Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 11
1.1. Торф как сырьевой источник биотехнологических производств 11
1.1.1. Общая характеристика торфа 11
1.1.2. Использование торфа в сельском хозяйстве 16
1.1.3. Компосты торф-органические отходы 18
1.1.4. Утилизация отходов животноводства с помощью метанового брожения 19
1.2. Микробиологические аспекты процесса биоконверсии 23
1.2.1. Биосинтез аминокислот 24
1.2.2. Влияние внешних факторов на биосинтез аминокислот 26
1.2.2.1. Влияние аэрации 28
1.2.2.2. Влияние температуры 30
1.2.2.3. Влияние влажности среды 32
1.2.2.4. Влияние кислотности среды 33
2. Методы и методики экспериментов и анализов 37
2.1. Установка для проведения эксперимента по биоконверсии 37
2.2. Методика эксперимента 40
2.3. Количественное определение содержания аминокислот с помощью автоматического аминокислотного анализатора 41
2.3.1. Подготовка образца аминокислот для анализа 41
2.3.2. Определение аминокислот на автоматическом анализаторе 43
2.3.3. Расчет содержания отдельных аминокислот 46
2.3.4. Подготовка реактивов 49
2.3.4.1. Подготовка натрий-лимоннокислых буферов и регенерирующего раствора 49
2.3.4.2. Приготовление раствора нингидрина 50
2.3.4.3. Приготовление стандартных растворов аминокислот 52
2.4. Определение ферментативной активности 54
2.4.1. Колориметрический метод определения активности уреазы 54
2.4.2. Колориметрический метод определения активности дегидрогеназы 56
2.4.3. Газометрический метод определения активности каталазы 57
2.5. Микробиологический анализ субстрата 58
2.5.1. Подготовка образца к микробиологическому анализу 58
2.5.2. Определение содержания микроорганизмов в субстрате 59
2.6. Использованные реактивы 63
3. Исследование процесса биоконверсии торфонавозных субстратов 66
3.1. Исследование влияния физико-химических параметров биоконверсии на протекание биосинтетических процессов 66
3.1.1. Влияние аэрации на ход процесса 66
3.1.2. Влияние соотношения торф-навоз на ход процесса биоконверсии 68
3.1.3. Варьирование температуры. Решение обратной задачи биохимической кинетики и расчет энергии активации 70
3.1.4. Влияние величины рН на ход биоконверсии 75
3.2. Исследование влияния добавок отходов пищевых производств на биосинтез аминокислот 77
3.2.1. Влияние добавок отходов различных пищевых производств 77
3.2.2. Варьирование количества отходов хлебопекарной промышленности 81
3.3. Оценка агрохимической и кормовой ценности продукта биоконверсии 85
3.4. Результаты жидкостной хроматографии. Аминокислотный состав продукта биоконверсии 88
4. Кинетические модели процесса биосинтеза и их обсуждение 96
4.1. Особенности моделирования биосинтетических процессов 96
4.1.1. Подходы к решению кинетических задач 96
4.1.2. Компьютерное моделирование кинетики синтеза продукта в микробиологических процессах 97
4.2. Математическое моделирование процесса синтеза аминокислот в ходе биоконверсии 98
4.3. Результаты решения обратной задачи биохимической кинетики с использованием явного интегрального метода 103
4.4. Индукционный период на кривых биосинтеза 106
5. Разработка технологии утилизации отходов животноводства компостированием на модульной установке 107
5.1. Обоснование выбора и расчета модульной установки по утилизации отходов животноводства твердофазной ферментацией торфонавозных компостов 108
5.2. Расчет материальных и тепловых потоков 111
5.3. Расчет материального баланса производства 113
5.4. Описание предлагаемой технологической схемы 119
5.5. Технико-экономическая оценка предлагаемой технологии 124
Заключение 129
Список литературы 132
Приложение 141
- Утилизация отходов животноводства с помощью метанового брожения
- Варьирование количества отходов хлебопекарной промышленности
- Результаты решения обратной задачи биохимической кинетики с использованием явного интегрального метода
- Описание предлагаемой технологической схемы
Утилизация отходов животноводства с помощью метанового брожения
В последние десятилетия, в связи с концентрацией животноводства в больших комплексах (до 10 тыс.голов), актуальной задачей является утилизация отходов комплексов. Поэтому метановое брожение нашло широкое применение для обезвреживания жидкого навоза, сохранения его как удобрения при одновременном получении локального источника энергии - биогаза.
