Экологическая биотехнология утилизации отходов молочных продуктов с получением биогаза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная робота

Екологическая биотехнология утилизации отходов молочных продуктов с получением биогаза

План

молоко биогаз установка

Введение

1. Состав и свойства молочной сыворотки (МС)

2. История открытия биогаза. Первые установки

3. Биогаз и его свойства

4.Получение экологически чистой энергии - биогаз. Стадии процесса

5. Использование биогаза

6. Принцип работы биогазовой установки

7. Модель установки

Выводы

Литература

Введение

Молоко и молочные продукты играют большую роль в питании людей. Включение молочных продуктов в любой пищевой рацион повышает его полноценность, способствует лучшему усвоению других компонентов. Направленное биоэнергетическое воздействие на молоко как сложную полидисперсную систему приводит к ее разделению на белково-жировой концентрат (сыр, творог, казеин) и фильтрат (МС - молочная сыворотка). Таким образом, МС - естественный побочный продукт при производстве молочных продуктов . Многие годы она считалась проблемным продуктом, не имеющим коммерческой стоимости. Но в последнее время ее начинают широко перерабатывать и использовать в различных видах. В ходе производственных процессов часто образуются сточные воды, представляющие собой стойкие эмульсии, содержащие жиры, масла и нефтепродукты. Примером таких водных систем являются сточные воды молокоперерабатывающих предприятий, маслоэкстракционных заводов, станций техобслуживания и др. Наличие в воде устойчивых эмульсий не позволяет достигать высокой эффективности очистки при использовании широко известных механических, флотационных и мембранных технологий [1]. Применение сорбционных технологий в таких случаях очень удорожает процесс очистки вследствие блокирования микро- и мезопор гидрофобных материалов, что требует частой замены сорбентов, влечет за собой проблему их регенерации и дальнейшей утилизации. Наиболее рациональным был бы такой подход, чтобы очистка происходила за счет физико-химических свойств веществ, входящих в состав промышленных отходов. Известны различные методы утилизации сыворотки - ультрафильтрация, сушка, производство этилового спирта и других продуктов. Из-за отсутствия совершенных ресурсосберегающих технологий эти методы почти не применяются. Основную часть сыворотки вместе из сточной водой (СВ) сбрасывают в канализацию, что создает экологическую проблему. ХПК сыворотки и СВ составляет соответственно около 70000 и 3000 мг / л Недостаточное промышленное использование отходов приводит к большим потерям ценных веществ, снижению эффективности производства и необходимости уплаты штрафов за сброс выбросов.

Актуальным является поиск альтернативных интегрированных средств утилизации сыворотки и эффективной очистки сточных вод. Традиционная технология очистки в аэротенках в этом случае экономически не эффективна и целесообразно применять метановое брожение, при котором концентрация загрязнений существенно снижается и дополнительно позволяет получить из 1 м3 сыворотки более 15 м3 биогаза. Дальнейшее применение аэробной очистки становится эффективным и не требует значительных затрат. Анаэробное разложение отходов - используется с 1901 г. Анаэробная ферментация отходов очень перспективна для экономичного получения газообразного топлива при умеренных температурах (30-35оС).И теперь многие предприятия задумываются как использовать с пользой для себя - переработку сточных вод содержащих молочную сыворотку в - биогаз.

1.Состав и свойства молочной сыворотки (МС)

Традиционные способы разделения молока, основанные на биотехнологии (закваски, ферменты) и использовании химических реагентов (кислоты, щелочи, соли), обеспечивают получение подсырной (сладкой), творожной (кислой) и казеиновой сыворотки. Степень перехода основных компонентов молока в МС определяется главным образом их размерами. Состав и свойства молочной сыворотки обусловлены видом ОП (творога, сыра, казеина и т.д.) и особенностями технологии его получения, а также аппаратурным оформлением процесса. Состав подсырной сыворотки зависит от вида вырабатываемого сыра и его жирности; творожной - от способа производства творога и его жирности; казеиновой - от вида вырабатываемого казеина. Различные виды МС отличаются содержанием лактозы, белков, пептидов, аминокислот, витаминов, поэтому представляют собой разную среду для молочнокислых бактерий.

Среднее содержание основных компонентов (%) в различных видах МС

Содержание основных компонентов МС в сухом веществе

Количество жира в МС зависит от его количества в исходном сырье и технологии выработки ОП. Жир в МС диспергирован больше, чем в молоке.

Энергетическая ценность

2. История открытия биогаза. Первые установки

В XVII столетии Ян Батист Ван Гельмон обнаружил, что разлагающая биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающиеся биомассы и количеством выделяемого газа. В1808 году сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе. Первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Самая первая биогазовая установка была построена в Бомбее, Индия в 1859 году. В 1895 году биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930 году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.

