Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Процессы биоконверсии как основное направление переработки растительного сырья и органических отходов 14
1.1 Применение торфа в качестве растительного сырья в биотехнологических процессах 14
1.1.1 Общая характеристика торфа 14
1.1.2 Использование торфа в сельском хозяйстве 19
1.1.3 Компосты "торф-органические отходы" 20
1.1.4 Утилизация отходов животноводства с помощью метанового брожения 21
1.2 Микробиологические аспекты процесса биоконверсии 24
1.2.1 Биосинтез аминокислот 25
1.2.2 Влияние внешних факторов на биосинтез аминокислот 28
1.2.2.1 Влияние аэрации 28
1.2.2.2 Влияние температуры 30
1.2.2.3 Влияние влажности среды 31
1.2.2.4 Влияние кислотности среды 32
1.2.2.5 Влияние ультразвуковых колебаний 35
1.3 Современные технологии биопереработки возобновляемых сырьевых ресурсов 37
Глава 2 Перспективы использования возобновляемого растительного сырья в промышленности и сельском хозяйстве 46
2.1 Краткие сведения о развитии торфяного дела в России 46
2.2 Основные сведения о торфе и его характеристиках 53
2.3 Основные направления использования торфяной продукции 59
2.4 Зарубежный опыт использования торфа 64
2.5 Использование торфа в сельском хозяйстве 72
Глава 3 Кинетическое моделирование и оптимизация процессов биоконверсии 79
3.1 Кинетическое описание биотехнологических процессов 79
3.2 Теоретические особенности биоконверсии 83
3.2.1 Практическая реализация микробиологических процессов 83
3.2.2 Сущность процесса биоконверсии 85
3.2.3 Характеристика органического сырья, используемого для проведения биоконверсии 85
3.2.4 Микробиологические особенности процесса биоконверсии органического сырья 92
3.2.5 Возможности применение конечного продукта биоконверсии 93
3.3 Синтез аминокислот в процессе биоконверсии 93
3.4 Способы интенсификации процессов биоконверсии 99
3.5 Кинетические закономерности протекания микробиологических процессов 101
3.6 Методы математического описания процесса биоконверсии 106
Глава 4 Методы и методики эксперименов и анализов 111
4.1 Экспериментальная установка для исследования процессов биоконверсии 111
4.2 Методика экспериментов по биоконверсии 114
4.3 Ультразвуковая пастеризация продукта биоконверсии 115
4.4 Качественное определение содержания аминокислот в субстрате 122
4.5 Количественное определение содержания аминокислот с помощью автоматического аминокислотного анализатора 124
4.5.1 Экстракция свободных аминокислот из смеси и их очистка 124
4.5.2 Сушка аминокислот 127
4.5.3 Определение аминокислот на автоматическом анализаторе 128
4.5.4 Расчет содержания отдельных аминокислот 131
4.5.5 Подготовка реактивов 133
4.5.5.1 Подготовка натрий-лимоннокислых буферов и регенерирующего раствора 133
4.5.5.2 Приготовление раствора нингидрина 135
4.5.5.3 Приготовление стандартных растворов аминокислот 136
4.6 Определение ферментативной активности 138
4.6.1 Колориметрический метод определения активности уреазы 138
4.6.2 Колориметрический метод определения активности дегидрогеназы 140
4.6.3 Газометрический метод определения активности каталазы 141
4.7 Микробиологический анализ субстрата 143
4.7.1 Подготовка образца к микробиологическому анализу 143
4.7.2 Предварительный отбор микроорганизмов, синтезирующих свободные аминокислоты методом Балицкой. 144
4.7.3 Определение содержания микроорганизмов в субстрате.. 144
Глава 5 Исследование влияния химических стимуляторов на процесс биоконверсии органического сырья 151
5.1 Определение оптимальных условий проведения процесса.. 151
5.1.1 Результаты экспериментов по определению оптимальной температуры 151
5.1.2 Определение оптимального соотношения навоза и торфа в исходной смеси 153
5.2 Изучение влияния солей аскорбиновой кислоты на образование свободных аминокислот в процессе биоконверсии 155
5.2.1 Результаты экспериментов по исследованию воздействия на процесс различных солей аскорбиновой кислоты 156
5.2.2 Определение количества аскорбинатов, оптимального для внесения в исходную смесь 158
5.2.3 Исследование кинетики накопления свободных аминокислот в ферментируемой смеси 161
5.3 Микробиологические исследования процесса биоконверсии 163
5.3.1 Влияние солей аскорбиновой кислоты на развитие микроорганизмов в процессе биоконверсии 164
5.3.2 Развитие аминокислотсинтезирующих микроорганизмов в процессе биоферментации органического сырья 167