Переработанный шлам после процесса метанового брожения сельскохозяйственных отходов содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения [31 -34]. Состав переброженного шлама зависит от исходного сырья, загружаемого в биореактор. При продолжительности сбраживания свиного навоза в биореакторе емкостью 75 л при температуре 75 ± 1 С и времени оборота биоректора 5 суток состав переброженного шлама изменяется в широком интервале (табл. 1.5) [35].
В условиях благоприятных для метанового брожения, обычно разлагается около 70 % органических веществ и 30 % содержится в остатке. Эта органическая часть сброженного остатка включает вещества трех видов: вещества содержащиеся в исходных отходах и трудноразлагаемые бактериями - лигнином и кутином, новые бактериальные клетки и небольшое количество летучих жирных кислот [33].
За рубежом на некоторых предприятиях шлам после метанового брожения, содержащий ценные питательные вещества, перерабатывают на удобрения. Так, на комплексе по откорму 10 тыс. голов крупного рогатого скота (КРС) в компании "Каплан Индастриз" (штат Флорида. США) при переработке отходов комплекса в биогаз в качестве побочного продукта получают удобрение [31, 32]. На комплексе фирмы "Коррал Индастриз" (штат Южная Каролина, США) отходы от 10 тыс.годов откармливаемого КРС и 1,2 млн кур-несушек также после сбраживания центрифугируют и обеззараживают, а затем используют для удобрения полей [32].
В странах с теплым климатом, в Италии, на Филиппинах, переброженный осадок используют для выращивания водорослей - водного гиацинта, хлореллы. Большая установка по выращиванию водорослей с использованием переброженного навоза действует в штате Колорадо (США). На Филиппинах создан комплекс безотходного производства сельскохозяйственной продукции, где кроме хлореллы сброженный навоз используют на рисовых, овощных плантациях и для рыбоводческих прудов [32].
В микробной биомассе переброженного навоза содержатся все незаменимые аминокислоты. Общее содержание аминокислот в 1 кг сухого вещества навоза КРС составляет в мезофильных и термофильных условиях сбраживания соответственно 210 и 240 г [33].
Переброженный навоз содержит также и многие витамины, особенно группы В [34, 35, 36, 37].
Установлено, что при анаэробном разложении органических веществ в массе метановых бактерий накапливается витамин В12, причем при термофильных процессах ассимиляции синтезируется активная форма витамина В12 [37, 39]. При этом в качестве сырья применяют отходы (барда) ацетонобутилового и спиртового производства. Барду подвергают термофильному метановому брожению, затем культуральную жидкость упаривают и высушивают на распылительной сушилке.
Процесс получения витамина Bi2 из навоза КРС описан в работе [40]. Авторы показали, что от одной головы КРС можно получить в год 20 - 30 г витамина В12.
В работе [41] описан процесс интенсификации синтеза витамина Bi2 путем добавления в биореактор кобальта в виде СоСЬ. Результаты исследования выгруженного из биореактора шлама с добавкой СоСЬ показали, что витамин Ві2 на 80-85% содержится в плотной части шлама, которую можно получить путем центрифугирования или осаждения.
В работе [35] показано, что технология получения витамина В!2 из навоза дешевле, чем существующая технология получения витамина Ві2 из барды.
Таким образом можно сделать вывод, что наиболее оптимальным по содержанию наиболее важных для микробного синтеза веществ (аминосоединения, азот, фосфор, микроэлементы) и степени разложения для использования в процессах получения удобрений является переходный тип торфа. Также перспективны и экономически выгодны методы его переработки с добавками органических отходов сельского хозяйства -продукты, подвергнутые обработке для уничтожения микрофлоры являются ценными удобрениями с высоким содержанием биологически активных веществ.
