CC BY
71
ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 662.767.2; 663.481
DOI: 10.24412/2072-9650-2021-1-0003
Влияние температуры на образование биогаза при утилизации пивной дробины
Б.Н. Федоренко, д-р техн. наук, профессор; В.В. Житков*
Московский государственный университет пищевых производств С. В. Ермолаев, канд. техн. наук ООО «Группа БАС», Москва
Дата поступления в редакцию 19.02.2021 '[email protected]
Дата принятия в печать 16.03.2021 © Федоренко Б.Н, Житков В.В, Ермолаев С.В, 2021
Реферат
Данная статья написана по результатам исследования влияния температуры на эффективность производства биогаза в однофазном лабораторном анаэробном биореакторе для сбраживания пивной дробины бактериями комплекса анаэробных метангенетических бактерий (Methanobacterial.es). Результаты показывают, что производство биогаза в метаногенной фазе осуществляется на более высоких уровнях при температурах в диапазоне 20...40 °C. Содержание метана при производстве биогаза может поддерживаться на уровне более 50% при температуре выше 20 °C, но ниже 60 °C. Однозначно выявлено, что характеристики ацидогенной и метаногенной фаз значительно ухудшаются при понижении температуры до 20 °C, поскольку при таких температурах, очевидно, микробная активность ингибируется. Соответственно, такая пониженная температура неблагоприятна для работы ацидогенной и метаногенной фаз, в то время как умеренные температуры выше 25 °C более благоприятны для повышения эффективности производства биогаза.
Ключевые слова
биотехнология; конверсия; метангенез; температура; энергия; эффективность. цитирование
Федоренко Б.Н, Житков ВВ., Ермолаев С.В. (2021) Влияние температуры на образование биогаза при утилизации пивной дробины //Пиво и напитки. 2021. №1. С. 26-29.
Influence of Temperature on the Synthesis of Biogas Düring Disposal of Beer Spent Grain
B. N Fedorenko, Doctor of Technical Science, Professor; V. V. Zhitkov* Moscow State University of Food Production S. V. Ermolaev, Candidate of Technical Science LLC «BAS Group», Moscow
Received: February 19,2021 Accepted: March 16,2021
*[email protected] © Fedorenko B.N, Zhitkov V. V, Ermolaev S. V, 2021
Abstract
This article is based on research results: the influence of temperature on the efficiency of biogas production in a single-phase laboratory anaerobic bioreactor for fermenting beer grains of bacterial complexes of anaerobic methanogenetic bacteria (Methanobacteriales). The results show that biogas production in the methanogenic phase occurs at higher levels at a temperature of 20...40 °C. At temperatures above 20 °C, but below 60 °C. At these temperatures, it is obvious that microbial activity is inhibited by lowering the temperature to 20 °C. Accordingly, such a lowered temperature is unfavorable for operation under conditions of acidogenic and methanogenic phases, while at moderate temperatures above 25 °C they are more favorable for increasing the efficiency of biogas production.
Key words
biotechnology; conversion; metangenesis; temperature; energy; efficiency. Citation
Fedorenko B.N, Zhitkov V. V, Ermolaev S. V. (2021) Influence of Temperature on the Synthesis of Biogas During Disposal of Beer Spent Grain // Beer and Beverages = Pivo i Napitki. 2021. No. 1. P. 26-29.
Введение. В настоящее время повышенные объемы потребления энергии и техногенные загрязнения окружающей среды перерастают в глобальные проблемы. Нефть, как один из важнейших природных невоз-обновляемых энергоносителей, чрезмерно потребляется и очевидно, что уже во второй половине нашего века ее дефицит может привести к глобаль-
ному энергетическому кризису. Поэтому разработка эффективных методов экономии первичной энергии и поиск альтернативных возобновляемых источников чистой энергии стали предметом всеобщей озабоченности [1]. В мире производится достаточно большое количество отходов пищевых производств, в частности отходов пивоваренного производства — пивной
дробины, которое частично утилизируется, но полностью потенциал применения вторичного сырья далеко не исчерпан. Пивная дробина — важный источник энергии из биомассы [2]. Пивную дробину можно перерабатывать в чистую энергию, такую, как метан, что позволяет эффективно перерабатывать пищевые органические отходы [3]. Однако, технология
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
1•2021
ISSN 2072=9650
обработки пивоваренной дробины недостаточно изучена и практически не развита. В настоящее время уровень утилизации дробины недостаточен, и большое количество дробины, которая не потребляется в качестве корма для крупного рогатого скота, просто перегнивает в отвалах без обработки. Поэтому технологии переработки отходов пивоваренных производств актуальны и достаточно перспективны, а исследование и разработка прогрессивных инновационных процессов для рациональной переработки органических отходов промышленности и сельского хозяйства имеют хорошую перспективу [4].
