Конференциясының ЕҢбектері

120 
органолептические  свойства.  Вода  источника  «Денсаулык-26»  является  сульфатно-хлоридно-
гидрокарбонатной  натриевой  и  имеет    следующий  состав  (г/л):  аммоний  -0,0013;  натрий-1,62; 
калий-0,0098;  магний-  0,91;  кальций-0,012;  железо-0,001;  марганец-0,00004;    фтор-0,0015;  хлор-
0,75;  бром-0,91;  йод-0,0009;  сульфаты-0,70;  гидрокорбанаты-1,12;  борная  кислота  -0,021, 
кремниевая  кислота  -0,05.  Вода  содержит  также  органические  компоненты,  в  том  числе  (мг/л): 
битум-
1,5 и
 гумусовые вещества -9,2. По органолептическим показателям вода представляет собой 
бесцветную  жидкость,  без  запаха,  с  привкусом  мела.  Углекислота  в  свободной  форме 
присутствует в количестве 158,3 мг/л, сероводород не обнаружен. 
Объектом  исследования  служили  также  дрожжи  S.cerevisiae  №-49a  из  коллекции 
микроорганизмов лаборатории биотехнологии ЮКГУ им. М.Ауезова (Шымкент). 
Для  культивирования  дрожжей  использовали  мелассные  питательные  среды  с 
геотермальной  водой  и  без  нее.  Процесс  сбраживания  осуществляли  глубинным  методом  в 
периодическом  режиме  с  циклом  48  ч  в  анаэробных  условиях  на  лабораторной  установке  при 
температуре  25±2
0
С.  К  мелассе  добавляли  разбавленную  геотермальную  воду  с  минерализацией 
4,2-4,5г/л  с  определенным  качественным  и  количественным  составом.  Содержание  углеводов 
составило  около  19,0  г/100см
3
.  Стерильную  питательную  среду  разливали  по  1,10  л  в  сосуды 
вместимостью  2,5  л,  затем  засевали  вегетативной  культурой  дрожжей  S.cerevisiae  №-49a  в 
количестве  100  мл  из  дрожжевой  суспензии  последней  стадии  адаптации  на  мелассной  среде  с 
геотермальной  водой.  Процесс  сбраживания  на  традиционной  мелассной  питательной  среде 
осуществляли также, но с содержанием гидроортофосфата аммония 1,2 г/л, сернокислого аммония 
4,0г/л. Вегетативная культура из дрожжевой суспензии последней стадии адаптации на мелассной 
питательной среде содержала 55,9 млн/мл клеток. По окончании эксперимента дрожжи отделяли 
от культуральной жидкости центрифугированием на лабораторной стационарной центрифуге. На 
всех  этапах  исследований  осуществляли  контроль  за  технологическими  свойствами 
сбраживаемого субстрата и морфологией дрожжевых клеток. 
Накопление  популяции  дрожжей  с  интенсификацией  углеводного  обмена  наблюдали  на 
всех этапах процесса на питательной среде с использованием геотермальной воды (рис.1). 
 
0
20
40
60
80
100
120
140
1
2
3
4
5
сутки
мл
н
/мл
2
1
1
2
1
2
1
2
1
2
 
Рисунок 1. Динамика  образования биомассы дрожжей S.cerevisae №-49a при культивировании на 
традиционной  питательной среде (1) и среде с геотермальной водой (2). 
 
Исследование  морфологических  свойств  дрожжевой  культуры  на  стадии  получения 
инокулята  показали,  что  после  48  часовой  ферментации  в  1мл  опытной  дрожжевой  суспензии 
содержалось 120 млн/мл клеток, имеющих округлую (80%) и овальную (20%) форму с размерами 
от  4  х  6  до  6  х  8  ≧км  ;  мертвых  клеток  -  0,02%;  почкующихся-  18%.  При  этом  в  контрольной 
суспензии  было  61,1  млн/мл  клеток  в  основном  округлой  (90%)  и  овально  –  округлой  формы 
(10%);  мертвых  клеток  -  0,04%;  почкующихся  –  15,6  %.  Повышенная  скорость  метаболических 