Варьирование количества отходов хлебопекарной промышленности
Опыты по варьированию добавок отходов хлебопекарной промышленности проводились с целью определения оптимального состава исходного субстрата для активного роста микроорганизмов и соответственно, более полной переработки смеси и синтеза биологически активных метаболитов - аминокислот.
Количество внесенных отходов варьировали в пределах 3 - 12 % (масс) от общей массы смеси. Экспериментальные данные по количеству синтезированных аминокислот и продуктивности представлены в табл.3.6.
Из табл. 3.6 видно, что максимальный выход аминокислот наблюдался при добавлении 10 % (масс.) хлебопекарных отходов, соответственно максимальная продуктивность наблюдалась при этом же количестве добавки. Эти данные также хорошо согласуются с микробиологическими исследованиями (рис 3 (Приложение 1)) - максимальная численность микроорганизмов - продуцентов аминокислот приходится на 10 % добавок, причем также в этом опыте наблюдалось увеличение численности аммонификаторов и фосфатмобилизующих микроорганизмов.
Данные по динамике ферментативной активности субстрата и конечного продукта (каталазной, уреазной и дегидрогеназной) представлены на рис 3.8, 3.9 т 3.10 соответственно (для сравнения на рисунках также представлены изменения активности для аэробно-анаэробной и анаэробной биоконверсии без добавок при остальных равных условиях).
Как видно из рисунка 3.8, при переходе от анаэробного к аэробно-анаэробному типу процесса происходит значительное увеличение каталазной активности (Ак), что подтверждает активизацию аэробной группы микроорганизмов и соответственно показывает активное потребление кислорода с выделением Н2С 2. В случае использования добавок хлебопекарных отходов, увеличение каталазной активности связано, по видимому, с увеличением численности микроорганизмов и возрастает пропорционально изменению их количества. Снижение каталазной активности ближе к концу процесса свидетельствует о завершении или замедлении синтетической активности, связанного с обеднением субстрата питательными веществами.
Увеличение уреазной активности (Ау) (рис 3.9) свидетельствует об активной переработке органического азота, непосредственно входящего в состав молекул аминокислот - в аминогруппу. Большое значение имеет высокий показатель именно уреазной активности, так как в данном случае идет определение активизации азота, входящего в состав NH3 - вещества, близкого по строению к аминогруппе аминокислот. Причем известно, что многие продуценты незаменимых аминокислот обладают уреазной активностью [100].
Показатель дегидрогеназной активности (Ад) (рис ЗЛО) также имеет огромное значение в биосинтезе и разложении органических веществ, являясь фактором, показывающим изменение энергетики процесса, так как отщепляемый дегидрогеназами водород полностью идет на рост микроорганизмов и биосинтез. Большинство дегидрогеназ относятся к оксидоредуктазам и ускоряют, окислительно-восстановительные реакции [100].
Из рисунка 3.10 видно, что в независимости от аэрации и добавок отходов, изменение дегидрогеназной активности носит куполообразный характер, увеличиваясь к 36-48 часам непрерывного биосинтеза и снижаясь к 60 часам, что свидетельствует о завершении синтеза, так как участвуя в реакциях дыхательной цепи микроорганизмов, дегидрогеназы играют ключевую роль в переносе ионов Н с помощью кофермента НАД [101].
Результаты решения обратной задачи биохимической кинетики с использованием явного интегрального метода
С помощью явного интегрального метода [114] были проверены модели (см. табл. 4.1), для которых была решена обратная задача биохимической кинетики с использованием явного интегрального метода [115]. Результаты проведенных расчетов показали, что наилучшим образом экспериментальные данные описываются выражениями, приведенными в табл.4.2. Зависимости выхода аминокислот от времени представлены на рисунке 4.1.
Из рисунка видно, что по мере приближения проведения процесса к оптимальным условиям, кривая синтеза приобретает сигмоидальный вид -вид кривой ферментативного синтеза продукта (Михаэлиса-Ментен). Также, согласно рассчитанным моделям, биосинтез аминокислот в ходе процесса аэробно-анаэробной биоконверсии лучше всего описывается схемой Михаэлиса-Ментен (табл.4.2), которая подходит для большинства микробных и ферментативных процессов и удовлетворительно их описывает.
