ашыту режимінің температурасында өңделеді. Жылу алмастырғышта ол өзінің жылу энергиясын бастапқы шикізатқа береді, содан кейін көң қоймасына түседі [8].
Анаэробты ашыту процесінде көңнің органикалық заттарының ыдырау дәрежесі 47% аспайды (сурет 1).
1-сурет. Биометаногенді қондырғы
Термофильді режим үшін 1 м3 биогаз алуға жұмсалатын энергияның үлесі 5,5 кВтсағатына, бұл мезофильді режим үшін 3,7 кВт·сағм3 энергия шығындарынан 1,5 есе асып келетінің көрсетеді.
Дегенімен, бұл сандар жылу алмастырғыш утилизаторымен жабдықталмаған БГҚ қондырығысында жүреді.
Термофильді режим үшін энергия шығыны 0,2- 0,5 дейінгі шектерде болып келіп, жылуды кәдеге жарату коэффициентің мезофильді деңгейге дейін азайтуға болады [9].
Ауыл шаруашылығындағы жануарлар мен құстардан шығатын жылуды кәдеге жарату коэффициенті төмендегі суретте келтірілген (сурет 2).
Сонымен қатар, көңнің метанды ашуы оның дезодорациясын, дегельминтизациясын, арамшөптер тұқымдарының өнгіштікке қабілеттілігін жоюды, тыңайтқыш заттарды өсімдіктермен оңай сіңетін минералды нысанға ауыстыруды қамтамасыз етеді.
Бұл ретте өсімдіктер үшін қоректік заттар-азот, фосфор және калий іс жүзінде жоғалмайды.
Биогаз қондырғысының басты бөлігі көңді ашытуға арналған реактор болып табылады,оның типі бойынша әр түрдегі және құрамды көңді ашытуға арналған биогаз қондырғыларының жіктелуі жасалған.
Метантенктердің конструкциялары әртүрлі, негізінен гидравликалық режиммен (ағынды немесе мерзімді толтыру) және жүктеу тәсілдерімен (үздіксіз немесе мерзімді) ерекшеленеді.
Үздіксіз (ағынды) схема кезінде көңді белгілі бір уақыт аралығында (тәулігіне 10 ретке дейін) жүктейді және ашытқы массасының осындай мөлшерін алып тасталынады [10,11].
Ашытудың барлық шарттарын сақтаған кезде мұндай схема биогаздың максималды шығуына мүмкіндік береді.
Периодтық схемада метантенкалар (әдетте екі) кезек бойынша жүктеледі. Бұл ретте жаңа көң ашыған көң қалдықтарымен араластырылады.
Газ 5-10 тәулік өткеннен кейін пайда болады және ең жоғары мөлшерге жеткен кезде біртіндеп ең төменгі мөлшерге дейін төмендейді. Содан кейін шығарылған көңді түсіреді және метантенкаға қайтадан көң салады.
Анаэробты көң қоймаларында биогаз жинау үшін синтетикалық жабындарды қолдану, температура мен рН ұстау, абайлап араластыру, ондағы көң рециркуляциясы қарастырылады.
Анаэробты көң қоймаларының артықшылығы - олардың құрылғысының қарапайымдылығы, сондай - ақ өлшенетін заттардың құрамына сезімталдықтың төмендігі; жетіспеушілігі-үлкен алаңдарға қажеттілігі, сондай-ақ қыс мезгілінде жылудың үлкен шығыны болып келмеуінде.
Батыс Еуропа елдерінде жұмыс істейтін биогаз қондырғыларының басым бөлігі мезофильді режимде жұмыс істейді, яғни ашыту 30-350С кезінде жүзеге асырылады [13].
Жапония, Германия және Швейцарияда қоршаған орта температурасында өтетін ашытудың жаңа психрофильді процестері қолданыла бастады [14].
2-сурет. Фермерлік қожалықтардағы метаногенді үдерістің үлесі
Шетелдік сарапшылардың пікірінше, бұл үнемді бағыт түрі болашақта одан әрі дами алады.
50-540С кезінде көңді ашыту үшін термофильді процестерді практикада пайдалану жоғарыда көрсетілген және бұл процесс дамыған басқа да елдерде де сирек кездеседі.
