Қошқар ата
Реферат
Биогаз алу және қолдану биотехнологиясы: негіздері, микробиологиясы және ауылдық жағдайда есептеу үлгісі
Бұл мәтінде биотехнология ұғымы, органикалық қалдықтардан биогаз өндірудің (анаэробты метандық ашу) ғылыми негіздері, биометаногенездің микробиологиялық ерекшеліктері және Жамбыл облысы, Жуалы ауданы, Қошқар ата ауылы үшін есептік үлгі ұсынылады.
Биотехнология ұғымы және оның мәні
Биотехнология (грекше bios — тіршілік, techne — өнер, шеберлік, logos — ғылым) — тірі ағзалар мен биологиялық үдерістерді өндірістік мақсатта пайдалану саласы.
Терминді алғаш рет 1917 жылы венгр инженері Карл Эреки енгізген. Оның түсіндіруінше, биотехнология — тірі организмдердің көмегімен белгілі бір өнімдерді өндіруге бағытталған жұмыстардың жиынтығы.
Қазіргі түсінікте биотехнология — биологиялық объектілер мен процестерге сүйене отырып, экономикалық тұрғыдан тиімді әрі қоғамдық маңызы бар өнімдерді өндіру, сондай-ақ жоғары өнімді микроорганизм штаммдарын, өсімдік сорттары мен формаларын және асыл тұқымды жануарларды алу бағытындағы ғылым мен өндірістің заманауи саласы. Бұл ретте микроорганизмдер, өсімдіктер мен жануар жасушалары, жасуша органоидтері және биологиялық белсенді молекулалар қолданылады.
Органикалық қалдықтан биогаз алу: метандық ашудың негізі
Негізгі қағида
Биогаз алу органикалық заттардың анаэробты жағдайда (оттегісіз) метандық ашу арқылы ыдырап, жанғыш газ қоспасын бөлуіне негізделеді.
Биогаз құрамы
- Метан (CH₄): 50–80%
- Көмірқышқыл газы (CO₂): 20–30%
- Күкіртсутек (H₂S): шамамен 1%
- Ізі аз басқа газдар: азот, оттегі, сутегі, аммиак және т.б.
Метантүзуші бактериялар органикалық қышқылдарды метан мен көмірқышқыл газына айналдырады. Бұл күрделі консорциумға микроорганизмдердің мыңдаған түрлері қатысқанымен, үдерістің өзегін метантүзуші бактериялар құрайды.
Метантүзуші бактериялар қышқыл түзуші ашытқы микроорганизмдермен салыстырғанда баяу көбейеді және ортаның өзгерістеріне төзімділігі төмен. Сондықтан ашу ортасында бастапқыда ұшқыш қышқылдар жиналып, метандық ашудың алғашқы кезеңі қышқылдық кезең деп аталады. Кейін қышқылдардың түзілуі мен ыдырауы теңесіп, субстраттың ыдырауы мен газдың түзілуі қатар жүреді.
Газ түзілу өнімділігі метантүзуші бактериялардың тіршілік ету жағдайына — температураға, ылғалдылыққа, орта тұрақтылығына және қоректік субстраттың құрамына тікелей тәуелді.
Биометаногенез: микробиология және биохимиялық ерекшелік
Синтрофияның рөлі
Биометаногенездің маңызды ерекшелігі — таза культурада бір өнімдер түзілсе, синтрофиялық бірлестікте (микроорганизмдер қауымдастығында) басқа өнімдер түзілуі мүмкін.
Мысал: күйіс қайыратын малдың қарны
Selenomonas ruminantum глюкозаны лактатқа дейін ашыта алады. Ал синтрофиялық ассоциацияда Methanobrevibacter ruminantium қатысуымен ацетат, метан және CO₂ түзіледі.
Мысал: термофильді жүйе
Clostridium thermocellum таза культурасында ашыту нәтижесінде этанол, ацетат, H₂ және CO₂ түзілуі мүмкін. Синтрофиялық ассоциацияда Methanobacterium thermoautotrophicum қатысуымен ацетат, метан және CO₂ басым түзіледі.
«Сазды балшық газы» немесе «болотный газ» деп те аталатын метан көгілдір жалынмен жанады, әдетте иіссіз және түтінсіз. Ал ағаш немесе тезек жаққанда түтін бөлініп, қоршаған ортаға қосымша ластаушы заттар тарайды.
Биохимиялық тұрғыдан метандық «ашыту» — анаэробтық тыныс алу түрі: органикалық заттардан шыққан электрондар көмірқышқыл газына тасымалданып, ол метанға дейін тотықсызданады. Метантүзуші бактериялар үшін электрон доноры ретінде көбіне сутегі қызмет атқарады.