В тех случаях, когда дробину подвергают анаэробному сбраживанию с целью получения биогаза, применяют ее предварительную обработку, что служит одним из простых, но эффективных методов повышения биоразлагаемости пивоваренных отходов. Исследования показали, что предварительная обработка ЫаОН может значительно улучшить биораз-лагаемость дробины и увеличить производство биогаза. Как правило, метод анаэробной биологической очистки также широко применяли для обработки органических отходов сельского хозяйства [5]. Он не только решает проблему чрезмерного накопления сельскохозяйственных органических отходов, но и позволяет производить чистую энергию, тем самым осуществив эффективную утилизацию [6].
Как правило, на основании базовых наработок и накопленного опыта в переработке биологического сырья в биогаз, в большинстве случаев применяется процесс 4-этапной анаэробной ферментации, который состоит из четырех последовательных стадий: гидролиза, ацидогенной ферментации, Н2-продуцирующего ацетогенеза и метаногенеза [7].
К сожалению, традиционный процесс анаэробной ферментации и биотрансформации пивоваренной дробины не может полностью использовать
весь потенциал этого сырья из-за особенностей этого вида отходов.
Фактически, на процесс анаэробного сбраживания дробины влияют различные факторы, такие как рН, отношение С/Ы, инокулят и температура [4], которые непосредственно определяют состав продуктов брожения и эффективность производства метана. В качестве одного из основных абиотических факторов, определяющих эффективность анаэробного сбраживания, температура играет важную роль в работе системы анаэробного разложения [2]. На практике внезапные изменения окружающей среды, например, резкое повышение или понижение температуры, могут вызывать серьезные нарушения всех параметров процесса, и системе требуется длительный период времени для адаптации к стабильному состоянию. Кроме того, температура оказывает существенное влияние на рост и метаболизм микроорганизмов и взаимодействие между микробными группами. В процессе анаэробного сбраживания температура может регулировать активность микробных внутриклеточных ферментов, оказывая влияние таким образом на метаболическую активность микроорганизмов и эффективность анаэробной ферментации [7]. Кроме того, изменения в микробном метаболизме или динамике микробиоты влияют на работу анаэробной системы в целом. Известно из литературных источников, что мезофильные условия (30...40 °С) в целом были приняты эталоном для анаэробного сбраживания сельскохозяйственных органических отходов и показывают хорошие результаты при производстве биогаза [3]. Низкотемпературные условия стали основной причиной ограниченного применения технологии анаэробного сбраживания для обработки органических отходов в Северной Европе и других регионах мира с частыми отрицательными температурами. Было обнаружено, что низкие температуры приводят к пониженной выработке биогаза и неста-
Таблица 1
Основные характеристики пивной дробины
Компоненты сухого вещества
Образец Влага Сырой протеин Сырая клетчатка Сырой жир Сырая зола Безазотистые экстрактивые вещества Лигнин Гемицеллюлоза
1 7,96 29,6 22,4 5,0 5,2 37,8 35,9 16,2
2 7,58 28,1 22,5 5,6 4,87 38,9 36,9 15,8
3 7,41 24,1 24,8 4,3 4,85 41,9 33,8 15,2
4 7,55 30,5 26,9 4,8 5,10 32,7 36,5 14,9
технология
бильной работе системы анаэробного сбраживания [2]. Эффекты повышения или понижения температуры с последующим восстановлением начальной температуры были оценены в некоторых предыдущих исследованиях. Эти исследования показывают, что снижение температуры обычно приводит к снижению эффективности удаления растворенного химического кислорода (SCOD), снижению производства биогаза и накоплению летучих жирных кислот (VFA) [6]. Однако, исследования влияния суточных колебаний температуры на выработку биогаза и микробное сообщество процесса анаэробного сбраживания редко изучались. Поэтому важно изучить влияние температуры на процесс анаэробного сбраживания пивоваренной дробины [1].
В настоящем исследовании был изучен модифицированный реактор анаэробного сбраживания для оценки влияния различной температуры на полунепрерывное анаэробное сбраживание путем обработки пивоваренной дробины в присутствии комплекса анаэробных метангенетических бактерий. Колебания температуры моделировали с помощью вынужденных прямоугольных колебаний температуры анаэробного реактора.
Было исследовано влияние температуры на эффективность производства биогаза [5]. Изучение влияния колебаний температуры на показатели анаэробного сбраживания поможет обеспечить оптимальную методологию эффективного производства биогаза.
Цель работы — исследовать эффективность анаэробного сбраживания пивной дробины в различных термических условиях.
Объекты и методы исследования. Пивная дробина для проведения исследования была получена на пивоварне ООО Grott Bar Brewery (Москва). Свойства пивной дробины приведены в табл. 1.
Экспериментальная установка. Процесс анаэробного сбраживания пивоваренной дробины проводили в лабораторном метаногенном реакторе с общим объемом 17 л анаэробного сбраживания, как показано на рис. 1, табл. 2.
Методы исследования. В пивной дробине определяли следующие параметры: содержание первоначальной влаги — по ГОСТ 1396.3-92 (27548.98); содержание «сырого» протеина — по методу Къельдаля, ГОСТ 1396.4 (28074-89); содержание «сырого» жира — в аппарате Сокслета, по ГОСТ
Таблица 2
Описание лабораторной установки
Индекс Описание
F1 Ферментер
Е1 Электропривод перемешивающего устройства
Н1 Электрообогрев ферментера
I1 Теплоизоляция ферментера
ml Манометр газовый
m2 Расходомер газовый массовый
c1 Контролер вращения перемешивающего устройства
c3 Контролер температуры обогрева ферментера
c4 рН-метр
V-l Трехходовой клапан пробоотборный
t1 Пробоотборник
rl Буферный резервуар-приемник газа
ll, 12, 13, 14 Газовая магистраль
P1 Модуль управления
Yl, Y3,Y4 Электрическая линия
13496.15; содержание «сырой» клетчатки — по Геннебергу и Штоману (модификация ЦИНАО) ГОСТ 1396.2-91; содержание «сырой» золы — методом сухого озоления (температура 400... 450 °С) по 26226-95; содержание растворимых углеводов — по методу Бертрана; содержание лигнина — по Ермакову А. И. с соавт. (1972); содержание гемицеллюлоз — по Ермакову А. И. с соавт. (1972); значения биохимического потребления кислорода (БПК) — ам-перометрическим методом и химического потребления кислорода (ХПК) — бихроматным методом. В биогазе определяли содержание СН4 и окислов углерода прибором MESTEK CDG01/02. В воде для создания суспензии и в реакционной среде определяли значение рН с помощью прибора РН-990.
В рамках проведения исследования по влиянию температуры на процесс производства биогаза была осуществлена серия лабораторных экспериментов посредством спроектированной и разработанной модульной установки полунепрерывного действия.
Субстратом для производства биогаза служила смесь пивоваренной дробины с водой в пропорции 50 : 50. Данная пропорция была выработана эмпирическим путем, для создания значения рН 7,65 (данное значение было принято за оптимальное для начала процесса синтеза биогаза после анализа соответствующей литературы). Реактор был загружен суспензией на 12,75 л. что составляет 75 % от общего объема реактора (эффективный объем) [2].
В качестве биологического агента использовали комплексную суспензию
ZH-1001, применяемую для создания биоила на сооружениях по очистке сточных вод. Дозировка агента была выбрана в соответствии с рекомендацией производителя и для вышеуказанного объема составила 1,275 мг.
На протяжении всего эксперимента реактор был герметично закрыт, мешалка вращалась со скоростью 10 мин-1, выделяемый биогаз поступал через силиконовую трубку в распределительный трехходовой клапан, через который мог быть направлен либо на пробоотборник для определения качества биогаза, либо на пневматический расходомер с последующей утилизацией через финальную емкость-гидрозатвор, заполненную водой [5]. На протяжении всего эксперимента поддерживали стабильную температуру посредством термореле, давление и рН определяли посредством манометра и рН-тестера, соответственно.
Результаты и их обсуждение. В рамках лабораторного исследования по определению влияния температуры на процесс производства биогаза из пивоваренной дробины было произведено три модульных эксперимента (каждый в трех повторностях) по производству биогаза. В качестве субстрата использовали суспензию дробины с фиксированными показателями содержания твердой и жидкой фаз и значения рН. Эксперименты отличались друг от друга значениями температуры и составляли 20, 40 и 60 °С, соответственно.
На рис. 2 представлен график 1-го эксперимента с температурой реакционной среды 20 °С, где четко наблю-
дается крайне умеренная скорость активации выхода биогаза на начальной стадии. Максимальное значение производства биогаза было достигнуто на 11 сут эксперимента и продолжалось до 20 сут, после чего наблюдали резкое падение объемов выделения биогаза, что может быть связано, по мнению авторов данной статьи, с истощением объемов свободно сбраживаемых углеводов в данном субстрате, суммарное время выделения биогаза составило 27 сут. Однако, среднее содержание метана в произведенном биогазе составило 67,5 %, что служит весьма высоким показателем качества данного вида топлива.
График 2-го эксперимента с температурой реакционной среды 40 °С показывает заметное увеличение скорости активации выхода биогаза на начальной стадии. Оптимум производства биогаза был достигнут уже на 5 сут эксперимента и продолжался 9 сут, после чего наблюдали умеренное плавное снижение объемов выделения биогаза, суммарное время выделения биогаза составило 20 сут. В то же время, среднее содержание метана в произведенном биогазе уменьшилось до 61 %, что, однако, все равно служит хорошим показателем качества биогаза.
График финального 3-го эксперимента с температурой реакционной среды 60 °С показывает, что максимальное значение выхода биогаза было достигнуто уже на 3 сут, и активное выделение продукта реакции продолжалось до 8 сут проведения эксперимента, после чего эксперимент был окончен на 11 сут проведения синтеза.
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
1•2021
ISSN 2072=9650
160 000 -Г
140 000 -120 000 -! 100 000 -
го
! 80 000 -
Ю
И 60 000 -
40 000 -20 000 -0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Время выделения биогаза, сут — 20 °С — 40 °С — 60 °С
Рис. 2. Влияние температуры на процесс получения биогаза из пивной дробины
Но, среднее содержание метана в произведенном биогазе категорически уменьшилось до 40 %, что потребует от конечного потребителя определенного внимания к использованию данного вида топлива.
Выводы. При исследовании эффективности анаэробного сбраживания пивной дробины в различных термических условиях установлено, что температура влияет на показатели генерации биогаза, в том числе на скорость процесса, продолжительность активной фазы газообразования и качественный состав получаемого газа.
Метаногенная фаза достигла оптимальной эффективности производства биогаза в интервале температур 20.40 °С. Установлено, что с повышением температуры с 20 до 60 °С процесс образования биогаза существенно ускорялся (примерно в 2 раза), но его качественный состав при этом ухудшался (на 27,5 %).
Таким образом, процесс анаэробного сбраживания пивной дробины целесообразно проводить при рабочей температуре около 20.40 °С, поскольку при этом обеспечивается достаточно высокая эффективность производ-
ства биогаза с высоким содержанием в нем метана.
ЛИТЕРАТУРА
1. Abbasi, T. Anaerobic digestion for global warming control and energy generation / T. Abbasi, S. M Tauseef, S.A Abbasi //An overview. Renew. Sustain. Energy Rev. — 2012. — Vol. 16, Iss. 5. — P. 3228-3242. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/ j.rser. 2012.02.046.
2. Albertson, M.L. Enhanced anaerobic digestion of biomass waste for optimized production of renewable energy and solids for compost / M. L. Albertson, A. Pruden, R. T. Oliver // Int. Congr. Sci. — 2006. — Vol. 1293. — P. 221-229.
3. Панцхава, Е. С. Биогазовые технологии. Проблемы экологии, энергетики, сельскохозяйственного производства / Е. С. Панцхава, М. Г. Беренгартен, С. И. Вайнштейн. — М.: МГУИЭ, ЗАО «Центр «Экорос», 2008. — 217 с.
4. Пехер, К. Тепловая утилизации пивной дробины — экономически выгодное использование экологически чистого источника энергии / К. Пехер // Пиво и напитки. — 2006. — № 5. — С. 64-65.
5. Тихонравов, В. С. Ресурсосберегающие биотехнологии производства альтернативных видов топлива в животноводстве: науч. ана-лит. обзор / В. С. Тихонравов. — М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. — 52 с.
1 технология
6. Barbanti, L. Anaerobic digestion of annual and multi-annual biomass crops / L. Barbanti, G. Di Girolamo, M. Grigatti, [et al.] // Ind. Crops Prod. — 2014. — Vol. 56. — P. 137-144. DOI: 10.1016/j.indcrop.2014.03.002.
7. Орсик, Л. С. Биоэнергетика: мировой опыт и прогнозы развития /Л.С. Орсик, Н.Т. Сорокин, В.Ф. Федоренко, [и др.]. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Росинформагротех, 2008. — 403 с.
REFERENCES
1. Abbasi T, Tauseef SM, Abbasi SA. Anaerobic digestion for global warming control and energy generation. An overview. Renew. Sustain. Energy Rev. 2012;16: 3228-3242. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.046.
2. Albertson ML, Pruden A, Oliver RT. Enhanced anaerobic digestion of biomass waste for optimized production of renewable energy and solids for compost. Int. Congr. Sci. 2006;1293:221-229. (In Eng.)
3. Panckhava ES, Berengarten MG, Vajnshtejn SI. Biogazovye tekhnologii. Problemy ekologii, energetiki, sel'skohozyajstvennogo proizvod-stva [Biogas technology. Problems of ecology, energy, and agricultural production]. Moscow: Moskovskij gosudarstvennyj universitet inzhenernoj ekologii, ZAO «Centr «Ekoros»; 2008. 217 p. (In Russ.)
4. PekherK. Teplovaya utilizacii pivnoj drobiny — ekonomicheski vygodnoe ispol'zovanie ekolog-icheski chistogo istochnika energii [Thermal utilization of brewer's grain — economically beneficial use of an environmentally friendly source of energy]. Pivo i napitki [Beer and beverages]. 2006;5:64-65. (In Russ.)
5. Tihonravov VS. Resursosberegayushchie biotekhnologii proizvodstva al'ternativnyh vidov topliva v zhivotnovodstve: nauch. analit. Obzor [Resource-saving biotechnologies of alternative fuel production in animal husbandry: scientific analysis. review]. Moscow: FGBNU «Rosinformagrotekh»; 2011. 52 p. (In Russ.)
6. BarbantiL, Di Girolamo G, GrigattiM, [et al.]. Anaerobic digestion of annual and multi-annual biomass crops. Ind. Crops Prod. 2014;56:137-144. DOI: 10.1016/j.indcrop.2014.03.002.
7. Orsik LS, Sorokin NT, Fedorenko VF, [et al.]. Bioenergetika: mirovoj opyt i prognozy razviti-ya [Bioenergy: global experience and development forecasts]. Moscow: Rosinformagrotekh; 2008. 403 p. (In Russ.) <S
Авторы
Федоренко Борис Николаевич, д-р техн. наук, профессор; Житков Владимир Владимирович
Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Россия, Москва, Волоколамское ш., 11, [email protected], [email protected] Ермолаев Сергей Вячеславович, канд. техн. наук ООО «Группа БАС»,
121069, Россия, г. Москва, ул. Поварская, д. 31/29, этаж П, помещение VI, комната 9, офис 35, [email protected]
Authors
Boris N. Fedorenko, Doctor of Technical Science, Professor; Vladimir V. Zhitkov
Moscow State University of Food Production, 11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, Russia, [email protected], [email protected] Sergey V. Ermolaev, Candidate of Technical Science LLC «BAS Group»,
31/29 P, VI, 9, office 35, Povarskaya Str., Moscow, 121069, Russia, [email protected]