121 
процессов  в клетках  на среде с геотермальной  водой  приводит к  тому,  что  фазы  роста дрожжей 
S.cerevisae №-49a протекают с опережением относительно контроля. 
Влияние  различных  питательных  сред  на  образование  в  бродящем  мелассном  сусле 
кетонов, эфиров, альдегидов и ароматических веществ характеризуют данные таблицы 1. 
Таблица  1.  Влияние  состава  питательной  среды  на  образование  побочных  продуктов 
спиртового брожения  
 
Продукт брожения,мг/дм
3
 
Питательная среда 
Мелассная питательная среда с 
геотермальной водой 
Мелассная питательная 
среда 
Ацетальдегид 
2085,5 
3589,2 
Ацетон 
13,1 
13,4 
Бутанол-2 
2,03 
5,07 
Этилацетат 
153,2 
427,8 
Метанол,об % 
0,01 
0,06 
Пропанол-2 
2,7 
7,1 
Пропанол-1 
765,1 
1083,2 
Изобутанол 
230,5 
398,4 
Бутанол-1 
62,1 
97,3 
Изоамилол 
1201,1 
2103,5 
Гексанол 
15,3 
37,1 
Бутанол-2 
6,5 
13,2 
Кротональдегид 
33,5 
27,1 
Фенилалкоголь 
120,1 
193,5 
 
Наличие  в  геотермальной  воде  таких  важных  биологически  активных  веществ, 
необходимых  для  жизнедеятельности  живых  организмов,  как  К,  Na,  Mg,  Ca,  Fe,  Mn,  борная, 
кремниевая  кислоты,  органические  вещества,  являющиеся  стимуляторами  физиолого  - 
биохимических  процессов  и  активаторами  мембранных  перестроек  в  живой  клетке,  создает 
благоприятные  условия  для  интенсификации  спиртового  брожения  с  образованием  более 
высокого  содержания  этилового  спирта.  Различный  биосинтез  побочных  продуктов  в  разных 
питательных  средах  может  являться  результатом  регуляторных  функций  клетки.  На  мелассной 
питательной  среде  геотермальной  воды,  несмотря  на  повышенный  выход  спирта,  синтезируется 
почти  вдвое  меньше  примесных  соединений   в  основном  за  счет  снижения  образования  высших 
спиртов  и  альдегидов  по  сравнению  с контрольным  вариантом.  Высшие  спирты  представлены в 
исследуемых образцах следующими компонентами: пропанол-1, пропанол-2, бутанол-1, бутанол-
2,  изобутанол,  изоамилол,  гексанол,  которые  сами  по  себе,  и  тем  более  присутствуя  вместе, 
отрицательно влияют на конечный продукт. 
Т.о.,  использование  геотермальной  воды,  как  биологически  активного  стимулятора  в 
составе  питательной  среды,  позволяет  не  только  интенсифицировать  процесс  брожения,  но  и 
улучшить качество целевого продукта.  
Установлено  также,  что  чем  больше  размер  клеток,  тем  интенсивнее  осуществляется 
синтез этанола. Выявлена возможность изменения регуляции метаболизма дрожжей. Установлена 
интенсификация биосинтеза этанола в сбраживаемой среде (на 28%) и снижение нежелательных 
примесных соединений (на 43%). Обнаружена большая степень чистоты сброженного продукта – 
сырья для производства высококачественного спирта – ректификата. 
 
Литература 
1.
 
Абрамов  Ш.А.,  Халилова  Э.А.,  Магадаева  С.О.  Новые  в  биотехнологии  синтез  этанола 
выбраживаемой среде // Хранение и переработка сельхозсырья, 2006, № 12, С. 51-54. 
 
 
 
 
 
 
 

122 
УДК 621. 311 (075.8) 
 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСОВ ЭНЕРГИИ БИОГАЗА В ЮЖНЫХ ОБЛАСТЯХ 
КАЗАХСТАНА  
 
Жамалов А.Ж., Жораева А.М., Байгозова А.А. 
КазГосЖенПУ, Алматы, Казахстан 
 
Түйін 
Аумақтағы  биогаз  энергиясының  потенциалын  теориялық  және  техникалық  анықтаудың 
жалпылама  аналитикалық  тәуелділігі  анықталған.  Сонымен  бірге,  қара  мал  және  құстың  саңғырығынан 
ӛндірілетін биогаздың потенциалын теориялық жолмен анықтау ӛрнегі келтірілген.  
 
