CC BY
50ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Кущев Л.А., д-р техн. наук, проф., Суслов Д.Ю., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА АНАЭРОБНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ
В БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВКАХ*
suslov1687@mail.ru
Проведен анализ работ зарубежных и российских ученых, посвященных теоретическому описанию и разработке математических моделей процессов и аппаратов для получения биогаза. Определены основные направления развития моделирования процесса получения биогаза в результате анаэробной ферментации. Предложена зависимость скорости роста микроорганизмов от температуры и установлен характер влияния температуры биомассы на эффективность процесса анаэробной ферментации в мезофильном режиме.
Ключевые слова: моделирование, биогаз, микробиология, анаэробная ферментация.
Введение. Одним из важнейших направлений развития народного хозяйства Российской Федерации является технологическая модернизация систем и оборудования химической и смежных отраслей промышленности. При этом важную роль играет дальнейшее развитие теоретического описания процессов и аппаратов различных производств.
В последнее время большое внимание уделяется исследованию биотехнологических процессов и разработке оборудования для их осуществления [1, 2]. Одним из таких процессов является процесс получения биогаза в результате анаэробной ферментации органических отходов.
Методика. В работе использовались методы моделирования микробиологических процессов, протекающих при анаэробной ферментации в биореакторе получения биогаза.
Основная часть. Проведен анализ работ зарубежных и российских ученых, посвященных теоретическому описанию и разработке математических моделей процессов и аппаратов, при-
меняемых для получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов.
Определены основные направления развития моделирования процесса получения биогаза путем анаэробной ферментации:
- модели, основанные на уравнениях химических реакций, протекающих при анаэробном брожении;
- модели, основанные на эмпирических уравнениях, разработанных авторами при проведении экспериментальных исследований;
- модели, основанные на микробиологических зависимостях Моно и Конто, которые описывают влияние температуры и концентрации субстрата на эффективность процесса.
К первому направлению относятся работы Басвелла, Мюллера, Бойля и др. авторов. Басвелл и Мюллер [3, 4] разработали модель на основе уравнений химических реакций, которая позволяет определить количество получаемого биогаза, в зависимости от химического состава исходного субстрата:
^ тт ^ г а Ь,тт _ .п а Ъ. __ п а Ъ
СпНОЪ + (п----)Н 2О о (---+ —)СО2 + (— +---)СН 4.
п а Ъ 4 2 2 8 4 2 8 4
(1)
где СпНаОЪ - органическое вещество; Н2О -вода; СО2 - углекислый газ; СН4 - метан; а, Ъ и п - безразмерные коэффициенты.
Бойль предложил уравнение на основе модели Басвелла и Мюллера, с введением новых компонентов - азота и серы [5]:
^ тт ^ ,т о / Ъ с 3• d е.тт^ .а Ъ с 3• d е.^тт СНЪОЫ^р + (а +---+-+ -)Н2О ^ (- +-------)СН4 +
а ъ с е у 42 4 2 2 8 4 8 4 4
+(0 - Ъ + С + — + е )СО2 + dNH 3 + еН 2 S 2 8 4 8 4 2 3 2
(2)
Второе направление развития моделирования процесса получения биогаза включает работы, основанные на эмпирических зависимостях, которые не учитывают параметров, оказывающих существенное влияние на эффективность процесса получения биогаза.
Хилл [6] разработал динамическую модель для определения скорости выхода метана при переработке органических отходов животноводческих и птицеводческих предприятий, в соответствие с которой скорость получения метана G (лл_1день_1) определяется:
G = у • B0 -а-1,
I = 0,5 + (—) Arc tan 2,5
(г-а) 0,11
(3)
где у - выход метана из органического вещества; Во - биоразлагаемость для данного типа отходов; а - доза загрузки; I - индекс производительности.
Автором введен новый параметр т = 9,21 г/л сут., а также предложены значения некоторых параметров при переработке отходов КРС: выход метана из органического вещества у = 0,5 л/г и биоразлагаемость Во = 0,483 г/г.