Ұсынылған пікір бойынша анаэробты ашудың ең үнемді температуралық режимі туралы бірыңғай мәліметтер жоқ.
Көң өңдеу ұзақтығы және тәуліктік жүктеу мөлшері бойынша практикада қолданылатын биогаз қондырғылары айтарлықтай ерекшеленеді (7-29 тәулік пен 5-25% тәуліктік жүктеу дозасы).
Бір шартты мал басына есептегенде метантенктердің үлес көлемі 3,5 м3гол (Венгрия) - 0,91 м3гол (Ресей) құрайды; биогаздың шығу үлесі 0,8-2,7 м3гол құрайды [15].
Мамандар атап өткендей, метаногенез процесті жүзеге асыру кезінде энергияның едәуір шығынын талап етеді. Температура жоғары болса, қосымша жылу шығыны жоғары болып есептеліп, гидролиз жылдамдығы жоғарлайды (сурет 3).
Сондықтан температуралық әсер есебінен метаногенез жылдамдығын арттырудың кейбір жағымсыз жақтары бар.
Биогаз қондырғыларының экономикалық тиімділігі, пайдаланып отырған аудан мен шаруашылықтың нақты жағдайларына байланысты.
3-сурет. Метаногенездің гидролиттік қосылыстары
Суық региондарда отынды үнемдеу мақсатында мезофильді режимді пайдаланып, реакторлардың ұстап қалу уақыты мен жұмыс көлемі ұлғаяды.
Мысалы, "AB Enso" (Финляндия) фирмасы әзірлеген 330С температуралы ферментация режимінде Лапландия жағдайында жұмыс істейтін биогаз қондырғыларының конструкциялары қызмет ете алады [16,17,18].
Жекелеген жағдайларда жылу шығындарын төмендету мақсатында және тауарлық биогаз шығымын арттыру үшін метаногенерация процесін екі фазаға бөледі: қышқылдық және метаногенді. Біріншісі 31-370С, екіншісі 580С.
Осы реакторлардағы биогаздың шығу көрсеткіштері реакторлар көлемінің бірлігіне берілген жүктемеге толық сәйкес келеді және 0,93-3,1 м3тәулік құрайды.
Энергия көзі ретінде биомассаны пайдалануға қызығушылықтың себебіне келесі факторлар жатады:
1. Биомассаның үнемі жаңартылуы;
2. Биогазда сақталған энергия ұзақ уақыт бойы сақталуы және пайдаланылуы мүмкін және де әр түрлі отын түрлеріне айырбасталынады;
3. Бірқатар өңірлерде биоотын экономикалық неғұрлым тиімді немесе энергияның негізгі түрі болып табылады;
4. Биогаз экологиялық таза энергия көзі болып табылады. Оны пайдалану кезінде күкірттің зиянды газ тәрізді оксидтері түзілмейді. Биосферадағы көмірқышқыл газының балансы өзгермейді.
Егер биогаз қондырғылары фермалардағы қиды кәдеге жаратудың технологиялық желілерінде қолданылатын болса, биогаз өндірісінің өзіндік құны айтарлықтай төмендетілуі мүмкін.
Бұл жағдайда биогаз ала отырып қи анаэробты ашыту өңдеудің балама немесе қосымша әдісі ретінде қарастырылуы мүмкін.
АҚШ-та қи биогаз өндірісіне үлкен мән береді: біріншіден, энергетикалық аспектіде; екіншіден, жыл сайын мал шаруашылығы фермаларында пайда болатын, биогазға қайта өңдеу үшін экономикалық жағынан проблемалық қи көлемінің жартысына жуығы қарқынды өндірістік жүйелерге (ірі бордақылау кешендері мен ІҚМ алаңдары, өндірістік шошқа өсіру және құс өсіру кешендері) келеді [19].
Германиядағы мал шаруашылығында жыл сайын қидың шығуы қазіргі уақытта 200 млн. т құрайды, оның ішінде 70 млн.т сұйық түрінде.
Шектелген ауыл шаруашылығы алаңдары мен қоршаған ортаны қорғауға қойылатын жоғары талаптар жағдайында қидың барлық көлемін кәдеге жарату қажеттілігі мамандар мен фермерлік шаруашылықтардың алдына қи толық зарарсыздандыру әдісін әзірлеу және одан жоғары сапалы органикалық тыңайтқыш дайындау міндетін қояды.
