Como o biogás é fermentado?
O processo de fermentação de biogás é, na verdade, o processo de metabolismo e conversão de energia dos micróbios. Durante a decomposição metabólica, os micróbios do biogás obtêm energia e substância para satisfazer seu próprio crescimento e reprodução, enquanto a maioria da substância é convertida em metano e dióxido de carbono. A análise científica mostrou que cerca de 90% da matéria orgânica é convertida em biogás e 10% é usada por micróbios de biogás para seu próprio consumo. A produção de biogás por fermentação é realizada por meio de uma série de reações bioquímicas complexas.
A transformação de matéria orgânica em biogás leva três fases
Quase toda a substância orgânica pode ser degradada anaeróbica para gerar biogás. A transformação de substâncias orgânicas em estado sólido em biogás pode ser dividida em três fases: liqueficação, produção de ácido e produção de metano.
A fase de liquidação. A fase de liquidação, também conhecida como fase de hidrolise, é a fase em que os microorganismos transformam uma substância orgânica em forma sólida insolúvel em água em substância solúvel em água. Muitos micróbios são capazes de secretar uma variedade de enzimas extracelulares, sob o efeito das enzimas extracelulares, a matéria orgânica em forma sólida é hidrolizada em substâncias solúveis de menor peso molecular. Como a celulose, amilase, protease e lipase, por meio da enzimólise in vitro de substâncias orgânicas, hidrólise de poliaçúcares em açúcares simples ou diaçúcares, proteínas decompostas em polipéptidos e aminoácidos, gorduras decompostas em glicerina e ácidos graxos, etc. Essas substâncias solúveis de menor peso molecular podem entrar nas células microbianas para serem decompostas e utilizadas.
Segundo, a fase ácida. Depois de várias substâncias solúveis (monoaçúcares, aminoácidos, ácidos gordos) produzidas na fase de liquidação entrar na célula, continuam a decompor e transformar-se em substâncias de baixa molecularidade, como ácido butílico, ácido propiónico, ácido acético e substâncias orgânicas simples como álcool, cetona e aldeído, sob a ação de várias enzimas intracelulares, como bactérias celulosas, proteínas, bactérias gordas e bactérias frutogelas. Esta fase é principalmente a geração de vários ácidos graxos voláteis, o principal produto é o ácido acético, que representa cerca de 70%, ao mesmo tempo que há parte de hidrogênio, dióxido de carbono, amônia e pequenas quantidades de outros produtos. Portanto, essa fase é chamada de fase ácida.
A fase de licuação e a fase de acidificação é um processo contínuo e cruzado. É em condições anaeróbicas, após a sinergia de vários micróbios, que divide carboidratos, proteínas e gorduras em matérias-primas em compostos simples de pequenas moléculas, ao mesmo tempo que produz dióxido de carbono e hidrogênio. Essas duas fases produzem apenas metano sintético, como ácido acético, ácido butílico, álcool, dióxido de carbono, hidrogênio, etc., não produzem metano e, portanto, também são conhecidas como fases sem metano. A fase não produtora de metano pode ser vista como uma fase de processamento de matérias-primas, ou seja, a transformação de matérias orgânicas complexas em substâncias que podem ser utilizadas por bactérias produtoras de metano para satisfazer as necessidades das bactérias produtoras de metano para atividades vitais. Os micróbios que atuam na fase de não produção de metano são muitos e em grande quantidade e variam muito dependendo das matérias-primas da fermentação. O maior número de bactérias anaeróbicas específicas, 100 a 200 vezes mais do que as bactérias anaeróbicas e as bactérias anaeróbicas combinadas, é o fungo que desempenha o papel principal nesta fase. As bactérias hidrogênicas são uma importante flora de micróbios na fase de metano, e o Instituto de Biologia de Chengdu da Academia de Ciências da China enriqueceu e separou com sucesso diferentes espécies e gêneros de bactérias hidrogênicas do lodo da piscina de biogás.
