Биогаз и анаэробное сбраживание

Анаэробный ферментер — это не один организм с одной реакцией. Это пищевая цепь из четырёх функциональных групп, где каждая доедает отходы предыдущей, и вся цепь сцеплена термодинамически. На входе биомасса, на выходе сырой биогаз — примерно 55–65% метана, остальное CO2. Процесс обретает смысл, только когда видно, почему цепь одновременно хрупка и, с нашей точки зрения, полезно расточительна.

Четыре стадии

Первая — гидролиз: внеклеточные ферменты, целлюлазы, протеазы, липазы, режут полимеры сырья на растворимые куски. Так биологически платится налог на стойкость из каркаса раздела, и на лигнинном сырье именно здесь сбраживание буксует. Вторая — ацидогенез: бродильные бактерии превращают сахара и аминокислоты в летучие жирные кислоты, спирты, CO2 и H2. Третья — ацетогенез: синтрофные бактерии дотягивают жирные кислоты, масляную и пропионовую, до ацетата. Четвёртая — метаногенез: работу заканчивают археи.

Термодинамический замок

Без четвёртого звена второе и третье были бы тупиками. Окисление масляной кислоты до ацетата имеет стандартную свободную энергию около +48 кДж на моль, пропионовой — около +76. Реакции с положительной свободной энергией просто не идут — но в каждом работающем ферментере идут, и по одной причине: метаногены, подбирающие водород, держат парциальное давление H2 ниже примерно 10^-4 атм, а при такой концентрации продукта знак свободной энергии меняется. Ацетогены и метаногены скованы одной цепью — это синтрофия. Тот же замок и есть хрупкость: если ацидогены заваливают реактор сбраживаемым субстратом быстрее, чем метаногены съедают водород и ацетат, давление растёт, ацетогенез встаёт, кислоты копятся, pH падает — ферментер скисает.

Сам метаногенез идёт по двум путям с очень разными энергетическими бюджетами. Ацетокластический путь расщепляет ацетат — CH3COOH на CH4 и CO2 со стандартной свободной энергией около −31 кДж на моль, то есть едва хватает на жизнь. Поэтому ацетокластические археи делятся за дни, а не за часы, и именно они задают время пребывания в недели; на этом пути образуется порядка семидесяти процентов метана. Водородотрофный путь, CO2 + 4H2 в CH4 + 2H2O, отдаёт около −130 кДж на моль и идёт быстро — это напарник, который держит синтрофию живой.

Почему выход ограничен — и почему в этом суть

Потолок всего процесса низок по замыслу. Полное окисление глюкозы даёт около 2870 кДж на моль; сбраживание её до метана и CO2 — около 418. Консорциум живёт в этой малой разнице, а остальное выпускает из реактора готовой топливной молекулой. Сбраживание — редкий энергетический процесс, работающий потому, что его биология бедна: метаногены слишком скупы, чтобы сжечь метан, — значит, это можем сделать мы.

Из потолка следуют и практические выводы: сырой биогаз разбавлен и влажен, до магистрали его надо обогащать; спешки процесс не терпит — пропускная способность задаётся самым медленным звеном, поэтому реакторы меряют тысячами кубометров и неделями пребывания субстрата. Тот же консорциум на муниципальных отходах, где корм меняется ежедневно и белок поднимает аммиак, описан отдельно на странице сбраживание ТКО. Обогащение до трубопроводного метана — drop-in-топлива со страницы продвинутые биотоплива — добавляет чистоту, но никогда выход.