In 2024 het die wêreldwye verskuiwing na hernubare energie intensifiseer, met biogas wat na vore kom as 'n sleutelspeler in volhoubare energie-oplossings.
Volgens die Internasionale Energie-agentskap (IEA), Biogasproduksie sal na verwagting teen 40 met 2030% groei, gedryf deur vooruitgang in anaërobiese verteringstegnologie en toenemende vraag na skoon energie.
Indië, een van die grootste produsente van organiese afval, fokus al lank op biogas as 'n gedesentraliseerde energie-oplossing, met regeringsinisiatiewe soos die Volhoubare Alternatief Towards Bekostigbare Vervoer (SATAT)-skema wat die produksie van saamgeperste biogas (CBG) bevorder.
Aangesien kommer oor afvalbestuur en energiesekerheid steeds toeneem, bied die benutting van energie uit organiese materiaalontbinding 'n kragtige oplossing.
Energie word nie geskep of vernietig nie; dit transformeer van een vorm van energie na 'n ander.
Almal is goed vertroud met hierdie wet van termodinamika.
Dit lei dus tot 'n aantal vrae oor wat met organiese materiaal gebeur wanneer dit ontbind.
Wat kan gedoen word om die energie wat geskep word as gevolg van organiese materiaalontbinding te benut?
Eenvoudig gestel, energieproduksie uit organiese materiaalontbinding is die ideale uitkoms wat verwag kan word van enige "beste-uit-afval"-strategie!
Wanneer 'n organiese materiaal ontbinding ondergaan, volg dit óf aërobiese óf anaërobiese verteringsroetes, afhangende van die beskikbaarheid van lug en omgewingstoestande.
Aërobies beteken in die teenwoordigheid van suurstof, en anaërobies beteken sonder suurstof.
Aangesien dit twee heeltemal verskillende tipes prosesse is, word beide verteringsprosesse deur verskillende stelle bakterieë uitgevoer en lei tot verskillende eindprodukte.
Die energie wat vrygestel word tydens die biodegradasie van die organiese afval kan benut en in 'n bruikbare produk omskep word.
Die beheerde aërobiese vertering van organiese materiaal kan ons voorsien van 'n nutriëntryke kunsmis wat as kompos bekend staan.
Net so, die die proses van anaërobiese vertering kan lei tot biogasproduksie, wat 'n uiters nuttige energiebron kan wees wat op 'n magdom toepassings gerig is.
Die natuurlike proses van anaërobiese vertering vind plaas in die mae van herkouers of moerasse.
In 'n anaërobiese proses breek mikroörganismes die organiese materiaal af om biogas te produseer, wat 'n mengsel van metaan (CH4), koolstofdioksied (CO2), waterstofsulfied (H2S), koolstofmonoksied (CO), waterstof (H2), stikstof (N2) en waterdamp is.
Van al die eindprodukte wat verkry word uit anaërobiese vertering, is metaan die interessantste gas as gevolg van sy eienskappe.
Metaan wat uit biogas opgewek word, is brandbaar en kan as 'n bron van energie gebruik word.
Die proses van biogasproduksie is 'n meerstapproses wat deur 'n ander stel bakterieë by elke stap uitgevoer word.
Die organiese materiaal ondergaan 'n ketting van afbraakstappe, naamlik hidrolise, asidogenese, asetogenese en metanogenese.
Aan die einde van hierdie ketting van prosesse, die organiese materiaal word omgeskakel in metaan en ander eindprodukte, en hierdie proses staan bekend as biogasproduksie.
Die organiese materiaal wat by anaërobiese verteerders gevoeg word, is van nature 'n komplekse polimeer.
Die hidroliseproses breek in wese die organiese makromolekule af in kleiner verbindings.
Die hidrolitiese bakterieë skei ensieme soos amilase, sellulose, protease en lipase af wat koolhidrate in eenvoudige suikers soos monosakkariede en disakkariede afbreek, en proteïene word na aminosure omgeskakel, terwyl lipiede na verskillende kettings van vetsure omgeskakel word.
Die Die optimale pH vir hidrolise is 6 tot 7, en die temperatuurreeks is 30 tot 50 °C.
Dit is die eerste stap in die rigting van biogasproduksie en is van kritieke belang, want hoe hoër die afbreek van komplekse materie, hoe meer beskikbare substraat vir biogasproduksie is.
