RU2534243C1

RU2534243C1 - Способ получения биогаза

Info

Publication number: RU2534243C1
Application number: RU2013113792/05A
Authority: RU
Inventors: Зоя Владимировна Гаазе; Марина Александровна Яковченко; Светлана Михайловна Масленникова; Елена Анатольевна Егушова
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-11-27
Also published as: RU2013113792A

Abstract

Изобретение относится к способам переработки органических отходов с использованием биотехнологических процессов с получением при этом биогаза. Способ получения биогаза включает предварительную обработку органического субстрата путем доведения до влажности 92% с последующим измельчением, введение катализатора, сбраживание в анаэробной среде, сбор биогаза. В качестве катализатора используют четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1,0, катализатор вводят в объеме 0,01 г/кг от массы сухого органического субстрата, а сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°C до 20°C. Использование заявляемого способа получения биогаза позволит получить хороший выход метана при сравнительно небольших концентрациях ферментной смеси. Техническим результатом настоящего изобретения является интенсификация процесса метанового брожения навоза с увеличением выхода биогаза и повышенным содержанием метана в нем. 1 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к способам переработки органических отходов с использованием биотехнологических процессов и получения при этом биогаза.

Биогаз - это дешевый и доступный способ получения энергии. В настоящее время разработано и применяется достаточно большое количество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариантов температурного режима, влажности, концентрации микробной массы, длительности протекания реакции и т.д. Однако на сегодня актуальным остается вопрос поиска наиболее эффективных, дешевых и доступных способов интенсификации процесса получения биогаза при невысоких температурных режимах, в условиях Сибири.

Известен способ получения биогаза из органических материалов (патент WO 2012/123331, номер заявки РСТ/ЕР2012/054022, дата приоритета заявки 11.03.2011 г., дата публикации 20.09.2012 г., класс МПК C02F 11/04, C02F 3/28.) В качестве биоорганического материала в данном случае используют навоз, сточные воды, бытовые отходы. Способ предполагает посев микроорганизмов в перерабатываемый органический материал, добавление коллоидного раствора, содержащего наночастицы железа, проведение анаэробной реакции, сбор биогаза. Наночастицы железа при этом получают из сыворотки крови животных. Температура прохождения реакции сбраживания составляет от 40°С до 60°С. Концентрации наночастиц железа предлагаются в разных диапазонах.

Существенным недостатком указанного выше способа является сложность его применения на небольших сельскохозяйственных предприятиях и достаточно высокий температурный режим сбраживания.

Также известен способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов (патент RU2458868, заявка №2010151066, дата приоритета 13.12.2010 г., дата публикации 20.08.2012 г.) Способ включает внесение в сбраживаемые отходы стимулирующей добавки, содержащей измельченную фитомассу амарант багряный и последующую обработку полученной смеси ультразвуком с частотой 22 кГц. При этом усиливается проницаемость клеточных мембран, активизируются обменные процессы внутри клеток. За счет этого ускоряется процесс метанового брожения.

Способ достаточно сложен и является дорогостоящим для применения мелкими фермерскими хозяйствами.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является разработка в этой области - способ переработки органического материала фирмы DSM ip ASSETS (патент WО 2013/000928, заявка РСТ/ЕР2012/0623 86, дата приоритета 29.06.2011 г., дата публикации 03.01.2013 г.) Способ предлагает переработку органического материала с использованием ферментов, а именно протеазы, липазы, фитазы, гемицеллюлазы, целлюлазы. Процесс состоит из двух стадий. На первой стадии органический материал подвергают тепловой обработке при температуре от 65°С до 120°С и влажности субстрата 95%. Делается это для того, чтобы уменьшить количество жизнеспособных бактерий и снизить их активность. Предполагается, что снижение количества жизнеспособных бактерий не влияет на выход биогаза в дальнейшем. На втором этапе проводится ферментация смеси. При этом выбирается один или более ферментов из числа предложенных. Процесс производства биогаза происходит при температуре от 40°С до 60°С. При этом предлагается производить расчет количества вносимых ферментов в зависимости от кислотно-щелочного баланса перерабатываемой смеси. По указанному выше способу предлагается перерабатывать сельскохозяйственные отходы, сточные воды, бытовые отходы.

Недостатком данного способа является сложность и высокий температурный режим проведения процесса получения биогаза. Не предложен универсальный ферментный состав. Для проведения этого процесса в условиях предприятия требуется хорошо укомплектованная лаборатория.

Задачей настоящего изобретения является разработка доступного и недорогого для мелких фермерских хозяйств способа получения биогаза.

Техническим результатом настоящего изобретения является интенсификация процесса метанового брожения навоза с увеличением выхода биогаза и повышенным содержанием метана в нем.

Предложен способ получения биогаза, включающий предварительную обработку органического субстрата, в частности навоза, полученного в результате жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы, предварительно доведеного до влажности 92%, путем добавления воды, с последующим измельчением, введение катализатора, сбраживание в анаэробной среде, сбор биогаза.

Отличием является то, что в качестве катализатора используют четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1, катализатор вводят в объеме от 0,01 г/кг от массы сухого органического субстрата, а сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 20°С.

