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AGENGG 311 Lecture 04: बायोगैस उत्पादन तकनीकें एवं बायोगैस के विभिन्न उपयोग | Hindi Notes

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AGENGG 311 · Renewable Energy in Agriculture
विषय सूची · Quick Navigation02 अधिगम उद्देश्य (Learning Objectives)03 प्रस्तावना एवं मूल अवधारणा (Introduction)04 महत्वपूर्ण वैज्ञानिक परिभाषाएँ (Important Definitions)05 विस्तृत विषय व्याख्या (Detailed Topic Explanation)06 प्रकार एवं वैज्ञानिक वर्गीकरण (Types and Classification)07 महत्वपूर्ण सिद्धांत एवं समीकरण (Important Principles and Concepts)08 वैज्ञानिक एवं व्यावहारिक उदाहरण व गणनाएँ (Scientific & Practical Examples)09 तुलनात्मक सारणियाँ (Comparative Tables)10 महत्वपूर्ण सूत्र एवं तकनीकी मानक (Formulas & Key Metrics)11 व्याख्यान-विशिष्ट माइंड मैप (Lecture-Specific Mind Map)12 प्रक्रिया प्रवाह चित्र एवं आरेख (Flowcharts & Visual Diagrams)13 महत्वपूर्ण तथ्य एवं परीक्षा टिप्स (Important Facts & Exam Tips)14 त्वरित पुनरावृत्ति सारांश (Quick Revision Panel)15 बहुविकल्पीय प्रश्न — उत्तर एवं व्याख्या सहित (10 MCQs with Answers)16 अति-लघु, लघु एवं दीर्घ उत्तरीय प्रश्न व वन-लाइनर्स (Exam Question Bank)
Lecture 04 Source Page Reference in Supplied Pack: 124 (ICAR Theory Lecture 04 – 2 Lectures Weightage)

Lecture 04: बायोगैस उत्पादन तकनीकें एवं बायोगैस के विभिन्न उपयोग

Biogas production techniques and various uses of biogas

यह अध्ययन सामग्री है। Biogas/gasifier में combustible gas, toxic gases और confined-space hazards हो सकते हैं; plant operation/maintenance manufacturer तथा trained personnel के अनुसार करें। MNRE biogas reference

02 अधिगम उद्देश्य (Learning Objectives)

इस व्याख्यान (Lecture) के अध्ययन के पश्चात् विद्यार्थी निम्नलिखित में सक्षम होंगे:

  1. बायोगैस के विस्तृत रासायनिक संघटन और भौतिक-रासायनिक गुणों (कैलोरी मान 20 MJ/m³, दहन हेतु वायु 5.7 m³/m³, प्रज्वलन तापमान 700°C, घनत्व 0.94 kg/m³) को जानना।
  2. बायोगैस उत्पादन की सूक्ष्मजैविक प्रक्रिया (Microbiology of Biogas Production) के तीनों चरणों—जलापघटन (Hydrolysis), अम्ल निर्माण (Acid formation) और मीथेन निर्माण (Methane formation)—तथा उनकी रासायनिक अभिक्रियाओं को समझना।
  3. बायोगैस संयंत्र को प्रभावित करने वाले 9 परिचालन कारकों (तापमान 25–55°C, दाब 6–10 cm जल स्तंभ, ठोस अंश 7.5–10%, pH 6.8–7.2, C:N अनुपात 30:1, सीडिंग, मिक्सिंग व HRT) का विश्लेषण करना।
  4. बायोगैस के विविध उपयोगों (खाना पकाना 4–8 cm जल दाब, मेंटल लैंप 0.13 m³/hr, IC इंजन व वाहन ईंधन में H₂S व CO₂ निष्कासन) तथा पचित बायो-स्लरी (Effluent) के कृषि लाभों को समझना।
  5. पशुओं की संख्या और परिवार के सदस्यों के आधार पर बायोगैस संयंत्र की क्षमता और डाइजेस्टर के व्यास (D) व गहराई (H) की गणना (Design Numericals) हल करना।

03 प्रस्तावना एवं मूल अवधारणा (Introduction)

मूल सामग्री (Core Course Content): बायोगैस (Biogas) सूक्ष्मजीवों द्वारा जैव-निम्नीकरणीय पदार्थों (Biodegradable materials) के अवायवीय किण्वन (Anaerobic fermentation) के दौरान उत्पन्न गैसों का एक मिश्रण है। अवायवीय किण्वन एक जैव-रासायनिक प्रक्रिया (Biochemical process) है जिसमें विशिष्ट प्रकार के जीवाणु ऑक्सीजन-मुक्त वातावरण (Oxygen-free environment) में बायोमास को पचाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अपघटित पदार्थ (बायो-स्लरी) के साथ-साथ निम्नलिखित गैसें प्राप्त होती हैं:

  • मीथेन (extCH4): 50 – 70% (औसतन 55–65%)
  • कार्बन डाइऑक्साइड (extCO2): 30 – 40%
  • हाइड्रोजन (extH2): 5 – 10%
  • नाइट्रोजन (extN2): 1 – 2%
  • जलवाष्प (Water Vapour): 0.3%
  • हाइड्रोजन सल्फाइड (extH2extS): सूक्ष्म अंश (Traces)

04 महत्वपूर्ण वैज्ञानिक परिभाषाएँ (Important Definitions)

