Biogas được lên men như thế nào?
Quá trình lên men khí sinh học, thực ra chính là quá trình trao đổi chất vật chất và chuyển đổi năng lượng của vi sinh vật. Trong quá trình dị hóa, các vi sinh vật khí sinh học thu được năng lượng và các chất để đáp ứng sự tăng trưởng và sinh sản của chính chúng, trong khi hầu hết các chất được chuyển đổi thành metan và carbon dioxide. Qua thử nghiệm và phân tích khoa học cho thấy: khoảng 90% chất hữu cơ được chuyển hóa thành khí sinh học, 10% được các vi sinh vật khí sinh học sử dụng để tiêu thụ. Việc tạo ra khí sinh học từ nguyên liệu lên men đạt được thông qua một loạt các phản ứng sinh hóa phức tạp.
Cần 3 giai đoạn để chuyển đổi chất hữu cơ thành khí sinh học
Hầu như tất cả các chất hữu cơ có thể bị phân hủy kỵ khí để tạo ra khí sinh học. Việc chuyển đổi chất hữu cơ hình dạng rắn thành khí sinh học có thể được chia thành ba giai đoạn: hóa lỏng, sản xuất axit và sản xuất metan.
Một là giai đoạn hóa lỏng. Giai đoạn hóa lỏng còn được gọi là giai đoạn thủy phân, giai đoạn này là chuyển đổi các chất hữu cơ hình dạng rắn không hòa tan trong nước thành các chất hòa tan trong nước dưới tác động của vi sinh vật. Nhiều vi sinh vật tiết ra các enzyme ngoại bào khác nhau, và dưới tác động của chúng, các chất hữu cơ có hình dạng rắn được thủy phân thành các chất hòa tan có trọng lượng phân tử nhỏ hơn. Chẳng hạn như cellulase, amylase, enzyme protein và lipase, v.v., bằng cách tiến hành phân giải enzyme trong ống nghiệm các chất hữu cơ, polysaccharide được thủy phân thành monosaccharide hoặc disaccharide, protein được phân hủy thành polypeptide và axit amin, chất béo được phân hủy thành glycerol và axit béo, v.v. Những vật liệu hòa tan có trọng lượng phân tử nhỏ hơn này có thể xâm nhập vào tế bào vi sinh vật và được phân hủy và sử dụng hơn nữa.
Hai là giai đoạn sản xuất axit. Sau khi các chất hòa tan khác nhau (monosaccharide, axit amin, axit béo) được tạo ra trong giai đoạn hóa lỏng xâm nhập vào tế bào, quá trình chuyển hóa dị hóa tiếp tục thành các chất phân tử thấp dưới tác động của các enzyme nội bào vi khuẩn khác nhau như vi khuẩn cellulose, vi khuẩn protein, vi khuẩn béo, vi khuẩn pectin, chẳng hạn như axit butyric, axit axetic và các chất hữu cơ đơn giản như rượu, ketone, aldehyde. Giai đoạn này chủ yếu là tạo ra các axit béo dễ bay hơi khác nhau, sản phẩm chính là axit axetic, chiếm khoảng 70% trở lên, cũng như một phần hydro, carbon dioxide, amoniac và một lượng nhỏ các sản phẩm khác. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn sản xuất axit.
Giai đoạn hóa lỏng và giai đoạn sản xuất axit là một quá trình liên tục và giao thoa. Đó là trong điều kiện kỵ khí, thông qua sự phối hợp của nhiều loại vi sinh vật, phân hủy carbohydrate, protein và chất béo từ nguyên liệu thô thành các hợp chất phân tử nhỏ đơn giản, đồng thời tạo ra carbon dioxide và hydro. Hai giai đoạn này chỉ tạo ra ma trận tổng hợp metan, chẳng hạn như axit axetic, axit butyric, rượu, carbon dioxide, hydro, v.v., không tạo ra metan, do đó còn được gọi là giai đoạn không sản xuất metan. Giai đoạn không sản xuất methane có thể được coi là một giai đoạn chế biến nguyên liệu, chuyển đổi các chất hữu cơ phức tạp thành các chất có thể được sử dụng bởi vi khuẩn methane, đáp ứng nhu cầu của vi khuẩn methane sản xuất cho các hoạt động sống. Các loại vi sinh vật hoạt động trong giai đoạn không sản xuất metan rất nhiều, với số lượng lớn và khác nhau đáng kể tùy thuộc vào nguyên liệu lên men. Trong đó số lượng vi khuẩn kỵ khí bắt buộc là lớn nhất, nhiều hơn 100-200 lần so với vi khuẩn kỵ khí và vi khuẩn tốt, là loại nấm đóng vai trò chủ yếu trong giai đoạn này. Vi khuẩn sản xuất hydro là một hệ thực vật quan trọng trong các vi sinh vật không sản xuất metan, và Viện Sinh học Thành Đô của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã thành công trong việc làm giàu và cô lập các loài và chi khác nhau của vi khuẩn sản xuất hydro từ bùn bể biogas.