Соңғы жылдары елде сұйық қиды анаэробты метанды ашыту әдісін қарқынды әзірлеу қайта басталды.
Неміс мамандарының есептеуі бойынша, биогазға қи көлемін анаэробты өңдеу кезінде жалпы ұлттық қажеттіліктің 4% - ына тең энергия алуға болады.
Жапонияның ауыл шаруашылығында жыл сайын 56,5 млн.т көң ағындары пайда болады.
Қазіргі заманғы технология деңгейінде мал шаруашылығы өнімдерін қарқынды өндіруге көшумен мамандар 1,7 млрд.м3 көлемінде биогаз алу үшін барлық көң массасын қайта өңдеу экономикалық орынды деп санайды (бұл 1 млн. т. мұнайды үнемдеуге теңестіріледі).
Ресей ауыл шаруашылығы жануарларының қиынан биогаз өндірудің әлеуетті мүмкіндіктеріне ие [20,21].
Жыл сайын елдің мал шаруашылығы фермаларында 665 млн.тонна қи пайда болады, оның әрбір тоннасынан биогаз қондырғыларында өңдегеннен кейін 10-нан 20 м3 дейін 5600-6300 ккалм3 жылу шығару қабілеті бар биогаз алуға болады.
Биогаз өндіру үшін пайдаланылуы мүмкін Ресей фермаларындағы қи мен көң ағындыларының әртүрлі түрлерінің көлемі жылына 408,5 млн.тоннаны құрайды, құрғақ заттардың жалпы құрамы 34,6 млн. тонна, осы қидың энергетикалық әлеуеті - жылына 6025 млн. м3 биогаз, ал оны фермалардың технологиялық қажеттіліктері үшін пайдалану шартты 4,3 млн. тонна сұйық отынды үнемдеуді қамтамасыз етеді.
Қиды жою және қайта өңдеуге арналған энергия ресурстарының шығынын төмендету жолдары оны үй-жайлардан алып тастау және қи қоймасына тасымалдау-фермалардағы жалпы энергия шығындарының 30% - ын құрайтын энергия сыйымды процесс болып табылады.
Техникалық құралдарды, қи жинау және тасымалдау тәсілдерін таңдау жануарларды ұстау технологиясына, оларды азықтандыру түріне және қиды кәдеге жарату тәсіліне байланысты.
Сондай-ақ бұл факторлар алынатын органикалық тыңайтқыштардың санына және осы тыңайтқыштарды шығару және егістікке енгізу үшін энергия шығындарының көлеміне елеулі әсер етеді.
Еңбек шығындарының салыстырмалы түрде жоғары болуы (72 адам-чт) қиды қырғыш транспортермен жоюдан байқалады. Олар станоктардан қолмен қиды жинау және төсеніштерді қолмен енгізу қажеттіліктерімен негізделген.
Жануарларды мезгіл-мезгіл ауыстырылатын төсеніште ұстау кезінде қиды жоюдың механикалық жүйесі азғана шығындармен сипатталады.
Қой шаруашылығы кәсіпорындары үшін аталған технологиялар да қолданылады және оларды салыстырмалы талдау ұқсас қорытындыларға әкеледі.
Көрсетілген жағдайларға байланысты соңғы жылдары республиканың көптеген шаруашылықтары мезгіл-мезгіл ауыстырылатын немесе терең төсеніштерді пайдалана отырып, ірі қара мал мен қойларды топтап ұстау үшін мал шаруашылығы қоралары мен жеке фермаларды қайта жаңғыртуда.
Бұл айтарлықтай шамада энергия шығынын төмендетуді қамтамасыз етеді және мұндай кәсіпорындардың рентабельділігін арттырады.
Шағын қой шаруашылығы кәсіпорындары мен фермерлік шаруашылықтар үшін қойларды ұстаудың Энви-Стим жүйесі сияқты технологиялары неғұрлым тиімдірек, мұнда төсеніштерді бір жарым жылға дейін ауыстырусыз станоктарда қи компостирлеу принципі іске асырылады, шошқаларды көлбеу (өздігінен тазаланатын) едендерде ұстау [21,22].
Құс шаруашылығында, энергия ресурстарын үнемдеу тұрғысынан бройлер етін өндіру кезінде балапандарды еденде өсіру торда өсіруге қарағанда анағұрлым жақсырақ.