जलापघटन / हाइड्रोलिसिस (Hydrolysis – Stage I)
बायोगैस उत्पादन का प्रथम चरण जिसमें जीवाणुओं द्वारा स्रावित एंजाइमों की सहायता से जल में अघुलनशील जटिल कार्बनिक अणुओं (वसा, स्टार्च, प्रोटीन) को सरल यौगिकों (ग्लूकोज आदि) में तोड़ा जाता है। इसे ‘पॉलिमर ब्रेकडाउन चरण’ (Polymer to monomer breakdown stage) भी कहते हैं।
अम्ल निर्माण चरण (Acid Formation / Acidogenesis – Stage II)
द्वितीय चरण जिसमें हाइड्रोलिसिस से प्राप्त मोनोमर्स (सरल शर्करा) का अवायवीय किण्वन होकर एसिटिक अम्ल (Acetic acid), प्रोपियोनिक अम्ल, ब्यूटिरिक अम्ल और एथेनॉल बनता है।
मीथेन निर्माण / मेथेनोजेनेसिस (Methane Formation / Methanogenesis – Stage III)
तृतीय एवं अंतिम चरण जिसमें ‘मेथेनोजेन्स’ (Methanogens) नामक सूक्ष्मजीव समूह द्वारा एसिटिक अम्ल, अल्कोहल तथा CO₂ + H₂ को मीथेन (CH₄) और कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) में परिवर्तित किया जाता है।
सीडिंग (Seeding of Biomass)
ताजे चार्ज किए गए बायोगैस संयंत्र में किण्वन प्रक्रिया को शीघ्र प्रारंभ और तेज (Accelerate) करने के लिए मीथेन-उत्पादक जीवाणुओं से युक्त थोड़ी मात्रा में पहले से पचित स्लरी (Digested slurry) मिलाने की प्रक्रिया को सीडिंग कहते हैं।
कार्बन-नाइट्रोजन अनुपात (C:N Ratio)
बायोमास में उपस्थित कार्बन और नाइट्रोजन की मात्रा का अनुपात। अधिकतम सूक्ष्मजैविक सक्रियता के लिए इष्टतम C/N अनुपात 30:1 होता है।

05 विस्तृत विषय व्याख्या (Detailed Topic Explanation)

1. बायोगैस के भौतिक-रासायनिक गुण (Properties of Biogas)

  • शुद्ध कैलोरी मान (Net Calorific Value): 20 MJ/m³ (~ 4700 से 4713 kcal/m³)
  • दहन के लिए आवश्यक वायु (Air required for combustion): 5.7 m³ प्रति m³ बायोगैस
  • प्रज्वलन तापमान (Ignition Temperature): 700 °C
  • घनत्व (Density): 0.94 kg/m³ (वायु से हल्की)

2. बायोगैस उत्पादन की सूक्ष्मजैविक प्रक्रिया (Microbiology of Biogas Production — 3 Stages)

बायोगैस निर्माण की प्रक्रिया तीन क्रमिक जैव-रासायनिक चरणों में पूरी होती है:

चरण I: हाइड्रोलिसिस (Hydrolysis)

जीवाणु समूह: किण्वनकारी जीवाणु (Fermentative bacteria)।
प्रक्रिया: सेल्यूलोजिक बायोमास में मौजूद जल में अघुलनशील जटिल कार्बनिक अणु जैसे वसा (Fats), स्टार्च/कार्बोहाइड्रेट (Starches) और प्रोटीन (Proteins) जीवाणुओं द्वारा स्रावित बाह्य-कोशिकीय एंजाइमों की मदद से सरल यौगिकों में टूट जाते हैं। इसे पॉलिमर ब्रेकडाउन स्टेज (Polymer to monomer) कहते हैं। इसका मुख्य अंतिम उत्पाद ग्लूकोज (Glucose) है।

चरण II: अम्ल निर्माण (Acid Formation)

जीवाणु समूह: एसिटोजेनिक या अम्ल-निर्माणकारी जीवाणु (Acetogenic / Acid-forming bacteria)।
प्रक्रिया: हाइड्रोलिसिस चरण में प्राप्त मोनोमर्स (ग्लूकोज आदि) इस चरण के जीवाणुओं के लिए इनपुट का काम करते हैं। अवायवीय परिस्थितियों में इनका किण्वन होकर विभिन्न कार्बनिक अम्ल बनते हैं। इस चरण के मुख्य उत्पाद एसिटिक अम्ल (Acetic acid), प्रोपियोनिक अम्ल (Propionic acid), ब्यूटिरिक अम्ल (Butyric acid) और एथेनॉल (Ethanol) हैं।

चरण III: मीथेन निर्माण (Methane Formation)

जीवाणु समूह: मेथेनोजेन्स (Methanogens / Methanogenic bacteria)।
प्रक्रिया: पिछले चरण में बने एसिटिक अम्ल को ‘मेथेनोजेन्स’ सूक्ष्मजीवों द्वारा मीथेन (extCH4) और कार्बन डाइऑक्साइड (extCO2) में बदल दिया जाता है। मेथेनोजेनेसिस उच्च और निम्न दोनों pH के प्रति अत्यंत संवेदनशील है और यह pH 6.5 से 8.0 (इष्टतम 6.8–7.2) के बीच होता है।

3. बायोगैस संयंत्र के परिचालन पैरामीटर (Operational Parameters of a Biogas Plant)

बायोगैस संयंत्र का सुचारू संचालन निम्नलिखित 9 कारकों (Factors) द्वारा प्रभावित होता है:

