(12) 

     Таким образом, акцепторами электронов (а  в ряде случаев и донорами, и  акцепторами) у метанобразующих  бактерий является ряд одноуглеродных соединений (CO₂, CO, формиат, метанол, метилированные амины) и единственное двухуглеродное соединение — ацетат.

     Механизм  энергетических процессов метаногенов  еще не расшифрован, но общие принципиальные положения установлены. Ясно, что  получение энергии, при окислении H₂, сопряженном с восстановлением CO₂, связано с функционированием электронтранспортной системы, включающей дегидрогеназы, переносчики электронов и редуктазы, т. е. определенным видом анаэробного дыхания.

     Перенос электронов приводит к образованию  трансмембранного протонного градиента, разрядка которого с помощью мембранной АТФ-синтазы сопровождается синтезом АТФ. Доказательством получения  метанобразующими бактериями энергии  в результате окислительного фосфорилирования служит подавление у них образования  АТФ при действии разобщителей и  ингибиторов АТФазы. Мало, однако, известно об электронных переносчиках. Не изучена  организация дыхательной цепи и  ее H⁺-переносящих участков.

     В качестве дегидрогеназ идентифицированы гидрогеназа и формиатдегидрогеназа. От H₂ перенос электронов катализируется связанной с мембраной гидрогеназой, с которой они акцептируются фактором F₄₂₀. С последнего электроны поступают на НАДФ⁺. Вероятно, и восстановленный фактор F₄₂₀ и НАДФ-H₂ служат донорами электронов для восстановительных превращений C₁-групп у метаногенов. Окисление формиата также сопряжено с восстановлением фактора F₄₂₀ и последующим образованием НАДФ-H₂ [6].

     Долгое  время считали, что у метанобразующих  бактерий нет электронных переносчиков, типичных для эубактерий, имеющих  электронтранспортные цепи. Недавно  у Methanosarcina barken найдены ферредоксин Fe₃S₃-типа и цитохромы типа b и c. Последние обнаружены также у других видов, способных использовать в качестве энергетических субстратов соединения, содержащие метильные группы (метанол, метилированные амины, ацетат). У метаногенов, растущих только на среде, содержащей смесь H₂ + CO₂ или формиат, цитохромы не найдены. Из хинонов обнаружены β- и α-токоферохиноны; менахинонов нет.

     Терминальные  этапы катализируются соответствующими ре-дуктазами, из которых наиболее изучена  метилредуктазная система. Реакция, катализируемая метилредуктазой, является общей при  образовании метана из различных  субстратов (CO₂, CO, метанол, ацетат), и именно с ней связано получение клеткой энергии. Фермент локализован в мембране, и его функционирование приводит к трансмембранному перемещению протонов. На 1 молекулу образованного метана приходятся 4 транслоцированных H⁺.

     Открыта способность метанобразующих бактерий использовать в качестве конечного  акцептора электронов вместо CO₂ молекулярную серу. В присутствии S и обычных энергетических субстратов (H₂ или метанол) наблюдается образование значительного количества H₂S при одновременном снижении в 2–10 раз синтеза CH₄.

     Таким образом, метанобразующие бактерии способны осуществлять энергетический метаболизм хемолито- или хемоорганотрофного типа, сочетая его с конструктивным обменом авто- или гетеротрофного типа [6].

 

4 Кинетика накопления биогаза

 

     Если  отнести выход газа, возможный  при температуре процесса около 32°С, к количеству разложившейся  органической массы, то соответствующие  значения будут лежать в пределах V_общ = 0,8...1,0 м³ на 1 кг разложившейся органической массы.

     Напротив, выход газа, отнесенный к единице  закладываемой в реактор органической массы, будет находиться в интервале  V_общ = 0,4...0,6 м³ на 1 кг внесенной в реактор органической массы. Таким образом, в зависимости от доли способной к сбраживанию органической массы в реакторе разлагается лишь 40... 50 % всей закладываемой в него органической массы.

     Соотношение количеств газа, которые могут  быть выделены из органического вещества жидкого навоза дойных коров (Д), бычков на откорме (Б), свиней (С) и кур (К) в  процессе брожения при температуре 33°С, в первом приближении можно  принять равным Д : Б : С : К = 5:7:8:10.

     Для выделения определенного количества газа из различных органических материалов требуется специфическая для  каждого из них продолжительность  процесса брожения, причем выход газа в единицу времени сначала  резко увеличивается, а затем  по достижении максимума постепенно уменьшается. Полученные при этом суммарные  кривые для типичных объектов брожения представлены на рисунке 12.

а — трава; б — солома; в — экскременты крупного рогатого скота 

Рисунок 12 – Выход газа в расчете на 1 г сухого органического вещества типичных сельскохозяйственных материалов при температуре

брожения 30 °С

 

     Из  рисунка следует также, что трава, содержащая много белковых веществ, обладает высокой скоростью реакции  и дает большой выход газа, в  то время как солома и экскременты  откармливаемых бычков из-за значительной доли лигнина сбраживаются гораздо  медленнее и выделяют меньше газа [2].

