Биогаз алу және қолдану биотехнологиясы

Биотехнология — (био…bios-тіршілік+thechne, (грекше) —  өнер, шеберлік және logos — ғылым) — тірі ағзалар (организмдер) мен биологиялық әрекеттеді өндірісте пайдалану.

Биотехнология терминін алғаш рет 1917 жылы венгер  инженері Карл Эреки енгізді. Карл Эрекидің пікірінше, «биотехнология — бұл тірі организмдер көмегімен белгілі бір өнімдерді өндіру жөніндегі барлық бағыттардағы жұмыстар» болып табылады.

Қазіргі кезде бұл терминге  төмендегідей анықтама береді: Биотехнология — биологиялық процестер мен объектілерді пайдалануға негізделген экономикалық жағынан тиімді, маңызды заттарды өндіру  мен жоғарғы өнімді микроорганизмдердің штаммдарын алу, өсімдіктердің сорттары мен формаларын, жануарлардың асыл тұқымын шығарумен айналысатын ғылым мен өндірістің жаңа бағыты.

Яғни, адамға қажетті өнімдерді биологиялық объектілердің көмегімен өнімдерді өндіру. Бұл ретте микроорганизмдер мен өсімдіктер және жануарлар жасушалары, жасуша органоидтері немесе биологиялық белсенді молекулалар қолданылады.

Органикалық өнімдерден биогаз алу — органикалық өнімдердің анаэробты жағдайда «метандық ашу» нәтижесінде жанар газ бөлу қасиетіне негізделген. Метандық ашу нәтижесінде бөлінетін биогаз құрамы — 50-80% метан, 20-30% көмірқышқыл газы, шамамен 1% күкіртсутек, сонымен қатар шамалы мөлшердегі басқа газдардан (азот, оттегі, сутегі, аммиак, т.б.) тұрады. Метантүзуші бактериялар органикалық қышқылдарды қажетті метанға,  көмірқышқыл газына айналдырады.

Бұл күрделі жүйелену комплексіне микроорнизмдердің мыңдаған түрлері қатысады. Бірақ олардың негізгісі — метантүзуші бактериялар. Метантүзуші бактериялар  қышқылтүзуші ашытқы микроорганизмдер мен салыстырғанда көбеюге ұзақ уақыт қажет етеді және қоршаған ортаның өзгерістеріне қарсы тұру потенциялы төмен. Сондықтан, ашу ортасында алғашында ұшқыш қышқылдар түзулуіне  байланысты, метандық ашудың бірінші кезеңін қышқылдық деп атайды. Ары қарай қышқылдардың түзілуі және өнделуі жылдамдығы тенеледі. Сондықтан субстрактының ыдырауы мен газ түзіледі бір уақытта  қатар жүреді. Газдың түзілу өнімділігі метантүзуші   бактериялардың тіршілік жағдайына байланысты.
Биометаногенездің биохимиясы және микробиологиялық   сипаттамасы.

  Бұл процестің ерекшелігі сол таза культура жағдайында басқа өнім, ал синтрофиялық бірлестік жағдайында басқа өнім алынады. Мысалы, ірі қара мал қарнында Selenomonas ruminantum глюкозалы лактатқа дейін ашытады. Ал синтрофиялық ассоцияцияда Methanobrevibacter ruminantium ацетат, метан және СО2 түзеді.

Егер клетканы термофильді эубактериямен Clostridium thermoccelum бактериясының таза культурасымен ашытса этанол, ацетат, Н2 және СО2 түзіледі. Синтрофты ассоцияцияда  Metronobacteruim thermoantotrophicum  ацетат, метан СО2 түзіледі.

Сазды балшық газы «болотный газ» деп аталады. Көк түсті жалынмен жанады, иіссіз, түтінсіз жанады. Ал ағаштың, тезектің  жануынан қорашаған ортаны ластайтын түтін бөлінеді.