  1. तापमान (Temperature):
    • मीथेन बनाने वाले जीवाणु 25°C से 55°C के तापमान परास में सर्वोत्तम कार्य करते हैं (Mesophilic: ~35°C, Thermophilic: ~55°C)।
    • उच्च तापमान पर पाचन निम्न तापमान की तुलना में तेजी से होता है।
    • तापमान 20°C से नीचे जाने पर गैस उत्पादन तेजी से गिरता है और 10°C पर लगभग रुक (Stops) जाता है।
  2. दाब (Pressure):
    • समुचित कार्यप्रणाली के लिए न्यूनतम 6 से 10 cm जल स्तंभ (Water column) [लगभग 1.2 bar निरपेक्ष दाब] आदर्श होता है।
    • यह कभी भी 40 से 50 cm जल स्तंभ से अधिक नहीं होना चाहिए, क्योंकि अत्यधिक दाब से चिनाई (Masonry) में रिसाव होने लगता है और गैस बनना बाधित होता है।
  3. बायोमास में ठोस और नमी का अनुपात (Solid to Moisture Ratio in Biomass):
    • इष्टतम गैस उत्पादन के लिए स्लरी में ठोस पदार्थ की मात्रा (Total Solids – TS) 7.5% से 10% (अर्थात् 90–92.5% पानी) होनी चाहिए।
    • यदि पानी बहुत अधिक हो, तो स्लरी का औसत तापमान और गैस उत्पादन गिर जाता है। यदि पानी बहुत कम हो, तो अम्ल जमा (Acids accumulate) हो जाते हैं और किण्वन रुक जाता है।
  4. pH मान (pH Value):
    • अधिकतम गैस उत्पादन के लिए डाइजेस्टर में स्लरी का pH 6.8 से 7.2 के बीच बनाए रखना चाहिए।
    • इसे उचित फीडिंग दर (Feeding rate) रखकर नियंत्रित किया जाता है। अधिक फीडिंग दर पर रिटेंशन समय कम हो जाता है और बिना पची स्लरी बाहर आ सकती है।
  5. फीडिंग दर (Feeding / Loading Rate): प्रतिदिन प्रति घन मीटर डाइजेस्टर आयतन में डाले जाने वाले कार्बनिक पदार्थ की इष्टतम मात्रा।
  6. कार्बन से नाइट्रोजन अनुपात (Carbon to Nitrogen Ratio – C/N Ratio): अधिकतम सूक्ष्मजैविक गतिविधि के लिए इष्टतम C/N अनुपात 30:1 होता है।
  7. जीवाणुओं के साथ बायोमास की सीडिंग (Seeding of Biomass with Bacteria): नए चार्ज किए गए प्लांट में किण्वन प्रक्रिया को शुरू और तेज करने के लिए मीथेन-निर्माणकारी जीवाणुओं वाली पचित स्लरी की थोड़ी मात्रा मिलाई जाती है।
  8. मिलाना या हिलाना (Mixing or Stirring): स्लरी को हिलाने से—(i) सबस्ट्रेट सांद्रता में एकरूपता बनी रहती है, (ii) स्कम (Scum) का निर्माण न्यूनतम होता है, और (iii) तली में ठोस पदार्थों का जमाव (Sedimentation) रुकता है।
  9. अवधारण समय (Retention Time – HRT): 70–80% पूर्ण पाचन प्राप्त करने के लिए रिटेंशन समय इष्टतम (30–55 दिन) होना चाहिए।

4. बायोगैस एवं पचित स्लरी के विविध उपयोग (Various Uses of Biogas & Bio-digested Slurry)

  • (A) खाना पकाना (Cooking): बायोगैस कम दाब (4 से 8 cm जल स्तंभ) पर उपलब्ध होती है, इसलिए इसके स्टोव (बायोगैस बर्नर) एलपीजी स्टोव से भिन्न होते हैं। बायोगैस बिना किसी कालिख (Soot) और गंध के नीली लौ (Blue flame) के साथ जलती है। प्रति व्यक्ति प्रतिदिन खाना पकाने हेतु लगभग 0.24 m³/दिन बायोगैस लगती है।
  • (B) प्रकाश व्यवस्था (Lighting): गैस मेंटल लैंप (Gas mantle lamp) द्वारा प्रकाश प्राप्त किया जाता है। एक बायोगैस मेंटल लैंप 0.13 m³ गैस प्रति घंटा (0.13 cum/hr) खपत करता है और 220 वोल्ट पर जलने वाले 40 वाट (40 W) के बिजली के बल्ब के बराबर रोशनी (Illumination) देता है।
  • (C) इंजन ईंधन के रूप में (Biogas as an Engine Fuel): इसका उपयोग स्थिर (Stationary) और गतिशील (Mobile) चार-स्ट्रोक डीजल (Dual-fuel mode: 80% बायोगैस + 20% डीजल) और स्पार्क इग्निशन (पेट्रोल) इंजनों में किया जाता है। महत्वपूर्ण शर्त: इंजन में उपयोग करते समय यदि बायोगैस में हाइड्रोजन सल्फाइड (extH2extS) की मात्रा 2% से अधिक हो, तो उसे कम करना आवश्यक है, अन्यथा इंजन के पुर्जों में जंग (Corrosion) लग जाती है।
  • (D) वाहन ईंधन के रूप में (Vehicular Fuel – Bio-CNG): वाहनों के उच्च-दाब सिलेंडरों में भरने के लिए कच्ची बायोगैस में extCO2 की उपस्थिति अवांछनीय है क्योंकि यह इंजन का पावर आउटपुट घटाती है, सिलेंडर में जगह घेरती है और गैस के प्रसारित होने पर वाल्व व मीटरिंग पॉइंट्स पर जमने (Freezing) की समस्या पैदा करती है। अतः वाहन ईंधन हेतु बायोगैस से extCO2 को हटाया (Scrubbing) जाता है।
  • (E) पचित बायो-स्लरी (Bio-digested Slurry / Effluent) के कृषि लाभ:
    • पूर्णतः पचित स्लरी गंधहीन (Odourless) होती है और खुले में मक्खियों या कीड़ों को आकर्षित नहीं करती।
    • पचित स्लरी दीमक को दूर भगाती (Repels termites) है, जबकि कच्चा गोबर दीमक को आकर्षित करता है।
    • खाद के रूप में इसका उपयोग करने पर खरपतवारों की वृद्धि लगभग 50% कम हो जाती है (जबकि FYM में बिना पचे खरपतवार के बीज खरपतवार बढ़ाते हैं)।
    • इसमें नाइट्रोजन (1.5 ext–2%), फास्फोरस और पोटाश प्रचुर मात्रा में सुपाच्य रूप (अमोनियम रूप) में होते हैं, जिससे इसका उर्वरक मूल्य FYM या ताजे गोबर से कहीं अधिक होता है।