Summary 
We defined general analytical dependence of theoretical and technical consideration of potential of energy 
biogas  at  region.  Also  presented  expression  of  theoretical  definetion  potential  of  biogas  which  produced  from 
cattle’s and bird’s excrement. 
 
Исходным теоретическим и практическим базисом определения энергии биогаза являются 
количество  и  норма  накопления  навоза  домашних  животных,  птичий  помет,  твердые  бытовые 
отходы (ТБО), сельскохозяйственные отходы и осадки (шлама) сточных вод. 
Физические  и  химические  свойства  биогаза  зависят  от  содержания  компонентов  и  от  их 
характеристик.  Основными  компонентами  биогаза  являются  метан,  содержания  которого  может 
составлять от 50 до 80%, и диоксид углерода, содержания которого может достигать от 20 до 50%. 
Теплота сгорания биогаза практически пропорциональна содержанию в нем метана и составляет 
от 18 до 24МДж/
3
м
. 
В  зависимости  от  температуры,  поддерживаемой  в  метантенках,  различают  3 
температурных  режима  работы:  псикрофильный  (
0
20
t
С),  мезофильный  (
0
35
t
С)  и 
термофильный  (
0
50
t
С).  Следует  отметить,  что  от  40  до  60%  выделившегося  биогаза 
затрачивается на собственные нужды, т.е. на поддержание в метантенке требуемой для процесса 
анаэробного метаногений температуры. 
Теоретический  потенциал  биогаза  из  навоза  животных  или  помета  птиц.  Для  расчета 
потенциальные  возможности  производства  биогаза  из  навоза  животных  необходимо  знать 
следующие показатели: 
Число животных  
Усл. Гол 
Выход навоза от 1 животного  
кг/сут 
В т.ч. сухое органические вещество навоза  
кг/сут 
Суточный выход сухого орг. вещества навоза на 
месте отдыха животных 
кг/сут 
Выход биогаза на 1 кг сухого орг. вещества 
навоза 
3
м
/сут 
Потенциальный выход биогаза из навоза 
3
м
/сут 
 
 
Выход  биогаза  при  метановом  сбраживании  навоза  находится  в  прямой  зависимости  от 
влажности  и  зольности  навоза,  а  также  от  химического  состава  беззольного  вещества.  А  эти 
показатели,  в  свою  очередь,  зависят  от  вида  животного,  его  возраста,  питания,  условий 
содержания, длительности хранения навоза и т.д. 
Для  получения  более  точных  и  надежных  данных  необходимо  выполнить  комплекс 
исследований  на  натуральных  биогазовых  установках  с  использованием  навоза  различных 
животных в зависимости от режима сбраживания. 
Теоретические ресурсы биогаза определяется по формуле: 
i
n
i
i
yi
ЕГ
К
П
E
Е
1
 ,     [МДж]                                             (1) 

123 
П  –  поголовье  скота,  тыс.гол/год; 
yi
E
  -  удельный  годовой  выход  биогаза  из  навоза 
(помета), МДж/тыс.гол.год; 
i
К
 - коффициент, учитывающий потери навоза при выгуле животных 
на пастбище. 
Теоретический потенциал биогаза из ТБО и шлама сточных вод. Существующие данные 
по  ежегодному  объему  образования  ТБО  в  городах  мира  разноречивы  до  2-3  млрд.т  (или 
18
10
6
4
Дж энергии) [1]. Примерно треть этапов в той или иной мере утилизируется, а остальное 
захоранивается  или  сжигается.  Сверхпроизводство  мусора  резко  обострило  проблему  охраны 
окружающей  среды  от  загрязнения  бытовыми  отходами  и  поставило  ее  в  один  ряд  с  наиболее 
важными  проблемами  современного  общества.  ТБО,  являющиеся  источником  болезнетворных 
микроорганизмов,  токсичных,  дурнопахнущих  и  горячих  газов  требует  обезреживания  в 
кратчайшие сроки. 
ТБО  имеют  разнообразный  морфологический  состав,  меняющийся  в  зависимости  от 
климатических зон, времени года и др. Основными компонентами бытовых отходов (в процентах 
по  массе)  являются:  бумага  (22-35%),  пищевые  отходы  (32-42%),  дерево  (1-5%),  кожа  и  резина 
(0,5-3%),  текстиль  (3-6%),  кости  (1-2%),  полимерные  материалы  (3-6%),  металлолом  (2,5-4,5%), 
стекло (2-6%) и др [2]. В среднем доля органического вещества на сухую массу отходов составляет 
68-80%. С течением времени морфологический состав отходов может изменяться ввиду проблемы 
загрязнения окружающей среды урбанизированных территорий. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис.1. Энергетические методы использования ТБО 
 
