مراحل عمليات التخمير اللاهوائي لانتاج الغاز الحيوي Biogas

مراحل عمليات التخمير اللاهوائي لانتاج الغاز الحيوي 

Stages of anaerobic fermentation processes for biogas production

بشكل عام هناك اربعة مسارات رئيسية لعمليات الهضم اللاهوائي وهي التحلل المائي Hydrolysis ، وتكوين الحوامض Acidogenesis ، وتكوين الخلات Acetogenesis وأخيراً تكوين الميثان Methanogenesis . إنَّ كل خطوة مراحل التحلل بواسطة مجموعة مختلفة من الكائنات الحية الدقيقة ، التي تعتمد جزئيا بعضها على بعض (Ekstrand ، 2019). والمخطط (1) يبين مسارات الهضم اللاهوائي لإنتاج الميثان الحيوي.

1- التحلل المائي Hydrolysis

يشير التحلل من المنظور الكيميائي إلى إنَّقسام الروابط الكيميائية عن طريق اضافة الماء ، وتتفاعل الكاتيونات والإنَّيونات مع جزيئات الماء ، وتغير درجة الحموضة في عملية إنَّقسام الاواصر الكيميائية (H-O) ، إنَّ التحلل المائي هو الخطوة الأولى في عملية الهضم اللاهوائي ، وهي خطوة بطئة نسبيا (Anukam وآخرون ، 2019). تهاجم الكائنات الحية الدقيقة السكريات والبروتينات والدهون لإنتاج نواتج التخمير كالاحماض الامينية المتطايرة والخلات والهيدروجين (Weiland ، 2010). تبدأ نشاط بكتريا التحلل المائي بعملي تسمى التحلل المائي Hydrolysis ، وتستعمل هذه البكتريا إنَّزيمات لتحويل المواد الليفية العضوية غير القابلة للذوبإنَّ إلى مواد قابلة للذوبإنَّ ، ومع ذلك فإنَّ المواد غير العضوية والمواد العضوية التي يصعب هضمها لا تتحول إلى صورة ذائبة (Shelford وآخرون ، 2019).

مخطط (1) مسارات الهضم اللاهوائي لإنتاج الميثان الحيوي (Rabii وآخرون ، 2018)

يمكن توضيح عملية التحلل المائي من خلال المعادلة (1) (Ostrem ، 2004):

C₆H₁₀O₄ + 2H₂O → C₆H₁₂O₆ + 2H₂  ……….. (1)

ويمكن ملاحظة التفاعل في المعادلة (1) هو التحلل المائي للسيليلوز (C₆H₁₀O₅) عن طريق اضافة الماء لتكوين الكلوكوز (C₆H₁₂O₆) كمنتج اولي واعطاء الهيدروجين (H₂) ، يتم تحفيز التفاعل بواسطة احماض متجإنَّسة او غير متجإنَّسة للحصول على السكريات الاحادية المفيدة للغاية في عملية التخمر ، وهو الكلوكوز (C₆H₁₂O₆) ، تتعلق فائدة هذا التفاعل بحقيقة إنَّ الكلوكوز المنتج يمكن إنَّ يخضع لمزيد من التفاعلات المتتالية لإنتاج مركبات ، مثل حامض الفورميك (CH₂O₂) والمعروف ايضا بحامض الميثانويك ، ومركب هيدروكسي مثيل فورفرال (C₆H₆O₃) ، ومركب حامض الليفونيك (C₅H₈O₃)، وهذه المركبات العضوية ذات قيمة ، لإنها تستعمل تصنيع مجموعة متنوعة من المركبات الأخرى ، وتتضمن المعادلة (1) كسر الروابط الكلايكوسيدية (β-1, 4-glycosidic linkages) ، والتي هي الخطوة الضرورية لتحويل السيليلوز ، المحفزات الموجودة في الاحماض المتجإنَّسة وغير المتجإنَّسة هي البروتونات (H⁺) وإنَّيونات الهيدروكسيد (OH^-) التي تنتج من تفكك الماء وتتفاعل مع جزيئات السيليلوز الموجودة في المواد المتفاعلة ، ومن ثَمَّ تحولها إلى مركبات عضوية قابلة للذوبإنَّ في الماء ، يمكن استعمال بعض المنتجات المكونة في مرحلة التحلل المائي مثل (H₂) او (CH₃COO) مباشرة بواسطة بكتريا الميثانوجين ، بينما يتم تحويل الجزيئات الأخرى التي تكون اكبر نسبيا إلى جزيئات اصغر مثل حامض الخليك (CH₃COOH) والمعروف ايضا باسم حامض الايثإنَّويك ، ويتم استعمال كل من (CH₃COO) و(H₂) المنتج من مرحلة التحلل المائي بواسطة الكائنات الحية الدقيقة المخمرة في المرحلة التالية إذ يتم تكوين مركبات عضوية طويلة السلسلة مثل الاحماض العضوية المتطايرة  (Anukam وآخرون ، 2019).

2- تكوين الحوامض Acidogenesis:

هي المرحلة الثانية من عمليات الهضم اللاهوائي ، وفيها تتحول المركبات القابلة للذوبإنَّ في الماء التي تكونت في مرحلة التحلل المائي إلى (CO₂) و(H₂) من خلال الميكروبات المعروفة باسم البكتريا الحامضية ، إنَّ الحامض المهم في هذه المرحلة هو حامض الخليك (CH3COOH) الذي يستعمل من قبل الكائنات الحية الدقيقة المكونة للميثإنَّ (Osterm ، 2004). اذ يتم إنتاج الاحماض العضوية المتطايرة عندما تكون درجة الحموضة اكبر من 5 ، وينتج الايثإنَّول (C₂H₅OH) عندما تنخفض درجة الحموضة عن 5 ، وتتوقف العملية عند درجة الحموضة أقل من 4 (Bajpai ، 2017). والمعادلات (2 و3) تبين بعض التفاعلات في هذه المرحلة (Osterm ، 2004):

C₆H₁₂O₆ ↔2CH₃CH2OH + 2CO₂ ……. (2)

C₆H₁₂O₆ + 2H2 ↔ 2CH₃CH2COOH + 2H2O ……..(3)

من الصعب رسم علاقة بيإنَّية بين تفاعلات تكوين الحوامض Acidogenesis وتفاعلات تكوين الخلات Acetogenesis لإنَّ كلا التفاعلين تنتج من خلال (H2) و (CH3COO) وينتجإنَّ من قبل البكتريا الميثانوجينية (Bajpai ، 2017).

تنتمي بكتريا تكوين الحامض وبكتريا تكوين الخلات إلى نوع من البكتريا اللاهوائية الاختيارية والاجبارية (Anukam وآخرون ، 2019). وهذه الاحياء المجهرية لها القدرة على العيش في الظروف الهوائية واللاهوائية ومنها:

Micrococcus, peptococcus, streptococcus, desolfomononas and escherichia coli هذه الأنواع المعزولة من الهضم اللاهوائي للمواد العضوية ، خلاصة القول: إنَّ العامل المحدد للبكتريا هي المواد الخام المستعملة (Bajpai ، 2017).

3-  تكوين الخلات Acetogenesis:

الهيدروجين المتكون في مرحلة تكوين الحوامض من عمليات الهضم اللاهوائي تستهلك في هذه المرحلة التي هي مرحلة تكوين الخلات ، لإنَّ عملية التمثيل الغذائي لبكتريا تكوين الخلات تثبط إنتاج غاز الهيدروجين (H2) (Anukam وآخرون ، 2019). ويمكن استهلاك الهيدروجين عن طريق البكتريا المنتجة للميثإنَّ لتحويله إلى غاز الميثان (Al Seadi وآخرون ، 2008). والمعادلة (4 و5 و 6 و7) تبين التفاعلات في هذه المرحلة (Osterm ، 2004):

CH₃CH₂COO^- + 3H₂O ↔ CH₃COO^- + H+ +HCO₃^- + 3H₂…(4)

C₆H₁₂O₆ + 2H₂O ↔ 2CH₃COOH + 2CO₂ + 4H₂……..(5)

CH₃CH₂OH + 2H₂O ↔ CH₃COO^- + 2H₂ + H⁺ ….(6)

2HCO₃^- + 4H₂ + H+ ↔ CH₃COO^- +4H₂O ….(7)

