Отбор пробы из ферментера. На основе результатов лабораторного анализа можно быстро распознать возможные биологические проблемы.

На полную мощность

Отбор пробы из ферментера. На основе результатов лабораторного анализа можно быстро распознать возможные биологические проблемы.

Редакция НСХ

Редакция журнала «Новое сельское хозяйство»

Поделитьтся

Доход фер­ме­ра может напря­мую зави­сеть от того, насколь­ко ста­биль­но и про­из­во­ди­тель­но рабо­та­ет его био­га­зо­вая уста­нов­ка. Если выход газа пада­ет, нуж­но при­ни­мать меры.

Производство биогаза

Немец­кий фер­мер Йохен Леб­бин (фами­лия глав­но­го героя изме­не­на), хозяй­ство кото­ро­го рас­по­ло­же­но в феде­раль­ной зем­ле Мек­лен­бург – Перед­няя Поме­ра­ния, шесть лет назад постро­ил две био­га­зо­вые стан­ции элек­три­че­ской мощ­но­стью 526 кВт и с тех пор успеш­но их экс­плу­а­ти­ро­вал. Про­блем с мощ­но­стью стан­ций нико­гда не было. Но вот одна­жды выход био­га­за стал падать, что про­дол­жа­лось несколь­ко недель под­ряд. Что пред­при­нять? В послед­ний раз в фер­мен­тер загру­жа­ли попе­ре­мен­но днев­ную пор­цию куку­руз­но­го сило­са и сви­ной навоз­ной жижи. Посколь­ку выход газа про­дол­жал падать, «кор­мить» фер­мен­тер при­хо­ди­лось все боль­ше. Но без­ре­зуль­тат­но. При этом доля мета­на в био­га­зе тоже ста­ла падать, что не мог­ло не ска­зать­ся на электричес­кой мощ­но­сти. Тогда Леб­бин отпра­вил про­бы суб­стра­та на ана­лиз в лабо­ра­то­рию, где выяс­ни­лось, что кис­лот­ность «кор­ма» была слиш­ком высо­кой. Поре­ко­мен­до­ва­ли добав­лять в фер­мен­тер известь. Но и это не повы­си­ло выход газа.

Утром газ – вечером деньги

Оче­вид­но, что каж­дый день непро­из­во­ди­тель­ной рабо­ты – это упу­щен­ная при­быль (око­ло 720 евро / день). Поэто­му, недол­го думая, Йохен Леб­бин решил обра­тить­ся за кон­суль­та­ци­ей в Уни­вер­си­тет г. Росто­ка. На сель­ско­хо­зяй­ствен­ном факуль­те­те он позна­ко­мил­ся с моло­дым уче­ным Йоргом­ Бург­шта­ле­ром, кото­рый несколь­ко лет посвя­тил изу­че­нию био­га­зо­вых уста­но­вок. По сло­вам уче­но­го подоб­ные про­бле­мы с про­из­вод­ством био­га­за доволь­но рас­про­стра­не­ны: почти на каж­дой вто­рой уста­нов­ке воз­ни­ка­ют труд­но­сти, свя­зан­ные с био­ло­ги­че­ски­ми осо­бен­но­стя­ми про­цес­са, что часто ведет к под­кис­ле­нию сре­ды в фер­мен­те­ре. При­чин тому быва­ет мно­же­ство: слиш­ком боль­шая загруз­ка емкос­ти, изме­не­ние пара­мет­ров «раци­о­на», раз­лич­ное каче­ство суб­стра­та, частая его сме­на, коле­ба­ния тем­пе­ра­ту­ры внут­ри фер­мен­те­ра, нехват­ка мик­ро­эле­мен­тов, остат­ки дез­ин­фи­ци­ру­ю­щих средств в навоз­ной жиже и т. д. А резуль­тат все­гда один и тот же: про­цесс бро­же­ния орга­ни­че­ских веществ очень чув­стви­те­лен к воз­дей­ствию перечис­ленных раз­но­об­раз­ных фак­то­ров – выход био­га­за и его каче­ство сни­жа­ют­ся. Выра­бот­ка мета­на сокра­ща­ет­ся, а газо­вая смесь поми­мо серо­во­до­ро­да содер­жит так­же амми­ак и весе­ля­щий газ. Сле­ды этих эле­мен­тов явля­ют­ся источ­ни­ком вред­ных выбро­сов, при­чи­ня­ют ущерб элек­троб­ло­ку и ухуд­ша­ют ситу­а­цию с газо­об­раз­ны­ми отхо­да­ми. Кро­ме того, низ­кая про­из­во­ди­тель­ность при­во­дит к денеж­ным поте­рям.