По  теплоте  сгорания  ТБО  приближаются  к  низкокалорийным  углям  и  могут 
рассматриваться  как  весьма  распространенное,  доступное,  низкокалорийное,  постаяннно 
возобновляемое  местное  топливо,  не  требующее  затрат  на  добычу,  которое  должно  найти 
применение в народном хозяйстве. Низшая теплота сгорания ТБО, в зависимости от времени года 
и  региона,  изменяется  в  пределах  4180-10450  кДж/кг.  За  рубежом,  например,  в  США,  теплота 
сгорания  ТБО  составляет  12540-14630  кДж/кг,  в  Италии  6700  кДж/кг  [3].  Для  предварительной 
оценки  энергетического  потенциала  бытовых  отходов  их  низшая  теплота  сгорания  может 
приниматься в размере 5000-8000 кДж/кг [2]. 
Однако, использование ТБО в качестве топлива связано с определенными трудностями из-
за  низких  энергетических  характеристик,  присутствия  потенциально  опасных  элементов, 
обладающих  высокой  токсичностью  и  летучестью.  Поэтому  разработка  эффективных  и 
безопасных технологий энергетического использования ТБО является актуальной задачей. 
Получение 
тепла 
Получение 
генератор- 
ного газа 
Получение 
электро- 
энергии 
Получение 
жидкого 
топлива 
Анаэробное 
сбраживание в 
биореакторах 
Получение 
биогаза 
Захоронение 
на полигонах 
Гранулирован- 
ное топливо  
Получение 
биогаза 
Рециклинг 
горючих 
материалов 
Термические 
Биологические 
Другие методы 
Сжигание 
Пиролиз 
Технологии для получения тепловой и электрической энергии из ТБО 

124 
Получение тепловой и электрической энергии из ТБО, в основном, осуществляется при их 
сжигании  и  захоронении  на  полигонах.  На  рис.2  показано  основное  направление  использования 
ТБО. 
К  настоящему  времени  разработано  значительное  количество  математических  моделей, 
целью  которых  является  определение  эмиссии  биогаза  (метана),  в  зависимости  от  различных 
исходных параметров. Предприняты попытки проанализировать их с точки зрения достоверности, 
соответствия  натурным  данным,  определены  наиболее  перспективные  модели.  Среди  последних 
следует отметить: 
Модель 1 (Табасаран и Роттенбергер, 1987) [4], позволяет определить удельное количество 
биогаза  на  тонну  отходов  и  его  общее  количество,  образовавшееся  к  определенному  моменту 
времени. 
)
28
.
0
014
.
0
(
868
,
1
0
T
C
G
T
,                                           (2)  
где 
0
G
  -  удельная  эмиссия  биогаза  (
3
м
/т  отходов); 
T
C
  -  общий  органический  углерод 
(кг/т отходов); Т - температура отходов (
С
0
).  
)
10
1
(
0
kt
t
G
G
,                                                        (3)  
где 
t
G
-  эмиссия  биогаза  на  момент  времени  t;  k  -  коэффициент  разложения  отходов;  t  - 
время с момента захоронения отходов (год).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис.2. Направления использования биогаза полигонов ТБО 
 