Сонымен, тірі салмақтың 1 т-на келетін электр энергиясының үлестік шығыны бройлерлерді циклдік өсіру кезінде оларды торда ұстау еденде ұстауға қарағанда 30-35% - ға артығырақ.
Жаңа клеткалық жабдықта ленталық саңғырық жою әдісі осы процесті 30-40% арзандатуға мүмкіндік береді.
Қиды кәдеге жаратудың тиімді тәсілі БГҚ қолдану болып табылады. Алынған биогаз өндірістік үй-жайларды жылыту үшін пайдаланылуы мүмкін.
Ірі қалаларда қатты қалдықтар үлкен экологиялық проблема болып отыр. Күн сайын әрбір қала тұрғыны орта есеппен 2-3 кг түрлі қалдықтарды тастайды, олардың жартысы - полиэтилен, қағаз, қаптамалар материалдары.
Коммуналдық қалдықтарды толық ыдырау жүрмейтін қоқыстарға орналастырылады.
Өте төмен қаржы шығындары кезінде қатты қалдықтар проблемасының ең қарапайым техникалық шешімі оларды көму болып табылады. Бірақ бұл әдіс экологиялық тұрғыдан тиімсіз: ондаған жылдар бойы орасан зор алаңдар жұмсалуда,сол себептен қоршаған ортаның ластануы жүріп жатыр.
Мұндай көмулерде органикалық зат 30-50 жылға дейін баяу ыдырайды.
Қатты қалдықтарды өңдеудің бастапқы сатысында аэробтық процестер басым болады,олардың барысында неғұрлым жеңіл бұзылатын молекулалар омыртқасыздар (кенелер, құрттар, тегіс, нематодтар), төменгі сатыдағы саңырауқұлақтар мен микроорганизмдер пайдаланылады.
Келесі кезеңде тек баяу тозуға қабілетті лигноцеллюлоза, лигнина, танина және меланин тәрізді макромолекулалардың ыдырауы жүреді.
Бұл кезеңнің ұзақтығы қатты өзгереді және ішінара өңдеуге байланысты.
Жоғары температура (80°С дейін) және микробтан шыққан антибиотиктердің болуы патогенді микроорганизмдер мен вирустардың, жәндіктердің дернәсілдерінің және өсімдіктер тұқымдарының өлуіне немесе инактивациялануына әкеп соғады. Температура қоқыс үйіндінің жұмыс индикаторы ретінде қолданылады.
Біраз уақыттан кейін оттегі аэробты микрофлорамен сіңеді, СО2 жинақталады және метан түзетін анаэробты микрофлораның, содан кейін метаногендердің қызметі басталады
Жергілікті жағдайларға байланысты бірнеше айдан кейін немесе бір жылдан кейін тұрақты метанды ашыту басталады және бөлінетін газдың құрамында 50-55% СН4, 40% СО2 және 5% N2 болады.
Қоқыс тастайтын жерлерде пайда болатын газды пайдалану үлкен перспективаға ие, өйткені оны көп мөлшерде алуға болады.
Алайда, қазіргі уақытта ол өтімді таппайды, тек қалдықтар ғана болып табылады және қоқыс тастайтын жерлерді пайдалануда қолайсыздық туғызады.
Қоқыс тастайтын жерлерде пайда болған газды полиэтилен құбырларының көмегімен шығаруды үйренді. Конденсат пен шаңды жойғаннан кейін бұл биогазды отын ретінде қолдануға болады.
Бұл әдіске балама әдіс -сүзілетін суларды рециркуляциямен (қайта пайдалану) суландыру болып табылады.
Бұл жағдайда қоқыс анаэробты биофильтр ретінде пайдаланылады. Судың әсері ылғалдылықтың ұлғаюынан және бұл сулардың қалдықтардың қалыңдығы арқылы тасымалдануынан тұрады, бұл биодеградация процесін тездетеді.
Егер қайта суландыру алдында рН реттесе, қосымша қоректік заттар мен микроорганизмдердің белсенді дақылдарын енгізсе, суды рециркуляциялау әрекеті күшейтіледі.
Бүрку арқылы суды рециркуляциялау булануды, төмен молекулярлы органикалық қосылыстардың ұшып кетуін тездетеді.