Термин «катализатор» - вещество, ускоряющее реакцию в результате взаимодействия с реагирующими соединениями, но не входящее в состав образовавшихся продуктов.

Термин «органический субстрат» предполагает использование навоза, полученного в результате жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы.

Термин «анаэробное сбраживание» относится к описанию процесса разложения органического субстрата микроорганизмами, осуществляющими свою жизнедеятельность в бескислородной среде, с сопутствующим синтезом метана, двуокиси углерода и в небольших количествах сероводорода.

Ферменты (энзимы) - вещество белковой природы, присутствующее в живых организмах и способное ускорять протекающие в них реакции. Ферменты являются катализаторами.

В основу предлагаемого изобретения положено свойство ферментов расщеплять питательные вещества на более мелкие частицы, облегчая их усвояемость метаногенерирующими бактериями для улучшения их жизнедеятельности, результатом которой является получение биогаза с высоким содержанием метана. Кроме того, ферменты как катализаторы способны ускорять течение реакции и при комнатной температуре.

Ферменты, расщепляющие углеводы, называются амилолитическими или амилазами, белки (протеины) протеолитическими или протеазами, жиры (липиды) - липотическими или липазами.

Опытным путем был определен и доказан оптимальный состав смеси ферментов протеазы, амилазы, липазы и целлюлазы в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1.

Осуществимость заявляемого способа подтверждается экспериментальными данными.

Эксперимент проводился на лабораторных биогазовых установках, вместимостью реакторов 20 л., оснащенных термометрами, системой подачи сырья и удаления переброженного остатка, системой газоотведения и емкостью для накопления биогаза.

На протяжении всего периода ферментации температура в метантенках поддерживалась на уровне от 17°С до 20°С. Длительность эксперимента составила 24 дня. В качестве субстрата использовали навоз крупнорогатого скота, доставленный из крестьянско-фермерского хозяйства «Бабичев» (Ленинск-Кузнецкий район, Кемеровской области). Для исключения влияния качества исходного субстрата на результат исследования каждая партия навоза была сформирована при определенных режимах кормления стада.

Органический субстрат доводили до уровня влажности 92%, путем добавления воды, затем измельчали. Отдельно в условиях стерильности готовили смесь ферментов в заданном соотношении. Четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1 вносили на первой, гидролитической стадии брожения в количествах 0,01; 0,05; 0,1; и 0,5 грамма на килограмм сухого органического вещества (сокращенно С.О.В.) в предварительно подготовленную навозную массу.

Эксперимент показал, что ферментные препараты в их заданном соотношении, вводимые в метантенк с целью ускорения гидролитических процессов справляются со своей задачей довольно неплохо. Небольшая концентрация вводимой четырехкомпонентной смеси в количестве 0,01 г/кг С.О.В. дает увеличение биогаза и в его составе метана. Увеличение смеси ферментов до 0,05 г/кг С.О.В. способствует увеличению выхода биогаза. Однако, при этом возрастают и затраты на вносимую смесь. Дальнейшее увеличение дозировок смеси ферментов показало свою нецелесообразность, так как выход биогаза при этом практически не изменяется, а содержание метана уменьшается.

Влияние различных концентраций полученной смеси на выход и качество биогаза показаны на фиг. 1, где контрольный опыт показан 1, опыт с добавлением композиции в количестве 0,01 г/кг С.О.В. показан 2, опыт с добавлением композиции в количестве 0,05 г/кг С.О.В. показан 3, в количестве 0,1 г/кг С.О.В. - 4, в количестве 0,5 г/кг С.О.В. - 5. Результаты эксперимента определялись на 6 день, на 12 день, на 18 день и на 24.

Таким образом, получены результаты эксперимента, подтверждающие влияние существенных признаков заявляемой формулы на технический результат. Определено оптимальное соотношение ферментов (протеазы, амилазы, липазы, целлюлазы), при котором в условиях комнатной температуры возможно протекание анаэробного сбраживания органического субстрата с выделением биогаза, содержащего до 57% метана.

Для облегчения использования заявляемого способа в условиях небольших фермерских хозяйств, проведен поиск готовых композиций, содержащих необходимые ферменты в нужном соотношении.

Наиболее подходящим вариантом оказалась мультиэнзимная композиция торговой марки Totalase Ultra, широко применяемая при производстве стиральных биопорошков для выведения пятен различной природы (www.biokhim.com/rus/catalog). Totalase Ultra включает все четрые класса ферментов: протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в нужном соотношении. Применение мультиэнзимной композиции торговой марки Totalase Ultra в количестве 0,01 г/кг С.О.В. дает также хороший результат по выходу биогаза.

Использование заявляемого способа получения биогаза позволит получить хороший выход метана при сравнительно небольших концентрациях ферментной смеси.

Claims

Способ получения биогаза, отличающийся тем, что органический субстрат (навоз), предварительно обработанный, доведенный до влажности 92% путем добавления воды, измельчают, вводят катализатор, в качестве смеси ферментов используют четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1,0, смесь ферментов вводится в количестве 0,01 г/кг массы сухого органического субстрата, а сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 20°С.