Данная модель широко используется в европейских странах для предварительной оценки 
эмиссии биогаза с полигонов ТБО, характеризующихся однородным составом мусора. 
Модель  II  (Вебер,  1990)  [4]  позволяет  определить  удельное  количество  биогаза  на  тонну 
отходов, образовавшееся к определенному моменту времени. 
)
10
1
(
868
,
1
kt
a
o
ao
T
t
f
f
f
G
G
                                        (4)  
T
C
  -  общий  органический  углерод  (кг/т  отходов); 
ao
f
-  коэффициент,  учитывающий 
биогазовую  продуктивность  в  первые  полгода  после  заложения  отходов; 
o
f
-  коэффициент 
оптимизации  –  отношение  преобразовавшегося  в  газ  углерода  в  реальных  условиях  свалки  к 
оптимальным свалочным условиям; 
a
f
- коэффициент разложения  – отношение превратившегося 
в газ углерода при оптимальных условиях к общему углероду. 
Производство электри- 
ческой энергии 
Транспорт  
Коммунально-  
бытовые 
хозяйство 
Установки тер- 
мического 
обез- 
вреживания 
отходов  
Паровые  
турбины   
Газовые  
турбины   
Подача в  
городские  
газовые сети 
Двигатели внутреннего  
сгорания  
транспортных  
средств    
Энергетическое использование биогаза  
Производство 
тепловой 
 энергии 
Котельная  
Сушильные  
установки 

125 
Модель  используется  для  предварительной  оценки  эмиссии  биогаза,  учитывает 
технологию складирования мусора. 
Модель III (―School Canvon‖) для расчета газовой эмиссии [5]. 
Модель описывается следующим уравнением: 
)
(
2
0
kt
kс
e
e
R
L
Q
                                                       (5)  
где 
Q
  -  ежегодное  образование  свалочного  газа  (
3
м
),
0
L
-  потенциальное  количество 
образующегося  метана  из  отходов  (
3
м
/т), 
R
-  среднее  ежегодное  количество  отходов, 
захораниваемых на полигоне (т/год), k – коэффициент образование метана (
3
м
/год). 
Модель IV (―EMCON‖) для расчета газовой продуктивности [5]. 
Модель позволяет оценить максимальный объем метана при разложении массы отходов и 
описывается уравнением: 
i
i
i
i
t
i
E
V
M
P
W
k
k
C
)
1
(
/
,                                           (6)  
где  k  –  постоянный  коэффициент,  учитывающий  эмиссию  метана  при  разложении 
органического углерода (л/кг); 
/
k
 - учитывающий состав вещества; 
i
P
 - фракция компонента i от 
общей массы отходов, по сырому весу; 
i
M
  -  фракционное  содержание  влажности  компонента  i, 
по сухому весу;  
i
E
 
- 
доля  сухого  изменчивого  вещества  компоненте  i,  которые  являются 
биоразлагающимимся 
i
C
- объем метанового газа от компонента отходов i.  
Модель  используется  для  предварительной  оценки  эмиссии  биогаза  при  разложении 
отходов и характеризуется большой погрешностью при проведении расчетов. 
Модель V (АХК им. Памфилова) [6]: 
Эмиссия биогаза оценивается зависимостью: 
4
0
13
59
)
10
1
(
85
,
1
W
G
Q
kt
t
,                                                  (7)  
где 
t
Q
-  удельный  выход  биогаза, 
3
м
/т  отходов  на  момент  времени  t; 
0
G
  -  удельная 
эмиссия биогаза, 
3
м
/т отходов; t – время с момента открытия полигона (годы); W – естественная 
влажность отходов, %. 
Недостатком  модели  является  то,  что  она  не  может  быть  использована  для  отходов, 
имеющих среднюю влажность, что наиболее часто встречается на практике. 
Модель VI (LandCEM), рекомендуемая для инвентаризации выбросов метана на полигонах 
захоронения ТБО [7], представлена в виде зависимости: 
)
1
(
OX
V
L
E
,                                                       (8)  
где 
E
- годовой выброс метана в атмосферу (т/год); 
L
 - потенциал образования метана при 
микробиологическом  разложении  органического  углерода  в  1т  отходов  (т 
/
4
CH
т  ТБО); 
V
- 
скорость  разложения  отходов  (т/год); 
OX
  -  коэффициент  окисления  метана  при  его 
распространении к поверхности полигона. 
Усовершенствованная модель АКХ, рекомендованная для определения эмиссии метана. 
Для  действующего  полигона  скорость  образования  метана  (н
3
м
/год)  определяется  с 
использованием зависимости: 
)
(
)
1
(
2
1
1
2
2
1
0
k
k
e
e
k
k
k
k
M
L
W
V
 