06 प्रकार एवं वैज्ञानिक वर्गीकरण (Types and Classification)

बायोगैस अनुप्रयोगों का वर्गीकरण (Classification of Biogas Applications):

  • तापीय अनुप्रयोग (Thermal Applications): खाना पकाना (Cooking in Biogas Burner at 4-8 cm water pressure) एवं तापन (Heating)।
  • प्रकाशीय अनुप्रयोग (Lighting Applications): बायोगैस मेंटल लैंप (0.13 m³/hr = 40W बल्ब समतुल्य)।
  • यांत्रिक एवं विद्युत ऊर्जा अनुप्रयोग (Mechanical & Electrical Power via Engine): CI/SI इंजन चलाकर सिंचाई पंप चलाना या जनरेटर (Biogas Generator) द्वारा बिजली बनाना तथा शुद्धिकरण (CO₂ व H₂S हटाकर) के बाद वाहन चलाना।

07 महत्वपूर्ण सिद्धांत एवं समीकरण (Important Principles and Concepts)

  • मेथेनोजेनेसिस की प्रमुख रासायनिक अभिक्रियाएँ (Major Chemical Reactions in Stage III):
    1. एसिटिक अम्ल का विखंडन (Acetoclastic Methanogenesis):
      CH3COOH (Acetic acid)→MethanogensCH4 (Methane)+CO2 (Carbon dioxide)
    2. एथेनॉल और कार्बन डाइऑक्साइड की अभिक्रिया:
      2CH3CH2OH (Ethanol)+CO2⟶CH4+2CH3COOH (Acetic acid)
    3. कार्बन डाइऑक्साइड का हाइड्रोजन द्वारा अपचयन (Hydrogenotrophic Methanogenesis):
      CO2+4H2⟶CH4+2H2O (Water)

08 वैज्ञानिक एवं व्यावहारिक उदाहरण व गणनाएँ (Scientific & Practical Examples)

हल किए गए विश्वविद्यालयीय संख्यात्मक प्रश्न (Solved Design Numericals from Course Pack)
Numerical 1: परिवार और पशुधन के आधार पर बायोगैस संयंत्र के आकार (Plant Size) का निर्धारण

प्रश्न: 6 सदस्यों वाले एक परिवार के पास 2 गायें, 2 भैंसें और 2 बछड़े (Calves) हैं। प्रकाश के लिए 1 मेंटल लैंप प्रतिदिन 2 घंटे जलाया जाता है। परिवार के लिए उपयुक्त आकार के बायोगैस संयंत्र का डिजाइन कीजिए।

हल (Solution):

  • चरण 1 — प्रतिदिन उपलब्ध कुल गोबर (Availability of dung per day):
    • गाय (Cow) से गोबर = 2×10 kg=20 kg
    • भैंस (Buffalo) से गोबर = 2×15 kg=30 kg
    • बछड़े (Calf) से गोबर = 2×5 kg=10 kg
    • कुल उपलब्ध गोबर (Total available dung) = 20+30+10=60 kg/day
  • चरण 2 — संभावित गैस उत्पादन (Potential Gas Production):
    • हम जानते हैं कि 1 kg ताजे गोबर से प्रतिदिन 0.04 m3 (cum) बायोगैस बनती है।
    • अतः 60 kg गोबर से संभावित गैस उत्पादन = 0.04×60=2.4 m3/day
  • चरण 3 — प्रतिदिन गैस की खपत (Consumption of Gas per day):
    • 6 व्यक्तियों के खाना पकाने हेतु गैस (0.24 m3 प्रति व्यक्ति) = 0.24×6=1.44 m3/day
    • 1 लैंप को 2 घंटे जलाने हेतु गैस (0.13 m3 प्रति घंटा) = 0.13×2=0.26 m3/day
    • कुल दैनिक गैस खपत = 1.44+0.26=1.70 m3/day
  • निष्कर्ष: यहाँ संभावित गैस उत्पादन 2.4 m3/day है जबकि आवश्यकता 1.70 m3/day है। अतः परिवार के लिए 2 m3 (2 cum) क्षमता का बायोगैस संयंत्र उपयुक्त रहेगा।

Numerical 2: बायोगैस संयंत्र के डाइजेस्टर (Digester) के व्यास (D) एवं गहराई (H) की गणना

प्रश्न: निम्नलिखित आँकड़ों से बायोगैस संयंत्र के डाइजेस्टर का डिजाइन कीजिए:
1. संयंत्र की क्षमता (Capacity of plant) = 2 m3 (cum)
2. व्यास और गहराई का अनुपात (Diameter to depth ratio, D:H) = 1.75:1
3. हाइड्रोलिक रिटेंशन टाइम (HRT) = 50 days
4. स्लरी का घनत्व (Density of slurry) = 1020 kg/m3

हल (Solution):

  • चूँकि 1 kg गोबर से प्रतिदिन 0.04 m3 गैस बनती है, अतः 2 m3 क्षमता के संयंत्र हेतु दैनिक गोबर की आवश्यकता = 20.04=50 kg/day
  • स्लरी बनाने में गोबर के बराबर पानी (1:1) मिलाया जाता है, अतः प्रतिदिन कुल स्लरी का भार = 50 kg गोबर+50 kg पानी=100 kg/day
  • दैनिक फीड का आयतन (Volume of daily feed / Loading rate per day):
    Daily Feed Volume=Mass of daily slurryDensity of slurry=100 kg/day1020 kg/m3=0.098 m3/day
  • डाइजेस्टर का कुल आयतन (Volume of Digester, Vd):
    Vd=HRT×Loading rate per day=50 days×0.098 m3/day=4.9 m3
  • बेलनाकार डाइजेस्टर का आयतन सूत्र: Vd=π4×D2×H=4.9
  • दिया है D=1.75H, अतः मान रखने पर:
    3.14164×(1.75H)2×H=4.9⟹0.7854×3.0625×H3=4.9⟹2.405×H3=4.9
    H3=4.92.405=2.036⟹H=1.27 m
  • अतः व्यास D=1.75×1.27=2.22 m
  • उत्तर: डाइजेस्टर का व्यास (D) = 2.22 m तथा गहराई (H) = 1.27 m।