A terceira fase é a produção de metano. Esta fase é concluída por metanógenos, que transformam compostos de baixa molecularidade produzidos na fase anterior, como ácido acético, ácido fórico, hidrogênio e dióxido de carbono, em metano.
Interação das três fases da fermentação de biogás
No processo de fermentação de biogás, as três etapas são interdependentes e contínuas, ao mesmo tempo em que estão conectadas e mutuamente limitadas. Suas manifestações específicas são: a produção de ácidos voláteis em grande quantidade no início da fermentação, ao mesmo tempo que a concentração de ácidos voláteis aumenta rapidamente, a concentração de nitrogênio amônico aumenta drasticamente. Quando a concentração de nitrogênio amônico atinge o pico, a concentração de ácido volátil diminui, o potencial de redução de oxidação diminui e a produção de gás e o teor de metano no gás aumenta e atinge o pico. Durante algum tempo após a conclusão desta reação em cadeia, o pH, o potencial de redução de oxidação, a produção de gás e o teor de metano permaneceram basicamente estáveis, enquanto as concentrações de ácidos voláteis diminuíram significativamente. Isto explica: durante o processo de fermentação de biogás, vários fatores bioquímicos têm mudanças significativas, eles são mutuamente dependentes e vinculados uns aos outros, a matriz continua a se decompor e o biogás continua a se formar, deixando toda a fermentação em um estado de equilíbrio dinâmico. Mas os micróbios do biogás também são sensíveis às mudanças ambientais, que podem afetar ou até perturbar o equilíbrio. Por exemplo: uma vez que a alimentação é excessiva, a temperatura repentinamente ocorre mais de 2 ° C, o líquido entra em alguma substância tóxica, etc., isso causará mudanças na acidez, na produção de gás e na composição de produção de gás, quebrando o equilíbrio e afetando a produção de gás. No entanto, os micróbios do biogás também têm uma certa capacidade de adaptação ao ambiente, desde que as mudanças nos fatores ambientais não excedam um certo âmbito, mesmo que o equilíbrio seja quebrado é temporário, e depois de um certo tempo de auto-regulação pode alcançar um novo equilíbrio. Essa situação geralmente não requer regulação humana, apenas quando as mudanças de fatores ambientais excedem a capacidade de tolerância dos micróbios, o equilíbrio dinâmico é perturbado de modo que não pode se recuperar por si só, é necessário tomar medidas de regulação humana necessárias.
Relação entre matérias sólidas e fermentação de biogás
No processo de fermentação de biogás, a fase de liquefação é realizada por reações de hidrolise, a maioria dessas reações requer alguma energia. No entanto, na maioria dos casos, a fase de liquefação da fermentação de biogás não fornece energia aos micróbios, o que faz com que a liquefação da matéria orgânica sólida progredir muito lentamente, muitas vezes se tornando o passo limite de velocidade da fermentação de biogás. A rápida e lenta liquefação de matérias sólidas afeta diretamente a velocidade de produção de biogás. O grau de liquefação das substâncias sólidas também tem um impacto direto na produção de gás. A maioria das matérias-primas de fermentação, especialmente uma variedade de matérias-primas de resíduos agrícolas, com alto teor de substâncias sólidas, poucos componentes solúveis, algumas camadas de superfície também têm cera, portanto, na produção deve ser usado o método de pré-tratamento de resíduos agrícolas para acelerar a fase de liquidação e melhorar o grau de liquidação, de modo a acelerar relativamente a velocidade de fermentação e aumentar a produção de biogás. O pré-tratamento de resíduos agrícolas pode ser realizado por meio de trituração e empilhamento.
É claro que algumas matérias-primas de fermentação, como resíduos de álcool, resíduos de ácidos graxos sintéticos, resíduos de produtos de soja, etc., contêm mais substâncias orgânicas solúveis, antes da fermentação da piscina, a fase de liquidação foi concluída, a velocidade da fermentação é muito rápida, o período de retenção pode ser reduzido para dezenas de horas ou horas, portanto, não é necessário pré-tratamento.