Die hidrolisestap verskaf klein molekulêre verbindings as eindproduk wat deur die selmembraan van suurogene bakterieë kan beweeg.
Die asidogene bakterieë omskep voorloperverbindings in tussenverbindings wat bekend staan as vlugtige vetsure (VFA's), alkohole soos metanol, etanol en aldehiede, en CO2.
VFA bestaan uit organiese sure soos asetate en groter organiese sure soos propionaat, butiraat en pentanoaat in verskillende verhoudings.
Asetaat word direk as 'n substraat vir metanogenese gebruik, maar dit is nie die geval met hoër organiese sure nie.
Asetogenese is 'n proses waardeur hoër organiese sure, soos propionaat en butiraat, deur asetoklastiese bakterieë na asetaat en waterstof omgeskakel word.
Vanuit die asetogenese-proses, die die produksie van asetate is ongeveer 25%, terwyl dié van waterstof ongeveer 11% is.
Metanogenese is die laaste stap van anaërobiese vertering.
Die metanogeniese bakterieë omskep die tussenprodukte van vorige stappe, soos asetate, waterstof, metanol en metielamien, in metaan en H2O.
Asetaat word deur asetoklastiese metanogene verbruik en in metaan omgeskakel.
Nog 'n stel hidrogenotrofiese metanogene verminder CO2 die gebruik van waterstof om metaan tydens die asetogenese-stap te produseer en dit in metaan om te skakel.
Die proses van metanogenese vind plaas by 'n hoër pH. 2/3 van die metaan wat geproduseer word, word gegenereer deur asetoklastiese metanogenese, terwyl 1/3 gegenereer word deur hidrogenotrofiese metanogenese.
Die hidroliseproses word uitgevoer deur 'n groep anaërobiese bakterieë, soos Streptococcus en Enterobacterium, ook bekend as fermentatiewe bakterieë..
Hulle skei ekstrasellulêre ensieme af, wat geadsorbeer word op die afval wat vertering ondergaan.
Die gehidroliseerde afval word verder omgeskakel na organiese sure deur genera van bakterieë soos Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Mikrokokkus, of Flavobakterieë.
Afhangende van die diverse populasie van mikroörganismes, die asidogenese proses kan uitgevoer word in óf 'n gehidrogeneerde proses, waar die direkte eindprodukte asetate, waterstof en CO2 is, óf 'n gedehidrogeneerde proses, waar die afval omgeskakel word na hoër organiese sure.
Nog 'n funksie van fakultatiewe asidogene bakterieë is om 'n werksomgewing vir verpligte anaërobe in die volgende prosesse te skep.
Die fakultatiewe anaërobe gebruik enige suurstof wat in die verteerder teenwoordig is, wat 'n volledige anaërobiese toestand skep.
Die proses van asetogenese word uitgevoer deur die genera Syntrophomonas en Syntrophobacter, wat butiraat en propionaat in asetaat en waterstof omskakel, en sommige bakterieë soos Methanobacterium suboxydans skakel die pentaansuur om na propioonsuur, terwyl Methanobacterium propionicum propioonsuur in asetaat omskakel.
Die waterstof wat vrygestel word as gevolg van asetogenese is inhiberend vir asetogene bakterieë; in so 'n geval werk die hidrogenotrofiese bakterieë simbioties om die vrygestelde waterstof na metaan om te skakel, en hierdie proses word ook sintrofie genoem.
Die laaste stap van metanogenese word ook deur twee verskillende stelle bakterieë uitgevoer, afhangende van die substraat wat vir metaanopwekking gebruik word.
Asetotrofiese bakterieë, soos Methanosarcina en Methanosaeta, is die mees algemene genera van asetotrofiese bakterieë wat metaan van asetaat omskakel, terwyl genera Methanobacteriaceae en Methanoculleus algemene hydrogenotrofiese bakterieë is wat waterstof as 'n tussenproduk vir metaanopwekking gebruik.
Oor die algemeen is anaërobiese vertering 'n sensitiewe proses; daarom moet 'n spesifieke soort materiaal gebruik word.
Die voer wat vir mense en diere gebruik word, of hul neweprodukte, kan as grondstof vir biogasproduksie gebruik word.
Om die grondstof vir biogasproduksie te bepaal, is dit nodig om die waterinhoud, totale vaste stowwe en vlugtige vaste stowwe van daardie grondstof in ag te neem.
Enige materiaal sal water en droë materiaal bevat.