Ірі қара малды бордақылау алаңдарында мал басы 100 мың басқа дейін кездескенде көңнен биометаногенез барысында газ өндірудегі жыл сайынғы алатын көрсеткіштер 4 суретте келтірілген (сурет 4).
Орташа (1-ден 10 мыңға дейін) және ірі (10 мыңнан астам бас.) бордақылау алаңдарындабиогаз өндіру экономикалық жағынан орынды болып есептелінеді [23].
Деректер сондай-ақ биогаз өндірісінің өзіндік құны өте жоғары және жекелеген жағдайларда дәстүрлі отын түрінің өзіндік құнына қарағанда жоғары болуы мүмкін екендігін куәландырады.
Бұл көрсеткіш биогаз қондырғыларын пайдалануға байланысты басқа экономикалық әсерлерді ескермей есептеледі.
Биометаногенез немесе метанды ашыту - биомассаның энергетикалық құнды материалға (метан) айналуының бұрыннан белгілі процесі болып табылады.
Бұл процесті 1776 жылы А. Вольт ашып, ол батпақта метан газы болуын дәлелдеді [24].
Биогаз өндірісі үшін қажет шикізаттар:
- әртүрлі өсімдік биомассасы, яғни ауыл шаруашылығы өсімдіктерінің жеуге жарамсыз бөліктері;
- сүрек қалдықтары, яғни құрамында жоғары целлюлоза бар шикізат, оның өңдеу әдістері қиын, бірақ тиімді ыдырайды және биогазға айналады.
- Қайта өңдеу өнеркәсібінің қалдықтары.
4-сурет. Биометаногенді заттардың пайыздық үлесі
- Су гиацинт, үлкен қоңыр балдырлар сияқты арнайы өсірілген дақылдар.
- Ауыл шаруашылығы фермаларының сұйық қалдықтары.
- Өнеркәсіптік және тұрмыстық ағындар және тазарту құрылыстарының тұнбалары.
- Қалалық қоқыс тастайтын жерлердің қоқысы.
Метан өндірісінің бірінші фазасы. Биогаз өндірісінде басқа ешбір өндірістерде бөлінбеген микроорганизмдердің таза түрлерінен олардың консорциясы маңыздырақ.
Олар микроорганизмдердің жеке түрлері мен штаммдарына қарағанда жоғары биодеградациялық белсенділікке ие.
Консорциядағы микроорганизмдердің құрамы шикізаттың қандай да бір түрлерінің ыдырау тиімділігін анықтайды.
Метанды ашытудың бірінші сатысы - қышқылды-спирттік, майлы қышқылды, пропиондық, ацетонобутилдік және ашытудың басқа түрлеріне (энтеробактериялар, клостридиялар, стрептококтар, лактобациллалар) қабілетті түрлі микроорганизмдермен жүзеге асырылады [25].
Органикалық массаның деструкциясында целлюлоза бұзатын микроорганизмдер белсенді рөл атқарып, гидролиттік түрлі қосылыстар түзеді (сурет 5).
Олардың белсенділігі шикізаттың аса қиын компонентінің ыдырауына байланысты.
Органикалық қышқылдардың сірке қышқылына айналуында ацетогендер - анаэробты бактериялардың мамандандырылған тобы маңызды рөл атқарады.
Бұл ең алдымен клостридиялар, атап айтқанда Clostridium thermoaceticum.
Олар органикалық қышқылдарды сірке қышқылына, сутегі және көміртегі тотығына айналдырады.
Метанның пайда болуындағы ацетогенді сатысы биогаз түзілуінің екінші негізгі фазасымен тығыз байланысты (сурет 6).
Кейбір метаногенді бактериялар ортада сутегі концентрациясы белгілі бір деңгейге дейін төмендеген кезде ацетогенді метаболизм қайта құрылады.
Метаногендер анаэробты аймақтарда:
а)теңіз шөгінділерінде,
б)батпақтарда,
в)өзен және көлдерде,
г) көмірқышқыл түзілетін органикалық заттардың деструкциясына кеңінен және белсенді қатысатын топырақтар алаңы,
д)барлық белгілі метан түзетін бактериялар сутегінің тотығушы топырақтар алаңы.
Осы аймақтарда тәжірибе нәтижесінде энергия алып, көмірқышқылын метанға айналдыра алады.
