Біоконверсія побічних продуктів тваринництва в біогаз: експериментальне дослідження оптимальних умов ферментації
Анотація
Біоконверсія органічних відходів у біогаз є важливою складовою стратегії сталого розвитку та зменшення впливу на довкілля. Ключовими факторами, що впливають на ефективність цього процесу, є температура ферментації, співвідношення вуглецю до азоту (C/N) та тип субстрату. Метою цієї роботи було дослідження впливу температурних режимів, співвідношення C/N та різних типів органічних відходів на вихід біогазу, зокрема концентрацію метану, при анаеробній ферментації. У експерименті порівнювались два температурні режими: мезофільний (35°C) та термофільний (55°C), із застосуванням трьох типів органічних відходів: пташиного посліду, гною великої рогатої худоби та свинячого гною. Вивчалося також оптимальне співвідношення C/N для покращення енергоефективності процесу. В умовах термофільного режиму було зафіксовано збільшення виходу біогазу на 20-28 % та зростання концентрації метану на 5-10 % у порівнянні з мезофільним режимом. Найвищий вихід біогазу (0.42 м3 /кг органічної сухої речовини (OSR)) і концентрація метану (70 %) були досягнуті при використанні пташиного посліду. У термофільному режимі також було зафіксовано скорочення часу досягнення стабільного газовиділення до 7-8 днів, що підтвердило ефективність цього підходу для промислового використання. Термофільний режим ферментації є більш ефективним для виробництва біогазу та підвищує енергоефективність процесу. Оптимізація співвідношення C/N та коферментація різних субстратів додатково покращили ефективність. Пташиний послід виявився найбільш ефективним субстратом для біоконверсії, що відкриває перспективи для його використання в промислових масштабах. Результати роботи можуть бути використані для оптимізації технологій біогазової ферментації, зокрема для поліпшення продуктивності біогазових установок та зменшення витрат на енергозабезпечення
Ключові слова
відновлювані джерела енергії; органічні відходи; метан; анаеробне бродіння; термофільний режим; мезофільний режим
[1] Alghoul, O., El-Hassan, Z., Ramadan, M., & Olabi, A.G. (2019). Experimental investigation on the production of biogas from waste food. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 41(17), 20512060. doi: 10.1080/15567036.2018.1549156.
[2] Chen, Y.F., Lin, P.W., Chen, W.H., Yen, F.Y., Yang, H.S., & Chou, C.T. (2021). Biogas upgrading by pressure swing adsorption with design of experiments. Processes, 9(8), article number 1325. doi: 10.3390/pr9081325.
[3] Chubur, V.S. (2023). Environmentally safe utilisation of waste for energy purposes in environmental protection technologies. Sumy: Sumy State University.
[4] Danylyshyn, V., & Koval, M. (2023). Analysis of biogas production and prospects for the development of biogas technologies in Ukraine. Ukrainian Black Sea Region Agrarian Science, 27(3), 90-102. doi: 10.56407/ bs.agrarian/3.2023.90.
[5] Djaafri, M., Kalloum, S., Soulimani, A.E., & Khelafi, M. (2019). Bioconversion of dried leaves from Algerian date palm (Phoenix dactylifera L.) to biogas by anaerobic digestion. International Journal of Engineering Research in Africa, 41, 131-144. doi: 10.4028/www.scientific.net/JERA.41.131.
[6] Djimtoingar, S.S., Derkyi, N.S., Kuranchie, F.A., & Yankyera, J.K. (2022). A review of response surface methodology for biogas process optimization. Cogent Engineering, 9(1), article number 2115283. doi: 10.1080/23311916.2022.2115283.
[7] Dobre, P., Nicolae, F., & Matei, F. (2014). Main factors affecting biogas production – an overview. Romanian Biotechnological Letters, 19(3), 9283-9296.
[8] Donchak, L., & Shkvaruk, D. (2024). Current state and prospects for the development of agriculture in the Vinnytsia region. Ekonomika APK, 31(2), 23-31. doi: 10.32317/2221-1055.202402023.
[9] Golub, G., Skydan, O., Kukharets, V., Yarosh, Y., & Kukharets, S. (2020). The estimation of energetically selfsufficient agroecosystem’s model. Journal of Central European Agriculture, 21(1), 168-175. doi: 10.5513/ JCEA01/21.1.2482.
[10] Golub, G.A., Kukharets, S.M., Yarosh, Y.D., & Kukharets, V.V. (2017). Integrated use of bioenergy conversion technologies in agroecosystems. INMATEH - Agricultural Engineering, 51(1), 93-100.
[11] Gupta, P., & Gupta, A. (2014). Biogas production from coal via anaerobic fermentation. Fuel, 118, 238-242. doi: 10.1016/j.fuel.2013.10.075.
[12] Kovtun, P., & Merzlov, S. (2023). Temperature and microbiological parameters of poultry manure under different fermentation modes. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 19(5). doi: 10.31548/dopovidi5(105).2023.014.
[13] Kucher, O., Hutsol, T., Glowacki, S., Andreitseva, I., Dibrova, A., Muzychenko, A., Szeląg-Sikora, A., Szparaga, A., & Kocira, S. (2022). Energy potential of biogas production in Ukraine. Energies, 15(5), article number 1710. doi: 10.3390/en15051710.