09 तुलनात्मक सारणियाँ (Comparative Tables)

तुलनात्मक सारणी 4.1: बायोगैस उत्पादन के परिचालन पैरामीटर एवं उनके इष्टतम मान
परिचालन पैरामीटर (Parameter) इष्टतम मान / परास (Optimum Value / Range) असंतुलन का प्रभाव (Effect of Deviation)
1. तापमान (Temperature) 25°C – 55°C (सर्वोत्तम 35°C) <20°C पर गैस उत्पादन तीव्रता से घटता है; 10°C पर रुक जाता है।
2. गैस दाब (Gas Pressure) 6 – 10 cm जल स्तंभ (~1.2 bar) >40–50 cm जल स्तंभ होने पर चिनाई से गैस लीकेज होने लगती है।
3. स्लरी में ठोस अंश (Total Solids) 7.5% – 10% ठोस (90–92.5% जल) अधिक जल से तापमान गिरता है; कम जल से अम्ल जमा होकर किण्वन रोकते हैं।
4. pH मान (pH Value) 6.8 – 7.2 (मेथेनोजेनेसिस: 6.5–8.0) अत्यधिक अम्लीय (<6.5) या क्षारीय (>8.0) होने पर मेथेनोजेन्स निष्क्रिय हो जाते हैं।
5. कार्बन:नाइट्रोजन अनुपात (C:N) 30 : 1 असंतुलित C:N से जीवाणुओं की वृद्धि और गैस उत्पादन घट जाता है।
6. स्टोव पर गैस दाब (Burner Pressure) 4 – 8 cm जल स्तंभ LPG स्टोव बायोगैस के लिए अनुपयुक्त होते हैं; विशेष बायोगैस बर्नर लगता है।

10 महत्वपूर्ण सूत्र एवं तकनीकी मानक (Formulas & Key Metrics)

महत्वपूर्ण डिजाइन सूत्र एवं मानक गुणांक (Biogas Design Formulas & Constants)
  • 1 kg ताजे गोबर से दैनिक गैस उत्पादन: 0.04 m3/day (cum/day)
  • दैनिक गोबर उपलब्धता (औसत): गाय = 10 kg/day,   भैंस = 15 kg/day,   बछड़ा = 5 kg/day,   ऊँट = 6 kg/day
  • खाना पकाने हेतु गैस खपत: 0.24 m3/व्यक्ति/दिन
  • बायोगैस मेंटल लैंप गैस खपत: 0.13 m3/घंटा (40 W, 220 V बल्ब के बराबर रोशनी)
  • दैनिक स्लरी फीड आयतन (Q): Q=Weight of Dung (kg)+Weight of Water (kg)Density of Slurry (1020 kg/m3) m3/day
  • डाइजेस्टर का आयतन (Vd): Vd=HRT (days)×Q=π4D2H

11 व्याख्यान-विशिष्ट माइंड मैप (Lecture-Specific Mind Map)

Lecture 04 Mind Map: बायोगैस उत्पादन की सूक्ष्मजैविक प्रक्रिया, पैरामीटर एवं उपयोग
  • बायोगैस तकनीक एवं उपयोग (CV: 20 MJ/m³, प्रज्वलन ताप: 700°C, घनत्व: 0.94 kg/m³, आवश्यक वायु: 5.7 m³/m³)
    • सूक्ष्मजैविक उत्पादन के 3 चरण (3 Microbiological Stages)
      • Stage I – Hydrolysis: किण्वनकारी जीवाणु ➔ जटिल पॉलिमर (वसा, स्टार्च, प्रोटीन) का सरल मोनोमर (ग्लूकोज) में विखंडन
      • Stage II – Acid Formation: एसिटोजेनिक जीवाणु ➔ ग्लूकोज का एसिटिक, प्रोपियोनिक, ब्यूटिरिक अम्ल व एथेनॉल में रूपांतरण
      • Stage III – Methane Formation: मेथेनोजेन्स (pH 6.5-8.0) ➔ CH₃COOH → CH₄ + CO₂ तथा CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O
    • परिचालन पैरामीटर (Operational Parameters)
      • तापमान: 25–55°C (<20°C पर कमी, 10°C पर बंद) | दाब: 6–10 cm जल स्तंभ (अधिकतम 40-50 cm)
      • ठोस अंश: 7.5–10% | pH: 6.8–7.2 | C:N अनुपात: 30:1 | सीडिंग एवं स्टिरिंग (स्कम रोकथाम)
    • उपयोग एवं डिजाइन (Uses & Design Numericals)
      • गैस उपयोग: खाना पकाना (4-8 cm दाब, 0.24 m³/व्यक्ति/दिन), लैंप (0.13 m³/hr = 40W), इंजन (H₂S <2%), वाहन (CO₂ हटाना)
      • स्लरी खाद: गंधहीन, दीमक रोधी, खरपतवार में 50% कमी, उच्च NPK उर्वरक मान

12 प्रक्रिया प्रवाह चित्र एवं आरेख (Flowcharts & Visual Diagrams)