Сэфили и Вестерман [7] предложили зависимость выхода метана от температуры брожения при переработке отходов в психрофильном температурном режиме, при этом для выхода метана предложено эмпирическое выражение:
СН4 = 0,216 + 0,00934• Т, (4)
где СН4 - выход метана, м3/кг ОС; Т - температура процесса ферментации, °С.
В работе [8] предлагается выражение для определения массового выхода метана в зависимости от времени брожения при переработке свиного навоза:
CHM = (5 х 10) •т2 + 0,0266т -1,4 .
(5)
где CH4¡ - масса метана, мг; т - время, ч.
Андара и Эстабан [9] разработали кинетическую модель процесса получения биогаза при переработке твердой фракции свиного навоза.
)e
м-t
B=(.
Bo Y - S0
(B0 - B) = e(-K-t)
(6)
Bn
где В - выход метана, м3/кг; Во - выход метана при бесконечном времени ферментации, м3/кг; Хо - начальная концентрация микроорганизмов, г/л; У - константа роста микроорганизмов; / - скорость роста микроорганизмов, день-1; t - время, сут; К - кинетический коэффициент, день-1.
Также авторами предлагаются значения кинетического коэффициента в зависимости от наличия систем перемешивания: при перемешивании биомассы в реакторе К = 0,75 день-1; для режима без перемешивания К = 0,048 день-1.
В работах [10, 11] описывается процесс получения биогаза в биореакторах, работающих в режиме идеального вытеснения. В работе [10] предложено эмпирическое выражение для определения объемной скорости выхода биогаза в зависимости от концентрации субстрата и гидравлического времени удержания.
BGM =
0,5(Sbo - SM) HRT
ммм
(7)
где Sb0 - концентрация органических веществ в исходном субстрате, г/л; SЬ1 - концентрация органических веществ в перебродившем субстрате, г/л; HRT - гидравлическое время брожения, сут.; BGM - объемная скорость выхода
метана, л/л сут.
При этом необходимо знать концентрацию органических веществ в перебродившем субстрате. Т.е. данная модель воспроизводима только при наличии экспериментальных исследований.
К третьему направлению можно отнести работы, использующие микробиологические зависимости Моно и Конто, и модели основанные на этих уравнениях.
Для описания процесса получения биогаза применяется модель Моно [12, 13], которая отражает зависимость удельной скорости роста микроорганизмов от концентрации субстрата:
5
И = Ил
Ks + S
(8)
где /лм - максимальная удельная скорость роста микроорганизмов, сут-1; 5 - концентрация субстрата, кг/м3; К5 - константа Моно, при которой скорость роста составляет половину от максимальной.
Также в разработке моделей за основу берут выражения, основанные на модели Моно. Например, модель Эндрюса, в которой введена функция ингибирования повышенными концентрациями субстрата [14]:
Л = /м-, (9)
KS + S +
K
где К - коэффициент ингибирования.
Модель Мозера также основана на модели Моно - с введением коэффициента, учитывающего сигмоидальный характер зависимости скорости роста от концентрации субстрата [15]:
Л = Л —-;т , (10)
И мК8 +
где К - новый в уравнении Моно параметр, К > 1.
В работе [12] применяется модель Моно с введением дополнительного коэффициента, учитывающего иммобилизацию метагенной микрофлоры на поверхности анаэробного биофильтра:
И = Ил
Ks + s
-F
АБ
(11)
где FАБ - коэффициент иммобилизации на анаэробном биофильтре.
Однако, недостаток модели Моно - невозможность описания процесса во времени и то,
что она применима не для всех видов субстрата. Необходимо отметить также, что модель Моно и другие уравнения, основанные на ней, не описывают стадий процесса и применительно к метановому брожению могут быть отнесены к формально кинетическим моделям, описывающим процесс только по биомассе и субстратам -без рассмотрения количества выхода биогаза.