5-сурет. Метаногенді гидролиздегі заттардың үлесі, гкг
6-сурет. Метаногенездің соңғы кезеңіндегі заттардың үлесі, гкг
Бір метаногендер автотрофтылар болып табылады және олардың өсуі үшін тек сутегі мен көмірқышқылының қоспасы ғана пайдаланылады, басқалары гетеротрофтылар бола отырып, құмырсқа және сірке қышқылдарын, сондай-ақ метанол мен метиламиндерді пайдаланады.
Метаногендер-облигатты анаэробтар, олардың ішінде аллофилдер, мезофиллдер және термофилдер бар. Олардың кейбіреулері тұзды су қоймаларында және тіпті қаныққан тұз ерітіндісінде өсуге қабілетті. Олар қышқыл ортада 4-тен 970 - ге дейін және тіпті 2500С-ге дейін дамиды.
Метаногенез-архейден бүгінгі күнге дейін бактериялар өндіретін ежелгі процестердің бірі. Мұндай бактерияларды архебактериялар деп атайды және олардың жасын 3,0-3,5 млрд жаста деп бағалайды [26,27].
Архебактериялар прокариоттық микроорганизмдерден клеткалық қабырғада муреиннің болмауымен, липидтердің спецификалық құрамымен, рибосомальды РНК өзіндік нуклеотидтік тізбектілігімен, метаболизмнің спецификалық компоненттерінің болуымен ерекшеленеді.
Биометаногенез процестері табиғи газды биогаз - алмастырғышты алу үшін өнеркәсіпте қолданылады.
Өнеркәсіпте қолданылатын метаногенды консорциум, өз құрамының күрделілігіне қарамастан, биогаз алу кезінде тиімді нәтижелер беретін жеткілікті сенімді авторегуляцияға ие [28].
Қарапайым метанотектің конструкциясы. Метанотенктің қарапайым конструкциясы газдың бекітілген көлемі бар топырақтағы кәдімгі ашыту шұңқыры болып табылады.
Жеткілікті, бірақ әлсіз араласуды қамтамасыз ету өте маңызды. Әдетте тамақ және микробиология өнеркәсібінің қалдықтарын жою уақыты шамамен 5-14 тәулікті құрайды.
Екінші буын аппараттары. Екінші буын метантенктерінде (сұйылтылған субстраттар үшін) қалдықтардың толық биоконверсиясы (90-95%) есебінен биогаздың жоғары шығуын қамтамасыз ететін (реактордың 1м3 көлеміне тәулігіне 4-5 м3 дейін) конструкциясы бар- тамақ және микробиологиялық өнеркәсіп болып табылады.
Жоғары температурадағы жұмыс биореакторды іске қосу кезінде бастапқы қыздыру үшін энергия шығынын талап етеді, бірақ процесс жылдамдығы мезофильді жағдайлармен салыстырғанда 2-3 есе жоғары.
Екі сатылы қондырғы. Екі сатылы метантенке метаногенез сатылары бөлінген. Бірінші аппаратта қышқылдар, көміртек тотықтары мен сутегінің пайда болуымен органикалық анаэробты ыдырау процесі жүреді (қышқылдық кезең).
Алынған бражка екінші аппаратқа түседі, онда метанның пайда болу процесі болады. Мұндай жүйенің біріншісінде микроорганизм-диструкторлардың және екіншісінде метаногендердің дамуына тиімді жағдай жасауды ескере отырып, әрбір аппаратта ферментация жағдайларын (ағынның жылдамдығы, РН, температура) тәуелсіз өзгертуге болады. Нәтижесінде, биожүйені қолдану процесті екі-үш есе қарқындандыруға мүмкіндік береді.
Қоқыс тастайтын жерлерде пайда болатын газды пайдалану үлкен перспективаға ие, өйткені оны көп мөлшерде алуға болады. Алайда, қазіргі уақытта ол өтімді таппайды, тек қалдықтар ғана болып табылады және қоқыс тастайтын жерлерді пайдалануда қолайсыздық туғызады.
Қоқыс тастайтын жерлерде пайда болған газды полиэтилен құбырларының көмегімен шығаруды үйренді. Конденсат пен шаңды жойғаннан кейін бұл биогазды отын ретінде қолдануға болады.