Die droë materiaal word verder geklassifiseer as totale vastestofinhoud, wat die totale massa van die vastestof is, en vlugtige vastestowwe, wat die totale hoeveelheid afbreekbare organiese materiaal is.
Dit word aanbeveel om materiaal met 'n hoë vlugtige vastestofinhoud te gebruik.
Voedselbyprodukte kan as grondstof vir biogasproduksie gebruik word, wat maklik teen 'n lae koste beskikbaar kan wees by markafval, voedselverwerking en restaurante.
Voedselbyprodukte kan maklik afgebreek word.
Dit is raadsaam om een konsekwente bron van voedselvoorraad vir biogasproduksie te gebruik om 'n konsekwente materiaal vir voermateriaal te hê.
Mis is onverteerde dierevoer met bykomende water en beddegoed. Dit is ook 'n goeie bron van mikroörganismes.
Beesmis word meestal verkies, terwyl vark- en pluimveemis 'n hoë stikstofinhoud bevat; dit kan dus lei tot 'n lae C:N-verhouding van die reaksiestelsel.
Vars mis werk die beste vir anaërobiese vertering.
Die byvoeging van energiegewasse as 'n sekondêre grondstof kan die biogasproduksie verhoog.
Energiegewasse sluit in grasse, mieliekuilvoer en hooi.
Die energiegewasse moet gewoonlik van die mark gekoop word; daarom moet die energie-uitset die koste van grondstowwe dek.
'n Anaërobiese verteerder is 'n verwerkingseenheid waar organiese materiaal anaërobies verteer word onder beheerde toestande om die vorming van digestaat en biogasproduksie te bevorder.
'n Anaërobiese verteerder is 'n geslote, lugdigte struktuur.
Dit het 'n inlaatpyp om die byvoeging van rou materiaal aan die verteerder te verseker.
Die inlaatpyp bereik die verteerder. Die verteerder is waar al die anaërobiese vertering plaasvind.
Die verteringseenheid se volume word verdeel om die vereiste hoeveelheid slurry en kopruimte vir gasophoping tydens biogasproduksie te handhaaf.
Bo-op die verteerder is daar 'n gaspyp met 'n klep om die gasuitvloei te beheer sodra biogasproduksie begin.
Daar is 'n uitlaatarea en 'n oorlooparea wat oortollige slyk akkommodeer en dit toelaat om oor te loop wanneer nodig.
Die mees algemeen gebruikte bedryfsparameter vir anaërobiese vertering en biogasproduksie is 'n eenstadium, deurlopende stelsel wat onder mesofiele toestande funksioneer, waar die nat afval ideaalweg as voermateriaal verkies word.
Met inagneming van hierdie parameters en afhangende van skaalbaarheid, is ideale tegnologieë vir biogasproduksie die vaste koepelreaktor, die drywende dromreaktor en die ballontipe reaktor.
'n Vaste koepelvergister is 'n geslote stelsel wat van bakstene en sement gebou is.
Die verteringsarea is ondergronds gebou, en die inlaat, gasbeheerklep en uitlaat is bo die grond geleë.
Hierdie tipe vergister het 'n vergelykend lang lewensduur onder die reaktore wat vir biogasproduksie gebruik word.
Ondergrondse konstruksie bespaar ruimte en neutraliseer die temperatuurskommelings wat buite plaasvind.
'n Swewende drom werk op 'n soortgelyke beginsel as dié van 'n vaste koepel, maar die hoofverskil is dat die verteringstank ondergronds gebou is, terwyl die gasopboudrom bo die grond dryf.
Die drom beweeg opwaarts soos die gasdruk toeneem tydens biogasproduksie, en wanneer die gas verbruik word, kom dit af as gevolg van sy eie gewig wat op 'n watermantel of slurry dryf.
Gashouerdromme kan van metaal, plastiek of veselglas gemaak word.
Dit is 'n laekoste-biogasvergeerder wat vir biogasproduksie gebruik word en lyk soos 'n buisvormige ballon van plastiek of rubber.
Die onderkant van die verteerder word onder die grond in 'n putagtige area geplaas.
Die inlaat en uitlaat is van dieselfde materiaal gemaak en is aan die ballon gekoppel.
Alhoewel dit 'n koste-effektiewe oplossing is, het dit 'n korter lewensduur en is dit vatbaar vir meganiese skade.
Slegs 'n goeie infrastruktuur is nie genoeg om jou bevredigende metaanproduksie te gee nie.
