Оскільки розкладання органічних відходів відбувається за рахунок діяльності певних типів бактерій, то істотний вплив на нього робить навколишнє середовище. Кількість вироблюваного газу значною мірою залежить від температури: чим тепліше, тим більші швидкість і ступінь ферментації органічної сировини. Саме тому перші установки для одержання біогазу з'явилися в країнах з теплим кліматом. Однак застосування надійної теплоізоляції, а іноді і підігрітої води, дозволяє освоїти застосування генераторів біогазу в районах, де температура узимку опускається до  мінус 20°С.

Існують також певні вимоги до сировини. Вона повинна бути придатна для розвитку бактерій, містити органічну речовину, що біологічно розкладається, й у великій кількості воду (90-94%). Бажано, щоб середовище було нейтральним і без речовин, що заважають дії бактерій. Такими речовинами є, наприклад, мило, пральні порошки, антибіотики тощо.

Для одержання біогазу можна використовувати рослинні і господарські відходи, гній, стічні води та інші відходи. У процесі ферментації суміш в резервуарі має тенденцію до поділу на три фракції. Верхня – кірка, утворена з великих часток, яка захоплюється пухирцями газу, що піднімаються. Через якийсь час вона може стати досить твердою і буде заважати виділенню біогазу. У середній частині ферментатора накопичується рідина. В нижній частині фракція випадає в осад.

Бактерії найактивніші в середній зоні. Тому вміст резервуара необхідно періодично перемішувати, бажано  до шести разів на добу. Перемішування може здійснюватися за допомогою механічних пристосувань гідравлічними засобами (під дією насоса), під напором пневматичної системи (часткова рециркуляція біогазу) чи за допомогою різних методів самоперемішування.

Анаеробне бродіння в біореакторі процес складний і хиткий, на нього впливають як зовнішні, так і внутрішні чинники. Основні фактори, що впливають на процес бродіння [3, 5 - 7]:

·        зовнішня температура;

·        внутрішня температура середовища;

·        лужність середовища, рН;

·        наявність речовин інгібіторів;

·        фракційний склад субстрату та його вологість і в’язкість;

·        час бродіння;

·        інтенсивність перемішування;

·        вплив хімічного складу та типу вихідного матеріалу;

·        термостабілізація процесу бродіння;

·        тиск в системі;

·        будова резервуара.

Вплив деяких із наведених чинників є досить значним і недотримання технологічних меж може зупинити процес. Інші мають не такий критичний вплив, але при сукупності дії всіх чинників їх ефект додається.

Жорсткість середовища повинна бути для нормального процесу бродіння в межах 1500…5000 мг СаСО3 на 1 літр субстрату, а значення рН в межах 6,5…7,5. До речовин, що сповільнюють процес бродіння, належать солі важких металів, антибіотики, аміак, розчинники, лужні метали, поверхнево активні речовини, що містяться у пральних засобах. Наприклад, гранично допустима концентрація міді складає 10 мг на 1 літр субстрату, нітратів – 50 мг/л., аміаку − 1500 мг/л. Субстрат для анаеробного бродіння є суспензією з концентрацією сухої речовини 2…12%. Довжина стебел соломи, що може знаходитися в ньому, не повинна перевищувати 3 см. Більш великі значення наведених речовин призведуть до збільшеної в’язкості середовища, а відповідно до ускладнень при перемішуванні і утворенні бульбашок газу. Велика в’язкість середовища не дозволить отриманим бульбашкам газу вільно прориватися через нього назовні.

Процес утворення метану відбувається у три основні стадії (рис 1.1): на першій стадії ферментативні бактерії гідролізують органічну речовину субстрату з утворенням кінцевих продуктів  у вигляді оцтової кислоти і інших ненасичених жирних кислот, СО2 і водню.

На другій стадії ацетогенні бактерії виробляють водень і оцтову кислоту з кінцевих продуктів першої стадії. Третя стадія – розклад метаногенними бактеріями оцтової кислоти,  СО2 і водню в метан. У процесі розкладу важливе значення має наявність водню в системі.

Рисунок 1.1 – Структура стадій розкладання органічної речовини

 Для оцінювання значень теплоємності C, в’язкості m та густини субстрату r доцільно користуватися залежностями [8-10]:

де c – вміст сухих речовин, 2-15%;

С_сух – теплоємність сухої речовини субстрату;

С_в – теплоємність води;

m_в  – в’язкість води при даній температурі; 

b_u  – коефіцієнт, що залежить від виду стоків і складає 0,7…0,75 для великої рогатої худоби та b=0,6…0,7 для свиней.