3. Биогаз и его свойства

Анаэробное разложение отходов - используется с 1901 г. Анаэробная ферментация отходов очень перспективна для экономичного получения газообразного топлива при умеренных температурах (30-35оС).

Сообщество метанообразующих микроорганизмов состоит из трех видов бактерий: бактерии, осуществляющие гидролиз и брожение. За счет их деятельности расщепляется целлюлоза, синтезируются жирные кислоты. Далее - бактерии, образующие водород и уксусную кислоту. И, наконец, водородотрофные метанообразующие бактерии.

Биогаз - это газ, состоящий примерно из 50-70% метана (CH4) 50-30% углекислого газа (CO2). Синонимами для биогаза являются такие слова, как канализационный газ или болотный газ, газ-метан. Различные виды микроорганизмов метаболизируют углерод из органических субстратов в безкислородных условиях (анаэробно). Этот процесс, называемый гниением или безкислородным брожением, следует за цепью питания. В процессе брожения из биоотходов вырабатывается биогаз. Этот газ может использоваться как обычный природный газ для технологических целей, обогрева, выработки электроэнергии. Его можно накапливать, перекачивать, использовать для заправки автомобиля или продавать соседям. Для работы электрогенераторов биогаз используется без какой либо очистки. Переработка отходов на биогазовой установке дает:

основные выгоды

1. экологическая очистка

2. газ

3. биоудобрения

4. экономия капитальных затрат (для новых строящихся предприятий) дополнительные выгоды (при установке дополнительных модулей)

1. электричество

2. тепло

3. топливо для автомобилей

Биогаз близок по своим характеристикам к природному газу. Если на предприятии используются регулируемые горелки, то биогаз только осушают и удаляют примеси сероводорода и аммиака. Если горелки не регулируемые, то устанавливают систему очистки от углекислого газа.

Для заправки автомобилей устанавливается дополнительная система очистки. После такой системы очистки полученный газ - полный аналог природного газа (90% метана (CH4) и 10% углекислого газа (CO2)). Вторым продуктом очистки биогаза является CO2 . Этот газ тоже идет в прибыль. Его использовать как сухой лед, для газировки или технических целей.

Виды сырья используемые для переработки в биогаз

Все понимают, что дальнейшие подорожание газа неизбежно и значительно. Протяжка километров газопровода стоит миллионов долларов. Вместо того чтобы строить газопроводы за эти или даже меньшие средства можно построить биогазовые установки. По проложенному газопроводу за газ еще нужно платить, а газ от биогазовой установки - почти бесплатен (менее 30 Евро за 1000м3). Биогазовая установка является лучшим решением по автономному газоснабжению и газификации удаленных районов.

4. Получение экологически чистой энергии - биогаз. Стадии процесса

Экологически чистую энергию можно получать путем преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных коллекторов, а также из биогаза и микробного этанола.

Биогаз -- это смесь из 65 % метана, 30 % СО2, 1 % сероводорода и незначительных примесей азота, кислорода, водорода и угарного газа. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии: 16,8 м3 природного газа; 20,8 л нефти; 18,4 л дизельного топлива. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения, или биометаногенез -- процесс превращения биомассы в энергию.

Биометаногенез -- сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в аэробных условиях. Микробиологическому анаэробному разложению поддаются практически все соединения природного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы. В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательные стадии, в которых участвуют свыше 190 различных микроорганизмов. Метанобразующие бактерии представляют собой физиологически однородную группу, но характеризуются большим разнообразием морфологических типов, из которых можно выделить четыре основных: палочки, кокки, вибрионы и спириллы.

Рис.1 - Схематическое изображение процесса образования биогаза

На первой стадии под влиянием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения -- белки, липиды и полисахариды. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы -- бродильщики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты.

На второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации участвуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные. Ацетогенные Н2-продуцирующие микроорганизмы ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием Н2, СО2, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Деградация бутирата, пропионата, лактата с образованием ацетата происходит при совместном действии ацетогенных Н2-продуцирующих и Н2-утилизирующих бактерий. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н2 и СО2, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превращения его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.

На заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления СО2 молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии способны использовать в качестве субстрата формиат, СО2, метанол, метиламин и ароматические соединения: Особое место в утилизации отходов занимает метановое сбраживание. Оно позволяет получать из местного сырья биогаз как локальный источник энергии, а также улучшать качество органического удобрения и защищать окружающую среду от загрязнений. Экологически чистые источники энергии не влияют отрицательно на окружающую среду. Современные источники энергии -- ГЭС, ТЭС, АЭС -- вызывают серьезные нарушения во внешней среде. ГЭС (гидроэлектростанции) служат причиной затопления территорий, изменения ландшафта, гибели биоценозов. ТЭС (теплоэлектростанции) загрязняют атмосферу, нарушают альгологический баланс, вызывают отчуждение земель. АЭС (атомные электростанции) создают угрозу радиационного загрязнения. Сжигание нефти и газа вызывает повышение концентрации СО2, образование смога и, кроме того, уменьшение ресурсов нефти и газа.

90--95 % используемого углерода метанообразующие бактерии превращают в метан и лишь 5 -- 10% углерода превращаются в биомассу. В литературе имеются данные о способности метанообразующих бактерий в анаэробных условиях одновременно синтезировать и окислять метан.

В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо- и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий от 30 до 40 "С, а для термофильных от 50 до 60 °С. В целом термофильный процесс метаногенеза идет интенсивнее мезофильного, притом в этих условиях анаэробной переработки отходов субстрат обеззараживается от патогенной микрофлоры и гельминтов. При анаэробной переработке отходов животноводческих ферм микрофлора метантенков (анаэробных ферментеров) формируется преимущественно из микрофлоры желудочно-кишечного тракта данного вида животных и микрофлоры окружающей среды. Из наиболее часто встречающихся культур следует отметить Lactobacillus acidophilus, Butyrivibrio fibrisolvens, Peptostreptococcus productus, Bacteroides uniformis, Eubacterium aerofa-ciens. К числу целлюлозоразлагающих бактерий микрофлоры жвачных относятся Bacteroides succinoqenes и Ruminococcus flavefaciens. Из рубца и навоза жвачных были изолированы такие метанообразующие бактерии, как Methanobacterium mobile, Methanobrevibacter ruminantium и Methanosarcina ssp. После определенного срока работы метантенка при установленном температурном режиме и на постоянном субстрате образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осуществляют бактерии из родов Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus, Butyrivibro. Главные продукты ферментации -- ацетат, пропионат, сукцинат, Н2 и СО2. Конечными продуктами ферментации целлюлозы и гемицеллюлозы под действием бактерий, выделенных из рубца жвачных и кишечника свиней, являются различные летучие жирные кислоты.

Бактерии второй, или ацетогенной, фазы, относящиеся к родам Syntrophobacter, Syntrophomonas и Desulfovibrio, вызывают разложение пропионата, бутирата, лактата и пирувата до ацетата, Н2 и СО2 -- предшественников метана. Ряд микроорганизмов способны синтезировать ацетат из СО2 в термофильных условиях, к их числу принадлежат Clostridium formicoaceticum, Acetobacterium woodii, метановые бактерии из родов Methanothrix, Methanosarcina, Methanococcus, Methanogenium и Methanospirillum.

Для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмал перерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды молочноперерабатывающих и спиртовых заводов. Процесс ведется при температуре 30--60 "С и рН 6 -- 8. Этот способ получения биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. В настоящее время для производства биогаза чаще используют вторичные отходы (отходы животноводства и сточные воды городов), чем первичные (отходы зерноводства, полеводства, хлопководства, пищевой, легкой, микробиологической, лесной и других отраслей), обладающие сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предварительной обработке.

Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. Его производство будет так же длительно, как существование жизни на Земле.

5. Использование биогаза

Биоудобрения

Обычный навоз, барду или другие отходы нельзя эффективно использовать в качестве удобрения 3-5 лет. При использовании же биогазовой установки биотходы перебраживают и переброженная масса тут же может использоваться как высокоэффективное биоудобрение Дело даже не только в экологии, а в простой выгоде. В обычных биотходах (например, в молочной сыворотке ) минеральные вещества связаны химически с органикой, что осложняет усвоение их растениями. Для примера, минерализация в молочной сыворотке 40%. В переброженной массе минерализация 60%. Т.е. минералы уже больше несвязанны органикой. Переброженная масса- это готовые экологически чистые жидкие и твердые биоудобрения.. При использовании таких сбалансированных биоудобрений урожайность повышается на 30-50%.

Биогазовая установка дает удобрения высочайшего качества. Биоудобрения стоит продавать. Эти удобрения по качеству выше минеральных, а их себестоимость равна практически «0». Продавать удобрения можно соседям.

Экономия капитальных затрат

Для новых строящихся комплексов, если не устанавливать биогазовую установку придется протягивать газопровод, линию электропередачи, устанавливать резервные дизель генераторы и строить лагуны . За эти деньги можно частично построить биогазовую установку. Экономия капитальных затрат составляет 30-40% от стоимости биогазовой установки.

