تخمير غاز البيوجين من روث الدجاج

Thread Content

روث الدجاج هو سماد عضوي ذو جودة عالية، حيث يحتوي على نسب تقريبية من النيتروجين الخالص والفوسفور (P2O5) والبوتاسيوم (K2O) تبلغ 1.63%، و1.54%، و0.085% على التوالي. يجب أن يتم تحلل روث الدجاج بشكل كامل قبل استخدامه، حيث يتم القضاء على الطفيليات وبيضها الموجودة في روث الدجاج، بالإضافة إلى بعض البكتيريا المعدية، من خلال عملية التحلل. نظرًا لارتفاع درجة الحرارة الناتجة عن تحلل روث الدجاج أثناء عملية التخمير، فإن ذلك يؤدي إلى فقدان النيتروجين بسهولة. لذلك، يجب إضافة كمية مناسبة من الماء قبل عملية التحلل، بالإضافة إلى إضافة 5% من كبريتات الفوسفور، وهو ما سيعزز فعالية السماد. يمكن استخدام طريقة التحلل عن طريق وضع فضلات الدجاج في حوض للتخمير، أو يمكن أيضًا تغطية سطحها بالتراب لتخميرها. بعد أن يتحلل روث الدجاج بشكل كامل، يصبح سمادًا أساسيًا عالي الجودة لزراعة المحاصيل، أو يُستخدم غالبًا في زراعة الأشجار المثمرة كسماد أساسي يُطبق في الشتاء ويستفاد منه طوال العام. 　　نظراً للخصائص الفسيولوجية للدجاج، فإن العلف الذي يتناوله لا يتم هضمه واستيعابه بالكامل، حيث يتم إخراج ما بين 40% إلى 70% من العناصر الغذائية من جسم الدجاج، ولذلك فإن روث الدجاج يحتوي على أعلى نسبة من العناصر الغذائية بين روث جميع الطيور والحيوانات الأخرى. لكن إذا تم استخدام فضلات الدجاج مباشرة في الزراعة دون معالجتها أو تحللها، فإن ذلك يسبب أضرارًا كبيرة ومخاطر جسيمة: فعند وضعها مباشرة في التربة، تتخمر تحت ظروف معينة وتنتج كميات كبيرة من الحرارة، مما يدمر جذور النباتات. في الوقت نفسه، يحتوي روث الدجاج في حد ذاته على كمية كبيرة من الجراثيم، مما يشكل خطرًا لإصابة المحاصيل بالأمراض. لذلك، يجب معالجة روث الدجاج بطريقة تجعله غير ضار، ويجب أن يتحلل تمامًا قبل استخدامه في الزراعة. 　 　　الطريقة التقليدية تتمثل في تخزين فضلات الدجاج في أماكن مغلقة لإجراء عملية التخمير اللاهوائي، وعادةً ما يستغرق الأمر من 3 إلى 4 أشهر حتى تتحلل هذه الفضلات. أما الآن، فبفضل التكنولوجيا الحيوية، يتم استخدام عملية التخمير الهوائي، مما يجعل سرعة التحلل أسرع بـ 10 إلى 20 مرة من الطريقة التقليدية. كما يتم تحليل الجزيئات الكبيرة مثل البروتينات الموجودة في فضلات الدجاج إلى جزيئات صغيرة، بحيث يمكن للنباتات امتصاصها مباشرة. لا يمكن شم رائحة الروث المتعفن تقريبًا. المكون الرئيسي لغاز البيوجين هو الميثان. يتكون الغاز الحيوي من 50٪ إلى 80٪ من الميثان (CH4)، ومن 20٪ إلى 40٪ من ثاني أكسيد الكربون (CO2)، ومن 0٪ إلى 5٪ من النيتروجين (N2)، بالإضافة إلى أقل من 1٪ من الهيدروجين (H2)، وأقل من 0.4٪ من الأكسجين (O2)، ومن 0.1٪ إلى 3٪ من غاز كبريتيد الهيدروجين (H2S). نظرًا لأن غاز البيوجين يحتوي على كمية صغيرة من غاز الهيدروجين الكبريتي، فإن له رائحة كريهة خفيفة. خصائصه مشابهة لخصائص الغاز الطبيعي. عندما يحتوي الهواء على نسبة تتراوح بين 8.6 و20.8% (من حيث الحجم) من غاز البيوغاز، فإن ذلك يؤدي إلى تكوين خليط قابل للاشتعال. 1. ميكروبات تخمير الغاز الحيوي (مع الأخذ في الاعتبار العلاقات بين البكتيريا: التعزيز، والتثبيط، والتنافس، إلخ)
ميكروبات تخمير الغاز الحيوي هي مصطلح شامل يشمل خمس مجموعات رئيسية، وهي: البكتيريا المخمرة، والبكتيريا المنتجة للهيدروجين والخل، والبكتيريا المستهلكة للهيدروجين والمنتجة للخل، والبكتيريا المستهلكة للهيدروجين والمنتجة للميثان، والبكتيريا المستهلكة للخل والمنتجة للميثان. تشكل المجموعات الخمس الرئيسية من البكتيريا سلسلة غذائية، واستنادًا إلى المنتجات الأيضية لكل مجموعة من البكتيريا أو تأثير أنشطتها على قيمة الرقم الهيدروجيني في السائل المخمر، يمكن تقسيم عملية تخمير الغاز الحيوي إلى مراحل التحلل المائي، وإنتاج الأحماض، وإنتاج الميثان. يمكن للبكتيريا التابعة للفئات الثلاث الأولى أن تحول المواد العضوية إلى أنواع مختلفة من الأحماض العضوية، ولذلك يُطلق عليها اسم البكتيريا غير المنتجة للميثان. يمكن للبكتيريا التابعة للفئتين الأخيرتين أن تحول مختلف الأحماض العضوية إلى الميثان، ولذلك يُطلق عليها اسم بكتيريا إنتاج الميثان. 　　(1) البكتيريا غير المنتجة للميثان: يمكن للبكتيريا غير المنتجة للميثان تحويل الجزيئات العضوية المعقدة ذات الوزن الجزيئي الكبير إلى مواد بسيطة ذات وزن جزيئي أقل. تتنوع أنواعها كثيرًا، وحسب الركيزة التي تعمل عليها، فهناك بكتيريا تحلل الألياف، وبكتيريا تحلل النصف ألياف، وبكتيريا تحلل النشا، وبكتيريا تحلل البروتينات، وبكتيريا تحلل الدهون، بالإضافة إلى بعض البكتيريا الخاصة مثل بكتيريا إنتاج الهيدروجين وبكتيريا إنتاج حمض الخليك وغيرها. 　　(2) بكتيريا إنتاج الميثان: بكتيريا إنتاج الميثان هي المكون الرئيسي في عملية تخمير الغاز الحيوي، وهي المسؤولة عن إنتاج غاز الميثان. إنها النواة الأساسية للميكروبات المسؤولة عن تخمر الغاز الحيوي؛ فهي تعيش في بيئة لاهوائية تمامًا وحساسة للغاية للأكسجين والمؤكسدات، ويتراوح النطاق الأمثل لقيمة الرقم الهيدروجيني بين المحايد والقلوي الضعيف. إنها تعتمد على ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين للنمو، وتطلق الميثان كنفايات، وهي أبسط الكائنات الدقيقة من حيث متطلبات النمو. 　　٢. مبدأ تخمير الغاز الحيوي (الارتباط بنمو وأيض الكائنات الدقيقة) يُعرف تخمير الغاز الحيوي أيضًا باسم التخمير اللاهوائي، وهو عملية تحلل وتحويل المواد العضوية المختلفة في ظروف لاهوائية بواسطة أنواع مختلفة من الكائنات الدقيقة المسؤولة عن تخمير الغاز الحيوي، لتنتج في النهاية غاز الحيوي. العملية المعترف بها حاليًا لتخمير الغاز الحيوي موضحة في الرسم التالي:
(ملاحظة: ① I وII تمثل نظرية المراحل الثلاث، أما I وII وIII وIV فهي تمثل نظرية الفئات الأربع).