 

5 Факторы, влияющие на процесс брожения

5.1 Температура

 

     Метаболическая  активность и репродуктивная способность  микроорганизмов находятся в  функциональной зависимости от температуры. Таким образом, температура влияет на объем газа, который можно получить из определенного количества органического  вещества в течение заданного  времени, а также на технологическое  время процесса брожения, необходимое  для высвобождения при соответствующей  температуре определенного количества газа (рис.13).

 

Рисунок 13 – Отношения количеств (А, сплошные линии) газа, выделяемого при различных температурах бродильной камеры, и необходимой для этого длительности (Б, штриховые линии) брожения к соответствующим значениям этих же величин прн 33°С 

     В многочисленных более ранних работах  названы два температурных предела (около 33 и 54°С), которым соответствуют  наивысшие значения метаболической активности. Прерывистый характер протекания функции объясняется заменой  мезофильного штамма бактерий на термофильный. Однако, согласно новейшим исследованиям, такая прерывистость не существует, а это означает, что с повышением температуры примерно до 54 °С условия  для образования газа улучшаются. Микробиологическая активность почти  прекращается, если температура падает примерно до 15°С. К перепадам температуры, в особенности к ее внезапным  понижениям, микроорганизмы весьма чувствительны  и реагируют на это снижением  метаболической активности и способности  к воспроизведению [2].

 

5.2 Содержание кислот, рН, буферные  свойства

 

     Так как метаболическая активность и  уровень воспроизводства метановых  бактерий ниже, чем кислотообразующих, при нарастании количества образующихся органических веществ может получиться избыток летучих кислот, который  снижает активность метановых бактерий, как только значение рН опустится  ниже 6,5. Обычно величина рН благодаря  буферным свойствам субстрата при  неравномерном образовании кислот поддерживается на постоянном уровне. Эти свойства проявляются путем  образования карбонатов в количествах, превышающих количество выделившегося  при брожении СО₂.

     В качестве оптимальных значений могут  быть названы:

     — щелочность 1500...5000 мг СаСОз на 1 л  субстрата;

     — рН 6,5...7,5;

     — содержание летучих кислот 600...1500 мг на 1 л субстрата.

     Признаки  нарушения процесса анаэробного  сбраживания:

     — снижение щелочности;

     — уменьшение величины рН;

     — возрастание содержания летучих  кислот;

     — увеличение доли СО₂ в выделяющемся газе;

     — снижение выхода газа [3].

5.3 Ингибиторы

 

     К веществам, которые в слишком  большой концентрации препятствуют жизнедеятельности микроорганизмов, относятся прежде всего тяжелые  металлы и их соли, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, аммиак, нитраты, сульфиды, детергенты, органические растворители, антибиотики.

     В таблице 4 для некоторых веществ приведены значения концентрации, которые ведут к существенному замедлению метанообразования. Для детергентов, органических растворителей и антибиотиков не имеется точных данных о критических значениях концентрации.  

Таблица 4 – Предельные  концентрации веществ, препятствующих процессу метанового брожения

       

     Однако  в литературе указывается, что эти  вещества даже в самых незначительных количествах препятствуют процессу брожения [2].

5.4 Питательная среда

 

     Предпосылкой  беспрепятственного размножения бактерий служит наличие питательной среды, которая содержит как углерод  и кислород для обеспечения этого  процесса энергией, водород, азот, серу и фосфор — для образования белка, так и щелочные металлы, железо и микроэлементы.

     При этом активность микробной реакции  в значительной мере определяется соотношением углерода и азота. Наиболее благоприятные  условия соответствуют значениям C/N = 10...16.

     Если  в исходном субстрате углеводов  больше, чем белковых веществ, то образуется мало аммонийного азота. Вследствие этого выделяется меньше СН₄ и больше Н₂ и СО₂, что ведет к увеличению выхода кислот, снижению рН и тем самым к дальнейшему уменьшению интенсивности метанового брожения. С другой стороны, избыток белка и аминокислот обусловливает возрастание значения рН более 8, что также приводит к затуханию процесса метанообразования [2].

5.5 Состав газа

 

     Количество  и состав газа, образующегося в  результате полного разложения органического  вещества, зависит от соотношения  С : Н : О : N в исходном материале и  от температуры процесса брожения. Из важнейших соединений, входящих в состав органического вещества, жиры обусловливают наибольший выход  газа с высоким содержанием СН₄, белковые вещества — немного меньший, но тоже с высоким содержанием СН₄, и углеводы — относительно мало газа с наименьшим содержанием СН₄.

     Средний состав газа, который можно получить из экскрементов животных при оптимальной  температуре брожения 34°С соответствует  соотношению СН₄/СО₂= 2 [2].

5.6 Состав исходного материала

 

     Среди остатков и отходов сельскохозяйственного  производства наиболее богаты необходимыми для метанового брожения питательными веществами экскременты животных. Однако они очень различаются между  собой как по наличию отдельных  компонентов (таб. 5), так и по химическому составу в зависимости от того, о каком виде животных идет речь и какой корм эти животные потребляют (табл. 6).