Электроэнергия

Из 1 м3 биогаза в генераторе можно выработать 2 кВт электроэнергии. Причем электричество без перепадов как в общественной сети. Установив биогазовую установку. Вы будете иметь свою электроэнергию всегда по одной цене - почти бесплатно. Почти - это 0,01 $ за кВт.

Тепло

Тепло от охлаждения генератора или от сжигания биогаза можно использовать для обогрева предприятия, технологических целей, получения пара.

Возле биогазовых установок можно возрождать и ставить новые теплицы. Тепло можно получать как при сжигании газа специально, так и отбирать тепло, которое получается при охлаждении электрогенератора. Например, можно отапливать 2 га теплиц только от одного охлаждения электрогенератора, т.е. не сжигая газ специально для получения тепла. В себестоимости тепличных огурцов, помидоров, цветов 90% затрат - это тепло и удобрения. Выходит что возле биогазовой установки теплица может работать с 300-500 % рентабельностью.

Тепло также может использоваться для приведения в действие испарителей рефрижераторов, что может применяться, например, для охлаждения свежего молока в магазине или для хранения мяса, яиц.

Топливо для автомобилей

После доочистки биогаза получается биометан (90-95% метана, остальное СО2). Биометан ничем не отличается от природного газа по составу или свойствам. Отличие только в происхождении. Таким метаном можно и стоит заправлять технику. Сегодня уже существует огромная сеть заправочных метановых станций. В условия подорожания солярки использование метана становится более выгодным. Некоторые компании строят биогазовые станции вместе с системой очистки и заправочной метановой станцией. Такая биогазовая заправочная станция окупается менее чем за полгода.

Себестоимость метана - 20 Евро за тыс м3, а стоимость солярки 900 Евро за 1000 л.

1 л солярки - эквивалент 1 м3 метана.

6. Принцип работы биогазовой установки

Технологическая схема биогазовой установки представлена на рис. 1.

Согласно этой схеме молочная сыворотка из сточных вод молокозаводов (1) поступает в накопительную емкость (2), далее насосом (3) её загружают в метантенк -- емкость для анаэробного сбраживания (4). Биогаз, образующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер (5) и далее к потребителю(заводу или продают). Для нагрева молочной сыворотки до температуры брожения и поддержания теплового режима в метантенке применяют теплообменник (6), через который протекает горячая вода, нагреваемая в котле (7). Сброженную сыворотку выгружают в хранилище (8).

Рис.1. Обобщенная схема производства биогаза [4

Сырьё привозят к биогазовой установке автотранспортом или же перекачивают насосами в емкость предварительного накопления. В этой ёмкости сырьё гомогенизируются до однородной массы, подогревается и подаётся в реактор гидролиза, а затем в основной ферментатор.(Рисунок 2).

Рис 2- Ферментаторы

Технология конверсии органической фракции отходов происходит путем биохимического расщепления (гидролиза) высокомолекулярных соединений на простейшие низкомолекулярные органические соединения (органические кислоты их соли и спирты), Органические соединения + Н2О> С5Н7NО2+HCO3.Дальнейшая конверсия полученных растворимых соединений таких как органические кислоты и спирты (С5Н7NО2,HCO3) в газ - СН4, СО2. С5Н7NО2 + HCO3 + Н2О > СН4+СО2+NH4 С5Н7NО2 + HCO3 + Н2О > СН4 СН4+СО2+NH4

Рис 3- Загрузчик

Биологический процесс последовательной (стадийной) конверсии органических соединений возможен только в анаэробной среде, т.е. закрытой от доступа кислорода камере (биологический реактор). На 1-ом этапе брожения происходит гидролиз субстрата под воздействием ацидогеных бактерий. На 2- ом этапе происходит гидролизное окисление простейших органических соединений под воздействием гетероацетогеных бактерий, в результате которой получается ацетата, двуокись углерода и свободный водород. Другая часть органических соединений с полученным ацетатом образует С1 соединения (простейшие органические кислоты).

Рис 4- Мешалка

Полученные вещества являются питательной средой для метанобразующих бактерий 3-го этапа. Этот этап протекает по двум процессам А и Б, характер которых вызван различной группой бактерий. Эти две группы бактерий преобразуют питательные соединения 1-го и 2-го этапа в метан СН4, воду Н20, двуокись углерода СО2.Процесс анаэробного брожения происходит в бактериальной биомассе, и включает конверсию сложных органических соединений - полисахаров, жиров и белков в метан СН4 и двуокись углерода СО2 (4).Период пребывания субстрата в реакторе 20-40 дней при температуре 35- 40°C

Рис 5- Газгольдер

В ёмкости предварительного накопления и ферментаторе установлены системы подогрева днища и стенок, для поддержания постоянной температуры.

