Образование метана микроорганизмами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Реферат

На тему Образование метана микроорганизмами

Самара, 2009г

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Основная часть

1.1 Архебактерии

1.2 Свойства метанобразующих бактерий

1.3 Технология получения метана

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Получение метана - важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Он получается в виде биогаза - смеси метана и углекислого газа. Поскольку биогаз практически получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метанообразования применяют многокомпонентные микробные ассоциации.

Процесс метанобразования отличается высокой эффективностью: до 90 - 95% используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с успехом применяют для очистки сточных вод от органических загрязнений с одновременным получением высококалорийного топлива. Использование биомассы в качестве источника топлива открывает определенные перспективы решения проблемы энергетики и охраны окружающей среды.

Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют другие ценные продукты, например витамин В₁₂. После переработки органического субстрата в биогаз остается материал, представляющий собой ценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение.

Получение биогаза - процесс, отличающийся простотой оборудования и доступностью сырья, требует небольших капиталовложений. В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10 - 15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из 5 человек.

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Получение биогаза, основным компонентом которого (до 80--85%) является метан, -- сложный бактериальный процесс, протекающий в анаэробных условиях. В нем участвуют разнообразные по физиолого-биохимическим свойствам микроорганизмы. Венцом таких ассоциаций являются метаногены -- древнейшие представители так называемых архебактерий.

1.1 Архебактерии

Архебактерии - группа микроскопических одноклеточных организмов-прокариот, резко отличающихся по ряду физиолого-биохимических свойств от истинных бактерий. Группу архебактерий выделили в 1977 году. Среди них нет возбудителей инфекционных болезней. Они существенно отличаются от других микроорганизмов по составу и последовательности нуклеотидов в рибосомных и транспортных РНК. Архебактерии разнообразны по типу обмена веществ, физиологическим и экологическим особенностям: среди них встречаются аэробы и анаэробы, хемогетеротрофы и хемоавтотрофы, нейтрофилы и ацидофилы. Некоторые архебактерии обладают особым типом фотосинтеза, при котором свет поглощается не хлорофиллом, а бактериородопсином.

Архебактерия - «материнская» клетка всего живого на Земле. Это первая клетка Земли, из которой произошел биологический мир животных и растений. Архебактерия - микроскопическое существо красного цвета, в котором заключены огромные целебные ресурсы. Красная архебактерия живет в Мертвом море в жесточайших условиях. Эти условия связаны с насыщенным солевым раствором, высокой температурой и значительной солнечной радиацией. Живя в сложнейших условиях, бактерия «хранила» свойства выживать.

В состав архебактерии входят вещества, которые являются самыми сильными на сегодняшний день антиоксидантами. Это кератиноиды, ферменты (каталаза), которые позволяют проникать в организм через кожу. В архебактерии есть и водорастворимые, и жирорастворимые вещества. В препаратах с архебактерией активизируются оба эти свойства. Для хорошей работы ферментов необходимы предшественники - коферменты. Все коферменты - микроэлементы, входящие в состав Мертвого моря. Все компоненты архебактерии являются строительным материалом для клетки. Строение архебактерии подобно строению первичной клетки человеческого тела. Этим объясняется высокая биосовместимость с нашим организмом. Архебактерия - природный антиоксидант, работающий на всех уровнях.

Только некоторым архебактериям свойственен энергетический процесс, в результате которого образуется метан.

микроорганизм метан ферментация биоценоз

1.2 Свойства метанобразующих бактерий

Полагают, что метанобразующие бактерии, или метаногены, возникли около 3 - 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.

К настоящему времени удалось выделить в виде чистых культур более двадцати метанобразующих бактерий, причем обнаруживаются все новые виды.

Среди этих бактерий есть организмы, клетки которых близки к сферическим, образующие агрегаты, похожие на сардин, 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), фактор F420, 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. Некоторые из них мезофилы, другие, растущие при 60 - 80 °С и более высокой температуре, термофилы. 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-Ко > пируват > фосфоенолпируват > оксалоацетат > малат > фумарат > сукцинат > сукцинил-КоА > б-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:

Ряд видов синтезируют метан из окиси углерода:

Некоторые виды образуют метан из муравьиной кислоты:

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

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.1.). 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.

Важная особенность метаногенов - способность активно развиваться в анаэробных условиях в тесном симбиозе с другими группами бактерий, создающими для них благоприятные условия и обеспечивающих необходимыми субстратами для роста и синтеза метана.

