Что такое анаэробное пищеварение?

Анаэробное сбраживание - это биологический процесс, при котором бактерии расщепляют органический материал на более основные соединения, не требуя кислорода как компонента процесса. Считается, что эти бактерии появились на Земле примерно 3 800 000 000 лет назад и были доминирующей формой жизни на планете до появления растений. Поскольку жизнь растений возникла около 3 200 000 000 лет назад, анаэробное сбраживание продолжалось в естественной среде, где отсутствовал кислород, такой как болота, заболоченные почвы, а также в почве, постоянно покрытой водой, такой как озера и реки. Биологические процессы анаэробного пищеварения требуют, чтобы несколько типов бактерий разлагали органическое вещество в четыре этапа, включая гидролиз, ферментацию, ацетогенез и метаногенез.

По состоянию на 2011 год основным применением анаэробного сбраживания в промышленности человека является производство метана для производства топлива и электроэнергии. Это делается на очистных сооружениях, которые перерабатывают сельскохозяйственные отходы, такие как навоз или муниципальные отходы. Пивоваренная промышленность также использует анаэробное сбраживание для расщепления органических побочных продуктов производства пива на метановое топливо, которое в противном случае пришлось бы утилизировать муниципальными системами очистки сточных вод.

Процесс анаэробного сбраживания в природе также способствует выработке формы возобновляемой энергии, известной как природный газ. Хотя природный газ является ископаемым топливом, он содержит около 80% метана наряду с другими родственными газами, такими как пропан и бутан, и генерируется землей с большей готовностью, чем другие ископаемые виды топлива, такие как нефть. Это ископаемое топливо, которое часто откладывается вместе с другими ископаемыми видами топлива, такими как уголь и нефть.

Промышленные реакторы на биомассе, которые перерабатывают отходы биомассы, такие как навоз, для производства топлива, как правило, производят меньше метана в процентах по объему, чем в природном газе. Типичный выход установленного объема биогаза из варочного котла составляет от 50% до 80% метана со значительным количеством отработанного газа в форме углекислого газа от 20% до 50%. В процессе также образуются другие следовые газы, которые имеют некоторую коммерческую ценность, такие как водород, азот и кислород, а также образуются токсичные газы, которые необходимо безопасно утилизировать, включая сероводород и окись углерода.

Биологические процессы, которые необходимы для эффективного сбраживания отходов, могут быть сложными и основываться на строго контролируемых условиях. Температура является основной проблемой в процессе, поскольку бактерии, которые разрушают отходы, лучше всего размножаются на разных уровнях. Некоторые из бактерий мезофильные, процветают при умеренной температуре 98 ° по Фаренгейту (36,7 ° по Цельсию), а некоторые являются термофильными и развиваются при более высокой оптимальной температуре, равной 130 ° по Фаренгейту (54,4 ° по Цельсию).

Условия должны быть изменены для температуры, pH и других факторов, таких как соотношение воды и твердого вещества в смеси биомассы и соотношение углерод / азот, так как органический материал также химически разлагается. Двумя основными типами бактерий, которые используются в анаэробном пищеварении, являются ацетогенные и метаногенные бактерии, и, хотя они используются в тандеме, каждый из них имеет уникальные условия жизни, в которых они процветают. Ацетогенные бактерии производят химический ацетат во время анаэробного переваривания, а метаногенные бактерии производят метан.

Материал биомассы проходит четыре этапа для эффективного извлечения метана. На стадии гидролиза используется вода для разложения твердых веществ или полутвердых веществ на более простые соединения, а затем используется ферментация или ацидогенез для разложения структур углеводной цепи на более основные соединения, такие как аммиак, водород и органические кислоты. Ацетогенез затем используется в качестве третьей стадии процесса, где ацетогенные бактерии превращают органические кислоты в уксусную кислоту вместе с другими побочными продуктами, такими как водород и диоксид углерода. На заключительном этапе метаногенеза используются метаногенные бактерии для объединения этих первичных конечных продуктов ацетата, водорода и углекислого газа в метан, который затем можно использовать в качестве топлива.