Под подготовкой органического сырья к бескислородному сбраживанию подразумевается ряд мер, позволяющих улучшить структуру биомассы и положительно повлиять непосредственно на эффективность биогазового производства. К подготовительным мероприятиям относят прежде всего, измельчение и гомогенизацию, то есть создание однородной текстуры органики.
Институтом сельского хозяйства в Саксонии (ФРГ) установлено, что эффект измельчения биомассы положительно влияет на выход метана при ее сбраживании. Из измельченного материала получают на 14-26% больше метана, чем из неподготовленной биомассы. Измельченное органическое сырье сбраживается быстрее. Так, в силосе кукурузы на 12 день, а в сенаже на 8 день выход метана был таким, как в необработанном субстрате через 30 дней анаэробной ферментации.
Измельчение приводит к увеличению площади поверхности субстрата и улучшает доступ метаногенным бактериям к питательным веществам. За счет измельчения выход метана может увеличиться до 14% в силосе кукурузы, и до 26% в сенаже.
Гомогенизация субстрата важна для поддержания стабильности процесса сбраживания и избегания накопления свежей биомассы на поверхности жидкости с образованием газонепроницаемой оболочки, которая способна привести к повреждениям емкости сбраживания и систем отведения газа.
Гомогенизацию субстрата можно проводить перед подачей в ферментационный резервуар или в самой емкости сбраживания. Гомогенизация перед подачей к ферментер имеет преимущество, в частности зимой, когда холодное органическое сырье подогревается в емкости для смешивания. Эффективность смешивания в этом случае улучшается, а расходы электрической энергии для смешивания биомассы уменьшаются. Гомогенизация биомассы также может проводиться при помощи шнековых насосов и экструдеров различной конструкции.
Важным путем развития технологий подготовки органических отходов и остатков к сбраживанию является изменение их структуры термическим, химическим и биологическим методами. Термический гидролиз под давлением позволяет достичь (за счет расщепления биомассы под воздействием температуры и давления) отделения лигнина от клетчатки, которая обычно состоит из целлюлозы и гемицеллюлозы, и позволяет превратить эти составляющие в сахара и увеличить таким образом выход метана. Термическая обработка органического сырья должна проводиться перед его силосованием.
Лабораторные исследования показывают, что обработка температурой под давлением приводит к выделению сахара и преобразованию соломы в пастообразное состояние. Для соломы озимой пшеницы содержание сахара увеличивается в результате обработки при 1400С в семь раз, а при температуре 1800С — в сорок раз. Эта ситуация объясняется разрушением лигнино-целлюлозной решетки биомассы и улучшением доступа к питательным веществам с преобразованием целлюлозы в простые сахара. При этом жидкая часть субстрата сохраняет в себе основную массу питательных веществ.
При обработке соломы паром под давлением прирост выхода метана после ферментации составляет до 48% по сравнению с необработанной соломой. Кроме того, время сбраживания сокращается с 18 до 12 суток. Сокращение необходимого для ферментации времени обусловлено улучшенной смешиваемостью подготовленной соломы с жидкостью в ферментационной емкости. Плохие свойства смешиваемости биомассы могут привести к повышению энергетических затрат.
Гидролиз биомассы при помощи ультразвуковой деструкции позволяет, при облучении материалов с высоким содержанием влаги ультразвуком с частотой 20 кГц, провести расщепление органического сырья за счет эффекта кавитации. В зависимости от интенсивности ультразвука и времени облучения субстрата можно достичь разного состояния измельчения клеток биомассы. Более низкая частота ультразвука способствует лучшему расщеплению органики. С помощью расщепления сырья под воздействием ультразвука выход биогаза увеличивается на 40,4%, а необходимое время ферментации значительно сокращается. Вследствие ультразвуковой обработки увеличивается также содержание метана в биогазе.
С помощью биологической деструкции биомассы ферментами, которые являются биокатализаторами, повышают скорость прохождения биохимической реакции. Ферменты отбирают как в органах пищеварения животных, так и в специальных ферментационных установках. По оценкам экспертов в мире существует примерно 50 млн ферментов, из них изученными считаются только 2000. С помощью целевого добавления ферментов к органическому сырью возможно ускорить процессы сбраживания и увеличить выход метана на единицу биомассы. Многие ферменты действуют на отдельные виды субстратов. Поэтому для различных видов биомассы нужно подбирать особый состав ферментов.
Проведенные исследования с обработкой биомассы ферментами показали увеличение выхода метана из кукурузы на 5-18%, из луговых трав — на 14-67%.