Модель Конто описывает скорость роста микроорганизмов в зависимости от концентрации субстрата и концентрации клеток бактерий. По сравнению с моделью Моно она учитывает эффект ингибирования процесса и применяется как для периодических, так и для непрерывных процессов [16].
5
И = Им
К5Х + 5
(12)
где Х - концентрация клеток бактерий.
В работах Вавилина и соавторов [17, 18] используется модель Конто для теоретического описания отдельных стадий процесса получения биогаза при переработке твердых бытовых отходов.
Из существующих уравнений, описывающих процесс получения биогаза, наибольшего внимания заслуживает кинетическая зависимость Конто и основанная на ней модель Чена и Хашимото, характеризующая скорость выхода биогаза, в зависимости от основных параметров процесса анаэробной ферментации отходов животноводства [18]:
V = Б° '5° . (1 -
0.35
К
Ит - 1 + К
) ,
(13)
где Во - предельный выход биогаза из единицы органического вещества заданного состава при бесконечном времени экспозиции, м3/кг; 5о - концентрация субстрата, кг/м3; т - продолжительность брожения, сут; К - кинетический параметр; Ит - максимальная удельная скорость роста микроорганизмов, сут-1.
При этом параметр К определяется из эмпирического уравнения, предложенного Хаши-мото [19, 20]:
К = 0,6 + 0,0206е(0 051 '5о). (14)
Для определения параметра Ит Хашимото и соавторы предложили уравнение [18]:
Мт = 0,013 Т - 0,129. (15)
Согласно данному выражению зависимость максимальной удельной скорости роста микроорганизмов от температуры имеет линейный характер. Однако в результате анализа работ установлено, что влияние температуры на выход биогаз имеет квадратичный характер. Следовательно, существует необходимость в уточнении уравнения для определения максимальной удельной скорости роста микроорганизмов.
В результате проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований нами получено выражение (16), представляющее зависимость максимальной удельной скорости роста микроорганизмов от температуры в мезо-фильном режиме (рис. 1):
2
Мт = Мо + МГТ + М2'Т , (16)
где Т - температура биомассы в биореакторе, К; Мо, М1, М2 - температурные коэффициенты.
0.15
25 26 27 28 29 30 31 32 33
Рис. 1. График зависимости скорости Экспериментальные исследования по изучению скорости роста микроорганизмов в мезо-фильном температурном режиме (Т = 30...40°С) проводились на биогазовой установке с биореактором объемом 130 л, оснащенном системой перемешивания барботажного типа. В качестве исходного субстрата использовался свиной навоз влажностью 90 %. Частота перемешивания биомассы в биореакторе составляла 3 сут-1.
34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
Т,°С
роста микроорганизмов от температуры
Из графика следует (рис. 1), что при увеличении температуры биомассы с 30°С до 35°С максимальная удельная скорость роста микроорганизмов повышается до 0,32 сут-1, а при дальнейшем увеличении температуры до 40°С -снижается. Можно сделать вывод, что график зависимости максимальной удельной скорости роста микроорганизмов от температуры имеет ярко выраженный экстремум при значении температуры 35°С.
г
В результате обработки экспериментальных данных были получены значения температурных коэффициентов /о = -6,29658, / = 0,3816, /2 = 0,0055.
Выводы. В результате проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований установлен характер влияния температуры биомассы на эффективность процесса анаэробной ферментации в мезофильном режиме. Предложена зависимость скорости роста микроорганизмов от температуры и определены значения коэффициентов входящих в него. Полученные зависимости позволяют определить скорость и удельный выход биогаза и могут быть использованы при проектировании промышленных биогазовых комплексов.
*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Белгородской области в рамках проекта № 14-48-08039 «рофим».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Abdurahman N.H., Rosli Y.M., Azhari N.H., Tam S.F. Biomethanation of palm oil mill effluent (POME) by membrane anaerobic system (MAS) using POME as a substrate. World academy of science, Engineering and technology, 2011. 75. Р. 419-424.