5.3.3 Результаты экспериментов по определению ферментативной активности 175
5.4 Исследование ультразвукового воздействия на выход Сахаров в продуктах биоконверсии растительного сырья и органических отходов 179
Глава 6 Экспериментальное исследование перспектив использования процессов биоконверсии для утилизации отходов пищевой промышленности 182
6.1 Влияние добавок отходов различных пищевых производств на процесс биоконверсии 182
6.2 Варьирование количества отходов хлебопекарной промышленности 186
6.3 Анализ содержания биологически активных веществ в продуктах биоконверсии органического сырья 190
Глава 7 Кинетическое моделирование и обсуждение механизмов образования аминокислот в процессе биоконверсии 197
7.1 Математическая модель процесса накопления свободных аминокислот в ферментируемой смеси 197
7.1.1 Описание процесса биоконверсии при помощи аппарата формальной кинетики 198
7.1.2 Изменение кинетических параметров при варьировании температуры процесса 203
7.2 Кинетическая модель роста популяции микроорганизмов в ходе процесса биоконверсии 208
Глава 8 Рекомендации по использованию продукта биоконверсии в сельском хозяйстве 213
8.1 Определение кормовой ценности продуктов биоконверсии 213
8.2 Оценка возможности применения продукта биоконверсии в качестве кормовой добавки 244
8.3 Возможности применения технологии биоконверсии для утилизации органических отходов 249
8.4 Оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем 259
Глава 9 Разработка и апробация технологии биоконверсии растительного сырья и органических отходов с получением продукции сельскохозяйственного назначения 264
9.1 Обоснование выбора и расчета модульной установки 265
9.2 Расчет материальных и тепловых потоков 268
9.3 Расчет материального баланса производства 269
9.4 Описание технологической схемы 275
9.5 Оценка экономической эффективности внедрения предлагаемой технологии 279
Заключение 284
Список литературы 289
- Общая характеристика торфа
- Характеристика органического сырья, используемого для проведения биоконверсии
- Развитие аминокислотсинтезирующих микроорганизмов в процессе биоферментации органического сырья
- Оценка экономической эффективности внедрения предлагаемой технологии
Введение к работе
Актуальность проблемы. Возрастающие потребности в продукции химико-
фармацевтической и пищевой промышленности требуют создания новых технологий
синтеза ценных биологически активных соединений, обоснованных физико-
химическими исследованиями. Многочисленные биохимические и
биотехнологические исследования показывают возможность использования
специфических процессов из этих областей для промышленного синтеза целевых
компонентов на основе дешевого природного органического сырья. В аспекте
ожидаемого истощения природных ресурсов решение этой проблемы приобретает
особое значение, так как продукты фотосинтеза и животного мира в будущем могут
стать почти единственным сырьем для химического и биотехнологического синтеза.
Современная биотехнология предусматривает любое превращение субстрата в продукт и обратно. Целесообразность осуществления таких процессов определяют главным образом экономические факторы, в меньшей степени – технические.
Приемлемыми средствами для получения удобрений и других ценных продуктов при одновременном получении локального источника энергии могут служить методы биоконверсии. В такого рода процессах природные органические материалы играют роль исходного субстрата для получения многих биологически активных веществ, а также являются сырьем для получения кормовых добавок и премиксов.
Одним из наиболее перспективных направлений биоконверсии материалов природного происхождения является целенаправленное получение биологически активных компонентов на основе органических отходов и трудногидролизуемого растительного сырья. Этот процесс реализован в промышленном масштабе, однако, его физико-химические и кинетические исследования до настоящего времени не проводились.
Цель работы состоит в формировании научно-технического задела по созданию технологии биопереработки смесей возобновляемого растительного сырья и органических отходов с их обогащением биологически активными компонентами (аминокислотами, витаминами, сахарами) для совершенствования способов производства продукции сельскохозяйственного назначения (высокоэффективных удобрений и кормовых добавок).
Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании решались следующие задачи:
анализ перспектив использования возобновляемого растительного сырья в промышленности и сельском хозяйстве;
изучение основных направлений переработки растительного сырья и органических отходов;
анализ методов биоконверсии растительного сырья и органических отходов;
изучение процессов накопления биологически активных веществ в ходе биоконверсии и анализ механизмов указанных процессов;
исследование способов кинетического описания процессов биоконверсии и основных направлений их интенсификации;
изучение кинетики накопления аминокислот в процессе ферментации;
исследование аминокислотного состава продуктов биоконверсии органического сырья;
микробиологические исследования субстрата в динамике процесса биоконверсии;
изучение влияния биостимуляторов на развитие микробной биомассы, накопление аминокислот и аминокислотный состав продуктов ферментации;
поиск условий проведения процесса (температура, время инкубации, режим аэрации, состав субстрата, вид и дозировка биостимулятора), оптимальных для максимального накопления аминокислот;
построение кинетических моделей развития популяции микроорганизмов и накопления аминокислот в процессе ферментации;
формулирование гипотез о механизмах интенсификации образования аминокислот при использовании стимуляторов процесса;
исследование ультразвукового воздействия на выход сахаров в продуктах биоконверсии растительного сырья и органических отходов;
экспериментальное исследование перспектив использования процессов биоконверсии для утилизации отходов пищевой промышленности;
разработка практических рекомендаций по использованию продукта биоконверсии в сельском хозяйстве;
разработка и апробация технологии биоконверсии растительного сырья и органических отходов с получением продукции сельскохозяйственного назначения.
Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые проведено
фундаментальное комплексное исследование, направленное на решение важной
народнохозяйственной задачи по биоконверсии возобновляемого растительного
сырья и органических отходов с добавлением биологически активных соединений. В
качестве органического субстрата использованы торф, крупнотоннажные отходы
сельскохозяйственных производств и перерабатывающей промышленности. В
качестве добавки к органическим субстратам использованы химические стимуляторы
(соли аскорбиновой кислоты различных металлов) и отходы пищевой
промышленности.
В рамках диссертационного исследования установлены фундаментальные закономерности протекания процесса биоконверсии при варьировании широкого спектра параметров, аппаратурного оформления и технологических режимов. Изучена кинетика накопления аминокислот, а также исследован качественный и количественный аминокислотный состав конечных продуктов и ферментируемой смеси в динамике процесса биоконверсии природного органического сырья. Выполнено исследование ультразвукового воздействия на выход сахаров в продуктах биоконверсии растительного сырья и органических отходов.
Изучено влияние добавок биостимуляторов, интенсифицирующих процесс ферментации, на кинетику накопления аминокислот, аминокислотный состав продуктов биоконверсии и развитие популяции микроорганизмов. Полученные данные использованы для определения наиболее эффективных биостимуляторов и нахождения оптимальных концентраций, внесение стимуляторов в которых способствует максимальному накоплению аминокислот в продукте биоферментации.
Проведено кинетическое моделирование процесса накопления аминокислот и
развития микробной популяции, осуществляющей процесс биоконверсии. Показано,
что образование аминокислот напрямую связано с ростом численности группы
аминокислотсинтезирующих микроорганизмов. В работе сделаны выводы
относительно возможных механизмов биосинтеза аминокислот и активации этих процессов с применением исследованных биостимуляторов.
В результате обобщения полученных экспериментальных данных
сконструированы математические модели реакций биоферментативного получения
ценных химических веществ в процессе биоконверсии органических отходов, в том
числе отходов пищевой промышленности. По итогам реализации диссертационного
исследования решена важнейшая народнохозяйственная задача по созданию новой
ресурсосберегающей, безотходной и экологически чистой технологии утилизации
отходов методом биоконверсии при использовании торфонавозных смесей в качестве
основного субстрата. Проведена серия опытно-промышленных испытаний процесса
биоконверсии на базе Тверского государственного технического университета,
Всероссийского научно-исследовательского института мелиорированных земель и
ООО "Наукоемкое производство". Определены технико-экономические и
технологические показатели эффективности возможного производства по утилизации
отходов путем их биоконверсии с торфонавозными смесями на модульной установке.
Реализация указанного процесса в промышленном масштабе позволит получать
высокоэффективную продукцию сельскохозяйственного назначения при
одновременном сокращении себестоимости производства.
