تشریح واکنش تولید بیوگاز
واکنشهای هضم در دستگاه بیوگاز مشتمل بر یک سری فرایندهای شیمیایی و بیولوژیکی است که در
غیاب اکسیژن و در حضور ارگانیسمهای بیهوازی، آب و دمای 35 الی 70 درجه سانتیگراد، گازی تولید
می شود که بخش عمده ای از آن مخلوطی از گازها ی متان و دی اکسید کربن است . در دستگاههای بیوگاز
واکنشهای تخمیر شامل یک سری فعل و انفعالات شیمیایی بهم پیوسته می باشد که در عین مجزا بودن،
ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند . اصول هضم شامل مراحل زیر می باشد که هر مرحله توسط گروه خاصی
از ارگانیسمها انجام می گیرد:
در مرحله اول مرحله مواد آلی پیچیده مانند کربوهیدراتها، چربیها و پروتینها توسط باکتریهای اسید ساز به
مواد آلی ساده مانند قندهای ساده ، اسیدهای چرب و اسیدهای آمینه تبدیل می شوند. این باکتریها مواد پیچیده آلی
را به اسیدهای چرب فرار تجزیه نموده و علاوه بر اس ید استیک و اسید پروپیونیک مقداری آمونیاک و گاز
کربنیک نیز تولید می شود.
در مرحله دوم باکتریهای اسید ساز (اسید لاکتیک، اسید پروپیونیک، اسید استیک و اسید بوتیریک )، مواد
آلی مرکب را به اسیدهای فرار تبدیل می کنند. پروتینها در ابتدا به اسیدهای آمینه و سپس به اسیدهای
فرار شکسته می شوند، کربوهیدراتها در ابتدا به قندهای ساده و سپس به اسیدهای چرب فرار تبدیل شده
می شوند و اسیدهای چرب به اسیدهای چرب فرار تغییر می یابند؛ در ضمن مواد دیگری همانند هیدروژن،
دی اکسید کربن، سولفید هیدروژن، اتانول و مق ادیر بسیار جزیی از گازهای متان، ازت و آمونیاک در این
مرحله بوسیله باکتریهای اسید ساز تولید و آزاد می شوند.
در مرحله سوم باکتریهای متا ن زا، اسیدهای تولید شده در مرحله قبلی را به متان و دی اکسید کربن تجزیه
می کنند. این گروه ، مرکب از تعداد معدودی از باکتریها هستند که رش د و تکثیر آنها به کندی صورت گرفته
و نسبت به محیط خود بسیار حساس است . در دستگاه هاضم که بطور صحیح عمل می کند، تعادل این دو
گروه از باکتریها باید چنان باشد که متان سازها فقط اسیدهایی است که اسیدسازها تولید می کنند، به مصرف
برسانند. برخی دیگر از انواع باکتریه ا نیز هیدروژن و دی اکسید کربن را جهت تولید متان به مصرف
می رسانند. در حقیقت در این مرحله است که فعل و انفعالات اصلی متان زدایی را شامل م یشود.
در یک دستگاه در حال تعادل، متان سازها اسیدهایی را که اسید ساز تولید می کنند، به مصرف می رسانند.
، هنگامی که اسید سازها فعالیت بیشتری نسبت به متان سازها داشته باشندپی اچ محلول کاهش یافته و جلوی
رشد باکتریهای متان ساز گرفته م یشود تا سرانجام عمل هضم متوقف گردد.
گوارش بیهوازی می تواند برای مواد مایع مانند فاضلابها یا برای مواد جامد مانند فضولات دامی و
بقایای گیاهی انجام شود. در هر دو حالت وجود رطوبت کافی و مناسب برای انجام واکنشها الزامی است.
فرایند هضم در راکتورهایی به نام هاضم صورت م یگیرد. دستگاههای بیوگاز را از لحاظ عملکردی به دو
دسته پیوسته 1 و ناپیوسته 2 تقسیم می کنند که در مدل پیوسته ورود مواد هر روز و خروج آنها نیز به ازای
میزان فضولات ورودی همزمان انجام می شود اما در مدل ناپیوسته کل مخزن تخمیر در یک زمان پر و در
زمان دیگری بطور کامل تخلیه می شود.
سلامتی محیط میکروبها برای ایجاد بیوگاز بستگی به فاکتورهای متعددی دارد که همواره باید مورد توجه
قرار گیرد که مهمترین آنها بشرح ذیل می باشند:
1. درجه حرارت محیط تخمیر
37 0C معمولاً دستگاههای بیوگاز در حد فعالیت باکتریهای مزوفیلیک عمل نماید که دمای مطلوب آن
، 70 0C 30 ممکن است دستگاه اسیدی شود و در دمای بالاتر از 0C است. در درجه حرارتهای پایی ن تر از
باکتریها از بین م ی روند؛ از اینرو باکتریهای متا ن زا نسبت به نوسانات سریع درجه حرارت کاملاً حساس بوده
و در تولید بیوگاز تأثیر منفی دارد . درجه حرارت در مخزن تخمیر باعث از بین رفتن بسیاری از باکتریهای
بیماری زا و انگلها می شود.