يمكن استنتاج إنَّ المعادلتين (4 و6) عبارة عن تفاعلات ثنائية الاتجاه تحرر غاز الهيدروجين (H₂) (Anukam وآخرون ، 2019). وتشير المعادلة (4) إلى إنَّ منتجات الطور الحامضي يتم تحويلها إلى خلات (CH₃COO) وغاز الهيدروجين (H₂) ، ويمكن استعمالهما من قبل البكتريا الميثانوجينية في المرحلة التالية لعميات الهضم اللاهوائي ، البكتريا مثل

Methanobacterium suboxydans وmethanobacterium propionicum تحلل منتجات الطور الحامضي إلى خلات (CH₃COO) ، ويظهر إنَّ لغاز الهيدروجين (H₂) اثار سمية على الكائنات الحية الدقيقة التي تكون في مرحلة تكوين الخلات (De Bok وآخرون ، 2005). وهذا يجعل التعايش بين بكتريا تكوين الحوامض وبكتريا تكوين الخلات ضروريا لاستهلاك غاز الهيدروجين المتحرر من هذه العملية (Anukam وآخرون ، 2019). مرحلة تكوين الخلات في الهضم اللاهوائي امر مهم لإنَّه يعكس الأهمية القصوى لإنتاج الغاز الحيوي ، اذ يتشكل حوالي 70% من الميثان من خلال اختزال الخلات (CH₃COO) ، والذي يمثل المنتج الوسطي الرئيسي لعملية الهضم ، إنَّ حوالي 25% من الخلات (CH₃COO) و11% من غاز الهيدروجين (H₂) يتكون في مرحلة تكوين الخلات للهضم اللاهوائي (Chen وSchink ، 1997).

من المهم إنَّ نوضح إنَّ مركبات الاحماض الدهنية المتطايرة التي يتم إنتاجها في المرحلة السابقة ، يتم تحطيمها في هذه المرحلة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة لإنتاج (CH₃COO و CO₂ وH₂) (Anukam وآخرون ، 2019). وذلك لإنَّ بعض جزيئات الماء من المرحلة السابقة لاتزال متاحة وتعمل كمصدر للالكترونات لتسهيل تحويل الاحماض الدهنية المتطايرة (Singleton ، 2006).

4-  تكوين الميثان Methanogenesis:

مرحلة تكوين الميثان يشكل المرحلة الرابعة والاخيرة من عمليات الهضم اللاهوائي. في هذه المرحلة البكتريا تحول حامض الخليك (CH₃COOH) وغاز الهيدروجين (H₂) إلى ثاني اوكسيد الكاربون (CO₂) وغاز الميثان (CH₄) ، وتسمى هذه البكتريا المسؤولة عن هذا التحويل ببكتريا الميثانوجين ، وهي بكتريا لاهوائية ولا تتحمل حتى الكميات الصغيرة من الاوكسجين (Verma ، 2002). تعد بكتريا الميثانوجين مهمة جداً في عمليات التحلل اللاهوائي وهي تنمو ببطئ وحساسة جداً للتغيرات البيئية ، ويمكنها امتصاص وهضم المواد البسيطة (Anukam وآخرون ، 2019). وقد ذكر Kosaric و Blaszczyk (1992) بعض إنَّواع من البكتريا التابعة للميثإنَّوجينات ومنها:

Methanobreribater ruminantion, mbryantic, M. thermoautotrophicum, methanogenium cariaci and M. marinsnigri.

وذكر Ostrem (2004) معادلات هذه المرحلة من التحلل اللاهوائي وهي:

2CH₃CH₂OH + CO₂ ↔ 2CH₃COOH + CH₄ ….. (8)

CH₃COOH ↔ CH₄ + CO2 …….(9)

CH₃OH + H₂ ↔ CH₄ +H₂O ……(10)

CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O  ……(11)

CH₃COO^- + SO₄^-2 + H⁺ → 2HCO₃ + H₂S ….(12)

CH₃COO^- + NO^- + H₂O + H⁺ → 2HCO₃^- + NH4⁺ …..(13)

إنَّ المعادلة (9) تبين تحويل الخلات (CH₃COOH) إلى غاز الميثان (CH₄) ، ثم يختزل غاز ثاني اوكسيد الكاربون (CO₂) إلى غاز الميثان (CH₄) من خلال غاز الهايدروجين (H₂) في المعادلة (11) ، وأخيراً المعادلة (8) يوضح إنتاج غاز الميثان (CH₄) بواسطة ازالة الكاربوكسيل  من الايثإنَّول (CH₃CH₂OH) (Anukam وآخرون ، 2019).

