Як суха фітомаса амаранту впливає на процес виробництва біогазу

Людство постійно працює над створенням альтернативної енергії, що дозволить знизити залежність від невідновлюваних ресурсів і зменшити негативний вплив на екологію. Однак і донині більше 90% споживання енергії в світі зав’язано на використанні вугілля, нафти, традиційного газу.

Один із перспективних напрямків — виробництво біогазу з поновлюваних джерел. Він дозволить забезпечити людство альтернативною енергією, яка в майбутньому дозволить знизити витрати на виробництво тієї чи іншої продукції. Одним з найбільш перспективних, раціональних методів отримання такого виду палива є процес під назвою метанове бродіння.

Про нього докладно розповідається в роботі «Стимулюючий вплив сухої фітомаси амаранту Amaranthus Cruentus на біометаногенез в трудноферментованих субстратах», над якою працювали А. З. Міндубаев, С. Т. Мінзанова, Е. В. Скворцов, В. Ф. Миронов, В. В. Зобов, Ф. Ю. Ахмадуліна, Л. Г. Миронова, Д. Є. Білостоцький, А. І. Коновалов. Дослідники є співробітниками Інституту органічної і фізичної хімії імені А. Е. Арбузова Казанського наукового центра РАН.

Наведемо фрагменти з цієї роботи, які дозволять зрозуміти, наскільки амарант є різнобічно корисною культурою. Адже раніше ми вже неодноразово писали про те, що рослина має велику кількість корисних речовин, вітамінів і мікроелементів, завдяки чому амарант використовується при виробництві:

• харчових продуктів;
• фармакологічних продуктів;
• косметичної продукції.

Однак нові дослідження дозволяють застосовувати фітомасу рослини для синтезу біогазу — альтернативного джерела енергії.

Коротенько про біогаз і способи його отримання

Встановлено, що в природі здійснюється самостійний синтез біогазу — при розкладанні органічних елементів:

• на дні водойм;
• в грунті;
• в травному тракті тварин.

Вчені стверджують, що виробництво біогазу з різних відходів дозволить не тільки отримувати альтернативне джерело палива, але і вирішити ряд екологічних проблем. Зокрема, налагодити синтез біогазу цілком реально з:

• відходів харчової промисловості;
• відходів сільськогосподарської промисловості;
• сміття;
• стоків.

Тобто, мова йде не тільки про отримання екологічного палива, а й збереження навколишнього середовища, яке буде менше страждати від скупчення сміття, відходів, стоків.

Сучасні технології виробництва біогазу

На даний момент виробництво біогазу лише розглядається, як перспективний напрямок, але поки що являє собою складний процес, що вимагає солідних фінансових витрат.

Якщо подивитися на динаміку розвитку напрямку, то в Швеції ще в 1991 році на урядовому рівні було виділено понад 100 мільйонів крон для проведення тематичних досліджень, продукування газу для транспортних засобів. Зрозуміло, що далеко не всі країни володіють достатніми ресурсами для проведення подібних досліджень.

Однак все активніше розглядається можливість застосування рослинної біомаси для отримання газу — обумовлено це тим, що така маса порівняно недорога. Тому кінцеві витрати (відповідно, і вартість біогазу) будуть мінімальними. Саме з цієї причини створення технологій, що мають на увазі використання таких зелених добавок, викликає все більший інтерес з боку вчених. Автори роботи вирішили вивчити можливість застосування фітомаси амаранту багряного.

Дослідниками вперше був проаналізований процес впливу амаранту на метаногенез — тобто, на утворення біогазу.

Відзначається, що амарант є дійсно перспективною культурою, яка дозволяє отримувати до 600 центнерів зеленої маси з кожного гектара посівної площі. І це навіть в складних кліматичних умовах. А на хороших грунтах і при сприятливих погодних умовах вдається отримати до 2000 центнерів зеленої маси з кожного гектара посівної площі.

Дослідники відзначають, що годувати чистим амарантом велику рогату худобу заборонено. Оскільки це стимулює активність метаногенної мікрофлори рубця. Обумовлено таке впливом вмісту в амаранті великої кількості рослинного білка.

Однак, з огляду на даний факт, вчені першими вирішили використовувати амарант для збільшення ефективності продукування біогазу за допомогою стимулювання метаногенної мікрофлори. Для цього в лабораторії були змодельовані процеси, що протікають в рубці жуйних тварин.

Як проводилися дослідження, які результати були отримані і які висновки вони дозволяють зробити

Під час проведення досліджень вчені виконали кілька експериментів, що дозволяють порівняти ті чи інші процеси і їх результати.

Зокрема, під час першого експерименту в ролі субстрату для запуску процесу метаногенезу використовувалася пивна дробина. Це один з найбільш поширених відходів харчової промисловості. В ході проведеного експерименту було паралельно задіяно відразу два реактора. Обсяг пивних дробин в обох випадках відрізнявся (як відрізнялися їх характеристики), однак вихід газу в обох випадках був вкрай низьким.

Зокрема, в контрольному реакторі використовувалися:

• 30 г пивної дробини (вологість 72%);
• 10 г вмісту рубця;
• 60.0 мл водопровідної води.

У дослідному експерименті інкубувалась суміш:

• 15 г пивної дробини;
• 4.6 г сухої фітомаси A. cruentus (вихідна вологість не більше 10%);
• 10 г вмісту рубця;
• 70.4 мл водопровідної води.

Субстрат з амарантом виділив 44 мл газу, а без амаранту — 26 мл. Абсолютна кількість метану в обох випадках також неприйнятно низька — на рівні 0,5-2%.

Однак вчені відзначають, що в цілому вміст амаранту дозволив істотно збільшити кількість метану — наприклад, на 16 день його обсяг становив 1,6%, в той час, як в реакторі без амаранту — всього 0,2%.

Крім того, проводилися порівняльні досліди з використанням жому цукрового буряка. У першому варіанті в реактор були поміщені:

• 25 г жому цукрового буряка (вологість 81%);
• 50 г свіжого вмісту;
• 75 мл водопровідної води.

У другому реакторі:

• 12,5 г бурякового жому;
• 2,75 г сухої фітомаси амаранту багряного;
• 50 г вмісту рубця;
• 85 мл водопровідної води.

В цілому, кінцевий вихід біогазу був не надто великим. Швидше, навіть маленьким. Однак на 22-ту добу обсяг метану в другому зразку становив 9,9%, а в першому (без амаранту) — всього 0,6%. На 58-му добу ці показники склали — 4,5% (перший реактор, без амаранту) і 15,7% (другий реактор, з амарантом).

З чого можна зробити логічний висновок, що жом цукрових буряків являє собою більш придатний харчовий ресурс для метаногенної мікрофлори в порівнянні з пивною дробиною, а амарант багряний активізує утворення метану.

Вплив амаранту на складноферментовані субстрати

Також вчені досліджували, який вплив надає амарант на виробництво біогазу, якщо використовується традиційна сировина, якою є звичайний гній. Для цього також використовувалося два реактора.

У півторалітрову посудину помістили суміш з наступних інгредієнтів:

• 50 грам гною;
• 275 мл вмісту рубця;
• і стільки ж води.

Протягом 11-ти днів кожен день в посудину додатково вносили по 30 грам гною і такий же обсяг води. В результаті експерименту було встановлено, що вихід газу і загальний рівень вмісту метану протягом перших днів постійно знижувався. Це обумовлено тим, що мікрофлора була змушена адаптуватися до нових умов.

До 15 діб вихід газу і вміст метану в суміші поступово знижувався. А ось вже після 15-тої доби показники стали зростати. Через 51 день після початку бродіння суміш виділила 150 мл газу, в якому містилося 60% метану. З 52 дня досліджень продуктивність газоутворення зросла. На 60 день вихід газу досяг 550 мл на добу, після чого став поступово зменшуватися.

