Баранник Катерина Валеріївна, 

аспірант, Дніпровський державний технічний університет,

м. Кам’янське, Україна  

 

Ложевич Світлана Вікторівна,

магістр,  Дніпровський державний технічний університет,

м. Кам’янське, Україна  

 

Волошин Микола Дмитрович, 

професор, доктор технічних наук,  Дніпровський державний технічний університет,

м. Кам’янське, Україна  

 

  Анотація: В даний час в світі на вироблення електричної енергії і тепла низького і середнього потенціалу витрачається основна частина видобутих паливно-енергетичних ресурсів. Негативні тенденції розвитку традиційної енергетики обумовлені наявністю двох факторів – швидким виснаженням природних ресурсів і забрудненням навколишнього середовища. За даними ООН, виснаження покладів вугілля передбачається в 2082-2500 рр. Технології традиційної енергетики підвищують ефективність використання енергоносіїв, але не поліпшують екологічну ситуацію. У зв'язку з цим виникла необхідність  раціонального використання ресурсів традиційної енергетики з одного боку і розвиток технологій з використання нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії – з іншого. Загострення екологічних проблем, виснаження запасів традиційних енергоресурсів,  обумовили глобальний інтерес до розробки і використання технології біоконверсії органічних відходів для отримання енергії. Одним із шляхів утилізації органічних відходів є анаеробне зброджування, яке забезпечує знешкодження відходів і збереження продукту як знезараженого високоякісного органічного добрива при одночасному отриманні біогазу, що містить близько 70% метану.

  Ключові слова: субстрат, анаеробне бродіння, ультразвукова обробка, кавітація, параметри зброджування, рН, метаногенні бактерії, біоконверсія, біогаз

 

  Під час зброджування в сировині розвивається мікрофлора, яка послідовно руйнує органічні речовини до кислот, а останні під дією синтрофних і метаноутворюючих бактерій перетворюються в газоподібні продукти. Надзвичайно важлива утилізація біомаси в сільському господарстві, де на різні технологічні потреби витрачається велика кількість палива і безперервно зростає потреба у високоякісних добривах. Отримання біогазу економічно виправдано і є кращим при переробці постійного потоку відходів. Отримання біогазу особливо ефективно на агропромислових комплексах, де існує можливість повного екологічного циклу [1, с.68].

  Метою дослідження є збільшення виходу біогазу при анаеробній переробці органічних відходів шляхом інтенсифікації процесу зброджування субстрату в біореакторі з ультразвуковим впливом. Ультразвукова обробка органічних відходів відноситься до способів електрофізичної обробки сировини. Для виявлення шляхів використання ультразвукового впливу на сировину в сільському господарстві необхідно розглянути механізм дії ультразвуку і його вплив на основні фізико-хімічні процеси. Встановлено, що дія ультразвукових коливань проявляється в тому випадку, коли спостерігається ефект кавітації. Поширення акустичних коливань здійснюється шляхом періодичного стиснення і розрядження середовища. Поширюючись в рідкому середовищі, акустичні хвилі викликають появу змінного звукового тиску. При зниженні тиску до величини, що перевищує поріг міцності даної рідини, настає явище кавітації. Воно полягає в тому, що в результаті тимчасового зниження тиску в певному обсязі всередині рідини утворюються кавітаційні порожнини, заповнені газами і парами цієї рідини. Підвищення тиску призводить до зменшення порожнин і повного їх зникнення, а виникаючі при цьому сферичні хвилі кінцевої амплітуди, що поширюються в рідині, перетворюються в ударні хвилі з локальними імпульсами тиску порядку сотень атмосфер, що супроводжуються потоками з величезними градієнтами швидкостей. Це є причиною руйнівної дії [2, с.157].

  Ультразвукові процеси засновані на виникненні кавітації. Кавітація супроводжується електричними процесами і випромінюваннями в ультразвуковій частині спектра, що є однією з причин хімічної дії ультразвуку. Хімічні процеси, що протікають в полі ультразвукових хвиль, різноманітні. Кавітація зумовлює виникнення практично всіх хімічних реакцій, які спостерігаються в даному середовищі. Це пов'язано не тільки зі значним утворенням кавітаційних порожнин, а й з їх здатністю до резонансних періодичних пульсацій. Кавітаційна бульбашка під дією акустичних коливань зароджується протягом напівперіоду розрядження, якщо гідростатичний тиск знижується до пружності пари, тобто рідина виявиться сильно розтягнутою. У наступний напівперіод відбувається стиснення і виникнення бульбашки. Якщо при такому стисненні не відбудеться його повне захлопування, то при певних її розмірах бульбашка починає пульсувати в такт з частотою акустичних коливань [3- С. 28-30.].

  Більшість досліджень присвячено питанню, який з факторів, що становлять ефект кавітації, має основний вплив на перебіг хімічних реакцій. Розглянемо деякі фактори, що впливають на ефект ультразвукової кавітації, і пов'язаний з нею вплив ультразвуку на хімічні і фізико-хімічні процеси [4].