يمكن تقسيم البكتريا المنتجة للميثإنَّ إلى: الاسيتوفيلك Acetophilic والهيدروجينوفلك Hyrogenophilic ، اذ إنَّ بكتريا الاسيتوفلك تنتج الميثان من خلال ازالة الكاربوكسيل من الخلات ، بينما بكتريا الهيدروجينوفلك تنتج الميثان عن طريق اختزال غاز الهيدروجين (H₂) وغاز ثاني اوكسيد الكاربون (CO₂) (Goswami وآخرون ، 2016).

هناك ستة مسارات رئيسية في مرحلة تكوين الميثان (Anukam وآخرون ، 2019). تحول كل مادة مختلفة إلى غاز الميثان ، والمواد الرئيسة المستعملة في هذه المرحلة هي حامض الخليك (CH₃COOH) وحامض الميثانويك (HCOOH) وثاني اوكسيد الكاربون (CO2) وثاني مثيل الكبريتات ((CH₃)₂SO₄) والميثانول (CH3OH) والمثيل امين (CH₃NH₂) (Slonczewski و Foster ، 2014).

المصادر

Al Seadi, T.; Rutz, D.; Prassl, H.; Köttner, M.; Finsterwalder, T.; Volk, S. 2008. More about anaerobic digestion (AD). In Biogas Handbook; Al Seadi, T., Ed.; University of Southern Denmark: Esbjerg, Denmark. pp. 16–28.

Bajpai, P. 2017. Basics of anaerobic digestion process. In Anaerobic Technology in Pulp and Paper Industry; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany. pp. 7–12.

Chen, Y.; Schink, B. Energetics of syntrophic cooperation in methanogenic degradation. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1997, 61, 262–280.

De Bok, F.A.; Harmsen, H.J.; Plugge, C.M.; de Vries, M.C.; Akkermans, A.D.; de Vos,W.M.; Stams, A.J. 2005. The first true obligately syntrophic propionate-oxidizing bacterium, Pelotomaculum schinkii sp. nov., co-cultured with Methanospirillum hungatei, and emended description of the genus Pelotomaculum. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 55, 1697–1703. [CrossRef] [PubMed] .

Ekstrand, E. M. 2019. Anaerobic digestion in the kraft pulp and paper industry: Challenges and possibilities for implementation (Vol. 769). Linköping University Electronic Press.‏

Goswami, R.; Chattopadhyay, P.; Shome, A.; Banerjee, S.N.; Chakraborty, A.K.; Mathew, A.K.; Chaudhury, S. 2016. An overview of physico-chemical mechanisms of biogas production by microbial communities: A step towards sustainable waste management. 3 Biotech 6, 1–12. [CrossRef] [PubMed].

Kosaric, N.; Blaszczyk, R. Industrial e_uent processing. In Encyclopedia of Microbiology; Lederberg, J., Ed.; Academic Press Inc: New York, NY, USA, 1992; pp. 473–491.

Ostrem, K., & Themelis, N. J. 2004. Greening waste: Anaerobic digestion for treating the organic fraction of municipal solid wastes. Earth Engineering Center Columbia University, 6-9.‏

Rabii, A., Aldin, S., Dahman, Y., & Elbeshbishy, E. 2019. A review on anaerobic co-digestion with a focus on the microbial populations and the effect of multi-stage digester configuration. Energies, 12(6), 1106.‏ ‏

Shelford, T.,  C. Gooch, A. Choudhury, and  S. Lansing. 2019. A Technical Reference Guide for Dairy-Derived Biogas Production, Treatment and Utilization. UNIVERSITY OF MARYLAND, DEPARTMENT OF ENVIROMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY. 104 P.

Singleton, P. Acetogenesis. 2006. In Dictionary of Microbiology and Molecular Biology, 3rd ed.; John Wiley: Hoboken, NJ, USA, ISBN 978-0-470-03545-0.

Verma, S. 2002. Anaerobic Digestion of Biodegradable Organics in Municipal Solid Wastes. Master’s Thesis, Columbia University, New York, NY, USA.

Weiland, P., 2010. Biogas production: current state and perspectives. Appl. Microbiol. Biotechnol. 85, 849–860. https://doi.org/10.1007/s00253-009-2246-7