Выгрузка переброженного субстрата проходит в автоматическом режиме с такой же периодичностью, как и загрузка.

Управление работой всей биогазовой установки осуществляется по командам центрального программного модуля в программно - временном режиме и по датчикам предельных значений. Произведенный биогаз собирается в газгольдере (Рисунок 5). Из газгольдера идет непрерывная подача биогаза на когенерационную станцию.

Рис 6- Ко-генератор.

В газгольдере выравниваются давление и состав газа. Газгольдер это высокопрочная растягивающаяся PVC мембрана. Материал мембраны стоек к солнечному свету, осадкам и испарениям в реакторе. Срок службы газгольдера 15 лет.

Газгольдер герметически накрывает реактор сверху. Над газгольдером накрывается дополнительно тентовое накрытие. В пространство между газгольдером и тентом закачивается воздух для создания давления и теплоизоляция.

Рис 7- Сепаратор

В отдельных случаях газгольдер представляет собой многокамерный мешок. Такой мешок в зависимости от проектного решения может крепиться сверху бетонного свода ремнями либо в специальной бетонной емкости.

Запас объема газгольдеров обычно 0,5-1 день. Отведение биогаза происходит по трубопроводу, оснащенному устройствами автоматического отвода конденсата и предохранительными устройствами от превышения давления. Все устройства работают по датчикам предельных значений.

Рис 8 - Автоматика

Работа биогазовой установки отображается на мониторе центральной диспетчерской, которая оборудована центральным пунктом управления, позволяющим переводить работу всех участков биогазовой установки в ручной или автоматический режим для местного или дистанционного управления. Переработанный субстрат после биогазовой установки подается на сепаратор (Рисунок 7).

Система механического разделения работает в программно временном режиме и разделяет остатки брожения на твердые и жидкие фракции. Твердая фракция подается на линию фасовки и используется как качественное органическое биоудобрение.

7. Модель установки

Выводы

В связи с достаточно высоким содержанием энергии, биогаз можно использовать в качестве энергоносителя для производства электроэнергии и тепла. Содержание энергии в биогазе напрямую зависит от количества метана. Из одного мі метана можно получить почти десять (9,94) киловатт-часов электроэнергии. Если предположить, что в биогазе содержится 60% метана, то из одного мі биогаза можно получить около шести киловатт-часов электроэнергии.

Анаэробное разложение отходов - используется с 1901 г. Анаэробная ферментация отходов очень перспективна для экономичного получения газообразного топлива при умеренных температурах (30-35оС).И теперь многие предприятия задумываются как использовать с пользой для себя - переработку сточных вод содержащих молочную сыворотку в - биогаз, а биологическое образование метана - это натуральный природный процесс, который протекает везде, где во влажной, без доступа кислорода среде под действием метанобразующих бактерий разлагается органический материал (например, в желудочном тракте жвачных животных, компостных ямах или на рисовых полях).

Использование вторичных источников энергии - является главным резервом сохранения энергии и главным образом это - применение энергосберегающих технологий.

К вышесказанному хотелось бы добавить, что проблема энергосбережения является комплексной и включает целый ряд задач. Поэтому попытки решать отдельные вопросы обособленно чаще всего не приводят к хорошему результату. Только рассмотрение их оптимальных сочетаний позволит достигнуть необходимого эффекта. Наряду с производством тепловой и электрической энергии выделенный биогаз может использоваться альтернативно и в других целях.

Литература

1. Биогазовые установки: практическое пособие / Барбара Эдер, Хайнц Шульц. - 2006.

2. Нікітін Г.О., Лукашевич Є.А. Виробництво біогазу на сироватці по новій технології очищення стічних вод із застосуванням метанового бродіння // Міжнародна наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів. Програма і матеріали конференції. Частина II. - Київ: НУХТ. - 2002. - С. 79.

3. http://doz.ucoz.net/publ/41-1-0-725.

4.Мариненко Е.Е. Основы получения и использования биотоплива для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве: Учебное пособие. - Волгоград: ВолгГАСА, 2003. - 100 с.

5. В.Г. Герасименко ”Биотехнология” - Киев - 2006.-475 с.

6. http://www.bestreferat.ru/referat-120162.html

7. http://greatp.ru/referaty_po_stroitelstvu/referat_poluchenie_biogaza.html

Размещено на Allbest.ru