Бұл әдіске балама сүзілетін суларды рециркуляциямен (қайта пайдалану) суландыру болып табылады. Бұл жағдайда қоқыс анаэробты биофильтр ретінде пайдаланылады.
Судың әсері ылғалдылықтың ұлғаюынан және бұл сулардың қалдықтардың қалыңдығы арқылы тасымалдануынан тұрады, бұл биодеградация процесін тездетеді.
Егер қайта суландыру алдында рН реттелсе, қосымша қоректік заттар мен микроорганизмдердің белсенді дақылдарын енгізу мен суды рециркуляциялау әрекеті күшейтіледі. Бүрку арқылы судың рециркуляциясы буланудың, төмен молекулярлы органикалық қосылыстардың ұшып кетуін тездетеді.
Тапшы бензинді отынның өзге түрлерімен ауыстыру қазіргі заманның өзекті мәселесі болып табылады, мысалы, Америка, Батыс Еуропа елдерінде.
Этанолды таза күйінде немесе бензинмен (газахол) қоспада пайдалану қоршаған ортаның ластануын төмендетеді, өйткені оның жануы кезінде тек көмірқышқыл мен су түзіледі [29,30].
Ашыту процесі аяқталғаннан кейін бражкадағы спирт концентрациясы 6-12 % құрайды. Дистилляция құрамында 96% этанол бар суэтанол қоспасын береді.
Бұл қоспаны іштен жану қозғалтқыштары үшін отын ретінде пайдалануға болады. Қазіргі уақытта кеңінен қолданылатын биореакторлардың құрамында биомассаны культуральдық сұйықтықтан бөлу жүйесі немесе бірінші кезекте мембраналық микрофильтрлеу, ультрафильтрлеу немесе диализді қолдану негізінде этанолды бөлу және тазарту жүйесі бар.
Спирттің соңғы шоғырлануы неғұрлым жоғары болса, айдау кезеңі энергия сыйымдылығы да аз. Мысалы, бражкадағы спирттің 5%-дық концентрациясы кезінде 96%-дық спиртті алу үшін бу шығыны 4 кгл-ден асады; спирт мөлшері 10% - ға жуық болған кезде бұл шама 2,25 кгл-ге дейін төмендейді [31].
Бір тонна картоптан 100 л этил спиртін, бір тонна қара бидай дәнінен - 270 л, 170-180 л этанол ағашынан және 40 кг ашытқының биомассасын өндіруге болады.
Өндірілетін көмірқышқыл газы сұйық (сусындарды газдау) немесе қатты (құрғақ мұз) түрінде қолданылады.
Ашытқы биомассасы бұдан әрі құрама жем құрамында қолданылады. Сивушные майлар бұдан әрі химия индустриясында пайдаланылады.
Осылайша, энергетикалық тасығыштарды өндірудің жаңа және тиімді тәсілдерін әзірлеу және шикізат ресурстарын толықтыру қажеттілігі жаһандық ауқымдағы шикізат пен энергия тапшылығының және технологиялардың экологиялық қауіпсіздігіне қойылатын талаптардың артуынан соңғы екі онжылдықта аса өзекті болып отыр.
Осыған байланысты биотехнологияның жаңа бағыты - энергияны алу мен түрлендірудің тиімді және экологиялық қауіпсіз технологияларын әзірлейтін биоэнергетика қарқынды дами бастады.
4.1 Биогаз түзілу технологиясының басты кезеңдері
Биогаз энергиясын біздің дәуірімізге дейінгі жүз жылда бірінші болып қытайлықтар пайдалана бастаған.
Қазіргі кезеңде, осындай терең тарихи тамыры мен саланы мемлекеттік қолдау бағдарламасының арқасында Қытайда 2000 жылы 30млн дана биогаз қондырғылары кеңінен қолданылады [32].
Метанды "ашыту" немесе биометаногенез - биомассаны энергияға айналдыру процесін еуропалықтар тек 1776 жылы ашқан болатын.
Осы процесті Вольта дәлеледеп, зерттей отырып, құбылыс нәтижесінде 65% метан, 30% көмірқышқыл газы, 1% күкірт сутегі мен азот, аз мөлшерде жанама оттегі, сутегі мен көміртегі тотығынан тұратын газ түзілетінің анықтаған [33].