3. نظرية المراحل الثلاث
3.1 مرحلة التكثيف في عملية تخمير الغاز الحيوي
هناك أنواع عديدة من المواد العضوية التي يمكن استخدامها كمواد خام في تخمير الغاز الحيوي، مثل فضلات الدواجن والماشية، وقش النباتات، ومخلفات معالجة الأغذية والمياه العادمة، بالإضافة إلى مخلفات الكحول. المكونات الكيميائية الرئيسية لهذه المواد هي السكريات المتعددة والبروتينات والدهون. من بينها، تعتبر المواد البوليساكاريدية المكون الرئيسي لمواد التخمير، وتشمل النشا والسليلوز والهيميسليلوز والبكتين وغيرها. معظم هذه المركبات العضوية المعقدة غير قابلة للذوبان في الماء، ويجب أولاً تحليلها بواسطة الإنزيمات الخارجية التي تفرزها بكتيريا التخمير إلى سكريات قابلة للذوبان وببتيدات وأحماض أمينية وأحماض دهنية، حتى يتسنى للكائنات الدقيقة امتصاصها واستخدامها. بعد أن تمتص البكتيريا المتخمرة المواد القابلة للذوبان المذكورة أعلاه إلى داخل الخلايا، فإنها تحولها عن طريق التخمر إلى أحماض دهنية مثل حمض الأسيتيك والبروبيونيك والبيوتيريك، بالإضافة إلى الكحولات وكمية معينة من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. في عملية قياس تخمير الغاز الحيوي، يُطلق على المجموع الكلي لأحماض الخليك والبروبيونيك والبيوتيريك الموجودة في سائل التخمير اسم الأحماض القابلة للتبخر (TVA). تقوم البكتيريا المخمرة بتحليل المواد البروتينية إلى أحماض أمينية، ويمكن للبكتيريا استخدام هذه الأحماض الأمينية في تكوين المواد الخلوية. أما الكميات الزائدة منها، فيمكن تحليلها لاحقًا إلى أحماض دهنية وأمونيا وهيدروجين كبريتي وغيرها. إن كمية البروتين لها تأثير مباشر على محتوى الأمونيا وكبريتيد الهيدروجين في الغاز الحيوي، بينما يمكن للأحماض العضوية الناتجة عن تحلل الأحماض الأمينية أن تتحول لاحقًا إلى الميثان وثاني أكسيد الكربون والماء. تحت تأثير إنزيمات الدهون لدى البكتيريا، يتم تحلل المواد الدهنية أولاً إلى جليسرول وأحماض دهنية؛ يمكن تحليل الجليسرول لاحقًا عبر مسارات التمثيل الغذائي للسكريات، بينما تتحلل أحماض الدهنية من قبل الكائنات الدقيقة إلى عدة أجزاء من حمض الخليك. 　　3.2 مرحلة إنتاج الأحماض في عملية تخمير غاز المستنقعات
3.2.1 بكتيريا إنتاج الهيدروجين والخل