Реакциялардың қысқаша үлгілері
4C6H5COOH + 24H2O → CH3COOH + 4HCOOH + 8H2 (бензоат)
12CH3COOH → 12CH4 + 12CO2 (ацетат)
4HCOOH → 4CO2 + 4H2
3CO2 + 12H2 → 3CH4 + 6H2O
4C6H5COOH + 18H2O → 15CH4 + 13CO2
Метаногенезге жиі қатысатын түрлердің қатарына Methanobacterium formicicum және Methanospirillum hungatei жатады. Мысалы, Methanobacterium kadomensis (штамм 23) әдетте 20 күн жүретін метаногенезді 8 күнде жүргізе алатыны көрсетілген.
Практикалық деңгейде көңнің ашу ұзақтығы субстрат түріне байланысты: ірі қара мен үй құстарының көңі үшін шамамен 20 күн, ал шошқаның сұйық көңі үшін 10 күн қажет болуы мүмкін.
Егер жыл сайын түзілетін сиыр тезегінің 300 млн тоннасы биогазға айналдырылса, алынатын энергия мөлшері шамамен 33 млн тонна мұнайдан алынатын энергияға теңеседі. Бұл есеп бойынша 1 тонна сиыр тезегі ≈ 0,11 тонна мұнай энергиясына сәйкес келеді. Сонымен бірге ірі қара мен шошқа көңі тең мөлшерде болса, шошқа көңінен биогаз шамамен 50% көбірек өндіріледі.
Қошқар ата ауылы бойынша есептік үлгі (Жамбыл обл., Жуалы ауд.)
Есептің мақсаты
Дәстүрлі мал шаруашылығымен айналысатын Қошқар ата ауылы үшін биореактордың ұсынылатын көлемін, тәуліктік шикізат мөлшерін, биогаз өнімін және тұрғындардың сұранысын шамалап анықтау.
1) Тәуліктік шикізат дозасы (көң мөлшері)
| Мал түрі | Саны | Норма | Тәуліктік мөлшері |
|---|---|---|---|
| Мүйізді ірі қара | 1989 | 36 кг/тәулік | 71 604 кг (71,604 т) |
| Қой-ешкі | 10 404 | 4 кг/тәулік | 41 616 кг (41,616 т) |
| Жылқы | 459 | 10 кг/тәулік | 4 590 кг (4,59 т) |
| Құс | 5355 | 0,16 кг/тәулік | 856,8 кг (0,8568 т) |
| Барлығы | 118 666,8 кг (118,6668 т) |
Демек, бір тәулікте түзілетін шикізаттың дозасы ДШ = 118,6668 т.
2) Су қосу және ылғалдылық
Зерттеу жұмысы жаз айларында жүргізілгендіктен, қажетті ылғалдылыққа жеткізу үшін шикізат пен су арақатынасы 2:1 деп алынды. Осыған сәйкес, шикізатқа қосылатын су дозасы:
Қосылатын су
ДС = 59 333,4 л
Тәуліктік жалпы қоспа
Д = ДШ + ДС = 178 т
3) Режимді таңдау және реактор көлемін есептеу
Мүйізді ірі қара, жылқы, қой-ешкі көңі және құс саңғырығы ашу барысында биогазды 10–15 күн аралығында қарқынды бөлуі мүмкін болғандықтан, реактор үшін мезофильді режим таңдалды.
Мезофильді режимде айналу уақыты, әдетте, 10–20 тәулік. Қолданылатын тәуліктік доза (Д) реактордағы шикізаттың жалпы көлемінің (ШЖ) 1/20–1/10 бөлігін құрайды. Бұл есепте:
Тәуліктік доза
Д = 178 т
Д = ДШ + ДС
Жалпы көлем
ШЖ = 10 × Д
ШЖ = 1 780 т
Реактор көлемі
РК = 1,5 × ШЖ
РК ≈ 2 670 м³
Ескертпе: қондырғыдағы шикізаттың жалпы көлемі реактордың шамамен 2/3 бөлігінен аспауы керек деген шарт ескерілді.
Қорытынды есеп бойынша Қошқар ата ауылында мал санына байланысты биореактордың ұсынылатын көлемі шамамен 2670 м³.
4) Тәуліктік биогаз өнімі және ауыл сұранысы
Биогаздың тәуліктік өнімі (есептік аралық)
- Мүйізді ірі қара (71,604 т): 2721–3688 м³
- Қой-ешкі (41,616 т): 1894–3912 м³
- Жылқы (4,59 т): 139–209 м³
- Құс (0,8568 т): 40–81 м³
- Жалпы: 4794–7890 м³/тәулік
Тұрғындардың тәуліктік сұранысы
Ауылдағы 176 үй бойынша талдау нәтижесінде бір жанұядағы адам саны орташа есеппен 4 адам деп алынды.