Соответственно, объем образующегося метана составит:  
2
1
1
2
2
1
2
1
0
1
)
1
(
k
k
e
k
k
k
e
k
k
k
M
L
W
Q
,                               (9)  
где 
W
- влажность отходов, поступающих на полигон, доли ед; 
0
L
 - потенциал генерации 
метана  (н
3
м
/т  сухих  отходов),  учитывающий  только  органические  разлагаемые  фракции; 
M
  - 

126 
масса  отходов  на  текущий  год  эксплуатации  полигона; 
1
k
  -  константа  разложения  отходов  в  фазе 
ацетоногенеза; 
2
k
 - константа разложения отходов в фазе метаногенеза; τ – время разложения ТБО.  
Расчет  теоретического  потенциала  энергии,  содержащейся  в  биогазе,  который  может  быть 
получен из ТБО и осадков сточных вод Казахстана может быть выполнен по формуле 
УТ
M
i
М
ТО
БГ
Q
Q
С
М
E
E
3
,    [т.у.т./год]                                             (10)  
где 
3
E
-  удельный  выход  биогаза, 
3
м
/т; 
ТО
М
  -  годовая  масса  твердых  отходов  (ТБО  или 
осадка)  т/год; 
М
С
  -  содержание  метана  в  биогазе,  %; 
M
Q
  и 
УТ
Q
  -  теплота  сгорания  метана  и 
условного топлива, ГДж/
3
м
, можно принть 
M
Q
=0,03584 Гдж/
3
м
 и 
УТ
Q
=29,309 ГДж/т.у.т. 
Расчет технического потенциала биогазовой энергии 
Технически реализуемые ресурсы биогаза, получаемого из навоза различных животных могут 
быть в пересчете на МДж определяется по формуле: 
 
4
1
i
i
i
i
i
yi
БГ
K
П
E
Е
,           [МДж]                                     (11)  
где 
yi
E
 -  удельный годовой выход биогаза из навоза (помета), МДж/тыс.гол; 
i
П
  - поголовье 
скота, тыс.гол/год; 
i
 - коэффициент, учитывающий затраты биогаза на собственные нужды. 
Органическая  часть  ТБО  и  осадки  городских  сточных  вод  под  действием  бактерий 
превращаются в биогаз, выход которого составляет 200-500 
3
м
/т ТБО и 340 
3
м
/т твердой массы при 
содержании  метана  в  биогазе  65%.  Затраты  биогаза  на  собственные  нужды  (подогрев  осадка  до 
температуры 
0
40
30
С) составляет около 60%. 
Расчет  энергии,  содержащейся  в  биогазе,  который  может  быть  получен  из  ТБО  и  осадков 
сточных вод может быть выполнен по формуле 
УТ
M
i
М
ТО
В
БГ
Q
Q
С
М
E
E
01
,
0
,   [т.у.т./год]                                      (12)  
где 
В
E
- удельный выход биогаза
3
м
/т; 
i
 - коэффициент, учитывающий вид исходного материала.  
Выводы  
Обобщены  аналитические  зависимости  определения  теоретического  и  технического 
потенциала энергии биогаза региона. При этом: 
 
предложены формулы определения теоретического потенциала биогаза, получаемого из 
навоза  (помета)  различных  животных  и  птиц,  твердых  бытовых  отходов  и  шлама 
сточных вод;  
 
технический потенциал навоза (помета) равен сумме годового выхода биогаза с учетом 
потери  навоза  при  выгуле  животных,  а  ТБО  и  осадков  сточных вод  с  учетом  годового 
выхода биогаза и содержание метана в биогазе.  
 

жүктеу/скачать 7,95 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: