Как сухая фитомасса амаранта влияет на процесс производства биогаза

Автор - | 20.09.2018

производство биогаза из амарантаЧеловечество постоянно работает над созданием альтернативной энергии, что позволит снизить зависимость от невозобновляемых ресурсов и уменьшить негативное воздействие на экологию. Однако и поныне более 90% потребления энергии в мире завязано на использовании угля, нефти, традиционного газа.

Одно из перспективных направлений – производство биогаза из возобновляемых источников. Он позволит обеспечить человечество альтернативной энергией, которая в будущем позволит снизить затраты на производство той или иной продукции. Одним из наиболее перспективных, рациональных методов получения такого вида топлива является процесс под названием метановое брожение.

О нем подробно рассказывается в работе «Стимулирующее влияние сухой фитомассы амаранта Amaranthus Cruentus на биометаногенез в трудноферментируемых субстратах», над которой работали А. З. Миндубаев, С. Т. Минзанова, Е. В. Скворцов, В. Ф. Миронов, В. В. Зобов, Ф. Ю. Ахмадуллина, Л. Г. Миронова, Д. Е. Белостоцкий, А. И. Коновалов. Исследователи являются сотрудниками Института органической и физической химии имени А. Е. Арбузова Казанский научный центр РАН.

Приведем выдержки из этой работы, которые позволят понять, насколько амарант является разносторонней полезной культурой. Ведь ранее мы уже неоднократно писали о том, что растение имеет большое количество полезных веществ, витаминов и микроэлементов, благодаря чему амарант используется при производстве:

  • пищевых продуктов;
  • фармакологических продуктов;
  • косметической продукции.

Однако новые исследования позволяют применять фитомассу растения для синтеза биогаза – альтернативного источника энергии.

Вкратце о биогазе и способах его получения

Установлено, что в природе осуществляется самостоятельный синтез биогаза – при разложении органических элементов:

  • на дне водоемов;
  • в грунте;
  • в пищеварительном тракте животных.

Ученые утверждают, что производство биогаза из различных отходов позволит не только получать альтернативный источник топлива, но и решить ряд экологических проблем. В частности, наладить синтез биогаза вполне реально из:

  • отходов пищевой промышленности;
  • отходов сельскохозяйственной промышленности;
  • мусора;
  • стоков.

То есть, речь идет не только о получении экологического топлива, но и сохранности окружающей среды, которая будет меньше страдать от скопления мусора, отходов, стоков.

Современные технологии производства биогаза

На данный момент производство биогаза лишь рассматривается, как перспективное направление, но пока еще являет собой сложный процесс, требующий солидных финансовых затрат.

Если посмотреть динамику развития направления, то в Швеции еще в 1991 году на правительственном уровне было выделено свыше 100 миллионов крон для проведения тематических исследований, продуцирование газа для транспортных средств. Понятно, что далеко не все страны обладают достаточными ресурсами для проведения подобных исследований.

Однако все активнее рассматривается возможность применения растительной биомассы для получения газа – обусловлено это тем, что такая масса сравнительно недорогая. Поэтому конечные затраты (соответственно, и стоимость биогаза) будут минимальными. Именно по этой причине создание технологий, подразумевающих использование таких зеленых добавок, вызывает все больший интерес со стороны ученых. Авторы работы решили изучить возможность применения фитомассы амаранта багряного.

Исследователями впервые был проанализирован процесс воздействия амаранта на метаногенез – то есть, на образование биогаза.

Отмечается, что амарант представляет собой действительно перспективную культуру, которая позволяет получать до 600 центнеров зеленой массы с каждого гектара посевной площади. И это даже в сложных климатических условиях. А на хороших почвах и при благоприятных погодных условиях удается получить до 2000 центнеров зеленой массы с каждого гектара посевной площади.

Исследователи отмечают, что кормить чистым амарантом крупный рогатый скот запрещено. Поскольку это стимулирует активность метаногенной микрофлоры рубца. Обусловлено такое воздействием содержанием в амаранте большого количества растительного белка.

Однако, учитывая данный факт, ученые первыми решили использовать амарант для увеличения эффективности продуцирования биогаза посредством стимулирования метаногенной микрофлоры. Для этого в лаборатории были смоделированы процессы, протекающие в рубце жвачных животных.

Как проводились исследования, какие результаты были получены и какие выводы они позволяют сделать

Во время проведения исследований ученые выполнили несколько экспериментов, позволяющих сравнить те или иные процессы и их результаты.

В частности, во время первого эксперимента в роли субстрата для запуска процесса метаногенеза использовалась пивная дробина. Это один из наиболее распространенных отходов пищевой промышленности. В ходе проведенного эксперимента было параллельно задействовано сразу два реактора. Объем пивных дробин в обоих случаях отличался (как отличались их характеристики), однако выход газа в обоих случаях был крайне низким.