تقوم البكتيريا المخمرة بتحليل المواد العضوية المعقدة، مما يؤدي إلى إنتاج أحماض عضوية وكحولات. باستثناء حمض الفورميك وحمض الخليك والميثانول، فإن هذه المواد لا يمكن لبكتيريا إنتاج الميثان استخدامها، لذا يجب على بكتيريا إنتاج الهيدروجين والخل تحويلها إلى خل وهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. 　　3.2.2 بكتيريا استهلاك الهيدروجين لإنتاج الخل تُعرف بكتيريا استهلاك الهيدروجين لإنتاج الخل أيضًا باسم بكتيريا الخل المتماثل، وهي نوع من البكتيريا ذات التغذية المختلطة التي يمكنها العيش بشكل ذاتي أو بشكل هجين. يمكنها كلاهما توليد حمض الأسيتيك باستخدام Hz+c0z، كما يمكنها أيضًا استقلابه وإنتاجه. من خلال نشاط الكائنات الدقيقة المذكورة، يمكن تكوين أحماض عضوية ومركبات مثل Hz/c0z وغيرها من المركبات العضوية المعقدة. 　　3.3 مرحلة إنتاج الميثان في عملية تخمير الغازات الطبيعية  3.3.1 فئات بكتيريا إنتاج الميثان  تنقسم بكتيريا إنتاج الميثان إلى فئتين رئيسيتين: بكتيريا إنتاج الميثان التي تستخدم الهيدروجين كمصدر للطاقة، وبكتيريا إنتاج الميثان التي تستخدم حمض الأسيتيك كمصدر للطاقة. في عملية تخمير الغازات الحيوية، يحدث تكوين الميثان بفعل مجموعة من البكتيريا القديمة ذات التخصص الفسيولوجي العالي، وهي بكتيريا إنتاج الميثان. تشمل هذه البكتيريا بكتيريا إنتاج الميثان التي تستخدم الهيدروجين كمصدر للطاقة، وكذلك تلك التي تستخدم حمض الأسيتيك كمصدر للطاقة. إنها تشكل آخر مجموعة في سلسلة الغذاء خلال عملية الهضم اللاهوائي. وعلى الرغم من اختلاف أشكالها، إلا أن مكانتها في سلسلة الغذاء تمنحها خصائص فسيولوجية مشتركة. في الظروف اللاهوائية، تقوم بتحويل المنتجات النهائية للبكتيريا الثلاث المذكورة سابقًا، إلى خلات وH2/CO2، دون وجود مصدر خارجي للهيدروجين. يتحول إلى غازات مثل -CH4/CO2، مما يسمح بتحلل المواد العضوية بنجاح في الظروف اللاهوائية. تتم عمليات إنتاج الميثان المعروفة حاليًا بواسطة مجموعتين مختلفتين من بكتيريا إنتاج الميثان المذكورة أعلاه. 　　① تكون ردة الفعل لإنتاج الميثان من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين كالتالي: C02 + 4H2 → CH4 + H2O.
أما ردة الفعل لإنتاج الميثان من حمض الخليك أو مركبات حمض الخليك، فهي كالتالي: CH3COOH → CH4 + CO2؛ CH3COONH4 + H2O → CH4 + NH4HCO3.
3.3.2 الخصائص الفسيولوجية لبكتيريا إنتاج الميثان
① تحتاج بكتيريا إنتاج الميثان إلى بيئة خالية تمامًا من الأكسجين لكي تنمو.
توجد بكتيريا إنتاج الميثان في الرواسب الموجودة على قاع المياه، وكذلك في أمعاء الحيوانات، وهي بيئات خالية تمامًا من الأكسجين. 　　② بكتيريا إنتاج الميثان تتغذى ببساطة، فهي قادرة على تحويل عدد قليل فقط من المركبات الكربونية إلى ميثان. 　　③ تنمو البكتيريا المنتجة للميثان في ظروف محايدة من حيث الرقم الهيدروجيني.
④ نمو البكتيريا المنتجة للميثان بطيء.
الشكل التالي يوضح توزيع السلسلة الغذائية والطاقة في عملية تخمر الغاز الحيوي:
نظرية الأربع مجموعات
قسّم بعض العلماء عملية التخمر إلى مراحل، بناءً على عمليات التحول الكيميائي الحيوي (كما في الشكل أدناه):
① التحلل المائي: تقوم بكتيريا مثل البكتيريا من جنس كلوستريديوم والبكتيريا من جنس باكتيرويدس بتحليل المواد العضوية الكبيرة مثل الكربوهيدرات والبروتينات إلى مركبات عضوية صغيرة، مثل الجلوكوز والأحماض الأمينية ； 　　②التخمير: تقوم بكتيريا الكلوستريديا، والبيفروباكتيريا، وغيرها من البكتيريا (مثل اللبنيات وبكتيريا البروبيونيك) بتحليل المنتجات الناتجة عن التحلل المائي إلى جزيئات صغيرة مثل الكحولات والأحماض العضوية وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين والأمونيا وغيرها ； 　　③إنتاج حمض الخليك والهيدروجين: تحلل الكحولات الصغيرة وبعض الأحماض الدهنية الناتجة عن التخمر إلى حمض الخليك وحمض الفورميك وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. ما زال الفهم حول هذا النوع من البكتيريا محدودًا، بل إن الجنس والنوع لم يتم تحديدهما بعد. لكن من المؤكد أن الهيدروجين الذي تنتجه هذه البكتيريا يثبط نموها وتكاثرها لاحقًا. لذلك، يجب أن تعيش بكتيريا إنتاج حمض الخليك والهيدروجين مع بكتيريا قادرة على استخدام الهيدروجين، مثل بكتيريا إنتاج الميثان وبكتيريا أسيتوباكتر بوفي ； 　　④عملية إنتاج الميثان: تقوم بكتيريا إنتاج الميثان بتحويل الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون، بالإضافة إلى حمض الفورميك وحمض الخليك والميثانول والأمونيا، وغيرها من المواد التي تتكون في المراحل الثلاث الأولى، إلى ميثان. تتميز بكتيريا إنتاج الميثان بتنوع أشكالها، لكن خصائصها الفسيولوجية متشابهة إلى حد كبير؛ ففي ظروف نقص الأكسجين، يكون الميثان هو المنتج الأساسي لعمليات التمثيل الغذائي لديها. 　　العلاقات البيئية بين ميكروبات تخمير الغاز الحيوي
خلال عملية تخمير الغاز الحيوي، يوجد تعاون بين البكتيريا غير المنتجة للميثان والبكتيريا المنتجة للميثان؛ حيث تساعد كل منهما الأخرى في خلق والحفاظ على الظروف المناسبة اللازمة للحياة. لكن في نفس الوقت، هناك قيود متبادلة بينهما، ويظل الوضع في حالة توازن طوال عملية التخمير. تتجلى العلاقات الرئيسية بينهما في النواحي التالية:
① البكتيريا غير المنتجة للميثان توفر للبكتيريا المنتجة للميثان الوسط اللازم لنموها وإنتاج الميثان.
② البكتيريا غير المنتجة للميثان تخلق ظروفًا مناسبة من حيث الجهد الأكسدة-الاختزال للبكتيريا المنتجة للميثان.
③ البكتيريا غير المنتجة للميثان تزيل المواد الضارة من البيئة المحيطة بالبكتيريا المنتجة للميثان.
④ البكتيريا المنتجة للميثان بدورها تزيل التثبيط الناتج عن العمليات البيوكيميائية لدى البكتيريا غير المنتجة للميثان.
⑤ البكتيريا غير المنتجة للميثان والبكتيريا المنتجة للميثان تعملان معًا على الحفاظ على قيمة الرقم الهيدروجيني المناسب في البيئة.