К микроорганизмам, образующим ассоциации с метаногенами, относится ряд представителей облигатных и факультативных анаэробов, осуществляющих брожение различных высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ. Такие ассоциации функционируют в природных условиях, а также широко используются в практических целях.

Процессы, протекающие при анаэробном разложении органических веществ смешанными культурами микроорганизмов, включающими метаногенов, разделяют на две стадии. Первая стадия, часто происходящая в два этапа, ведет к образованию органических кислот, молекулярного водорода и CО₂ как основных продуктов. Вторая стадия приводит к синтезу метана (рис.2.).

Рис.1. Схема образования метана из углекислого газа и других микроорганизмов

МФ - метилфуран

Н4МП - 5,6,7,8-тетрагидрометаноптерин

КоМ - кофермент М

КоА - кофермент А

Рис.2. Деструкция биополимеров до метана природными ассоциациями микрорганизмов

Образование ряда органических кислот в метантенках осуществляют бактерии семейств Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Streptococcaceae, а также представители родов Clostridium, Butyrivibrio и некоторых других способных к брожению. Активное участие в превращении таких органических соединений в уксусную кислоту принимает особая группа анаэробных бактерий - ацетогенов. Процесс разложения органических веществ смешанными культурами микроорганизмов в анаэробных условиях, заканчивающийся образованием СНЦ, часто называют «метановым брожением», хотя этот термин не совсем правилен, поскольку сами метанобразующие бактерии многоуглеродные субстраты не сбраживают.

1.3 Технология получения метана

Технологически метановое брожение подразделяют на два этапа: созревание метанового биоценоза и ферментацию. В течение первого этапа развиваются бактерии, участвующие в анаэробном разложении исходных органических веществ и продуктов их распада. В результате деятельности этих микроорганизмов создаются оптимальные условия для активного биосинтеза метана.

Несмотря на сложность и далеко неполную изученность, такая биологическая система достаточно надежна и проста для получения биогаза в промышленных масштабах.

Метановое брожение жидких органических веществ осуществляется в строго анаэробных условиях при 30 - 40 °С (мезофильный процесс) или 52 - 60 °С (термофильный процесс). Ферментацию проводят в реакторах (метантенках) объемом от одного до нескольких тысяч кубических метров. Метантенки выполняются из железобетона или металла. Они могут иметь разную форму и конструкцию, от кубической до цилиндрической, расположены горизонтально или вертикально. Лучшей признается яйцеобразная конструкция. Ферментация протекает непрерывно, полупериодически и периодически. Схема биогазовых установок для переработки жидких субстратов представлена на рис.3.

Рис.3. Схема биогазовой установки

Сырье, содержащее 2 - 12 % органических веществ, подается в метантенк через теплообменник, где оно подогревается или охлаждается до температуры ферментации в метантенке. Место введения сырья в реактор и отбора сброженной массы зависит от конструкции метантенка. Реакторы снабжаются мешалками для перемешивания бродящей массы с целью ускорения процессов и теплообменниками для поддержания необходимой температуры внутри реактора. Образующиеся газы удаляются через газовый колпак, расположенный в верхней части метантенка. Газ, содержащий 50 - 85 % метана и 15--50 % углекислого газа, по газопроводу поступает в газохранилище -- газгольдер, откуда подается в газовую сеть.

Скорость процесса определяется температурой ферментации (в термофильных условиях она в 2 - 3 раза выше, чем в мезофильных), химическим составом сырья, его вязкостью, плотностью бактериальной ассоциации и степенью перемешивания. Ферментация протекает при значениях рН среды, равных 7,0 - 8,5. При более низком или высоком значении рН она обычно тормозится или прекращается совсем. Снижение величины рН среды («прокисание») связано с нарушением равновесия скоростей образования летучих жирных кислот (муравьиной, уксусной, особенно пропионовой, а также масляной) и дальнейшим их превращением, заканчивающимся образованием метана. Подобные дефекты вызываются, как правило, увеличением поступления в реактор легкосбраживаемых углеводов, а также нарушением соотношения углерода и азота в субстрате. Оптимальные значения соотношений C:N находятся в пределах 11 - 16:1. Повышение значений рН среды (> 8,5) связано либо с высокой концентрацией азотсодержащих органических веществ в субстрате и образованием из них в процессе брожения больших количеств аммония, либо наличием в среде значительных концентраций щелочно-земельных металлов.

