biotechnologia


 
 

Fermentacja metanowa

Fermentacja metanowa to proces mikrobiologiczny, w którym złożone substancje organiczne przekształcane są w metan i dwutlenek węgla. Przebiega on w warunkach beztlenowych, w ekosystemach naturalnych oraz tych sztucznie stworzonych przez człowieka. Jest to proces wielofazowy i przebiega w czterech etapach:


Rys.1. Przebieg procesu beztlenowej degradacji

1. Hydroliza – rozkład polimerycznych, nierozpuszczalnych związków organicznych (białka, tłuszcze, węglowodany) do prostych związków, rozpuszczalnych w wodzie (monocukry, aminokwasy i kwasy tłuszczowe) przy udziale enzymów (amylazy, proteazy, lipazy) wytwarzanych przez bakterie hydrolityczne.
2. Acidogeneza (kwasogeneza) – rozkład zhydrolizowanych substancji do substancji prostszych przez bakterie beztlenowe. Jako produkty tego etapu powstają: krótkołańcuchowe kwasy organiczne (mrówkowy, octowy, propionowy, masłowy, walerianowy, hekasnowy), alkohole (metanol, etanol), aldehydy, ketony oraz dwutlenek węgla i wodór. Część z nich stanowi źródło węgla i energii dla bakterii octanogennych.
3. Octanogeneza – przemiana kwasów organicznych i alkoholi do kwasu octowego, dwutlenku węgla i wodoru. W procesie tym biorą udział bakterie nieselektywne,
tj. redukujące jon siarczanowy do H2S oraz utleniające wodór do H2O. 4. Metanogeneza – tworzenie metanu z kwasu octowego lub dwutlenku węgla i wodoru przy udziale bakterii metanogennych. Sumaryczne reakcje procesu metanogenezy z różnych substratów:

CH3COOH → CH4 + CO2

4HCOOH→ CH4 + 3CO2 + 2H2O

4CH3OH→ 3CH4 +CO2 + 2H2O

Bakterie fermentacji metanowej
W procesie przekształcania związków organicznych w gaz fermentacyjny biorą udział trzy grupy mikroorganizmów:
1. bakterie prowadzące dwa pierwsze etapy procesu to bakterie hydrolizujące związki organiczne. Dominują tu obligatoryjne (Bacillus, Pseudomonas, Clostridium, Bifidobacterium) oraz fakultatywne (Streptococcus, Enterobacterium) beztlenowce. Niektóre z nich mogą być bezwzględnymi beztlenowcami (Aerobacter, Lacobacillus, Micrococcus czy Flavobacterium). Optymalne warunki dla tych mikroorganizmów to pH ok. 6 oraz temp. ok. 30°C.
2. bakterie octanowe – odpowiadające za produkcję octanów. Dzielmy je na dwie grupy:
syntroficzne – hydrolizujące, wykorzystują jako źródło węgla i energii kwasy tłuszczowe, organiczne, alkohole, aldehydy i ketony, żyją w symbiozie z bakteriami metanogennymi
homooctanowe – syntetyzują octany z dwutlenku węgla i wodoru (Syntrophomonas wolfei, S. wolinii)
3. bakterie metanogenne – należą do bezwzględnych beztlenowców. W przypadku pojawienia się tlenu już w stężeniu 0,01 mg/dm3 są one inhibitowane, wzrasta stężenie kwasów organicznych i obniża się pH środowiska. Morfologicznie są bardzo zróżnicowane i wyspecjalizowane do wykorzystywania określonych substratów. Można podzielić je na dwie grupy: konsumentów kwasu octowego oraz dwutlenku węgla i wodoru. Nieliczne z nich zdolne są do przyswajania octanów (Methanosarcina spp. i Methanosaeta spp.), nie wykorzystują zaś mrówczanów. Bakterie te występują w postaci pałeczek (Methanobacterium), spirali (Methanospirillum) czy ziarniaków (Methanococcus). Optimum temperaturowe procesu metanogenezy wynosi 35-45°C, zaś pH – 7.


Zastosowanie fermentacji
Fermentacja jako biologiczny proces rozkładu substancji organicznych prowadzi do stabilizacji osadów ściekowych. Głównym jej celem jest przemiana hydrofilowego, mocno uwodnionego, cuchnącego, o dużej lepkości i niebezpiecznego pod względem sanitarnym osadu ściekowego w łatwo odwadniający się, o małej lepkości, ziemisty osad.
Praktyczne zastosowanie fermentacji metanowej wynika z jej następujących właściwości:
• całkowitej degradacji z wytworzeniem metanu, dwutlenku węgla i wodoru ulega cała gama związków organicznych
• powstający produkt, czyli biogaz zawiera 50-80% metanu, który może być wykorzystywany jako źródło energii
• proces może być prowadzony na szeroką skalę przemysłową, jak również w warunkach domowych w gospodarstwach wiejskich
• spośród dostępnych przemysłowych metod rozkładu zanieczyszczeń jest najmniej uciążliwy dla środowiska ze względu na ilość produkowanej biomasy jako odpadu

Obecnie fermentacja stosowana jest w czterech głównych sektorach przerobu odpadów:
1. osadów powstających podczas aerobowego oczyszczania ścieków miejskich
2. odpadów rolnych (gnojowicy)
3. ścieków z przemysłu fermentacyjnego, spożywczego, z biomasy
4. przerobu organicznej frakcji stałych odpadów komunalnych


Biogaz
W wyniku degradacji związków organicznych zawartych w ściekach powstaje biogaz. Jego skład zależy od rodzaju substancji ulegających rozkładowi, zaś ilość od ładunku ChZT mineralizowanych związków, temperatury procesu oraz czasu przetrzymywania substratów w komorze. Głównym składnikiem biogazu jest metan z domieszką dwutlenku węgla i wodoru. Do oceny prawidłowego przebiegu procesu stosuje się pomiar ilości wytwarzanego biogazu. Spadek jego produkcji poniżej 20% średniej wartości w ciągu doby świadczy o inhibicji procesu. Przy fermentacji węglowodanów metan i dwutlenek węgla pozostają w stosunku objętościowym 1:1, białek, aminokwasów i tłuszczów – 7:3.


Zalety i wady produkcji energii z biogazu
Zalety:
• wytwarzanie energii odnawialnej, przyjaznej dla środowiska
• mały wpływ na efekt cieplarniany dwutlenku węgla powstającego ze spalania biogazu
• zdecentralizowana jej produkcja nie wymaga budowy linii transmisyjnych, brak strat związanych z jej przesyłaniem
Wady:
• konieczność ciągłego monitorowania warunków procesu
• nakłady inwestycyjne na budowę zbiorników, fermentorów, zakup silnika, prądnicy czy aparatury kontrolnej

Najbardziej racjonalnym zastosowaniem odpadów przemysłu rolno – spożywczego oraz rolniczych jest przetworzenie ich na drodze fermentacji metanowej. W coraz większej ilości krajów powstają programy rządowe wspierające budowę biogazowni i przetwarzanie biogazu w energię elektryczną. Przewiduje się, że dzięki temu zmniejszy się zanieczyszczenie środowiska naturalnego, jak również zwiększy bilans energetyczny kraju.


Autor: Karolina Podsiadły


Literatura:
1. Curkowski A., Mroczkowski P., Oniszk-Popławska A., Wiśniewski G.: Biogaz rolniczy – produkcja i wykorzystanie. Mazowiecka Agencja Informacyjna Sp. z o.o. Warszawa 2009
2. Jędrczak A.: Biologiczne przetwarzanie odpadów. Wydawnictwo Naukowe PWN 2008
3. Ledakowicz S., Krzystek L.: Wykorzystanie fermentacji metanowej w utylizacji odpadów przemysłu rolno – spożywczego. Biotechnologia 2005, 3(70), 165-183
4. Magrel L.: Metodyka oceny efektywności procesu fermentacji metanowej wybranych osadów ściekowych. Rozprawy Naukowe nr 93, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, 2003


Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

221 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 

Facebook

Gadżety

Sklep e-biotechnologia.pl
Tematyczne kubki, koszulki, bluzy etc.


Zapraszamy do sklepu

Na skróty

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Narodowe Centrum Nauki Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Ośrodek Przetwarzania Informacji PAP - Nauka w Polsce Forum Akademickie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej Wirtualna Biblioteka Nauki Scopus NCBI PubMed Nature Science Cell

 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u