प्रक्रिया प्रवाह चित्र (Process Flowchart): बायोगैस निर्माण के तीन जैव-रासायनिक चरण
जटिल बायोमास पॉलिमर
(प्रोटीन, कार्बोहाइड्रेट, वसा)
➔ चरण-I: हाइड्रोलिसिस
(Fermentative Bacteria ➔ ग्लूकोज/मोनोमर)
➔ चरण-II: अम्ल निर्माण
(Acetogenic Bacteria ➔ एसिटिक अम्ल, अल्कोहल)
➔ चरण-III: मीथेन निर्माण
(Methanogenic Bacteria ➔ CH₄ + CO₂ बायोगैस)

13 महत्वपूर्ण तथ्य एवं परीक्षा टिप्स (Important Facts & Exam Tips)

  • बायोगैस निर्माण के तीनों चरणों का सही क्रम और जीवाणु समूह याद रखें: Stage I: Hydrolysis (Fermentative) ➔ Stage II: Acid Formation (Acetogenic) ➔ Stage III: Methane Formation (Methanogenic)।
  • बायोगैस उत्पादन के लिए इष्टतम C:N अनुपात 30:1, इष्टतम pH 6.8–7.2, स्लरी में ठोस पदार्थ 7.5–10% तथा तापमान 25–55°C होता है। 10°C पर गैस बनना लगभग रुक जाता है।
  • बायोगैस मेंटल लैंप की गैस खपत 0.13 m³/घंटा होती है जो 40 वाट के बिजली बल्ब के बराबर रोशनी देता है।
  • इंजन में बायोगैस उपयोग करने से पहले यदि H₂S (हाइड्रोजन सल्फाइड) 2% से अधिक हो तो उसे हटाना आवश्यक है क्योंकि यह इंजन पुर्जों में जंग (Corrosion) लगाता है।
  • पचित बायो-स्लरी (Effluent) खेत में डालने पर दीमक को भगाती है और खरपतवार की वृद्धि को लगभग 50% तक कम कर देती है।

14 त्वरित पुनरावृत्ति सारांश (Quick Revision Panel)

  • बायोगैस के गुण: कैलोरी मान = 20 MJ/m3; दहन वायु = 5.7 m3/m3; प्रज्वलन ताप = 700∘C; घनत्व = 0.94 kg/m3।
  • प्रमुख समीकरण: CH3COOH→CH4+CO2 तथा CO2+4H2→CH4+2H2O।
  • डिजाइन मानक: 1 kg गोबर = 0.04 m3 गैस; खाना पकाना = 0.24 m3/व्यक्ति/दिन; लैंप = 0.13 m3/hr।

15 बहुविकल्पीय प्रश्न — उत्तर एवं व्याख्या सहित (10 MCQs with Answers)

1. बायोगैस उत्पादन में अधिकतम सूक्ष्मजैविक गतिविधि के लिए इष्टतम कार्बन-नाइट्रोजन अनुपात (Optimum C/N Ratio) क्या है?
(A) 10 : 1
(B) 20 : 1
(C) 30 : 1
(D) 60 : 1
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (C) 30 : 1
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): अधिकतम सूक्ष्मजैविक गतिविधि के लिए बायोमास का इष्टतम C/N अनुपात 30:1 होता है।
2. डाइजेस्टर में स्लरी का इष्टतम pH मान और ठोस पदार्थ का प्रतिशत (Solid content %) कितना होना चाहिए?
(A) pH 4.5–5.5 और ठोस 20%
(B) pH 6.8–7.2 और ठोस 7.5–10%
(C) pH 8.5–9.5 और ठोस 50%
(D) pH 5.0–6.0 और ठोस 2%
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) pH 6.8–7.2 और ठोस 7.5–10%
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): इष्टतम गैस उत्पादन के लिए स्लरी में ठोस अंश 7.5 से 10% और pH 6.8 से 7.2 के बीच होना चाहिए।
3. बायोगैस का प्रज्वलन तापमान (Ignition temperature) और घनत्व (Density) कितना होता है?
(A) 350°C और 1.5 kg/m³
(B) 700°C और 0.94 kg/m³
(C) 150°C और 0.50 kg/m³
(D) 1000°C और 1.2 kg/m³
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) 700°C और 0.94 kg/m³
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): बायोगैस का शुद्ध कैलोरी मान 20 MJ/m³, दहन हेतु आवश्यक वायु 5.7 m³/m³, प्रज्वलन तापमान 700°C और घनत्व 0.94 kg/m³ होता है।
4. एक बायोगैस मेंटल लैंप (40 W बल्ब के समतुल्य) प्रति घंटे कितनी बायोगैस की खपत करता है?
(A) 0.04 m³/hr
(B) 0.13 m³/hr
(C) 0.24 m³/hr
(D) 0.50 m³/hr
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) 0.13 m³/hr
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): बायोगैस मेंटल लैंप 0.13 cum गैस प्रति घंटा खपत करता है और 220V पर 40W बल्ब के बराबर प्रकाश देता है।
5. किस तापमान पर बायोगैस संयंत्र में गैस का उत्पादन लगभग रुक (Almost stops) जाता है?
(A) 35°C
(B) 25°C
(C) 10°C
(D) 45°C
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (C) 10°C
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): मेथेनोजेनिक जीवाणु 25–55°C में सर्वोत्तम कार्य करते हैं; 20°C से नीचे गैस उत्पादन तेजी से घटता है और 10°C पर लगभग रुक जाता है।
6. बायोगैस निर्माण के प्रथम चरण ‘हाइड्रोलिसिस’ (Hydrolysis) को अन्य किस नाम से जाना जाता है?
(A) मेथेनोजेनेसिस
(B) पॉलिमर ब्रेकडाउन चरण (Polymer breakdown stage)
(C) ऑक्सीकरण चरण
(D) पायरोलिसिस चरण
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) पॉलिमर ब्रेकडाउन चरण (Polymer breakdown stage)
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): हाइड्रोलिसिस में जटिल बहुलक (Polymers – वसा, स्टार्च, प्रोटीन) सरल एकलक (Monomers – ग्लूकोज) में टूटते हैं।
7. ताजे चार्ज किए गए बायोगैस संयंत्र में किण्वन को तेज करने के लिए पचित स्लरी मिलाने की प्रक्रिया क्या कहलाती है?
(A) स्क्रबिंग (Scrubbing)
(B) सीडिंग (Seeding)
(C) फाउलिंग (Fouling)
(D) किंडलिंग (Kindling)
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) सीडिंग (Seeding)
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): मीथेन बनाने वाले जीवाणुओं से युक्त पचित स्लरी की थोड़ी मात्रा ताजे प्लांट में मिलाना ‘सीडिंग’ (Seeding) कहलाता है।
8. इंजन ईंधन के रूप में बायोगैस का उपयोग करते समय इंजन के पुर्जों को जंग (Corrosion) से बचाने के लिए किस गैस को 2% से कम करना आवश्यक है?
(A) मीथेन (CH₄)
(B) नाइट्रोजन (N₂)
(C) हाइड्रोजन सल्फाइड (H₂S)
(D) ऑक्सीजन (O₂)
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (C) हाइड्रोजन सल्फाइड (H₂S)
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): यदि बायोगैस में H₂S की मात्रा 2% से अधिक हो तो वह इंजन के पुर्जों में संक्षारण (Corrosion) करती है।
9. पचित बायोगैस स्लरी (Effluent) को खेत में खाद के रूप में प्रयोग करने पर खरपतवार वृद्धि (Weed growth) पर क्या प्रभाव पड़ता है?
(A) खरपतवार 50% बढ़ जाते हैं
(B) खरपतवार वृद्धि लगभग 50% कम हो जाती है
(C) कोई प्रभाव नहीं पड़ता
(D) दीमक का प्रकोप बढ़ जाता है
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) खरपतवार वृद्धि लगभग 50% कम हो जाती है
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): अवायवीय पाचन में खरपतवार के बीज नष्ट हो जाते हैं जिससे खेत में खरपतवार वृद्धि लगभग 50% कम हो जाती है और यह दीमक को भी दूर भगाती है।
10. 1 किलोग्राम ताजे गोबर से प्रतिदिन औसतन कितने घन मीटर बायोगैस प्राप्त होती है?
(A) 0.04 m³
(B) 0.24 m³
(C) 0.40 m³
(D) 1.00 m³
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (A) 0.04 m³
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): 1 kg ताजे गोबर से प्रतिदिन लगभग 0.04 cum (m³) बायोगैस उत्पन्न होती है।