Полученные данные и сделанные выводы использованы при выполнении
следующих научно-технических проектов: проект "Разработка технологии получения
витаминизированных кормовых добавок методом биоконверсии
сельскохозяйственных и пищевых отходов с добавлением биологически активных
соединений" (программа "Научные исследования высшей школы по приоритетным
направлениям науки и техники" Министерства образования России), проект
"Разработка биокаталитической технологии утилизации органогенных отходов с
получением кормовых добавок" (программа "Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на
2007-2012 годы" Министерства образования и науки России), проект "Создание и
внедрение в производство технологического процесса получения биологически
активных кормовых добавок методом биоконверсии целлюлозолигниновых
субстратов с добавлением коммунальных отходов" (программа "Старт" Фонда
содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере), проект
"Разработка методов применения микрореакторов в процессах с участием
иммобилизованных ферментов" (программа российско-германских проектов Фонда
содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере),
проекты "Создание научных основ ресурсосберегающей технологии
биокаталитической утилизации органогенных отходов с получением биогаза, удобрений и кормовых добавок", "Разработка ресурсосберегающих способов биоконверсии торфонавозных смесей и отходов пищевой промышленности для получения эффективных органических удобрений" и "Разработка научных основ современной ресурсосберегающей технологии биопереработки возобновляемых
сырьевых ресурсов" (программа инициативных проектов Российского фонда фундаментальных исследований).
Результаты работы нашли применение на опытно-промышленных установках для биоконверсии на базе Тверского государственного технического университета, Всероссийского научно-исследовательского института мелиорированных земель и ООО "Наукоемкое производство". Решены практические вопросы рационального подбора состава субстратных смесей, установления оптимальных технологических режимов, организации контроля за проведением процесса биоконверсии природного органического сырья.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были
доложены на следующих конференциях и конгрессах: XV Международный конгресс
по химической технологии CHISA'2002 (Прага, 2002 г.), Всероссийская научная
конференция "Инновационные технологии в управлении, образовании,
промышленности" АСТИНТЕХ-2007 (Астрахань, 2007 г.), VI Российская конференция "Научные основы приготовления и технологии катализаторов" (Туапсе, 2008 г.), V Международная научная конференция "Современные достижения в науке и образовании" (Нетания, 2011 г.), X Международная научно-техническая конференция "Повышение качества, надежности и долговечности технических систем и технологических процессов" (Эйлат, 2012 г.), Международная научно-практическая конференция "Биотехнология: реальность и перспективы в сельском хозяйстве" (Саратов, 2013 г.), Международная конференция "Каталитические процессы нефтепереработки, нефтехимии и экологии" (Ташкент, 2013 г.), XIII Международная научно-практическая конференция "Качество, стандартизация, контроль: теория и практика" КСК-13 (Ялта, 2013 г.), Международная научно-практическая конференция по нефтехимии, посвященная 100-летию со дня рождения академика Солтана Мехтиева (Баку, 2014 г.), III Всероссийская научно-практическая конференция "Биотехнология: наука и практика" (Ялта, 2015 г.), XIX Международная конференция по процессам интеграции, моделирования и оптимизации для энергосбережения и утилизации отходов PRES'2016 (Прага, 2016 г.), IV Всероссийская научно-практическая конференция "Биотехнология: наука и практика" (Ялта, 2016 г.), Х Международный конгресс по химической инженерии WCCE10 (Барселона, 2017 г.), XI Европейский конгресс по химической инженерии ECCE11 (Барселона, 2017 г.), IV Европейский конгресс по прикладной биотехнологии ECAB4 (Барселона, 2017 г.).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 84 публикациях и патентах (из них 17 – в изданиях, входящих в перечень ВАК). Предложенные кинетические модели и технологические решения легли в основу опытно-конструкторских разработок "Система измерения параметров и автоматизации построения кинетических моделей процессов биоконверсии" и "Технологическая линия производства кормовой добавки из органического сырья", которые были защищены охранными документами РФ на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, девяти глав, выводов и списка литературы. Текст изложен на 316 страницах, включает 55 рисунков и 63 таблицы. Список литературы содержит 305 наименований.
Общая характеристика торфа
Известно, что торф представляет собой экологически чистый природный материал, обладающий ярко выраженной поглотительной способностью. В естественном виде его используют в качестве удобрения в сельском хозяйстве и животноводстве, т. к., например, в верховом торфе на 27-30 % общего сухого вещества содержится 3-7 % сырого протеина, 6 % клетчатки, около 0.7 % жира и различные микроэлементы [1].