В частности, в контрольном реакторе использовались:

  • 30 г пивной дробины (влажность 72 %);
  • 10 г содержимого рубца;
  • 60.0 мл водопроводной воды.

В опытном эксперименте инкубировалась смесь:

  • 15 г пивной дробины;
  • 4.6 г сухой фитомассы A. cruentus (исходная влажность не более 10 %);
  • 10 г содержимого рубца;
  • 70.4 мл водопроводной воды.

Субстрат с амарантом выделил 44 мл газа, а без амаранта – 26 мл. Абсолютное содержание метана в обоих случаях также неприемлемо низкое – на уровне 0.5-2 %.производство биогаза из амаранта

Однако ученые отмечают, что в целом содержание амаранта позволило существенно увеличить количество метана – к примеру, на 16 день его объем составлял 1,6%, в то время, как в реакторе без амаранта – всего 0,2%.

Кроме того, проводились сравнительные опыты с использованием жома сахарной свеклы. В первом варианте в реактор были помещены:

  • 25 г жома сахарной свеклы (влажность 81 %);
  • 50 г свежего содержимого;
  • 75 мл водопроводной воды.

Во второй реактор:

  • 12,5 г свекловичного жома;
  • 2,75 г сухой фитомассы амаранта багряного;
  • 50 г содержимого рубца;
  • 85 мл водопроводной воды.

В целом, конечный выход биогаза был не слишком большим. Скорее, даже маленьким. Однако на 22-е сутки объем метана во втором образце составлял 9,9%, а в первом (без амаранта) – всего 0,6%. На 58-е сутки эти показатели составили — 4,5% (первый реактор, без амаранта) и 15,7 % (второй реактор, с амарантом).

Из чего можно сделать логичный вывод, что жом сахарной свеклы являет собой более пригодный пищевой ресурс для метаногенной микрофлоры в сравнении с пивной дробиной, а амарант багряный активизирует образование метана.

 

производство биогаза из амаранта

 

Влияние амаранта на трудноферментируемые субстраты

Также ученые исследовали, какое воздействие оказывает амарант на производство биогаза, если используется традиционное сырье, коим является обычный навоз. Для этого также использовалось два реактора.

В полуторалитровый сосуд поместили смесь из следующих ингредиентов:

  • 50 грамм навоза;
  • 275 мл содержимого рубца;
  • и столько же воды.

На протяжении 11-ти дней каждый день в сосуд дополнительно вносили по 30 грамм навоза и такой же объем воды. В результате эксперимента было установлено, что выход газа и общий уровень содержания метана на протяжении первых дней постоянно снижался. Это обусловлено тем, что микрофлора была вынуждена адаптироваться к новым условиям.

До 15 суток выход газа и содержание метана в смеси постепенно снижалось. А вот уже после 15-тых суток показатели стали возрастать. Через 51 день после начала брожения смесь выделила 150 мл газа, в котором содержалось 60% метана. С 52 дня исследований продуктивность газообразования выросла. На 60 день выход газа достиг 550 мл в сутки, после чего стал постепенно уменьшаться.

 

производство биогаза из амаранта

 

Второй опытный образец содержал в себе 96 грамм измельченного сухого амаранта. В первый день эксперимента газообразование носило по-настоящему взрывной характер: интенсивное выделение газа привело к выбросу субстрата из реактора.

На 3 сутки выход газа составлял 470 мл за 8 ч. После этого газообразование стало плавно затухать.

 

производство биогаза из амаранта

При этом объем метана в газе для фазы максимальной активности реактора получился довольно низким: на четвертые сутки он достиг показателя в 13,5 %. На 12 сутки содержание метана достигло 47 % при выходе газа 550 мл в сутки. Максимальное содержание метана (55,2 %) при выходе газа 120 мл в сутки наблюдалось на 44-й день эксперимента, после которого оно стало медленно снижаться.

Такие показатели подтвердили правило, выявлено в ходе данных исследований. Общее количество метана в газе росло на общем фоне уменьшения образования газа. К тому, же удалось выявить, что добавление амаранта багряного в навоз животных не приводит к увеличению количества метана, но уменьшает так называемую лаг-фазу до полного исчезновения.

Каким образом фитомасса амаранта влияет на метаногенез

Исследователи попытались понять, как именно фитомасса амаранта багряного оказывает влияние на образование метана. Для этого они провели еще ряд опытов, в том числе с использованием сырой пивной дробины, а также серной кислоты. И, естественно, фитомассы амаранта багряного.