Ауыл шаруашылығы қалдықтарынан алынған биогазды еуропалықтардың практикалық пайдалануы туралы алғашқы мәліметтер Дейви еңбектерінде кездеседі. Айталық, бұл деректерде, ірі қара малдың қиының агрохимиялық қасиеттерін зерттей отырып, биогаз жиналғаны келтірілген (1814 жыл).
1881 жылдан бастап қалдықтарды жинау үшін шағын модификацияланған "септик" аталатын жабық ыдыстар пайдаланыла бастады. Эксетер қаласының (Англия) аудандарының бірінде көше шамдары 1895 жылда ақаба суларды ашыту нәтижесінде алынған газбен жабдықталған.
1897 жылдан бастап, осы қалада суды тазалау барысында биогазды жинап, оны жылыту және жарықтандыру үшін пайдаланды.
Қазіргі уақытта қондырғы құрылған материалдың беріктігі, масса мен жылуөткізгішті бірінші кезекте ескеріліп, араластыруға арналған құрылғылар, тиелетін субстратты дайындау және жылыту, биогазды жинау және жинақтау және жауын-шашынды бұру мәселелері де қарастырылған түрлі құрылымдағы биореакторлар белгілі.
Қазақстан Республикасының Қарағанды облысындағы Экомұражайда 2000 жылдың 1 желтоқсанынан бастап биогаз технологияларын енгізу бойынша "BIOGAS" жобасы жүзеге асып келеді [34].
Бұл жоба Орталық Қазақстанда биогаз технологияларын пайдаланудың алғашқы тәжірибесі болып табылады.
Жобаны іске асыру барысында экологиялық мұражай биогаз қондырғыларын салу, іске қосу және пайдалану туралы көптеген тәжірибе мен ақпарат жинақталған.
Тәжірибе Орталық Қазақстанның жергілікті ерекшеліктеріне байланыстырылып салынған әрі осыған дейін аталған технологиялар пайдаланылмаған.
Қарағанды экологиялық мұражайының қызметкерлері Қазақстанның шаруалары мен фермерлеріне арналған биогаз қондырғыларын салудың бірнеше технологиясын әзірлеп, жүзеге асырды.
Биогаз-бұл органикалық массаның ыдырауы нәтижесінде пайда болатын метанды бактерияларының зат алмасу өнімі.
Биогаз жоғары сапалы және толыққанды энергия тасымалдаушы болып табылып, үй шаруашылығында отын ретінде және тамақ дайындау, электр энергиясын өндіру, тұрғын және өндірістік үй-жайларды жылыту, қайнату, кептіру және күту үшін орта және шағын кәсіпкерлікте пайдаланылуы мүмкін. Жануы мен жылуы орташа есеппен 6,0 кВт сағ м3 тең келеді [35].
Биогаз қондырғысын пайдалану кезінде пайдаланылған шикізат шаруа немесе фермер қожалығының экономикалық және экологиялық жағдайларын жақсартуға қабілетті пайдалы өнім болып табылады.
Биошлам-бұл жоғары сапалы, ыңғайлы биогумус, саңырауқұлақтарды өсіру үшін субстрат көзі болып келеді.
Балық, қой, тауық шаруашылықтарындағы қоректенуге арналған белок пен қосымша жемдерді қалыпты дамыту үшін қажетті мал азықтық қоспа.
Биометаногенез технологиясын пайдалану келесі пайда әкеледі:
- Уақыт пен еңбекті үнемдеу,
- Тамақ дайындау уақытын азайту,
- Ыдысты пен құралдарды жуу уақытын азайту,
- Ас үйде тазалау уақытын азайту,
- Пешке қызмет көрсетуге жұмсалатын уақыттан босатылу: күлден тазарту, күлді жинау, отынды әкелу, пешті тиеу, жағу, пешті қадағалау және отын қосу,
- Бұрын кизякті жинауға, тасымалдауға, кептіруге және қоймалауға немесе көмірді іздеуге, тасымалдауға және артып тиеуге, отынды іздеуге, сатып алуға, кесуге, кептіруге және қоймалауға жұмсалатын уақыттан босатылу,
- Арамшөптерді жұлу уақытың азаюы: тұқымдары жинағышта өледі,
- Ақшаны үнемдеу,
- Пеш ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz