Біотехнологічна деградація вуглеводнів (нафтова плівка, забруднені ґрунти).

Дослідження, що пов’язані з деградацією вуглеводнів (нафтова плівка на поверхні води, забруднені ґрунти біля нафтових і газових свердловин і переробних заводів) бактеріями, в основному спрямовані на прискорення цього в звичайних умовах дуже повільного процесу. Була розроблена технологія прискореного розмноження бактерій, що існують в морі, які здатні розкладати вуглеводні. Для прискорення біорозкладання забруднена поверхня вкривалася мікроемульсією, що містить інкапсуліровану суміш вуглецю, азоту і фосфору. Як виявилося, додавання цих речовин стимулює розмноження корисних бактеріальних штамів. Проведені експерименти виявили, що при використанні нового методу, із забрудненої поверхні протягом тижню зникло 70-90% вуглеводнів в порівнянні з 12-20% на необроблених місцях. Після кожної операції щільність фітопланктону збільшувалась. Перевага біологічного процесу полягає головним чином в тому, що він не викликає появу нового забруднюючого агенту в навколишньому середовищі, мікробна біомаса, що створюється при розмноженні бактерій на плівках, слугує кормом для морських істот. Нова технологія використовується як у морях, так і в болотах і лагунах, куди важко добратися, а також для контролю випадкових забруднень, наприклад, в акваторіях портів.

В наш час проводяться дослідження, що спрямовані на розробку процесу, який забезпечує стимуляцію росту великій кількості груп морських бактерій, що здатні руйнувати вуглеводні. Крім того, важливе значення має розшук і створення нових штамів бактерій, які спроможні існувати, швидко рости і розмножуватися при відносно низьких температурах у морській воді.

 

 

60.Біогаз, схема виробництва біогазу.

Біогаз – це суміш горючого газу метану (70-80%), оксиду вуглецю (до 30%) та незначної кількості домішок – водню, сірководню, азоту.

Біометаногенез здійснюється в три етапи: розчинення і гідроліз органічних сполук, ацидогенез (перетворення кислот) і метаногенез. Перший етап ніколи не завершується метанізацією відходів. В процесі біометаногенезу беруть участь три групи бактерій. Перші перетворюють складні органічні субстрати в масляну, пропіонову і молочну кислоти; другі перетворюють ці кислоти в оцтову кислоту, водень і вуглекислий газ, треті, метанутворюючі бактерії, відновлюють вуглекислий газ в метан з поглинанням водню.

Схема біометаногенезу має наступний вигляд:

 

Початкова нерозчинна органічна речовина (біомаса)

 

                    Розчинна речовина (сахари)

 

Вищі органічні кислоти         Н2 + СО2 + ацетат

                                                                                                                           

                                                        СН4 + СО2 (біогаз)

 

Здійснюється процес різними анаеробними метаногенними бактеріями (як мезофільними з температурним оптимумом 30-40?, так й термофільними – при 50-60?). Основною сировиною для виробництва біогазу є гній, відходи овочівництва, або муніципальні відходи, основними компонентами яких є целюлоза, геміцелюлоза і лігнін.

Залишки початкової сировини, що не прореагували, можна утилізувати в якості добрив, спалювати з метою отримання енергії, або використовувати для отримання білку, концентрація якого в подібних залишках досить висока.  

Оптимізація умов, що забезпечують максимальну швидкість ферментативних реакцій при перетворенні органічних речовин біомаси гною в метан, потребує регламентації вмісту у поживному середовищі насамперед азоту та вуглецю. Найбільш сприятливим для розмноження бактерій, що створюють метан, є середовище, в якому співвідношення С : ? дорівнюється 10-30 : 1. Для підтримки цього співвідношення у виробничих умовах біомасу гною з високим вмістом азоту змішують з відходами, в яких міститься багато вуглецю. Кращім інгредієнтом для оптимізації вмісту вуглецю і азоту у поживному середовищі є солома.

Енергетична цінність 1 м? біогазу, що містить 70% метану, складає 25 МДж, в той час, як енергетична цінність звичайних енергоносіїв таких, як природний газ і паливо, у розрахунку на 1 м? і 1 кг складає відповідно 34 і 42 МДж.

При проектуванні біогазової установки необхідно також визначити джерела, що будуть постійними споживачами біогазу. Проблема зберігання біогазу поки ще не вирішена, а такий спосіб як переведення його у рідкий стан, з практичної точки зору визнаний ні доцільним із-за різниці у фізичних властивостях окремих компонентів біогазу. Найбільш ефективно використовувати біогаз для вироблення електроенергії. В цьому випадку повністю вирішується проблема рівномірного використання біогазу. Тепло, що утворюється в процесі трансформації енергії біогазу в електричну, доцільно використовувати для підтримки на певному рівні температурного режиму у біореакторі, зігріванню води та інших потреб. Найбільш рентабельною вважають заміну мазуту біогазом. Витрати відшкодовуються відносно швидко, оскільки одна й та сама кількість енергії, що отримана з мазуту і біогазу, при використанні біогазу виявляється на 30% дешевше.

Що стосується органічних кислот, які утворюються під дією мікроорганізмів, то після ферментації біомаси, їх можна екстрагувати і за допомогою електролізу Кольбе (анодне окислення органічних речовин) перетворювати на паливо:

 

2 СН3 (СН2)3СООН > С8Н18 + 2СО2 + Н2

 

Алкани, що отримують, є добрим паливом для двигунів внутрішнього згорання і мають високе октанове число. Суміш Н2/СО2, що утворюється при цьому, може використовуватися в якості палива для теплових електростанцій.

Решти початкової сировини, що не прореагували, можна утилізувати як добриво. Воно містить азот, фосфор, калій та інші елементи, що необхідні для покращення ґрунтів. В цьому добриві міститься все, що необхідно ґрунтам, оскільки при метановому бродінні з органічної речовини віддаляється тільки вуглець у вигляді СО2 і СН4, а усі поживні речовини знаходяться у формі, що більш доступна для рослин. Крім того, продукт отриманий в результаті метанового бродіння, має ще одну перевагу: він не містить хвороботворних мікроорганізмів, навіть в тому випадку, як що вони були присутні у початкової біомасі. Хвороботворні мікроби гинуть в процесі метанового бродіння. Внесення у ґрунт добрива, яке позбавлено специфічного запаху, що здатний для не переробленого гною, не зустрічає перешкоди і з екологічної точки зору.

Надосадочна рідина, як й субстрат після бродіння, не має неприємного запаху. Вона містить достатню кількість поживних речовин і може використовуватися як для поливу, так і в якості поживного середовища для вирощування гідробіонтів (водних рослин), які, в свою чергу, можна вводити в раціони тварин, або їх біомасою користатися як сировиною для виробництва біогазу.

Таким чином, технологія утилізації біомаси гною за допомогою метанового бродіння може бути прикладом безвідходного виробництва.       

Практичне значення методу анаеробної переробки відходів на біогаз не можна оцінювати тільки за наявністю, або відсутністю інших джерел енергії в даній країні. Можна згодитися з думкою, що біогаз з відходів не здатний конкурувати з нафтою або природним газом у розвинених країнах. Однак в цих країнах існують інші проблеми, які вирішуються за допомогою метанового бродіння.

Очищення і переробка будь яких відходів тваринництва можливе лише за допомогою метанового бродіння. Тому питання використання метанового бродіння актуальне для всіх країн, незалежно від їх енергозабезпечення.