Биохимиялық тұрғыдан метандық «ашыту» анаэробтық тыныс болып табылады. Органикалық заттардың (сірке қышқылы) электрондары көмірқышқыл газына тасымалданып, метанға дейін тотықсызданады. Метантүзуші бактериялар үшін электронның доноры қызметін сутегі атқарады.

4C6H5COOH + 24H2O → CH3COOH + 4HCOOH + 8H2

(бензоат)

12CH3COOH → 12CH4 + 12CO2

(ацетат)

4CHCOOH → 4CO2 + 4H2

3CO2 + 12H2 → 3CH4 + 6H2O

4C6H5COOH + 18H2O → 15CH4 + 13CO2

Бактерия түрлерінен Methanobakterium formicicum және  Metahanospirillum hungati  басым қатысады. Мысалы, Methanobakterium kadomensis st 23-20күн жүретін метаногенезді 8 күнде жүргізеді. Ірі қара малдың, үй құстарының көнінің өнелуіне 20 күдей, ал шошқаның сұйық көнінің ашу процесіне  10 күндей қажет.   Егер жыл сайын түзілетін сиырдың 300 млн.т тезегін биогазға айналдырса, алынған энергия мөлшері 33 млн.т. мұнайдан алынатын энергия мөлшеріне тенседі. Яғни , 1т сиыр тезегінің құны 0,11т. мұнайға тен. Ірі қара мал және шошқа көндерінің тең мөлшерінен, шошқа көнінен 50%-ға көп биогаз өндіріледі.

 Жамбыл облысы Жуалы ауданы «Қошқар ата» ауылында биогаз алу мен қолданудың биотехнологиясы.

Зерттеу барысында дәстүрлі мал шаруашылығымен айналысатын  Жамбыл облысы Жуалы ауданының «Қошқар ата» ауылына қажетті биореактордың көлемі, биогаздың өнімі мен қажетті мөлшері анықталды. Үй жануарларының (малдың) санына қарай шикізаттың (көңнің) тәуліктік дозасы (мөлшері) анықталды. ДШ – шикізат дозасы.

Малдың санына қарай ДШ анықтау:

Мүйізді ірі қара    1989 х 36 кг = 71604 кг  = 71,604 т (тонна)

Қой-ешкі               10404 х 4 кг = 41616 кг = 41,616 т

Жылқы                  459 х 10 кг = 4590 кг = 4,59 т

Құс                         5355 х 0,16 кг = 856,8 кг = 0,8568 т

Барлығы   118666,8 кг немесе  118,6668 т

Яғни бір тәулікте түзілетін шикізаттың дозасы ДШ = 118,6668 т құрайды.

Зерттеу жұмысы жаз айларында жүргізілуіне байланысты, қажетті ылғалдылыққа жеткізу үшін шикізатпен су мөлшерінің арақатынасы 2:1 құрады.  Яғни, шикізатқа қосылатын су дозасы ДС = 59333,4 литр.

Мүйізді ірі қара, жылқы, қой-ешкінің көңінің, құс саңғырығының ашу процесінде биогазды көп мөлшерде 10-15 күнде бөлуіне байланысты, реактордағы ашу процесіне мезофилді режим таңдалды. Ашытудың мезофилді режимінде реактордың айналу уақыты 10-20 тәулік құрайды және шикізатты қолданудың тәуліктік дозасы (Д) реактордағы шикізаттың жалпы көлемінің (ШЖ) 1/20-ден 1/10 құрайды. Қондырғыдағы шикізаттың жалпы көлемі реактордың 2/3 көлемінен (РК) аспауы қажет.

Яғни, реактордың көлемі РК = 1,5 х ШЖ тең болады.

ШЖ = 10 х Д, ал Д =ДШ+ДС

ДШ =118666,8 кг

ДС = 59333,4 л

Д = 118666,8 кг + 59333,4 л = 178000,2 кг = 178 т.

ШЖ = 10 х 178 т = 1780 т.

РК = 1,5 х  ШЖ  = 1,5 х 1780 т = 2670 м³