Указанные нарушения процесса обычно устраняются остановкой загрузки ферментера новыми порциями сырья. В результате избыток образовавшихся жирных кислот постепенно конвертируется в метан, рН среды повышается до необходимых оптимальных значений, и процесс продолжается. В некоторых случаях уменьшают объем загрузки сырья в реактор.

Важным моментом промышленной технологии получения метана является скорость поступления сырья в реактор или время выдерживания сырья в реакторе. Указанные параметры зависят, прежде всего, от скорости конверсии органических веществ в метан. Чем интенсивнее процесс брожения, тем выше скорость загрузки сырья в реактор, меньше время выдерживания сырья в реакторе и рентабельнее сам процесс. Существующие в настоящее время нормы скорости загрузки сырья находятся в пределе 7 - 20 % объема субстрата от рабочего объема ферментера в сутки. Следовательно, цикличность процесса равна 5 - 14 сут. Однако разработаны технологии, в которых цикличность сокращена до 5--15 ч, или скорость загрузки в пределах 150 - 400 % в сутки. С большей скоростью происходит образование метана при наличии хорошо растворимых и легко разлагаемых бактериями органических соединений (некоторые виды жидких отходов пищевой, микробиологической и других отраслей промышленности, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье). Медленнее сбраживаются отходы сельскохозяйственного производства (животноводства и растениеводства), содержащие твердые органические включения.

Применяемые широко в настоящее время в практике метантенки относятся к реакторам первого поколения. В них все процессы протекают в одной емкости без разделения на стадии или фазы, бактериальные клетки находятся во взвешенном состоянии и по мере нарастания удаляются вместе со сброженной массой. Важным условием нормального функционирования таких реакторов является необходимость поддержания равенства скоростей размножения бактерий и поступления сырья в реактор при условии, что концентрация органического вещества в сырье составляет не менее 2 %.

При меньших концентрациях органического вещества плотность бактериальных клеток на единицу объема реактора резко падает, и процесс практически останавливается.

Этот недостаток реакторов первого поколения полностью устраняется при использовании реакторов второго поколения, в которых бактерии при необходимой для процесса плотности находятся в закрепленном (иммобилизованном) состоянии. В реакторах второго поколения можно сбраживать субстраты с низким содержанием органических соединений (0,5 % сухих веществ) при высокой скорости пропускания через реактор (такие реакторы часто называют «анаэробными фильтрами»). В качестве носителей для закрепления бактерий широко используются галька, керамические, полихлорвиниловые, полиуретановые кольца и стекловолокно. Применение реакторов второго поколения позволяет резко повысить процессы деструкции и соответственно снизить их объемы, что имеет важное значение при их широком производстве и эксплуатации.

В последние годы в практику внедряются технологии, основанные на разделении процесса метанового брожения на стадии - фазы: кислотную и метановую. Двухфазный процесс осуществляется в двух реакторах, соединенных последовательно. Скорость поступления сырья и объемы реакторов рассчитываются так, чтобы в первом протекала только стадия образования кислот, значение рН среды не должно быть выше 6,5. Такая бражка подается во второй реактор, в котором с большой скоростью протекает непосредственно образование метана. Двухфазный процесс позволяет увеличить его общую скорость в два-три раза. Иногда в практике при использовании двухфазного процесса с целью дополнительного получения товарного биогаза процесс брожения в первом ферментере проводят при 35 - 37 °С, во втором - при 55 °С. При нормальных условиях ферментации на каждую тонну сброженного органического вещества образуется до 300 - 600 м3 биогаза. Процент разложения органических веществ до метана зависит от скорости процесса и времени выдерживания сырья в реакторе, обычно эта величина равна 30 - 60 %.

Концентрация метана в образующемся биогазе зависит от химического состава субстрата: углеводы дают больше углекислого газа, жиры - больше метана (до 85 %). Чем больше восстановлен субстрат, тем выше концентрация метана.

Метановое брожение - процесс эндотермический, требует постоянного подогрева для поддержания необходимой температуры ферментации. Как правило, метантенки и сырье подогреваются за счет сжигания образующегося биогаза. В среднем на поддержание требуемой температуры ферментации расходуется от 15 - 20 % (мезофильный процесс) до 30 - 50 % (термофильный процесс) биогаза. Поэтому одним из важных моментов эксплуатации метантенков является их хорошая теплоизоляция.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренный выше процесс метанового брожения касался использования только жидких субстратов. В последние годы широкое развитие имеет технология твердофазной метангенерации, или получение биогаза, при деструкции органических веществ с влажностью 30 - 40 %. Такие процессы уже имеют практическое применение в США и некоторых странах Западной Европы, например, при переработке городского твердого мусора. Основное условие такого процесса - анаэробиоз и необходимая влажность.