1 жанұяға қажет
49,6–52,6 м³
176 үйге қажет
8729,6–9257,6 м³
Есеп бойынша ауылдың тәуліктік қажеттілігі 8729,6–9257,6 м³, ал өндірістік әлеует 4794–7890 м³ аралығында. Демек, толық қамту үшін қондырғы параметрін, шикізат жинау-логистикасын, жылу режимін немесе қосымша субстрат көздерін (мысалы, өсімдік қалдықтары) қарастыру қажет.
Биогаз қондырғысы: жұмыс принципі және өнімдері
Биогаз қондырғысы — ауыл шаруашылығы өнімдерінің органикалық массасы белгілі температурада ашытылатын, нәтижесінде биогаз түзілетін үдеріс жүретін герметикалық жабық реактор.
Жұмыс қағидасы жалпы алғанда бірдей: жиналған және қажетті ылғалдылыққа жеткізілген шикізат реакторға беріледі; реактор ішінде ашытуға қолайлы жағдай жасалып, органикалық заттар ферментацияға ұшырайды. Нәтижесінде екі негізгі өнім түзіледі: биогаз және биотыңайтқыш (ашытылған қалдық).
Биогазды қолдану
- Тазалау және сақтау
- Газ жанарғысында тұрмыстық отын ретінде пайдалану
- Мотор отыны ретінде қолдану (тиісті өңдеуден кейін)
Биотыңайтқышты қолдану
- Сақтау және топыраққа енгізу
- Жем қоспалары ретінде қолдану мүмкіндігін бағалау (технологиялық және санитарлық талаптарды сақтай отырып)
Экономикалық және экологиялық тиімділік
Экономикалық пайда
- Отын мен электр энергиясын үнемдеу
- Тыңайтқыш пен гербицид шығынын азайту
- Биогаз және биотыңайтқышты сату мүмкіндігі
- Ауыл шаруашылығы дақылдарының өнімділігін арттыру
- Жем дайындау тізбегінде қосымша мүмкіндік (қолданылуына қарай)
- Қондырғы шығынын шамамен бір жыл ішінде өтеу ықтималдығы (жағдайға байланысты)
- Тезек, көмір, ағаш отынды жинау, тасымалдау, кептіруге кететін уақыт пен қаржыны үнемдеу
- Органикалық қалдықта арамшөп тұқымдарының азаюы нәтижесінде еңбек шығынын қысқарту
Экологиялық пайда
- Ашық сақталатын көңнен шығатын метанның атмосфераға таралуын азайту
- Көмір мен ағаш отындарын жағудан туатын шығарындыларды төмендету
- Жағымсыз иісті азотты қосылыстармен ауаның ластануын азайту
- Көң арқылы су ресурстарының ластануын төмендету
- Ағашты (орманды) отын ретінде пайдалануды қысқарту
- Химиялық тыңайтқыштарды қолдану көлемін азайту
- Микроорганизмдердің азаюы арқылы санитарлық-эпидемиологиялық жағдайдың жақсаруы
Қорытынды ой
Биогаз технологиясы ауыл тұрғындарының тұрмысы мен шаруашылығына қажетті энергияны жергілікті органикалық қалдықтан өндіруге мүмкіндік береді. Қошқар ата ауылы бойынша жүргізілген есептік талдау негізінде, анықталған шамамен реактор көлеміне сай биореакторлы биогаз қондырғысын орнату ұсынылады. Сонымен бірге өндіріс пен сұраныс арақатынасын толық теңестіру үшін режим, субстрат құрамы және жылу-техникалық шешімдер қайта нақтылануы қажет.
Пайдаланылған әдебиеттер
- Сасон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир, 1987. — 410 с.
- Нейфах А.А. Клеточные и генетические основы биотехнологии. М.: Знание, 1987. — 64 с.
- Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. Л.: ЛГУ, 1989. — 248 с.
- Миллер Т. Жизнь в окружающей среде. Том II. М.: Прогресс, 1994. — 335 с.
- Стейниер Р., Эделберг Э., Ингрем Дж. Мир микробов. М.: Мир, 1979. Т. 1–3.
- Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир, 1987. — 563 с.
- Метаболизм микроорганизмов / под ред. Н.С. Егорова. М.: МГУ, 1986. — 256 с.
- Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. М.: МГУ, 1992. — 376 с.
- Веденев А.Г., Веденев Т.А. Биогазовые технологии в Кыргызстане. Бишкек: «Евро», 2006. — 90 с.
Авторлық дерек (мәтіндегі көрсетілім бойынша)
- Оқу орны
- Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті (Астана, Қазақстан)
- Студент
- БТ-11 Хансейт Ақерке
- Жетекші
- Абаш Алтынгүл Сембайқызы