Co to jest trawienie beztlenowe?

Trawienie beztlenowe jest procesem biologicznym, w którym bakterie rozkładają materiał organiczny na bardziej podstawowe związki, nie wymagając tlenu jako składnika procesu. Uważa się, że bakterie te pojawiły się na Ziemi około 3 800 000 000 lat temu i były dominującą formą życia na planecie przed pojawieniem się roślin. Gdy życie roślin powstało około 3 200 000 000 lat temu, fermentacja beztlenowa trwała w naturalnych środowiskach, w których nie było tlenu, takich jak bagna, podmokłe gleby oraz w glebie stale pokrytej wodą, taką jak jeziora i rzeki. Biologiczne procesy trawienia beztlenowego wymagają, aby kilka rodzajów bakterii rozkładało materię organiczną w szeregu czterech etapów, w tym hydrolizy, fermentacji, acetogenezy i metanogenezy.

Od 2011 r. Głównym zastosowaniem fermentacji beztlenowej przez przemysł ludzki jest produkcja metanu do produkcji paliwa i energii elektrycznej. Odbywa się to w zakładach przetwarzania odpadów, które przetwarzają odpady rolnicze, takie jak obornik lub odpady komunalne. Przemysł piwowarski opiera się również na fermentacji beztlenowej w celu rozbicia organicznych produktów ubocznych produkcji piwa na paliwo metanowe, które w innym przypadku musiałyby być usuwane przez miejskie systemy oczyszczania ścieków.

Proces fermentacji beztlenowej w przyrodzie ma również zasadnicze znaczenie w wytwarzaniu formy energii odnawialnej znanej jako gaz ziemny. Chociaż gaz ziemny jest paliwem kopalnym, składa się z około 80% metanu wraz z innymi powiązanymi gazami, takimi jak propan i butan, i jest łatwiej wytwarzany przez ziemię niż inne paliwa kopalne, takie jak ropa naftowa. Jest to paliwo kopalne, które często osadza się obok innych paliw kopalnych, takich jak węgiel i ropa naftowa.

Przemysłowe reaktory na biomasę, które przetwarzają odpady z biomasy, takie jak obornik, w celu wytworzenia paliwa, generalnie wytwarzają mniej metanu gazu w procentach objętościowych niż zawartość gazu ziemnego. Typowa wydajność ustalonej objętości biogazu z komory fermentacyjnej wynosi od 50% do 80% metanu ze znaczną ilością gazu odlotowego w postaci dwutlenku węgla w ilości od 20% do 50%. W procesie tym wytwarzane są również inne gazy śladowe, które mają pewną wartość handlową, taką jak wodór, azot i tlen, i wytwarzane są również toksyczne gazy, które należy bezpiecznie usuwać, w tym siarkowodór i tlenek węgla.

Procesy biologiczne niezbędne do skutecznego rozkładu odpadów mogą być złożone i opierać się na ściśle kontrolowanych warunkach. Temperatura jest głównym problemem w tym procesie, ponieważ bakterie rozkładające odpady najlepiej rozwijają się na różnych poziomach. Niektóre bakterie są mezofilne, kwitną w umiarkowanej temperaturze 98 ° Fahrenheita (36,7 ° Celsjusza), a niektóre są ciepłolubne i rozwijają się w wyższej optymalnej temperaturze 130 ° Fahrenheita (54,4 ° Celsjusza).

Warunki muszą zostać zmienione pod względem temperatury, pH i innych czynników, takich jak stosunek wody do substancji stałych mieszanki biomasy i stosunek węgiel / azot, ponieważ materiał organiczny również ulega degradacji chemicznej. Dwoma głównymi rodzajami bakterii wykorzystywanymi w trawieniu beztlenowym są bakterie acetogenne i metanogenne, i chociaż są stosowane w tandemie, każda z nich ma wyjątkowe warunki życia, w których dobrze się rozwijają. Bakterie acetogenne wytwarzają octan chemiczny podczas fermentacji beztlenowej, a bakterie metanogenne wytwarzają metan.

Materiał na biomasę przechodzi przez cztery etapy w celu skutecznego odzyskiwania metanu. Etap hydrolizy wykorzystuje wodę do rozkładu ciał stałych lub półstałych na prostsze związki, a następnie fermentację lub kwasogenezę stosuje się do rozbicia struktur łańcuchów węglowodanowych na bardziej podstawowe związki, takie jak amoniak, wodór i kwasy organiczne. Acetogeneza jest następnie stosowana jako trzeci etap procesu, w którym bakterie acetogenne przekształcają kwasy organiczne w kwas octowy wraz z innymi produktami ubocznymi, takimi jak wodór i dwutlenek węgla. Ostatni etap metanogenezy wykorzystuje bakterie metanogenne do łączenia tych pierwotnych produktów końcowych octanu, wodoru i dwutlenku węgla w metan, który można następnie wykorzystać jako paliwo.