Ba là giai đoạn sản xuất khí mê - tan. Giai đoạn này được thực hiện bởi các vi khuẩn metanogenic, trong đó các vi khuẩn metanogenic chuyển đổi các hợp chất phân tử thấp được tạo ra trong giai đoạn trước đó như axit axetic, axit formic, hydro và giảm carbon dioxide thành metan.
Sự tương tác của ba giai đoạn lên men khí sinh học
Trong quá trình lên men khí sinh học, ba giai đoạn phụ thuộc và liên tục, đồng thời liên kết và hạn chế lẫn nhau. Biểu hiện cụ thể của nó là: một lượng lớn axit dễ bay hơi được sản xuất trong giai đoạn đầu của quá trình lên men, trong khi nồng độ axit dễ bay hơi tăng nhanh, nồng độ nitơ amoniac tăng mạnh. Khi nồng độ nitơ amoniac đạt đỉnh, nồng độ axit dễ bay hơi giảm, tiềm năng oxy hóa khử giảm và hàm lượng metan trong sản lượng không khí và khí tăng và đạt đỉnh. Trong một thời gian sau khi hoàn thành phản ứng dây chuyền này, giá trị PH, tiềm năng oxy hóa giảm, sản lượng không khí và hàm lượng metan về cơ bản ổn định, trong khi nồng độ axit dễ bay hơi giảm rõ rệt. Điều này giải thích: Trong quá trình lên men khí sinh học, các yếu tố sinh hóa riêng lẻ thay đổi rõ rệt, chúng phụ thuộc lẫn nhau và ràng buộc lẫn nhau, ma trận liên tục phân hủy và khí sinh học liên tục hình thành, khiến toàn bộ quá trình lên men ở trạng thái cân bằng động. Nhưng các vi sinh vật khí sinh học cũng nhạy cảm với những thay đổi trong môi trường và sự thay đổi của một số yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng hoặc thậm chí phá vỡ sự cân bằng. Chẳng hạn như: quá nhiều thức ăn một lần, nhiệt độ đột ngột thay đổi hơn 2 ℃, chất lỏng vật liệu vào một số chất độc hại và các tình huống khác, sẽ gây ra sự thay đổi độ axit và kiềm, sản lượng khí và thành phần sản xuất khí, phá vỡ sự cân bằng và ảnh hưởng đến sản xuất khí. Tuy nhiên, các vi sinh vật khí sinh học cũng có khả năng thích ứng nhất định với môi trường, miễn là sự thay đổi của các yếu tố môi trường không vượt quá một phạm vi nhất định, ngay cả khi cân bằng bị phá vỡ cũng là tạm thời, sau một thời gian nhất định tự điều chỉnh lại có thể đạt được sự cân bằng mới. Loại tình huống này nói chung không cần con người điều tiết, chỉ khi các yếu tố môi trường thay đổi vượt quá khả năng chịu đựng của vi sinh vật, cân bằng động bị phá hủy đến mức không thể tự phục hồi, mới cần áp dụng các biện pháp điều tiết cần thiết của con người.
Mối quan hệ giữa chất rắn và lên men khí sinh học
Trong quá trình lên men khí sinh học, giai đoạn hóa lỏng được thực hiện bởi các phản ứng thủy phân, hầu hết đòi hỏi một lượng năng lượng nhất định. Nhưng trong hầu hết các trường hợp, giai đoạn hóa lỏng lên men khí sinh học không thể cung cấp năng lượng cho vi sinh vật, do đó quá trình hóa lỏng các chất hữu cơ rắn diễn ra rất chậm, thường trở thành bước giới hạn tốc độ lên men khí sinh học. Tốc độ hóa lỏng nhanh và chậm của chất rắn ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ sản xuất khí sinh học. Mức độ hóa lỏng của chất rắn cũng có ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng khí. Hầu hết các nguyên liệu lên men, đặc biệt là các nguyên liệu chất thải cây trồng khác nhau, hàm lượng chất rắn cao, thành phần hòa tan ít, một số lớp bề mặt còn sáp, do đó, trong sản xuất nên sử dụng phương pháp tiền xử lý chất thải cây trồng để đẩy nhanh quá trình hóa lỏng giai đoạn và nâng cao mức độ hóa lỏng, như vậy vừa có thể tăng tốc độ lên men tương đối, vừa có thể tăng sản lượng khí sinh học. Tiền xử lý chất thải cây trồng có thể được hoàn thành bằng cách nghiền nát và xếp chồng lên nhau.
Tất nhiên, một số nguyên liệu lên men như chất thải bã rượu, nước thải axit béo tổng hợp, chất thải sản phẩm đậu nành và như vậy, chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan, giai đoạn hóa lỏng đã được hoàn thành trước khi lên men vào bể bơi, tốc độ lên men của nó rất nhanh, thời gian giữ lại có thể được rút ngắn đến hàng chục giờ hoặc vài giờ, do đó, không cần phải tiến hành tiền xử lý.