5. عمليات التخمير
تختلف عمليات التخمير حسب نوع المواد المستخدمة في التخمير وظروف التخمير نفسها. 　　5.1 الخطوات الأساسية في عملية تخمير الغاز الحيوي
تشمل عملية تخمير الغاز الحيوي، بغض النظر عن حجم المشروع، الخطوات التالية: جمع المواد الخام (المياه المستعملة)، معالجتها مسبقًا، استخدام أوعية التخمير لإنتاج الغاز الحيوي، معالجة المنتجات الناتجة بعد عملية التخمير، بالإضافة إلى تنقية وتخزين الغاز الحيوي. كما هو موضح في الرسم التالي:

5.2 الشروط الأساسية لعملية تخمير الغاز الحيوي (مثل ظروف نمو الكائنات الدقيقة وتحضير الوسط الخاص بالزراعة)
(1) درجة الحرارة المناسبة للتخمير
تنقسم درجات الحرارة المناسبة لعملية التخمير إلى: التخمير في درجات حرارة عادية (ويُطلق عليه أيضًا التخمير في درجات حرارة منخفضة)، وذلك في نطاق درجات حرارة تتراوح بين 10℃ و30℃. في هذه الدرجات الحرارية، يمكن أن يكون معدل إنتاج الغاز بين 0.15 و0.3 متر مكعب لكل متر مكعب في اليوم. ② التخمير في درجة حرارة متوسطة، من 30°م إلى 45°م؛ وفي هذه الظروف الترمومترية، يمكن أن تصل نسبة إنتاج الغاز إلى حوالي 1 متر مكعب/متر مكعب·يوم. ③التخمير عند درجات حرارة عالية من 45 إلى 60 درجة مئوية؛ في هذه الظروف الحرارية، يمكن أن تصل كفاءة إنتاج الغاز في الخزان إلى حوالي 2–2.5 م³/م³·يوم. أفضل درجة حرارة لعملية تخمير الغاز الحيوي من الناحية الاقتصادية هي 35 درجة مئوية، أي التخمير في درجات حرارة متوسطة. 　　(2) تركيز محلول التخمير المناسب: يتراوح تركيز محلول التخمير بين 2% و30%. كلما ارتفع التركيز، زاد إنتاج الغاز. يُطلق على تركيز محلول التخمير الذي يزيد عن 20% اسم التخمير الجاف. يمكن تعديل تركيز سائل التخمير في خزانات الغاز الحيوي المنزلية في الريف حسب كمية المواد الخام والحاجة إلى الغاز وتغيرات الفصول. في الصيف، يكون تركيز المواد المغذية المستخدمة في التغذية بين 5 و6% ； في الشتاء، يتم تعويض الحرارة بإضافة مواد بنسبة 10 إلى 12%. 　　(3) النسبة المناسبة بين الكربون والنيتروجين في مواد التخمير (C:N)
تحتاج كائنات التخمير المستخدمة في إنتاج الغاز الحيوي إلى كمية كبيرة من الكربون، يليه النيتروجين. نسمي نسبة احتياجات الكائنات الحية من الكربون إلى النيتروجين “نسبة الكربون إلى النيتروجين”， وتُرمز إليها بالرمز C:N. يتم حاليًا استخدام نسبة C:N = 25:1 بشكل عام. لكن الأمر ليس صارمًا تمامًا، فـ 20:1 و25:1 و30:1 كلها تسمح بالتخمير الطبيعي. 　　(4) درجة الحموضة المناسبة (قيمة pH)
الدرجة المناسبة لتخمير الغاز الحيوي هي pH = 6.5 إلى 7.5. يؤثر مستوى الرقم الهيدروجيني على نشاط الإنزيمات، وبالتالي يؤثر على سرعة التخمير. 　　(5) كمية كافية من البكتيريا: يؤثر عدد البكتيريا المستخدمة في عملية تخمير الغاز الحيوي، بالإضافة إلى جودتها، بشكل مباشر على كمية وجودة الغاز الحيوي الناتج. يُطلب عمومًا الوصول إلى نسبة تتراوح بين 10 و30% من الكمية الإجمالية لسائل المادة الخام المستخدم في التخمير، وذلك لضمان بدء عملية التخمير بشكل طبيعي وإنتاج كمية كافية من الغاز. 　　(6) جهد أكسدة-اختزال منخفض (بيئة لا هوائية): تحتاج بكتيريا الميثان في الغاز الحيوي إلى ظروف يكون فيها جهد الأكسدة-اختزال أعلى من -330 مللي فولت لكي تتمكن من النمو. وهذا الشرط هو: بيئة خالية من الأكسجين بشكل صارم. لذلك، يجب أن تكون حوضات الغاز الحيوي مغلقة.