ВПЛИВ ПРОЦЕСУ УТВОРЕННЯ БІОГАЗУ НА об’єм ЙОГО ВИХОДУ

Об’єм продуктів метанового бродіння та їх співвідношення тісно залежать від хімізму розпаду субстрату. Відомі різні підходи до розрахунку кількості утвореного метану, але більшість з них не враховують біохімізм процесу, а ґрунтуються лише на основі хімічної будови речовини.

Відновлення діоксиду вуглецю потребує 4 пари активного водню і є одиним із основних шляхів утворення метану. Таким чином, теорії, що стосуються хімічного розкладання субстрату у процесі метанового бродіння повинні давати відповідь на питання про те, якими є потенційні можливості мобілізації активного водню метаноутворуючими бактеріями при зброджуванні того чи іншого субстрату. Таким чином, лише чітке уявлення про хімізм розпаду кожного окремого компоненту в анаеробних умовах може дати відповідь на це питання. Але для цього потрібне розуміння фізіології харчування метаноутворюючих бактерій. Відповідь на ці питання дає теорія, яка об’єднує уявлення про хімізм розпаду органічних речовин в анаеробних умовах під впливом метаноутворюючих бактерій і механізм утворення метану.

Ацетил-КоА – універсальний проміжний продукт утворення метану, що утворюється, у більшості випадків, з піровиноградної кислоти. Механізм конструктивного обміну при цьому той же, що і в аеробних умовах, але енергетика анаеробного процесу інша. При взаємодії ацетил-КоА з водою утворюється продукт реакції – метан і діоксин вуглецю. У процесі метаногенезу функцію перенесення водню виконує АТФ. Негативний вплив на процес утворення метану спричиняє підвищення окислювально-відновного потенціалу, що проявляється шляхом утворення оцтової кислоти і у підсумку призводить до зменшення виходу метану. Вирішальний вплив на співвідношення діоксину вуглецю та метану визначає хімічний склад зароджуваного субстрату.

Використовуючи данні закономірності утворення метану та інших продуктів анаеробного бродіння можливо розрахувати співвідношення кінцевих речовин зброджування.

При зброджуванні вуглеводів біогаз утворюється в результаті протікання 3 стадій. На першій стадії глюкоза розщеплюється на дві молекули піровиноградної кислоти. На другій – утворюється по 2 молекули ацетил-КоА з кожної молекули піровиноградної кислоти. На третій стадії ацетил-КоА перетворюється в 2 метильні групи та 2 молекули діоксину вуглецю. Метильні групи перетворюються в метан за участю переносників. З двох молекул СО₂ одна молекула перетворюється в метан. Теоретично, в результаті бродіння глюкози повинно утворюватись 50% СН₄ і 50% CO₂. Але слід враховувати, що частина діоксину вуглецю (10%) поглинається культуральною рідиною і знаходиться там у зв’язаному стані. Практика показує, що в результаті зброджування вуглеводів співвідношення CH₄: СO₂ становить в середньому 65% : 35% що узгоджується із запропонованим методом теоретичного розрахунку.

В процесі зброджування жирів головну роль в процесі утворення метану відіграють жирні кислоти. Окислення кожного зв'язку призводить до утворення 75% метану і 25% діоксиду вуглецю. Як показує практика вміст метану може досягати 86% і більше. Слід зазначити, що метаногенез жирів дає найбільшу кількість метану, але також слід враховувати, що жири погано зброджуються метаноутворюючими бактеріями.

Матаногенез амінокислот досі недостатньо вивчений. За результатами досліджень та наявними літературними даними можна зробити припущення, що більшість амінокислот перетворюються в біогаз через ацетил-КоА. Припустимо, що в анаеробних умовах перетворення проміжних продуктів анаеробного зброджування йде у бік утворення ацетил-КоА з усіх амінокислот, що підтвердить універсальність запропонованого механізму утворення метану з органічних речовин.

В процесі анаеробного бродіння гліцерину утворюється одна відновлена дегідрогеназа яка може перетворити 0,25 моль діоксину вуглецю в 1,26-1,75 моль метану. В даному випадку співвідношення СН₄: С0₂ матиме наступний вигляд – 42: 58. Із цього слідує, що з гліцину утворюється метану трохи більше 40%.

Шляхом зброджування аланіну утворюється дві молекули відновленої дегідрогенази, які потім дають 0,5 моль метану з діоксином вуглецю. В результаті метаногенезу аланіну утворюється 1,5 моль метану і 0,5 моль діоксину вуглецю. Для даного виду субстрату справедливе співвідношення СН₄ : CO₂ = 75:25. Що стосується інших амінокислот, то їх перетворення протікають за тими ж закономірностями, що і перетворення аланіну і вихід продуктів реакції знаходяться у тих же межах співвідношення, але вихід метану може дещо відрізнятись, як, наприклад, у випадку серину. Його збродження дає дещо меншу кількість метану.

Дослідження підтверджують теоретичні розрахунки і показують, що в результаті анаеробного бродіння амінокислот певна кількість діоксину вуглецю розчиняється в середовищі зброджування і процентний вміст виходу метану підвищується до 70%.

Дані з літературних та дослідницьких джерел свідчать про те, що проміжним продуктом метанового бродіння є ацетил-КоА, який при відновленні трансформується у метан та діоксин вуглецю у різних співвідношеннях залежно від природи зброджуваного субстрату. В свою чергу, повне або часткове відновлення діоксину вуглецю у метан тісно пов’язане з кількістю відновлених дегідрогеназ.

Проведені теоретичні розрахунки біохімічного утворення метану цілком узгоджуються з проведеними практичними дослідженнями.