Слишком частая смена «корма»

«Резуль­та­ты лабо­ра­тор­но­го ана­ли­за – это хоро­шо, но точ­ную кар­ти­ну про­ис­хо­дя­ще­го мож­но оце­нить толь­ко на месте», – сказал­ Й. Бург­шта­лер и выехал с инспек­ци­ей на фер­му. Из жур­на­ла уче­та сле­до­ва­ло, что загруз­ка фер­мен­те­ра в раз­ные дни была неоди­на­ко­вой. Это мог­ло быть семь тонн куку­рузного сило­са – в один день и 22 тон­ны – на сле­ду­ю­щий, а вре­ме­на­ми суточ­ная пор­ция сило­са и вовсе дохо­ди­ла до 32 тонн. К тому же содер­жа­ние сухо­го веще­ства в сило­се варьи­ро­ва­лось от 24 до 45 %. Дело в том, что сухой силос обра­зу­ет внут­ри фермен­тера затвер­де­ва­ю­щий слой, кото­рый при­хо­дит­ся раз­ма­чи­вать добав­ле­ни­ем воды. Воз­мож­но, это и яви­лось при­чи­ной под­кис­ле­ния сре­ды в фер­мен­те­ре. Бак­те­рии, участ­ву­ю­щие в про­цес­се бро­же­ния, чув­стви­тель­ны к рез­ко­му изме­не­нию усло­вий сво­е­го суще­ство­ва­ния. Поэто­му пада­ют как выход био­га­за, так и содер­жа­ние в нем мета­на. Одно­вре­мен­но с этим в жид­ко­сти скап­ли­ва­ют­ся лету­чие жир­ные кис­ло­ты, кото­рые в про­цес­се раз­ло­же­ния суб­стра­та пред­ше­ству­ют обра­зо­ва­нию мета­на. Эти кис­ло­ты умень­ша­ют воз­мож­но­сти естес­твенной защи­ты содер­жи­мо­го фер­мен­те­ра от воз­дей­ствия кис­лой сре­ды – так назы­ва­е­мую буфер­ную емкость рас­тво­ра, обо­зна­ча­е­мую в лабо­ра­то­рии пока­за­те­лем FOS / TAC, т. е. отно­ше­ни­ем лету­чих орга­ни­че­ских кис­лот (FOS) к буфер­ной емко­сти гид­ро­кар­бо­на­тов (TAC). Если дан­ный пока­затель пре­вы­ша­ет отмет­ку 0,8, про­цесс газо­об­ра­зо­ва­ния идет неста­биль­но. Соглас­но резуль­та­ту лабо­ра­тор­но­го ана­ли­за в слу­чае Леб­би­на выше­указанная вели­чи­на была рав­на 1,5, что озна­ча­ет силь­ное под­кис­ле­ние субстра­та.

А поче­му не помог­ло добав­ле­ние извес­ти? Ока­зы­ва­ет­ся, эта добав­ка ведет себя ковар­но. Часто известь вооб­ще не рас­тво­ря­ет­ся в фер­мен­те­ре или рас­тво­ря­ет­ся очень сла­бо. Если же она рас­тво­ря­ет­ся, буфер­ная спо­соб­ность субстра­та и его кис­лот­ность воз­рас­та­ют слиш­ком быст­ро, что пло­хо вли­я­ет на метан­обра­зу­ю­щие бак­те­рии. Кроме­ того, известь может свя­зы­вать хими­че­ские эле­мен­ты, кото­рые оста­ют­ся в виде сле­дов, а излиш­нее коли­че­ство каль­ция пре­пят­ству­ет нор­маль­но­му ходу био­ло­ги­че­ских про­цес­сов.

Слишком кисло

Несмот­ря на добав­ле­ние изве­сти суб­страт оста­ет­ся кис­лым. Об этом сви­де­тель­ству­ет и невы­со­кий (на уровне 40 – 44 %) выход газа. Что­бы уста­но­вить исти­ну, еще раз ото­бра­ли про­бы суб­стра­та и про­ве­ли иссле­до­ва­ние сра­зу в трех раз­лич­ных местах, вклю­чая уни­вер­си­тет­скую лабо­ра­то­рию. Как пока­за­ли резуль­та­ты ана­ли­за, пока­за­тель FOS / TAC намно­го пре­вы­сил 1,5. Несмот­ря на добав­ление изве­сти суб­страт в фермен­тере по‑прежнему оста­вал­ся слиш­ком кис­лым, имел невы­со­кую буфер­ную спо­соб­ность. Виной тому ста­ли «пере­бор» с сило­сом и добав­ле­ние воды. Если бы Й. Леб­бин вме­сто воды добав­лял так назы­ва­е­мый рецир­ку­лят, т. е. отхо­ды бро­же­ния, кото­рые обла­да­ют хоро­ши­ми буфер­ными свой­ства­ми, про­из­во­ди­тель­ность фер­мен­те­ра не упа­ла бы столь силь­но. При добав­ле­нии боль­шо­го коли­че­ства воды суб­страт стал более жид­ким, но в то же вре­мя утра­тил свои буфер­ные возмож­ности, кото­рые и так были неве­ли­ки из‑за излиш­ка сило­са.

«Все потому, что кто-то слишком много ест»

Это утвер­жде­ние спра­вед­ли­во и по отно­ше­нию к био­га­зо­вым уста­нов­кам. В боль­шин­стве слу­ча­ев тре­бу­ет­ся не менее 60 дней для повтор­но­го воз­об­нов­ле­ния про­цес­са бро­же­ния, так как уста­нов­ку запус­кают фак­ти­че­ски зано­во. Почти поло­вина это­го вре­ме­ни потре­бо­ва­лась наше­му фер­ме­ру на выпол­не­ние тех сроч­ных меро­приятий по оздо­ров­ле­нию про­цес­са, кото­рые «про­пи­сал» Й. Бург­шта­лер. Вме­сто извес­ти уче­ный поре­ко­мен­до­вал добав­лять в фер­мен­тер широ­ко исполь­зу­е­мый в живот­но­вод­стве гид­ро­кар­бо­нат натрия, обла­да­ю­щий хоро­шей буфер­но­стью. Он хоро­шо рас­тво­рим, мед­лен­но ней­тра­ли­зу­ет кис­лоты фер­мен­те­ра и повы­ша­ет буфер­ную спо­соб­ность рас­тво­ров. Бла­го­да­ря это­му для сбра­жи­ва­ю­щих мик­ро­ор­га­низ­мов оста­ет­ся доста­точ­но вре­ме­ни, что­бы при­вык­нуть к новым усло­ви­ям.

Изу­че­ни­ем свойств раз­лич­ных буфер­ных веществ Й. Бург­шта­лер зани­ма­ет­ся дав­но,­ поль­зу­ясь для сво­их экс­пе­ри­мен­тов малень­кой опыт­ной уста­нов­кой объ­е­мом 12 лит­ров, кото­рая, одна­ко, функ­ци­о­ни­ру­ет ров­но таким же обра­зом, как и био­газовые стан­ции про­мыш­лен­но­го мас­шта­ба. Ради экс­пе­ри­мен­та Й. Бург­шта­лер точ­но так же, как фер­мер, «пере­кор­мил» лабо­ра­тор­ную уста­нов­ку куку­руз­ным сило­сом и про­пи­сал ей в виде «лече­ния» опре­де­лен­ную дозу гид­ро­кар­бо­на­та натрия, кото­рую рас­счи­тал опыт­ным путем. Доза име­ет зна­че­ние, посколь­ку слиш­ком высо­кая буфер­ная спо­соб­ность нега­тив­но отра­жа­ет­ся на процес­се бро­же­ния. Экс­пе­ри­мент пока­зал, что толь­ко через 30 дней лабо­раторная уста­нов­ка смог­ла вер­нуть­ся к нор­маль­но­му режи­му рабо­ты, уве­ли­чив суточ­ную про­из­во­ди­тель­ность на 1,8 %. Й. Бург­шта­лер выяс­нил, что раз­лич­ные груп­пы мик­ро­ор­га­низ­мов, участ­ву­ю­щие в про­цес­се бро­же­ния, спо­соб­ны луч­ше исполь­зовать суб­страт с добав­кой гид­ро­кар­бо­на­та натрия вме­сто рецир­ку­ля­та. Об этом сви­де­тель­ству­ет низ­кое коли­чество оста­точ­но­го газа.

