Реферат: Получение газообразного и жидкого топлива. Получение биогаза, метана, спиртов, тепловой энергии

Органические кислоты, спирты,

NH,СО₂ и Н₂

Углеводы, белки и другие биополимеры

Ацетат, формиат Н2 , СО2

СО₂ + СН₄

Рис. 1 Деструкция биополимеров до метана природными ассоциациями микроорганизмов, протекающая в 3 стадии

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 aerofaciens.

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 rumi- nantium и Methanosarcina ssp . После определенного срока работы метантенка при установленном температурном режиме и на постоян­ном субстрате образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. В ходе изучения микрофлоры свиного навоза при метановом брожении выделено около 130 различных бактерий.

Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осуществляют бактерии семейств Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Streptococcaceae, атакже представители родов Clostridium, Butyrivibrio, Bacteroides, Rumino­ coccus и некоторых других способных к брожению.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.

Свойства метанобразующих бактерий

Полагают, что метанобразующие бактерии, или метаногены, возникли около 3,0—3,5 млрд. лет тому назад и достигли своего расцвета в архее.

Сейчас эти микроорганизмы имеют достаточно широкое распространение, приуроченное к анаэробным условиям. Вместе с другими бактериями они активно участвуют в деструкции орга­нических веществ в различных экологических нишах: в болотном, речном и озерном иле, в осадках морей и океанов, в искусственных технических сооружениях — метантенках, в рубце жвачных и пищеварительном тракте ряда других животных.

Среди этих бактерий есть организмы, клетки которых близки к сферическим, образующие агрегаты, похожие на сарцин, ланце­товидные, палочковидные и нитевидные формы. Большинство неподвижны, но отдельные виды проявляют способность к дви­жению в результате наличия жгутиков.

Как и другие архебактерии, метаногены отличаются от ос­тальных прокариот (эубактерий) составом ряда компонентов клеток, в том числе клеточной стенкой, не содержащей муреина, а также характером липидов, в которые не входят жирные кислоты. Большую часть нейтральных липидов составляют про­стые эфиры глицерина и длинноцепочечного спирта фитанола. В метаболизме метанобразующих бактерий участвует кофермент М (2-меркаптоэтансульфоновая кислота), факторF₄₂₀ , представляющий собой особый флавин, и ряд других соединений, которые у остальных организмов не обнаружены или встречаются крайне редко. Но главное, что отличает метаногенов, как и дру­гих архебактерий, от остальных организмов, — это нуклеотидная последовательность в 16S рРНК, о чем свидетельствует изучение состава получаемых из нее олигонуклеотидов.

В то же время отдельные виды метанобразующих бактерий по этому показателю, а также содержанию ГЦ в ДНК (от 30,7 до 61,0 мол. %) могут отличаться весьма значительно. На этом основании их подразделяют на три порядка, включающих не­сколько семейств и родов. Наиболее изученными видами явля­ются Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkeri, Methanobrevibacter ruminantium.

Все метанобразующие бактерии — строгие анаэробы. Как уже говорилось выше, они делятся на мезо- и термофилов. К числу термофилов относится, например, М. thermoautotrophicum. Оптимальное значение рН для роста разных видов 6,5—8,0. Некоторые штаммы способны расти при наличии в среде до 5—7 % и более NaCl.

Как источник серы бактерии чаще всего используют сульфид, а как источник азота — аммоний. Некоторые виды нуждаются для роста в наличии дрожжевого автолизата или смеси витаминов. Известны также метанобразующие бактерии, для роста ко­торых необходимо присутствие ацетата и (или) других органических веществ.

Но довольно многие из этих микроорганизмов могут расти в автотрофных условиях (при наличии в качестве единственного источника углерода углекислоты).

Ассимиляция углекислоты в автотрофных условиях, как пока­зано для М. thermoautotrophicum, происходит особым нециклическим путем. Началом его является образование из углекислоты С₂ -соединения в виде, ацетил-кофермента А (КоА). Дальнейшее превращение ацетил-КоА включает следующие реакции:

ацетил-КоАпируватфосфоенолпируватоксалоацетатмалатфумарат сукцинат

сукцинил-КоА α-кетоглутарат.

Образующиеся пируват, оксалоацетат, 2-кетоглутарат исполь­зуются частично для синтеза аминокислот, а фосфоенолпируват — углеводов.

Субстратами, из которых большинство известных видов метаногенов образуют метан, служат молекулярный водород и углекислота:

4Н₂ + СО₂ СН₄ + 2Н₂ О

Ряд видов синтезируют метан из окиси углерода:

4СО + 2Н₂ О СН₄ + ЗСО₂

Некоторые виды образуют метан из муравьиной кислоты:

4НСООН СН₄ + ЗСО₂ + 2Н₂ О

Известны метанобразующие бактерии, образующие метан из метанола, метиламина, диметиламина, триметиламина и (или) ацетата:

4СН₃ ОН ЗСН₄ + СО₂ + 2Н₂ О

4CH₃ NH₂ + 2Н₂ ОЗСН₄ + CO₂ + 4NH₃

СНзСООНСН₄ + СО₂

При превращении метилированных аминов, метанола и ацетата в метан в него переходит метильная группа субстрата.

Еще в 1956 г. известным биохимиком И. X. Баркером пред­ложена схема восстановления СО₂ в метан, которая сейчас дета­лизирована (рис. 2). Эта схема послужила отправной точкой для формулирования гипотезы о том, что метанобразующие бакте­рии могут аккумулировать энергию в процессе окислительного фосфорилирования.

В исследованиях, проведенных с чистыми культурами разных видов метаногенов, установлено, что синтез метана протекает в мембранах, причем этот процесс сопряжен с генерацией транс­мембранного потенциала, энергия которого трансформируется в АТФ.

Таким образом, метанобразующие бактерии, видимо, осуществляют (во всяком случае, когда окисляют Н₂ ) не брожение, а анаэробное дыхание, используя СО₂ в качестве акцептора элект­ронов. Но выход энергии на каждый образованный моль метана у метаногенов не превышает двух молей АТФ. Поэтому для обеспечения своего роста метанобразующие бактерии должны синтезировать значительные количества метана. Из 100 % метаболизированного соединения углерода они трансформируют в кле­точный материал только 5-10 %, остальное конвертируется в метан.

Рис. 2. Схема образования метана из СО₂ и других соединений