В сельском хозяйстве для производства органических и органоминеральных удобрений используется верховой тип торфа со степенью разложения R 20 % и низинный при R 15 %, ограниченный по зольности пределом 30 %. Для компостирования считается пригодным торф с зольностью до 25 % и R 20 % [2]. В таком торфе содержится большое количество важных биологически активных веществ - гуминовые кислоты, фульвокислоты, микро-и макроэлементы. Эти вещества стимулируют рост и развитие растений и улучшают структуру почв [3].
Питательная ценность торфа как сырья для производства удобрений определяется в первую очередь уровнем содержания в нем водорастворимых и легкогидролизуемых веществ, богатых углеводами [4]. Например, для производства кормовых добавок используют верховой торф моховой и травяно-моховой группы со степенью разложения не более 20 %, влажностью около 65 %, зольностью до 8 %, содержание гидролизуемых редуцирующих веществ в котором должно быть не меньше 40 % на органическую массу торфа [5]. Например, при производстве кормовых дрожжей в качестве гидролизного сырья обычно используют верховой торф со степенью разложения до 20 %, зольностью до 5 % и суммарным выходом редуцирующих веществ с учетом трудногидролизуемых не менее 45 % (выход веществ из легкогидролизуемой части - не менее 24 %). Такой торф по содержанию углеводов несколько уступает растительным материалам, но имеет ряд преимуществ, так как содержит большое количество биологически активных веществ: гуминовые и аминокислоты, различные легко- и труднорастворимые полисахариды, которые в результате реакции гидролиза превращаются в моносахара, оказывающие положительное действие на рост дрожжей [2,5,6].
При применении верхового малоразложившегося торфа в производстве удобрений следует учитывать, что в его ботаническом составе наряду с остатками сфагновых мхов и других растений-торфообразователей присутствуют древесные включения и волокна пушицы, которые трудно подвергаются обработке и плохо усваиваются растениями. Для этих целей рекомендуется использовать только беспнистые и малопнистые залежи [7,8].
Одной из наиболее важных характеристик торфа является содержание в нем азота. Азот является постоянным элементом органического вещества торфа, между тем характер соединений азота до сих пор выяснен недостаточно. Представление о содержании азота в различных торфах показано в табл. 1.1 [9].
Из таблицы видно, что содержание азота в низинных торфах колеблется от 2.25 до 4.09 %. Эти цифры не расходятся с данными по торфам для других областей. Несмотря на высокое содержание азота в низинных торфах, из практики использования торфа в сельском хозяйстве известно, что только незначительная часть общего азота находится в растворимой форме и, следовательно, представлена простейшими соединениями, остальное количество азота связано со сложным комплексом органического вещества торфа и является труднодоступным [10].
Из общего количества азота торфа только около 10 % находится в легкоусвояемой форме (табл. 1.2) [11].
Как видно из таблицы, наибольший процент легко усваиваемого азота содержит верховой тип торфа, но сопоставляя данные таблицы 1.1 и 1.2, можно отметить, что по общему количеству легко усваиваемого азота переходный и верховой типы торфа близки.
Фосфор и калий также являются необходимыми элементами. Фосфор входит в состав фосфорной кислоты, которая играет важнейшую роль в жизненных явлениях - участвует в синтетических процессах [5,12]. Содержание фосфора и калия увеличивается от верхового торфа к низинному (табл. 1.3). Таблица 1.3- Содержание общего и подвижного фосфора и калия в торфе
Также важным показателем качества торфа является содержание в нем микроэлементов [13].
По типам торфа наблюдается увеличение содержания микроэлементов от верхового типа к низинному. Для различных элементов интенсивность этого увеличения неодинакова. Например, содержание марганца в низинном торфе в 10 раз выше, чем в верховом; бария, бора, циркония - в 4-5; остальных микроэлементов - 1.5-3 раза. Исключение составляют цинк и свинец, количество которых в верховом торфе в 1.5-2 раза выше, чем в низинном. Среднее содержание микроэлементов в торфе приведено в таблице 1.4 [14].
Оценка качества торфа обычно проводится по содержанию шести основных микроэлементов: марганца, бора, молибдена, меди, кобальта и цинка. Как видно из таблицы, наибольшее количество этих микроэлементов содержится в низинном торфе.
Характеристика органического сырья, используемого для проведения биоконверсии
Ценность отходов животноводства, используемых в качестве удобрений, повышается при содержании скота на подстилке из растительного сырья: торфе, соломе или опилках, что связано с формированием благоприятного углеродно-азотного отношения [153]. В связи с этим использование навоза предполагает его преимущественное компостирование с упомянутыми ингредиентами [154]. Научно-техническая революция, приведшая к появлению принципиально новых методов переработки разнообразного органического сырья, основанных на естественных процессах, протекающих с участием присущей сырью микробной группировки, стали возможными только при глубоком изучении характеристик отходов животноводства и сопутствующих ему материалов [33,155].
Обобщающий термин «отходы животноводства» может означать любое из следующих состояний:
1) свежие экскременты, включающие как твердую, так и жидкую фракции;
2) экскременты с подстилкой для поглощения жидкой фракции;
3) твердые остатки, образующиеся после испарения воды или выщелачивания питательных растворимых веществ;
4) жидкая фракция, отделяющаяся из общей массы отходов;
5) твердые остатки, образовавшиеся после аэрационного или анаэробного хранения навоза [156].
Характеристики отходов значительно различаются, они зависят от вида кормов, изменений состояния окружающей среды, уровня продуктивности животных, способов транспортировки и хранения навоза.
Состав экскрементов животных и птиц. Экскременты животных это неоднородная гетерогенная смесь, состоящая из твердых частиц, составляющих дисперсную фазу, а также жидкой фазы (дисперсионной среды), являющейся водным раствором солей, кислот и щелочей. Значительную часть занимают газы. Однако при тщательном перемешивании с водой твердые частицы выпадают в осадок. Фракционный состав твердых (взвешенных) частиц разнообразен и зависит от вида и возраста животного, кормового рациона и качества обработки (степени измельчения, теплового, химического воздействия) входящих в него компонентов. Твердые частицы в свином навозе составляют 70-75 % от всей массы сухого вещества, в навозе крупнорогатого скота (КРС) - около 60 %.
Данные о гранулометрическом составе и гидравлической крупности частиц полужидкого навоза приведены в таблице 3.1 [157-160].
После перемешивания экскрементов во время перекачки их насосами часть взвешенных веществ выпадает в осадок.
В надосадочном слое содержится много коллоидных частиц, создающих вязкую структуру данного слоя. Поэтому тонкодисперсная фаза взвешенных частиц не выпадает в осадок в течение продолжительного времени и остается в надосадочном слое.
Эти частицы можно выделить в осадок лишь с помощью коагулянтов, обработкой в центрифуге или длительным отстаиванием [161].
Сухое вещество, входящее в состав истинных растворов, может быть выделено выпариванием влаги. Его плотность составляет 1300 кг/м3. Взвешенные частицы на 75-70 % состоят из воды и имеют плотность 1050-1060 кг/м3.
Плотность жидкой фазы экскрементов животных различных видов не одинакова, потому что содержит разное количество растворенных в воде сухих веществ. Плотность экскрементов коров 1010 кг/м3, свиней - 1017 кг/м3.
Химический состав зависит от кормового рациона, качества кормов и вида животных, т.к. с экскрементами выделяется основная часть питательных веществ, потребляемых животными с кормами (табл.3.2) [162,163].
Данные о содержании биогенных веществ в экскрементах различных животных и птиц приведены в таблице 3.3 [158,160,164-166].
В навозе 50-70 % азота находится в растворенной форме, хорошо усваиваемой растениями в первый же год. Азот белковых соединений по мере минерализации органического вещества также используется растениями. Содержащиеся в жидком навозе фосфорорганические соединения используются растениями лучше, чем фосформинеральные удобрения [160].
Калий в жидком навозе представлен исключительно растворимой формой и поэтому легко усваивается. Кроме основных питательных веществ в навозе содержится много микроэлементов (табл. 3.4) [162].
Химический состав гомогенного жидкого навоза находится в прямой зависимости от содержания в нем сухого вещества и органического вещества (СВ и СОВ).
Из общего количества органической массы, скормленной животным, с экскрементами КРС выделяется 35 % , а свиней - 20 %.
Преобладающая часть органического вещества кала представлена структурными веществами с высоким содержанием углерода. Поэтому очень важное для биоконверсии отношение C:N в кале имеет широкий диапазон [21,167].
Свойства экскрементов жидкого навоза. Физико-химические свойства навоза зависят от рациона, возраста животных и других факторов, однако основным фактором является влажность навоза. Технологическая вода, поступающая в систему, разжижает экскременты. С увеличением влажности резко снижается вязкость жидкого навоза и предельное напряжение сдвига. Материал становится более подвижным, интенсивнее растекается.
Вязкость навоза КРС значительно выше вязкости свиного навоза при одинаковой доле СВ. В то же время навоз одной и той же влажности при скармливании кормов с высоким содержанием сырой клетчатки и низким содержанием протеина имеет большую вязкость [168].
Сухие корма, попадающие в систему навозоудаления, изменяют влажность, а следовательно, и вязкость навоза. С увеличением влажности активизируется процесс расслоения навоза. Твердые частицы, находясь в менее жидкой среде, интенсивнее выпадают в осадок, который образует менее подвижную, более плотную структуру. При определенной влажности осадок настолько плотный, что его невозможно удалить без механического воздействия.
Данные об изменении некоторых физико-механических свойств жидкого навоза при разной влажности приведены в таблице 3.5.
Плотность сухого вещества в экскрементах свиней составляют в среднем 1400 кг/м3, КРС - 1250 кг/м3 [158,163,169]. Экспериментально установлены отношения величины массы органического вещества, химического потребления кислорода (ХПК), пятидневного биохимического потребления кислорода (БПК5) и полного биохимического потребления кислорода (БПК), а также соотношения БПК5 и БПК в экскрементах свиней, КРС и помете кур (табл. 3.6) [162,165].
Развитие аминокислотсинтезирующих микроорганизмов в процессе биоферментации органического сырья
Выявление в продукте ферментации аминокислотсинтезирующих микроорганизмов - опосредованный способ определения потенциальной питательной ценности конечного продукта, рекомендуемого к использованию в качестве кормовой добавки. В ходе проведенных исследований было обнаружено, что при добавлении к исходной смеси органического сырья солей аскорбиновой кислоты резко повышалась численность аминокислотсинтезирующих микроорганизмов.
Кинетика роста аминокислотсинтетиков при добавлении к исходной смеси различных аскорбинатов в концентрации 0.045 % и в контрольной пробе без биостимуляторов проиллюстрирована на рисунке 5.8. Нельзя не отметить большого сходства представленных кинетических кривых с кривыми накопления свободных аминокислот (рис. 5.5). Видно, что при внесении в смесь аскорбината кобальта не происходит значительного роста численности микроорганизмов. Напротив, в пробах с применением аскорбинатов цинка и железа наблюдается максимальный рост аминокислотсинтетиков.
Для сравнения на рисунке 5.9 представлены кинетические кривые развития микробной популяции и накопления аминокислот для случая без использования аскорбинатов, а на рисунке 5.10 те же кривые для случая с применением аскорбината железа, в опытах с которым происходило наибольшее микробное развитие и наблюдалось максимальное накопление свободных аминокислот. В обоих случаях кинетические кривые проходят практически идентично за исключением начального периода индукции, в течение которого происходит адаптация микробной культуры к субстрату и не наблюдается интенсивного синтеза метаболитов.
Для каждой из тестируемых солей аскорбиновой кислоты были проведены эксперименты по определению такого ее количества, которое приводит к максимальному росту численности аминокислотсинтезирующих микроорганизмов. Результаты данных опытов проиллюстрированы на рисунке 5.11, где представлены кинетические кривые роста аминокислотсинтетиков при внесении в исходную смесь в различных концентрациях аскорбината железа. Видно, что при добавлении биостимулятора в концентрации 0.045 % происходит резкое увеличение численности исследуемых микроорганизмов, а при снижении или повышении количества вносимого аскорбината их численность заметно сокращается. Аналогичные эксперименты, проведенные для остальных солей аскорбиновой кислоты, показали сходные результаты.
Максимальное развитие популяции аминокислотсинтезирующих микроорганизмов для данного биостимулятора наблюдается при внесении его в исходную смесь в концентрации 0.045 %.
Указанные выше факты находятся в полном соответствии с результатами экспериментов по изучению влияния солей аскорбиновой кислоты на выход свободных аминокислот в процессе ферментации, что позволяет сделать вывод о ведущей роли аминокислотсинтетиков в образовании аминокислот в ходе исследуемого процесса биоконверсии. Следует отметить также, что вероятнее всего существует полное соответствие между оптимальными условиями для образования свободных аминокислот и развития максимальной численности аминокис лотсинтезиру ющих микроорганизмов.