Точность расчета

Эти зна­ния ока­за­лись необ­хо­ди­мы на прак­тике. Суб­страт в фер­мен­те­ре дол­жен иметь ста­биль­ную буфер­ную емкость. На осно­ва­нии лабо­ра­тор­ных дан­ных мож­но рас­счи­тать, какое коли­че­ство гид­ро­кар­бо­на­та натрия потре­бу­ет­ся в усло­ви­ях реаль­но­го про­из­вод­ства. Общая доза гид­ро­кар­бо­на­та делит­ся на несколь­ко пор­ций, что­бы повы­шать буфер­ность суб­стра­та мед­лен­но. В каче­стве неот­лож­ной меры Й. Бург­шта­лер поре­ко­мен­до­вал загру­зить в фер­мен­тер пять тонн этой добав­ки, пере­ме­шан­ной с неболь­шим коли­че­ством сило­са. Через неко­то­рое вре­мя кис­лот­ность суб­стра­та сни­зи­лась, а зна­че­ние FOS / TAC оста­но­ви­лось на отмет­ке 0,36.

Лабораторная биогазовая установка. В биогазовой лаборатории Университета г. Росток проводят различные исследования, включая опыты по сбраживаемости субстрата и определению уровня его кислотности.

Лабо­ра­тор­ная био­га­зо­вая уста­нов­ка. В био­га­зо­вой лабо­ра­то­рии Уни­вер­си­те­та г. Росток про­во­дят раз­лич­ные иссле­до­ва­ния, вклю­чая опы­ты по сбра­жи­ва­е­мо­сти суб­стра­та и опре­де­ле­нию уров­ня его кис­лот­но­сти.

Больше и лучше

Уже через две неде­ли фер­мен­тер сно­ва был готов «про­гло­тить» 25 тонн куку­руз­но­го сило­са и 20 тонн навоз­ной жижи. Теперь, после кон­суль­та­ции со спе­ци­а­ли­ста­ми, Й. Леб­бин исполь­зу­ет боль­шие объ­е­мы куку­рузного сило­са; при этом качест­венные харак­те­ри­сти­ки сило­са могут отли­чать­ся. Для ста­би­ли­за­ции про­цес­са бро­же­ния три­жды в тече­ние 60 дней Й. Леб­бин добав­лял в фер­мен­тер по две тон­ны гид­ро­кар­бо­на­та натрия. Для даль­ней­ше­го роста про­из­во­ди­тель­но­сти (не забы­вая о пре­дель­но допус­тимом уровне буфер­ной емко­сти) Й. Бург­шталер посо­ве­то­вал фер­ме­ру еже­днев­но в тече­ние после­ду­ю­щих 48 дней добав­лять в суб­страт еще 125 кг гид­ро­кар­бо­на­та.

В такой пери­од «выздо­ров­ле­ния» необ­хо­дим регу­ляр­ный кон­троль пока­за­те­ля FOS / TAC, кото­рый в дан­ный момент нахо­дит­ся в над­ле­жа­щем диа­па­зоне  – от 0,28 до 0,37. Каче­ство био­га­за повы­ша­лось до того момен­та, пока уста­нов­ка не зара­бо­та­ла на пол­ную мощ­ность. Рань­ше про­бы суб­стра­та Леб­бин отправ­лял в лабо­ра­то­рию раз в две-три неде­ли, но хоте­лось бы делать это чаще, что­бы быст­рее рас­по­знать воз­мож­ные про­бле­мы в био­ло­гии про­цес­са. После того как Й. Леб­бин начал добав­лять гид­ро­кар­бо­нат натрия каж­дый день, про­из­во­ди­тель­ность по био­газу росла­ на 2 % еже­днев­но несмот­ря на коле­бания в каче­стве и коли­че­стве сило­са. Теперь­ оста­лось про­счи­тать, сто­ит ли игра свеч, если вно­сить гид­ро­кар­бо­нат чаще, что­бы еще повы­сить про­из­во­ди­тель­ность пол­но­стью загру­жен­ной и ста­биль­но рабо­та­ю­щей уста­нов­ки.

Мате­ри­ал: Д-р Йорг Бург­шта­лер, Уни­вер­си­тет г. Росток, ФРГ

Читайте также