Другий дослідний зразок містив в собі 96 грам подрібненого сухого амаранту. У перший день експерименту газоутворення носило по-справжньому вибуховий характер: інтенсивне виділення газу призвело до викиду субстрату з реактора.

На 3 добу вихід газу становив 470 мл за 8 год. Після цього газоутворення стало плавно затухати.

При цьому обсяг метану в газі для фази максимальної активності реактора вийшов досить низьким: на четверту добу він досяг показника в 13,5%. На 12 добу вміст метану досягнув 47% при виході газу 550 мл на добу. Максимальний вміст метану (55,2%) при виході газу 120 мл на добу спостерігався на 44-й день експерименту, після якого він став повільно знижуватися.

Такі показники підтвердили правило, виявлене в ході даних досліджень. Загальна кількість метану в газі росла на загальному тлі зменшення утворення газу. До того, ж вдалося виявити, що додавання амаранту багряного в гній тварин не призводить до збільшення кількості метану, але зменшує так звану лаг-фазу до повного зникнення.

Яким чином фітомаса амаранту впливає на метаногенез

Дослідники спробували зрозуміти, як саме фітомаса амаранту багряного впливає на утворення метану. Для цього вони провели ще ряд дослідів, в тому числі з використанням сирої пивної дробини, а також сірчаної кислоти. І, природно, фітомаси амаранту багряного.

Було встановлено, що наявність амаранту в субстраті призводить до збільшення обсягів виходу СО2. Тим самим, вченим вдалося довести, що амарант надає стимулюючу дію на ацідогенну стадію метаногенезу. Тобто, можна зробити висновок, що амарант є активатором бродіння. І не тільки метанового, а й оцтовокислого і спиртового.

Висновок: що саме встановили дослідники

Проведені дослідження дозволили встановити, що фітомаса амаранту багряного надає стимулюючу дію на процес утворення метану. Що неймовірно важливо, коли мова заходить про такі важкоферментовані субстрати, як пивна дробина та буряковий жом.

Крім того, присутність амаранту дозволяє істотно збільшити кількість метану в біогазі. Коли мова йде про поживні субстрати, до яких відноситься гній, присутність амаранту забезпечує прискорення процесів утворення газу. Велика кількість органічного азоту, яку вносить в субстрат фітомаса амаранту, не приводить до придушення життєдіяльності метаногенів.

Проведення досліджень дозволило створити лабораторний метод анаеробної переробки сировини, який використовується для виробництва біогазу. Вченими було встановлено, що оптимальним з усіх досліджуваних видів сировини для цієї мети є саме гній, в який додається амарант.

А ось зростання метаногенної мікрофлори на більш складноферментованих субстратах — жомі буряка і пивний дробині — знаходиться на межі толерантності.

Остаточні висновки

Оптимальною сировиною для отримання біогазу (з досліджуваних зразків) є суміш гною і відходів м’ясної промисловості (рубець ВРХ), потім йдуть жом цукрових буряків, а замикає трійку — пивна дробина.

Однак нас цікавить вплив амаранту на отримання біогазу. В ході досліджень встановлено, що фітомаса Амаранту багряного (Amaranthus cruentus) являє собою стимулятор метаногенезу в складноферментованих субстратах. До яких відносяться пивна дробина та жом цукрових буряків. Присутність амаранту дозволяє збільшити вміст метану в кілька разів. Якщо ж говорити про присутність амаранту в гної, то рослина стимулює прискорення процесу газоутворення.

При цьому також встановлено, що максимальний вихід метану був зафіксований на етапах згасання газоутворення. Як припускають вчені, це, швидше за все, пов’язано з певними екологічними особливостями метаногенних бактерій.

Так що проведені дослідження дають зрозуміти — використання фітомаси амаранту при виробництві біогазу є перспективним напрямком, хоча і вимагає подальших досліджень для визначення найбільш оптимального способу виробництва альтернативного палива.