Вместе с тем, данные об абсолютной численности популяции микроорганизмов не всегда удобны для сравнительного анализа в условиях варьирования внешних факторов. Поскольку в исследуемом процессе микробная культура преимущественно находится в стадии экспоненциального развития, подходящей характеристикой для построения математической модели развития популяции может стать удельная скорость роста микроорганизмов, связывающая скорость изменения числа клеток в системе с их текущей концентрацией в соответствии с дифференциальным уравнением
В самом деле, если построить график зависимости In N = f(t) в полулогарифмических координатах, то экспериментальные данные должны образовать прямую линию с тангенсом угла наклона к оси абсцисс равным \х. Указанный прием был использован для определения удельной скорости роста аминокислотсинтезирующих микроорганизмов по данным описанных выше исследований. На рисунке 5.12 представлен подобный график в полулогарифмических координатах для случая с использованием аскорбината железа в концентрации 0.045 % при температуре 37С. Видно, что экспериментальные данные по кинетике развития аминокислотсинтетиков достаточно хорошо линеаризуются и позволяют определить удельную скорость роста, равную в данном случае 0.0164 час"1. Полученные таким образом значения и. при использовании аскорбината железа и других аскорбинатов в различных концентрациях приведены в таблице 5.7.
Данные таблицы показывают, что, как и для образования свободных аминокислот, максимальные удельные скорости роста аминокислотсинтетиков достигаются при внесении в исходную смесь аскорбинатов цинка и железа. Очевиден и оптимум дозировки каждого из биостимуляторов, неизменно равный 0.045 %.
Оценка экономической эффективности внедрения предлагаемой технологии
На заключительном этапе работы была проведена технико-экономическая оценка предлагаемой технологии.
Оценка величины капитальных затрат приведена в таблице 9.7 и составляет 182.8 тыс. у.е. Численность работающих составляет 24 чел., а фонд заработной платы - 13.4 тыс. у.е. в год.
При расчете текущих затрат нормы расхода сырья, материалов, энергоресурсов были взяты из материального и теплового балансов соответственно. Были рассчитаны расходы на заработную плату, цеховые расходы, расходы по содержанию и эксплуатации оборудования, общезаводские, и прочие производственные расходы и внепроизводственные расходы. Результаты расчетов приведены в виде укрупненных разделов по калькуляции себестоимости в таблице 9.8.
Для оценки вклада отдельных статей затрат в себестоимость продукта была составлена структура себестоимости МК, приведенная в таблице 9.9.
Как видно из таблицы 9.9, наибольший вклад в себестоимость вносят затраты по статьям "Сырье и материалы" и "Энергия на технологические цели" (36.6 % и 24 % соответственно). Поэтому дальнейшее совершенствование данной технологической схемы должно быть направлено на снижение его энерго- и материалоемкости.
Оценка важнейших технико-экономических показателей данного производства была проведена из расчета цены 6 у.е. за 1 кг 100 %-х аминокислот. Учитьшая эту величину, цена МК должна составлять 210 - 215 у.е./т, что и использовано в приведенных расчетах:
1. Капитальные затраты:
К=182.8тыс.у.е.
2. Удельные капитальные затраты:
Куд = —, где В - объем годового выпуска, т. В
Куд = 182 800/ 1 150 = 159.0 у.е./т
3. Прибыль годовая:
П = (210 - 139.7) 1 150 = 80.8 тыс.у.е.
4. Удельная прибыль:
Пуд = П / В = 80 800 / 1 150 = 70.3 у.е./т.
5. Рентабельность производства:
Рпр-ва = П / К 100 = 80 800 / 182 800 100 = 44.2 %.
6. Рентабельность продукции:
Рпрд = Пуд / С 100 = 70.3 / 210 100 = 50.3 %.
7. Срок окупаемости капитальных вложений:
Т = К / П = 182 800 / 80 800 = 2.3 лет.
Все рассчитанные показатели сведены в таблице 9.10.
Анализ данных показывает, что разрабатываемое производство является высокорентабельным и имеет небольшой срок окупаемости, что позволяет его рекомендовать к внедрению в условиях России.
Предлагаемая технология утилизации органогенных отходов с получением кормовых добавок обеспечит высокую экономическую эффективность внедрения процессов биоконверсии за счет существенного сокращения затрат на производство продукции сельскохозяйственного назначения (кормовых добавок) на основе сочетания таких преимуществ как использование дешевого, доступного и конкурентоспособного органического сырья, а также интенсивных биотехнологических методов его переработки.
Конкурентоспособность создаваемой продукции будут обеспечиваться высокой рентабельностью производства кормовых добавок: ожидаемые показатели рентабельности производства, подтверждаемые выполненными технико-экономическими расчетами, составляют не менее 40 %.