  Дія розчиненого газу. У дегазованих рідинах хімічні реакції під впливом ультразвуку не відбуваються, так як необхідні при цьому звукові тиски не можуть бути отримані за допомогою сучасних генераторів. Той же ефект виходить, якщо піддати рідину тиску до 1000 атмосфер найдрібніші газові бульбашки приходять у стан істинного розчину, і їх вже неможливо видалити з рідини під дією ультразвуку. Ці явища ще не отримали достатнього пояснення, але незаперечно, що наявність розчиненої газоподібної фази в рідині є необхідним для прояву ефекту кавітації. 

  Частота. При проведенні фізико-хімічних процесів під впливом ультразвуку правильний вибір частоти може відігравати вирішальну роль для досягнення оптимальних результатів, в той час як на хімічні реакції зміна частоти коливань впливає мало.

  Інтенсивність. Хімічні реакції в рідких середовищах не відбуваються при інтенсивності нижче порога кавітації. Вище цієї межі швидкість реакції збільшується більш-менш пропорційно підвищенню ультразвукової інтенсивності. Дослідники встановили, що існує оптимальна інтенсивність, яка збігається з максимальним утворенням бульбашок кавітації, при її перевищенні число кавітаційних бульбашок зменшується [5, С. 23-26].

  Тривалість дії. У більшості фізико-хімічних процесів максимальний ефект впливу проявляється в перші 10-30 хвилин, збільшення тривалості впливу може викликати зворотну дію (наприклад, емульгування і коагуляцію). У деяких біохімічних процесах ефект впливу ультразвуку виявляється в перші 1-2 хвилини, подальша обробка також викликає зворотну дію (наприклад, ефект підвищення сходження насіння). Тому, в питанні фактора тривалості впливу потрібен індивідуальний підхід до кожного окремого процесу, так як певних закономірностей не встановлено [6, с. 203].

  Зовнішній тиск. Зміна статичного тиску впливає на процес кавітації. При дослідженні перебігу хімічних реакцій в ультразвуковому полі було виявлено, що як підвищення тиску, так і зниження його нижче атмосферного викликає зниження ефекту впливу і навіть повне його припинення [7, с. 412].

  Температура. Точно регулювати температуру рідини, що піддається впливу ультразвукових хвиль, важко, так як за рахунок поглинання ультразвукової енергії виділяється значна кількість теплоти. Оптимальною температурою фізико-хімічних процесів, що проводяться при впливі ультразвуку, вважають 10 ÷ 30 °С. При тривалому впливі ультразвуку і пов'язаному з цим підвищенні температури оброблюваних речовин за рахунок поглинання ультразвукової енергії потрібне охолодження розчинів [8, р.350].

  Таким чином, розглянуто дію ультразвуку на різні фізико-хімічні процеси, які можуть відбуватися при будь-якому виробництві. Ультразвук тільки починає знаходити своє застосування в харчовій промисловості. Останнім часом увагу дослідників привернула ультразвукова обробка сировини [9, с. 214].

  Вимірювання концентрації водневих іонів рН показали, що водний органічний субстрат, який має рН 6,3, після впливу ультразвуку змінює активність іонів водню до рН 7,6, тим самим сприяючи розвитку і життєдіяльності мікроорганізмів. Доцільність застосування даної обробки підтверджується експериментальними дослідженнями, представленими в таблиці 1 та на малюнку 1(а, б).

  Наведеними вище дослідженнями встановлено, що напрямок і швидкість хімічної реакції в значній мірі залежить від водневого показника. Вихід біогазу залежить від кількості мікроорганізмів, вплив ультразвуку дозволяє прискорити процес зародження і зростання мікроорганізмів і збільшити їх кількість по всьому об'єму субстрату, що знаходиться в метантенку. Посилюючи здатність мікроорганізму продукувати метаболізм клітини, відкривається можливість підвищення швидкості росту і збільшення поверхні метаноутворюючих бактерій. Вплив ефекту ультразвуку на величину рН (малюнок 1(а, б)) представлено на графіках. Метаногенні бактерії функціонують лише в нейтральному середовищі (в інтервалі значень рН = 6,5-7,5). Як видно з графіка, на першому етапі, в першій стадії бродіння, органічні речовини, які містяться у відходах під впливом анаеробної мікрофлори розкладаються на складні органічні речовини (білки, вуглеводні та ін.), які трансформуються в органічні кислоти жирного ряду: спочатку утворюються оцтова і масляна кислоти зі слідами валеріанової, мурав’їної  і капронової кислот. Велика кількість аніонів оцтової кислоти зменшує активну реакцію середовища рН до 6,5-6,0, що призводить до зниження активності бактерій, які беруть участь у першій фазі бродіння. Відбувається так зване «закисання» середовища. Використання ультразвуку дозволило знизити процес «закисання» до рН=6,4 [10, с.18]. У другій (метановій) фазі метанові бактерії розкладають утворені кислоти, в результаті чого виділяється метан та вуглецевий газ, рН зростає до 6,7-7,5. Метаноутворюючі бактерії зброджують також етиловий спирт. При інших рівних умовах ультразвук дозволяє швидше досягти оптимального рН до рівня 6,8 – 7,5, при чому відбувається максимальне виділення біогазу. На основі сукупності даних, отриманих в результаті досліджень, проведених на лабораторній установці з термокамерою при періодичному зброджуванні, було визначено кількість біогазу, утвореного із субстрату (рідкої суміші органічних відходів та гною великої рогатої худоби). Показники, які характеризують вихід біогазу за час бродіння при психофільному режимі, наведені в таблиці 2. Проведена робота показала (малюнок 1(а, б)), що оптимальне зростання метаногенних 