2. Шаптала В.Г., Шаптала В В., Суслов Д.Ю. Вопросы моделирования и расчета барбо-тажных реакторов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №5. С. 189-192.
3. Гюнтер Л.И., Гольдфраб Л.Л. Метантен-ки. М.: Стройиздат, 1991. 128 с.
4. Buswell A. M., Mueller H. F. Mechanism of methane fermentation. Industrial and engineering chemistry. 1952. V. 44. N. 3. Р. 550-552.
5. Boyle, W. C. Energy Recovery from sanitary landfills. In: microbial energy conversion. edited by: H. G. Schlegel & J. Barnea, 1977. Р. 119-138.
6. Hill, D. T. A comprehensive dynamic model for animal waste methanogenesis. Transactions of the ASAE. 1982. P. 1374-1380.
7. Safely L.M., Westerman P.W. Performance of a low temperature lagoon digester. Bioresource technology. 1992. V. 41. P. 167-175.
8. Hobbs P. J., Johnson R., Chadwick D. A novel technique to determine organic processes in
pig waste. Journal of the science of food and agriculture. 1999. V. 79. P. 199-205.
9. Andara A. R., Esteban J.M.L. Kinetic study of the anaerobic digestion of the solid fraction of piggery slurries. Biomass and Bioenergy. 1999. V. 17. P.435-443.
10. Jewell W.J. et al. Anaerobic fermentation of agricultural residue: Potential for improvement and implementation - Final report. Technical report EY-76-S-02-2981-7. Cornell University / US Department of Energy. 1978.
11. Minott S.T. Feasibility of fuel cells for energy conversion on the dairy farm. Thesis. Cornell University, Ithaca, NY. 2002.
12. Бадмаев, Ю. Ц. Интенсивная технология анаэробной переработки навозных стоков свиноводства в условиях Республики Бурятия: ав-тореф. дис. канд. техн. наук. Улан-Удэ, 2006. 22 с.
13. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование биохимических реакторов. М., Лесная пром-сть, 1979. 344 с.
14. Andrews J.F. Kinetic models of biological waste treatment processes. Biotechnol. Bioengng. Symp. 1971. V. 2. P. 5-33.
15. Дворецкий Д.С., Дворецкий С.И., Муратова Е.И., Ермакова А.А. Компьютерное моделирование биотехнологических процессов и систем. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 80 с.
16. Contois D.E. Kinetic of bacterial growth, relationship between population density and specific growth of continuous cultures. Journal of general microbiology. 1959. V. 21. P. 40-50.
17. Vavilin V.A., Lokshina L.Ya., Jokela J.P.Y., Rintala J.A. Modeling solid waste decomposition. Bi-oresource Technology. 2004. V. 94. P. 69-81.
18. Kalyuzhnyi S., Veeken A.H.M., Hamelers B.V.M. Twoparticle model of anaerobic solid state fermentation. Water Sci. Technol. 2000. V. 41 N.3. P. 43-50.
19. Hashimoto A. G. Methane from Cattle Waste: Effects of temperature, hydraulic retention time, and influent substrate concentration on kinetic parameter. Biotechnology and bioengineering. 1982. V. 24. P. 2039-2052.
20. Chen Y. R., Hashimoto A. G. Kinetics of methane fermentation. Biotechnology and bioengineering symposium. 1978. N. 8. P. 269-282.
Kuschev L.A., Suslov D.Yu.
THEORETICAL DESCRIPTION OF THE ANAEROBIC FERMENTATION IN BIOGAS PLANTS
The analysis of the works of Russian and foreign scientists devoted to theoretical description of the development of mathematical models and processes and apparatus for the production of biogas. The main directions of development ofprocess modeling biogas resulting from the anaerobic fermentation. Proposed dependence of the rate of growth of microorganisms on the temperature and nature of the effect of temperature is set to the efficiency of biomass anaerobic mesophilic fermentation. Key words: modeling, biogas, microbiology, anaerobic fermentation.