مرحله سوم مرحله دوم مرحله اول
خاصیت اسیدی یاپی اچ مواد
باکتریهای متان زا که در فرایند تخمیر شرکت م ی کنند نسبت به پی اچ محیط حساسیت دارند و فعالیت این این باکتریها و دیگر ارگانیسمهای بیهوازی در محیطی با پی اچ در حدود 6/8 تا 7/2 امکان پذیر می باشد
. کاهش پی اچ باعث اختلال در زندگی باکتریهای متان زا شده و تولید گاز متان متوقف می شود. در صورتی که محیط قلیایی شودو پی اچ آن بالا برود با ید صبر نمود تا پی اچ محیط دوباره به حالت تعادل برگردد و سپس مواد اولیه را به آن اضافه نمود.
نسبت کربن به ازت مواد
باکتریهای بیهوازی برای زنده ماندن و انجام فعالیتهای خود نیازمند کربن و ازت می باشند. باکتریهای
بیهوازی معمولاً کربن را بعنوان منبع انرژی جهت رشد و نمو و ازت را برای ساختن دیواره سلولی خود
مصرف می کنند. نسبت این مواد در کنترل فعل و انفعالات بسیار مهم است؛ میزان مصرف کربن نسبت به
ازت 30 تا 35 برابر سریعتر می باشد؛ لذا نسبت C/Nموجود در مواد اولیه جهت فعالیت باکتریهای بیهوازی و
سرعت تخمیر و متعاقب آن تولید گاز متان بسیار موثر است. وقتی نسبتC/Nزیاد شود، ازت زودتر از کربن
تمام می شود و کربن باقیمانده باعث اسیدی شدن محیط می گردد و بالعکس زمانی که نسبتC/Nکم شود،
ازت بصورت گاز آمونیاک از محیط خارج و موجب قلیایی شدن محیط می گردد و نیز تولید گاز بعلت عدم
وجود کربن متوقف می شود. در حالت ایده ال این نسبت کربن به ازت در حدود 25 تا 30 می باشد.
4. میزان رطوبت و آب مورد نیاز
میزان آب در مواد اولیه که بایستی مورد تخمیر قرار گیرند در حدود 90 % از وزن کل مواد را تشکیل
می دهد. افزایش و یا کاهش زیاده از حد رطوبت مواد در مخزن تخمیر، تأثیر بسزایی در تولید گاز دارد.
5. درجه غلظت مواد
برای اینکه باکتریها بتوانند مواد آلی را جذب کنند، لازم است که مواد بصورت محلولی رقیق درآیند.
در مخازن بیوگاز بهترین غلظت مواد جهت عملیات تخمیر بیهوازی در حدود 7 الی 9 درصد مواد جامد
می باشد. ازدیاد غلظت مواد موجب افزایش چسبندگی و مانع از رشد باکتریها و کاهش غلظت موجب لایه
لایه شدن محلول می شود که مستلزم همزدن مداوم محلول است. معمولاً مواد اولیه مورد استفاده در تخمیر
بیهوازی غلظت بالایی داشته و لازم است تا با نسبت معینی آب رقیق شوند.
6. عدم وجود عناصر بازدارنده سمی
در غلظتهای زیاد بعنوان بازدارنده تولید Na,Ca,Mg,K,Fe در سیستمهای بیوگاز وجود عناصری مانند
گاز هستند و موجب کندی یا توقف رشد باکتریهای متان زا می شوند؛ اما غلظت کمی از آنها م ی تواند سبب
تحریک رشد باکتریها و افزایش سرعت تولید گاز گردد.
7. مدت زمان ماند مخلوط در مخزن هاضم
این مدت زمان در حقیقت فاصله میان زمان ورود حجم مشخصی از فضولات از طریق لوله ورودی به
مخزن هاضم و زمان خروج آن از طریق لوله خروجی بشمار می آید. زمان ماند بسیار حائز اهمیت است زیرا
چنانچه مواد ورودی به اندازه کافی درون مخزن باقی نمانند و روند هضم و تخمیر کامل نشود، بیوگازی
تولید نخواهد شد؛ در این صورت از آنجایی که مخزن هاضم تنها برای مدت کوتاهی در اشغال حجم معینی
از فضولات ورودی می باشد، عامل مذکور نقشی را در طراحی مخزن هاضم بازی نخواهد کرد. تولید گاز با
افزایش زمان ماند، روند افزایشی دارد؛ بعبارت دیگر تولید گاز متان با زمان ماند طولان یتر بیشتر خواهد
شد.
8. یکنواخت بودن محلول
یکنواخت نگهداشتن محلول از نظر غلظت و درجه حرارت بر روی سرعت تکثیر باکتریها تأثیر مثبت
دارد. همزدن مواد داخل محفظه تخمیر که با افزودن روزانه مواد به محفظه تخمیر صورت می گیرد، موجب
تحریک بیشتر باکتریها و متعاقب آن تولید گاز می شود.