16 अति-लघु, लघु एवं दीर्घ उत्तरीय प्रश्न व वन-लाइनर्स (Exam Question Bank)

(A) 5 महत्वपूर्ण वन-लाइनर्स (5 Important Exam One-Liners)

  1. बायोगैस उत्पादन के लिए इष्टतम C/N अनुपात 30:1, इष्टतम pH 6.8–7.2 और स्लरी में ठोस पदार्थ 7.5–10% होना चाहिए।
  2. बायोगैस का शुद्ध कैलोरी मान 20 MJ/m³, प्रज्वलन तापमान 700°C, घनत्व 0.94 kg/m³ और दहन हेतु आवश्यक वायु 5.7 m³/m³ होती है।
  3. एक बायोगैस मेंटल लैंप प्रति घंटे 0.13 m³ गैस खपत कर 40 W विद्युत बल्ब के बराबर प्रकाश देता है।
  4. 1 kg गोबर से 0.04 m³ गैस बनती है; प्रतिदिन एक गाय 10 kg, भैंस 15 kg और बछड़ा 5 kg गोबर देता है।
  5. पचित बायोगैस स्लरी खेत में दीमक को भगाती है और खरपतवार वृद्धि को लगभग 50% कम करती है।

(B) 5 अति-लघु उत्तरीय प्रश्न (5 Very Short Answer Questions)

1. 1 घन मीटर बायोगैस के पूर्ण दहन के लिए कितने घन मीटर वायु की आवश्यकता होती है?
उत्तर: 5.7 घन मीटर वायु प्रति घन मीटर बायोगैस (5.7 m³/m³)।
2. तीसरे चरण में एसिटिक अम्ल को मीथेन और CO₂ में बदलने वाले सूक्ष्मजीवों को क्या कहते हैं?
उत्तर: मेथेनोजेन्स (Methanogens)।
3. बायोगैस संयंत्र के सुचारू संचालन के लिए आदर्श गैस दाब कितना होना चाहिए?
उत्तर: न्यूनतम 6 से 10 cm जल स्तंभ (अधिकतम 40-50 cm जल स्तंभ से अधिक नहीं)।
4. खाना पकाने के लिए बायोगैस स्टोव किस दाब पर कार्य करता है?
उत्तर: 4 से 8 cm जल स्तंभ (4 – 8 cm water column) के निम्न दाब पर।
5. प्रति व्यक्ति प्रतिदिन खाना पकाने के लिए औसतन कितनी बायोगैस की आवश्यकता होती है?
उत्तर: 0.24 घन मीटर प्रतिदिन (0.24 cum/day per person)।

(C) 5 लघु उत्तरीय प्रश्न (5 Short Answer Questions)