Aangesien dit 'n komplekse stelsel is, moet verskeie parameters van begin tot einde gehandhaaf word om 'n goeie biogasproduksie te verkry.
'n Organiese afvalfraksie van die voermateriaal moet hoë vlugtige vaste stowwe bevat.
Die deeltjiegrootte van die voermateriaal moet baie klein wees, ongeveer 2 cm.
'n Versnipperaar kan gebruik word om 'n voermateriaal van eenvormige grootte te verkry, aangesien 'n groot oppervlakte vinnige afbraak bevorder.
Hierdie mikroörganismes voer die proses van biogasproduksie uit.
Die byvoeging van koeimis-slurry, tesame met gespesialiseerde mikrobiese konsortiums, help met doeltreffende biogasproduksie.
A 'n Minimum van 10 tot 15% van die reaktorvolume van koeimis is noodsaaklik om die biogasproduksieproses te begin.
Die mesofiele mikroörganisme neem 'n langer inbedryfstellingstyd in vergelyking met termofiele mikrobes.
Die kwantum en suiwerheid van metaan wat in biogasproduksie geproduseer word, hang af van die C:N-verhouding van die insetmateriaal.
Die optimale C:N-verhouding vir biogasproduksie is 30:1.
Dit is, Vir elke 30 eenhede wat deur bakterieë verbruik word, benodig dit 1 eenheid stikstof as 'n voedselbron.
'n Korrekte verhouding van koolstof en stikstof kan optimale biogasproduksie via anaërobiese vertering lewer.
Organiese laaitempo beteken die massa substraat wat per dag bygevoeg moet word, afhangende van die volume van die reaktor, om geoptimaliseerde biogasproduksie te verseker.
OLR word gemeet as 'n kilogram totale vlugtige vaste stowwe per kubieke meter per dag.
'n Ideale OLR vir 'n ongeroerde tenkreaktor is <2 kg VS/m3 per dag, terwyl 'n geroerde tenkreaktor ongeveer 4 – 7 kg VS/m3 per dag benodig.
Die gunstige temperatuurreeks vir mesofiele bakterieë is tussen 30 – 40 °C, en vir termofiele bakterieë lê dit tussen 45 -60 °C.
Die kouer temperatuur onder 15 °C vertraag die proses. Biogasproduksie is bekend daarvoor dat dit in kouer weer belemmer word.
Die Die optimale temperatuur vir biogasproduksie is neutraal, wat van 6.5 tot 7.6 is..
Die proses van asidogenese verlaag die pH tot 'n suur vlak.
By 'n pH-waarde van 7 tot 7.5 verskaf die CO2 in die gasfase die alkaliniteit wat benodig word om die verskuiwing in pH wat deur VFA's veroorsaak word, te buffer.
In die geval van 'n pH-skokbelasting deur asidogenese, moet die OLR verminder word, of die byvoeging van kalk of natriumhidroksied kan die pH tot normaal verhoog.
Die pH van die stelsel is die belangrikste parameter vir optimale biogasproduksie.
Die duur waarvoor die materiaal in die reaktor bly, hang af van die grootte van die reaktor en die tempo van afbraak.
'n Mesofiele reaksieproses duur gewoonlik tussen 10 en 40 dae, terwyl 'n termofiele proses ongeveer 10 tot 25 dae duur.
Biogasproduksie mag dalk lyk soos 'n proses waar die organiese materiale omgeskakel kan word na metaan wat as 'n bron van brandstof gebruik kan word, maar die proses van biogasproduksie het 'n groter impak op die omgewing en finansieel.
Ten slotte kan biogasproduksie die koste van biologiese vaste afvalbestuur in 'n inkomstegenererende geleentheid vir lande omskep.
Biogasproduksie kan lei tot alternatiewe vir verhitting, vervoerbrandstof en elektrisiteitsopwekking en kan dus kweekhuisgasopwekking en afhanklikheid van fossielbrandstowwe verminder en werksgeleenthede skep in andersins toenemend wisselvallige ekonomieë regoor die wêreld.
Nie net dit nie, die verteerstof wat as gevolg van biogasproduksie geskep word, kan gebruik word as 'n alternatief vir chemiese insette wat gebruik word om grond in die landbou te bemes.
In die lig van die vele voordele daarvan, is biogasproduksie die sleutel tot 'n groener en beter toekoms.