         Час бродіння залежить від типу субстрату, заданої глибини розкладання органічних речовин, типу реактора, температурних режимів та інших чинників. Реактор може працювати в безперервному та в дискретному режимі.

Безперервний режим дозволяє постійно отримувати біогаз, але вимагає великої кількості органічної маси та спеціальних конструкцій реакторів.          Найбільший вихід біогазу спостерігається при надходженні в реактор такої кількості органічної маси, яка на даний час вже розклалася. В іншому випадку кількість наявних бактерій буде не в змозі розкласти нову порцію органіки і процес буде проходити повільніше. Дискретний режим дозволяє отримати більшу кількість біогазу з одиниці маси речовини, але потребує на ферментацію більше часу. Збільшення часу бродіння дозволяє більш глибоко розкласти органічні речовини, таким чином зменшуючи токсичність шламу, що залишається після бродіння, покращити якість біогазу, збільшуючи концентрацію СН4. Оптимальним вважається час бродіння 10…20 діб. За цей період досягається максимальна якість отриманого біогазу та максимальне розкладення органіки. Оптимальне завантаженням робочого об’єму біореактора для різних видів органічних речовин наведено в таблиці 1.7 [3]:

Таблиця 1.7 − Завантаження робочого об’єму реактора, час перебування і  розкладання органічних речовин при температурі 33°С

Авторами запропонована оригінальна конструкція біореактора для безперервного циклу бродіння [11]. В основу конструкції покладено задачу створення біогазового реактора, в якому за рахунок введення нових елементів та зв’язків досягається збільшення продуктивності біогазового реактора та економія часу при виробництві біогазу.

На рис. 1.2 подано загальну схему запропонованої конструкції біогазового реактора. Пристрій містить резервуар 1, який зверху закритий ковпаком 2 з шахтами завантаження біомаси 12 і заслінками 8, та поділений провальними колосниковими решітками 4 з можливістю зміни гідравлічного опору за допомогою регулятора 13 на три секції 9. В кожній з секцій знаходиться підігрівач біомаси 3. Ковпак 2 встановлюється з можливістю його руху по напрямних 10 і містить труби споживача 6, які сполучені з кожною секцією.  Також кожна секція 9 резервуара 1 має оглядові вікна 11. Ємність 5 з заслінкою 7 для збору біодобрив знаходиться в нижній частині резервуара 1.

Реактор працює таким чином. При завантаженні біомаси  в резервуар 1 через шахти завантаження біомаси 12 подачу регулюють заслінками 8. Біомаса опиняється в першій секції 9 резервуару 1, де вона нагрівається підігрівачем 3 і проходить першу стадію бродіння. Після чого за рахунок зміни гідравлічного опору колосникових решіток 4 за допомогою регулятора 13, біомаса  опиняється в другій секції 9, де проходить другу стадію бродіння. В першу секцію завантажується нова порція біомаси.  Отриманий біогаз відводиться за допомогою труб споживача 6. Третя стадія бродіння біомаси проходить в нижній секції 9 резервуара 1, де після завершення бродіння біомаса  ппотрапляє в ємність збору біодобрив 5, завантаження якої регулюється заслінкою 7. За процесом бродіння візуально спостерігають за допомогою оглядових вікон 11. При необхідності відкрити резервуар 1 ковпак 2 рухається по напрямних 10 і знімається.

Рисунок 1.2 − Біогазовий реактор з безперервним циклом бродіння

Регуляція гідравлічного опору провальних колосникових решіток відбувається за рахунок регулятора 13. Конструкція такого біореактора також забезпечує безперервність завантаження  біомаси та роботу без зупинення біогазового реактора, безперервне отримання біогазу, перемішування біомаси при провалюванні крізь колосникові решітки, можливість візуального контролю процесу бродіння та регуляції отримання біодобрив й біогазу, збільшення продуктивності біогазового реактора.

Процес бродіння відбувається у три стадії. На першій стадії шляхом гідролізу розкладаються вуглеводи, жири, білки на низькомолекулярні органічні сполуки. Другий етап протікає за участі кислото утворювальних бактерій, що розкладають низькомолекулярні сполуки, вуглеводи та жири на кислоти, солі, спирти, вуглекислий газ, водень, сірководень та аміак. На третьому етапі відбувається безпосереднє метанове бродіння, коли органічні речовини розкладаються на метан і вуглекислий газ.