Таблиця 1 

 

  Малюнок 1 - Зміна рН середовища в залежності від часу в процесі зброджування

бактерій відбувається при рН = 7,2 (в діапазоні значень 6,8 ÷7,6) рН середовища на зростання кислотоутворюючих бактерій впливає відносно мало. З наведених залежностей видно, що вихід біогазу з органічного субстрату рідкого навозу ВРХ, обробленого ультразвуком, більший, ніж з того, що не пройшов обробку. Аналіз отриманих даних показує на дуже повільний процес розкладання субстрату і на малий вихід біогазу при існуючому технологічному процесі крива без ультразвуку (малюнок 2). Активація ультразвуком органічного субстрату, дозволяє збільшити у 4 рази вихід біогазової суміші, у порівнянні з природним процесом крива під дією ультразвуку. З графіку (малюнок 2) також видно в інтервалі 5÷10 днів вихід біогазу знижується, що зумовлено «закисленням» субстрату. З аналізу отримання біогазу опрацьованого ультразвуком та без ультразвуку видно, що в першому випадку отримання біогазу зросло. Для теоретичного дослідження кривих виходу біогазу, отриманих в результаті експериментів, знайдемо регресійні залежності. По вище викладеному видно, що 23 доби – оптимальний цикл зброджування органічних відходів при температурі t=25 °С. По закінченню циклу спостерігається різкий спад швидкості виходу біогазу. Таким чином, через 23 доби необхідно знову завантажити органічні відходи в реактор. Робити нове завантаження до повного закінчення циклу зброджування не доцільно, оптимально через 23 дні, так як це забезпечить більш рівномірний вихід біогазу без істотного зменшення швидкості виходу. Можна зробити висновок, що регресійний аналіз підтверджує експериментальні дані.

  Таблиця 2 

   

Малюнок 2 - Вихід біогазу з водного органічного субстрату

  На малюнку 2 представлені результати статистичної обробки даних виходу біогазу з органічного субстрату, який не пройшов обробку та обробленого ультразвуком, де криві F1(x)- оброблений ультразвуком, F2(x)-  не оброблений ультразвуком у  дослідах 1, 2, 3.

  Аналіз літературних джерел свідчить про зростання інтересу до способів переробки органічних відходів з метою отримання біогазу і добрив. Існуючі технологічні процеси отримання біогазу не вичерпують потенційні можливості біомаси; вихід біогазу при існуючому технологічному процесі не перевищує 3 м3 з 1 м3 метантенка. Тому науковий інтерес представляє розробка нової технології переробки органічних відходів, заснована на використанні ультразвуку в процесі зброджування субстрату, що дозволяє збільшити вихід біогазу. Вплив ультразвуку дозволяє змінювати рН, що впливає на напрям і швидкість виходу біогазу з водного розчину органічного субстрату. Підтверджено факт збільшення виходу біогазу в 4 рази при обробці органічного субстрату ультразвуком, ніж без застосування ультразвукової обробки.

 

ЛІТЕРАТУРА

1. Шомин А.А. Биогаз на сельском подворье. - Харьков: Балаклея: ИИК «Балаклейщина», 2002.

2. Кок У.Е. Звуковые и световые волны. - М.: Мир, 1966. 

3. Маринченко В.А., Кислая Л.В., Исаенко В.Н., Антонов А.В., Усенко В.А. Влияние ультразвуковой обработки солодового молока на его состав и качество зрелой бражки // Ферментная и спиртовая промышленность. - 1987. - №5. 

4. Ультразвуковые процессы и аппараты в биологии и медицине http://www.uzo.matrixplus.ru/ultramedbio.htm (дата звернення: 15.10.2017).

5. Кулмырзаев А.А., Мачихин С.А., Дюшеева А.Д. Высокочастотный ультразвук в исследовании реологических свойств вязких материалов. // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 3. 

6. Хмелев В. Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности. Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. 

7. Шиляев, А. С. Ультразвук в науке, технике и технологии. Гомель: Инст. радиологии, 2007. 

8. Brian Lempriere Ultrasound and Elastic Waves. Academic Press. 2002.

9. Атрощенко Е.Э. Действие ударно-волновой обработки семян на морфологические особенности и продуктивность растений: автореф. дис. канд. биол. наук. 03.00.12.. - М., 1983. 

10. Костромин Д.В. Анаэробная переработка органических отходов животноводства в биореакторе с барботажным перемешиванием: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.20.01. - М., 2010.