производство биогаза из амаранта

Было установлено, что наличие амаранта в субстрате приводит к увеличению объемов выхода СО2. Тем самым, ученым удалось доказать, что амарант оказывает стимулирующее воздействие на ацидогенную стадию метаногенеза. То есть, можно сделать вывод, что амарант является активатором брожения. И не только метанового, но и уксуснокислого и спиртового.

Заключение: что именно установили исследователи

Проведенные исследования позволили установить, что фитомасса амаранта багряного оказывает стимулирующее воздействие на процесс образования метана. Что невероятно важно, когда речь заходит о таких трудноферментируемых субстратах, таких как пивная дробина и свекловичный жом.

Кроме того, присутствие амаранта позволяет существенно увеличить количество метана в биогазе. Когда речь заходит о питательных субстратах, к коим относится навоз, присутствие амаранта обеспечивает ускорение процессов образования газа. Большое количество органического азота, которое вносит в субстрат фитомасса амаранта, не приводит к подавлению жизнедеятельности метаногенов.

Проведение исследований позволило создать лабораторный метод анаэробной переработки сырья, используемого для производства биогаза. Учеными было установлено, что оптимальным из всех исследуемых видов сырья для этой цели является именно навоз, в который добавляется амарант.

А вот рост метаногенной микрофлоры на более трудноферментируемых субстратах – жоме свеклы и пивной дробине – находится на пределе толерантности.

Окончательные выводы

Оптимальным сырьем для получения биогаза (из исследуемых образцов) является смесь навоз и отходы мясной промышленности (рубец КРС), затем идут жом сахарной свеклы, а замыкает тройку – пивная дробина.

Однако нас интересует воздействие амаранта на получение биогаза. В ходе исследований установлено, что фитомасса Амаранта багряного (Amaranthus cruentus) представляет собой стимулятор метаногенеза в трудноферментируемых субстратах. К которым относятся пивная дробина и жом сахарной свеклы. Присутствие амаранта позволяет увеличить содержание метана в несколько раз. Если же говорить о присутствии амаранта в навозе, то растение стимулирует ускорение процесса газообразования.

При этом также установлено, что максимальный выход метана был зафиксирован на этапах затухания газообразования. Как допускают ученые, это, скорее всего, связано с определенными экологическими особенностями метаногенных бактерий.

Так что проведенные исследования дают понять – использование фитомассы амаранта при производстве биогаза является перспективным направлением, хотя и требует дальнейших исследований для определения наиболее рационального метода производства альтернативного топлива.

  • лабораторные исследования амаранта
    Переработка фитомассы амаранта: инновационный метод

    Фитомасса амаранта характеризуются содержанием большого количества ценных и полезных веществ. Исследователи и ученые продолжают работу над поиском оптимальной технологии переработки зеленой массы, позволяющей получать максимум пользы от этого растения. Подобные исследования проводились в ФИЦ «КазНЦ РАН» — Федеральном исследовательском центре «Казанский научный центр Российской академии наук». Ученые использовали специальную пилотную установку, которая позволяет перерабатывать зеленую …

    Читать далее

  • амарант и биогаз
    Амарант, как стимулятор для биогаза

    Привычные источники энергии, к которым относятся газ, уголь, прочие добываемые углероды, постепенно исчерпываются. Их стоимость постоянно растет. К тому же, добыча таких ископаемых, а также их использование приводит к ухудшению экологии. Поэтому исследователи и ученые, научные работники многих стран бьются над проблемой получения альтернативных источников энергии – более безопасных и менее дорогих. К таковым относится …

    Читать далее

  • амарант и биогаз
    Амарант в качестве биогазового субстрата. Информация из Германии

    Представляем вашему вниманию очередное исследование, посвященное возможностям производства биогаза из амаранта. Эти данные были опубликованы в 2009 году во время мероприятия под названием «Биогазовый форум Баварии». Трудились над докладом две специалиста из Германии — доктор Мэнди Фритц и доктор Катрин Дейглмайр. В своей работе она подробно рассмотрели особенности и возможности использования амарант в качестве биогазового …

    Читать далее

  • амарант как нишевая культура
    Выращивание амаранта − бизнес-ниша для предпринимательства

    Многие украинские фермеры и крестьяне, занимающиеся домашним хозяйством, часто задают себе вопрос: что выращивать, чтобы получить гарантированный сбыт продукции и хороший доход? Некоторые уже нашли ответ и уверяют, что одним из выгодных видов бизнеса является выращивание амаранта. Растение считается сравнительно новой культурой для южной части Украины. Ниша таких культур на рынке сбыта пока свободна, а …

    Читать далее

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.


© 2017. ООО «Олбест»
Свидетельство №055200 от 01.09.2009