Биогаз кроме метана и углекислого газа может содержать примеси сероводорода (до 2%), что требует его соответствующей очистки.

Теплотворная способность биогаза составляет 5 - 7 ккал/м³ и зависит от концентрации в нем СО₂. Один кубический метр биогаза эквивалентен 4 кВт/ч электроэнергии, 0,62 л керосина, 1,5 кг угля, 3,5 кг дров, 0,43 кг бутана. Он может быть использован для получения тепловой энергии, электроэнергии, заменить моторное топливо. Из биогаза можно получить «синтез-газ» (смесь угарного газа и молекулярного водорода), из которого синтезируют метанол, или искусственный бензин.

Образующийся в процессе метанового брожения шлам (жидкий или твердый) является хорошим органо-минеральным удобрением. Он может также использоваться для производства ценных биологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяйстве.

Перечисленные выше физические особенности биогаза и относительная простота его получения, возможность использования в качестве сырья для его производства разнообразных отходов положительным образом отразились на создании и развитии биогазовой промышленности в ряде стран. Китайская Народная Республика в 1983 г. имела до 7 млн. биогазовых установок семейного типа с общим объемом реакторов около 60 млн. м³. Эти установки позволяют производить в год до 110 млрд. м³ биогаза, заменить до 60 - 80 млн. т сырой нефти и обеспечить топливом до 30 млн. крестьян КНР.

В странах Европейского экономического сообщества в 1983 г. действовало 570 установок, использующих жидкие отходы, и 17 установок, перерабатывающих в биогаз твердый мусор.

В США широкое развитие получает производство биогаза при переработке городского твердого мусора. Например, в,пригородах Нью-Йорка действует станция, производящая в год 100 млн, м³ биогаза.

В России метановое брожение широко применяется в системе биологической очистки городских сточных вод на станциях аэрации. В метантенках сбраживают осадки сточных вод и активный ил, образующийся в аэротенках. Две станции, обслуживающие город с населением 8 млн. человек, дают в год 110 млн. м³ биогаза. Термофильное метановое брожение отходов микробиологической промышленности используют в нашей стране для производства биогаза и кормового препарата витамина B₁₂. Два цеха, перерабатывающие жидкие стоки ацетоно-бутиловой промышленности, производят в год до 7 млн, м3 биогаза и до 1 т витамина В₁₂. В Венгерской Народной Республике мезофильное метановое брожение применяется для промышленного производства кристаллического препарата витамина B₁₂ медицинского назначения.

Промышленное получение биогаза из отходов -- это первый шаг к созданию биогазовой промышленности. Постоянно растущая потребность в дешевом и технически удобном топливе ставит вопрос о получении биогаза из торфа, биомассы специально выращиваемых пресноводных и морских водорослей, а также быстрорастущих деревьев. Такие проекты уже проходят лабораторную и промышленную проверку.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Промышленная микробиология / Под. Ред. Н.С. Егорова - М.: Высшая школа, 1989. - 688 с.

2. Биотехнология / Под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова. Кн. 1: Проблемы и перспективы. - М.: Высшая школа, 1987. - 159 с.

3. Биотехнология / Под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова. Кн. 6: Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов. - М.: Высшая школа, 1987. - 143 с.

4. Биотехнология. Принципы и применение / Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста и Дж. Джонса. - М.: Мир, 1988. - 480 с.

5. Емцев В.Т., Мшцустин Е.Н. Микробиология. - М.: Дрофа, 2005 - 445 с.

6. Манаков М.Н., Победимский Д.Г. Теоретические основы технологии микробиологических производств. - М.: Агропромиздат - 1990 - 296 с.

7. Егорова Т.А., Клунова Е.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. М.: 2003 - 208 с.

8. Руководство к практическим занятиям по микробиологии / Под. Ред. Н.С. Егорова. - М.: Изд-во Московского университета, 1983. - 224 с.

9. Большой практикум по микробиологии / Под. Ред. Г.Л. Селибера. - М.: Высшая школа, 1962. - 492 с.

10.Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. - М.: Издательский дом

«Академия», 2003 - 464 с.

11. Колесникова И.М., Базенкова Е.И., Благиных А.В., Плещеева О.В. Миробиологические методы защиты окружающей среды. - Пущино. 1988, с. 145.

Размещено на Allbest.ru