1. बायोगैस उत्पादन की सूक्ष्मजैविक प्रक्रिया के तीनों चरणों (Hydrolysis, Acid formation, Methane formation) को रासायनिक समीकरण सहित समझाइए।
उत्तर: प्रथम चरण (Hydrolysis) में किण्वनकारी जीवाणु जटिल वसा, स्टार्च व प्रोटीन को ग्लूकोज (मोनोमर) में तोड़ते हैं। द्वितीय चरण (Acid formation) में एसिटोजेनिक जीवाणु ग्लूकोज को एसिटिक अम्ल, प्रोपियोनिक अम्ल, ब्यूटिरिक अम्ल व एथेनॉल में बदलते हैं। तृतीय चरण (Methane formation) में मेथेनोजेन्स pH 6.5-8.0 पर एसिटिक अम्ल को मीथेन में बदलते हैं: CH₃COOH → CH₄ + CO₂ तथा CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O।
2. बायोगैस को वाहन ईंधन (Vehicular fuel) के रूप में उपयोग करने से पहले उसमें से कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) हटाना क्यों आवश्यक है?
उत्तर: कच्ची बायोगैस में उपस्थित CO₂ इंजन के पावर आउटपुट को घटाती है, उच्च-दाब भंडारण सिलेंडरों में अनावश्यक स्थान घेरती है, और वाहन चलते समय जब संपीड़ित गैस फैलती है तो वाल्व और मीटरिंग बिंदुओं पर जमने (Freezing) की समस्या उत्पन्न करती है। इसलिए संपीड़न से पूर्व CO₂ हटाना आवश्यक है।
3. पचित बायो-स्लरी (Bio-digested slurry) किस प्रकार गोबर की खाद (FYM) से श्रेष्ठ है? चार कारण लिखिए।
उत्तर: (1) पूर्ण पचित स्लरी गंधहीन होती है और मक्खियों/कीड़ों को आकर्षित नहीं करती, (2) यह खेत में दीमक को भगाती (Repels termites) है जबकि कच्चा गोबर उन्हें आकर्षित करता है, (3) यह खरपतवार वृद्धि को लगभग 50% तक घटाती है, और (4) इसमें नाइट्रोजन पौधों द्वारा तुरंत ग्रहण किए जाने योग्य रूप में उपलब्ध रहता है।
4. डाइजेस्टर में स्लरी को मिलाने या हिलाने (Mixing or Stirring) के तीन मुख्य लाभ लिखिए।
उत्तर: (1) यह स्लरी में सबस्ट्रेट सांद्रता और तापमान की एकरूपता (Uniformity) बनाए रखता है, (2) ऊपरी सतह पर पपड़ी या झाग (Scum) बनने को न्यूनतम करता है, और (3) डाइजेस्टर की तली में ठोस पदार्थों के बैठने (Deposition of solids) को रोकता है।
5. बायोगैस संयंत्र पर तापमान और ठोस-नमी अनुपात के प्रभाव की व्याख्या कीजिए।
उत्तर: मीथेन जीवाणु 25–55°C पर सर्वोत्तम कार्य करते हैं; 20°C से नीचे गैस उत्पादन तेजी से घटता है और 10°C पर रुक जाता है। स्लरी में ठोस पदार्थ 7.5 से 10% होना चाहिए; पानी बहुत अधिक होने पर तापमान व गैस उत्पादन गिरता है और पानी बहुत कम होने पर अम्ल जमा होकर किण्वन रोक देते हैं।

(D) 3 दीर्घ उत्तरीय प्रश्न (3 Long Answer Questions)

1. बायोगैस उत्पादन की सूक्ष्मजैविक प्रक्रिया (Microbiology of Biogas Production) का विस्तृत वर्णन कीजिए तथा बायोगैस संयंत्र के संचालन को प्रभावित करने वाले सभी परिचालन पैरामीटरों (Operational Parameters) की व्याख्या कीजिए।
उत्तर रूपरेखा एवं मुख्य बिंदु: हाइड्रोलिसिस, एसिडोजेनेसिस और मेथेनोजेनेसिस का प्रवाह चित्र व तीनों रासायनिक समीकरण लिखें। इसके बाद तापमान (25-55°C), दाब (6-10 cm), ठोस अनुपात (7.5-10%), pH (6.8-7.2), C/N अनुपात (30:1), सीडिंग, मिक्सिंग और HRT का विस्तार से वर्णन करें।
2. 6 सदस्यों वाले एक किसान परिवार के पास 2 गायें, 2 भैंसें और 2 बछड़े हैं तथा वे प्रतिदिन 2 घंटे के लिए एक बायोगैस लैंप जलाते हैं। उनके लिए बायोगैस संयंत्र की क्षमता ज्ञात कीजिए तथा 50 दिन HRT और 1.75:1 व्यास-गहराई अनुपात मानकर डाइजेस्टर के व्यास (D) व गहराई (H) की गणना कीजिए।
उत्तर रूपरेखा एवं मुख्य बिंदु: व्याख्यान में दिए गए दोनों मानक न्यूमेरिकल्स (Numerical 1: कुल गोबर 60 kg ➔ संभावित गैस 2.4 m³/day, खपत 1.70 m³/day ➔ प्लांट साइज 2 m³; तथा Numerical 2: डाइजेस्टर आयतन 4.9 m³ ➔ गहराई H = 1.27 m व व्यास D = 2.22 m) को चरणबद्ध रूप से हल करें।
3. खाना पकाने, प्रकाश व्यवस्था, अंतर्दहन इंजन (IC Engine), वाहन ईंधन एवं जैविक कृषि खाद के रूप में बायोगैस तथा बायो-स्लरी के विभिन्न उपयोगों का सविस्तार वर्णन कीजिए।
उत्तर रूपरेखा एवं मुख्य बिंदु: बायोगैस के उपयोगों का प्रवाह चित्र बनाते हुए बर्नर (4-8 cm दाब), मेंटल लैंप (0.13 m³/hr), इंजन (H₂S <2% नियंत्रण), वाहन ईंधन (CO₂ स्क्रबिंग) और बायो-स्लरी के 4 प्रमुख कृषि लाभों का विस्तार से वर्णन करें।

आधार: उपयोगकर्ता द्वारा उपलब्ध AGENGG 311 notes। पुराने उपकरणों के model-specific data को वर्तमान सार्वभौमिक specification न मानें।

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