[14] Kumar, V., Mitra, D., Rani, A., Suyal, D.C., Gautam, B.P., Jain, L., Gondwal, M., Raj, K.K., Singh, A.K., & Soni, R. (2022). Bio-inoculants for biodegradation and bioconversion of agrowaste: Status and prospects. In D.C. Suyal & R. Soni (Eds.), Bioremediation of environmental pollutants: Emerging trends and strategies (pp. 351-367). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-030-86169-8_16.
[15] Leni, G., Caligiani, A., & Sforza, S. (2021). Bioconversion of agri-food waste and by-products through insects: A new valorization opportunity. In R. Bhat (Ed.), Valorization of agri-food wastes and by-products (pp. 809-828). London: Academic Press. doi: 10.1016/B978-0-12-824044-1.00013-1.
[16] Liu, E., & Liu, S. (2017). Process optimization and study of biogas fermentation with a mixture of duck manure and straw. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 72, 439-444. doi: 10.1016/j.rser.2017.01.045.
[17] Mahato, N., Sharma, K., Sinha, M., Dhyani, A., Pathak, B., Jang, H., Park, S., Pashikanti, S., & Cho, S. (2021). Biotransformation of citrus waste-I: Production of biofuel and valuable compounds by fermentation. Processes, 9(2), article number 220. doi: 10.3390/pr9020220.
[18] Morales-Polo, C., Cledera-Castro, M.D., Revuelta-Aramburu, M., & Hueso-Kortekaas, K. (2021). Bioconversion process of barley crop residues into biogas – energetic-environmental potential in Spain. Agronomy, 11(4), article number 640. doi: 10.3390/agronomy11040640.
[19] Neri, A., Bernardi, B., Zimbalatti, G., & Benalia, S. (2023). An overview of anaerobic digestion of agricultural by-products and food waste for biomethane production. Energies, 16(19), article number 6851. doi: 10.3390/ en16196851.
[20] Nsair, A., Onen Cinar, S., Alassali, A., Abu Qdais, H., & Kuchta, K. (2020). Operational parameters of biogas plants: A review and evaluation study. Energies, 13(15), article number 3761. doi: 10.3390/en13153761.
[21] Pryshliak, N., Tokarchuk, D., & Palamarenko, Y. (2021). Recommendations for selecting the optimal feedstock for biogas production on the basis of experimental data on the energy value of waste. Investments: Practice and Experience, 24, 58-66. doi: 10.32702/2306%0C6814.2020.24.58.
[22] Ranjbar, F.M., Karrabi, M., & Shahnavaz, B. (2022). Bioconversion of wheat straw to energy via anaerobic codigestion with cattle manure in batch-mode bioreactors (Experimental investigation and kinetic modeling). Fuel, 320, article number 123946. doi: 10.1016/j.fuel.2022.123946.
[23] Rashwan, A.K., Bai, H., Osman, A.I., Eltohamy, K.M., Chen, Z., Younis, H.A., Al-Fatesh, A., Rooney, D.W., & Yap, P.S. (2023). Recycling food and agriculture by-products to mitigate climate change: A review. Environmental Chemistry Letters, 21(6), 3351-3375. doi: 10.1007/s10311-023-01639-6.
[24] Recebli, Z., Selimli, S., Ozkaymak, M., & Gonc, O. (2015). Biogas production from animal manure. Journal of Engineering Science and Technology, 10(6), 722-729.
[25] Romaniuk, W., Rogovskii, I., Polishchuk, V., Titova, L., Borek, K., Shvorov, S., Roman, K., Solomka, O., Tarasenko, S., Didur, V., & Biletskii, V. (2022). Study of technological process of fermentation of molasses vinasse in biogas plants. Processes, 10(10), article number 2011. doi: 10.3390/pr10102011.
[26] Safari, M., Abdi, R., Adl, M., & Kafashan, J. (2018). Optimization of biogas productivity in lab-scale by response surface methodology. Renewable Energy, 118, 368-375. doi: 10.1016/j.renene.2017.11.025.
[27] Skliar, O.G., Skliar, R.V., & Grigorenko, S.M. (2019). Program and method of experimental researches on laboratory biogasous installation. Bulletin of the Kharkiv National Technical University of Agriculture, 199, 267-275.
[28] Tuly, J.A., Zabed, H.M., Nizami, A.S., Hassan, M.M., Azam, S.R., Awasthi, M.K., Janet, Q., Chen, G., Akpabli-Tsigbe, N.D., & Ma, H. (2022). Bioconversion of agro-food industrial wastes into value-added peptides by a Bacillus sp. Mutant through solid-state fermentation. Bioresource Technology, 346, article number 126513. doi: 10.1016/j. biortech.2021.126513.
[29] Yahmed, N.B., Dauptain, K., Lajnef, I., Carrere, H., Trably, E., & Smaali, I. (2021). New sustainable bioconversion concept of date by-products (Phoenix dactylifera L.) to biohydrogen, biogas and date-syrup. International Journal of Hydrogen Energy, 46(1), 297-305. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.09.203.
[30] Zhou, M., Guo, L., Liu, S., & Zou, Z. (2018). Experimental study on methane yield influenced by biogas project fermentation temperature. In Proceedings of the 3rd joint international information technology, mechanical and electronic engineering conference (pp. 46-49). London: Atlantis Press. doi: 10.2991/jimec-18.2018.10.