В случае анаэробного типа процесса наиболее удовлетворительно описывает данные простейшая схема - кинетический параметр составляет 2,608 10"3г/100гасв/час.
При переходе с анаэробного на аэробно-анаэробный режим, схема Михаэлиса не уступает механизмам ингибирования продуктом и субстратом и превосходит их в точности, при этом скорость синтеза увеличивается в 2 раза по сравнению с анаэробным процессом.
В опытах с применением добавок отходов хлебопекарной промышленности, скорость синтеза возрастает в 5 раз по сравнению с опытом без добавок отходов, схема Михаэлиса также удовлетворительно описывает экспериментальные данные, при этом величина скорости биосинтеза достигает 2,501 10" г/100 г асв/час.
Следует отметить, что при увеличении скорости синтеза происходит сокращение времени процесса, то есть если в анаэробном процессе максимальная скорость биосинтеза аминокислот наблюдалась на 70-74 часа синтеза и составила , то, при анаэробно-аэробной биоконверсии и в опытах с добавками отходов хлебопекарной промышленности максимальное значение скорости приходится на 60-62 часа, что свидетельствует о интенсификации процесса.
Описание предлагаемой технологической схемы
Торф, навоз, мел и отходы хлебопекарного производства подаются в приемные бункеры Б1, Б2, БЗ и Б4 соответственно, затем шнековыми дозаторами ШД1, ШД2, ШДЗ и ШД4 на стадию смешения. Смешивание компонентов субстрата происходит в шнековом смесителе ШС до однородной консистенции. Значение рН полученной смеси должно быть 6,98 - 7,01. Полученная смесь направляется в реактор Ф, снабженный рубашкой для поддержки постоянной температуры (35-40 С) и якорной мешалкой. На дне реактора установлена перфорированное кольцо для осуществления аэрации (диаметр отверстий 5 мм).
После подачи смеси, реактор закрывают, далее процесс ведут при периодической (через 24 часа по 30 минут) подаче воздуха воздуходувкой В1. Аэрирующий воздух предварительно проходит через нагреватель HI, где его температура повышается до температуры компостирования (35 - 40 С). Поддержание температуры биоконверсии в среде осуществляют путем периодического перемешивания смеси якорной мешалкой.
Компостирование ведут в течение 60 часов, при этом проводится 2 стадии аэрации (на 24 и 48 часов).
После проведения биоконверсии, полученный полупродукт выгружают путем открывания днища реактора, и выгружают в приемный бункер Б5, затем смесь поступает в пастеризатор П (возможно использование электроплазмолизатора, используемого при заготовке трав), где при 80 С происходит пастеризация полупродукта. Затем влажный продукт поступает на барабанную сушилку С, где его сушат горячим воздухом. Полученный МК поступает в бункер-накопитель, затаривается в крафт-мешки и поступает на хранение.
В случае непосредственного вывоза МК (удобрение) на поля возможно упрощение технологии и смесь не подвергается сушке.
Предлагаемая модульная установка по утилизации отходов животноводства и пищевой промышленности позволяет использовать не только местное сырье, но и применять технологическое оборудование других производств (комбикормовых заводов).
Технологическая схема утилизации отходов животноводства и пищевой промышленности на модульной установке представлена на рис 5.2.
Основными компонентами модульной установки по получению МК из торфонавозных компостов являются следующие:
1. Приемный бункер (емкость из бетона объемом 90 - 100 м3 обеспечивающая месячный запас) хранения торфа - 1 шт.
2. Приемный бункер (емкость из бетона объемом 110 м3 обеспечивающая месячный запас) хранения навоза (данный бункер можно изготавливать меньшего размера, так как процесс переработки проводят по мере получения навоза) - 1 шт.
3. Приемный бункер (емкость объемом 30 м обеспечивающая месячный запас) хранения отходов хлебопекарной промышленности - 1 шт.
4. Приемный бункер (емкость объемом 5 м обеспечивающая месячный запас) хранения мела - 1 шт.
5. Шнековый дозатор для подачи торфа (производительность 14 500 кг/час) - 1 шт.
6. Шнековый дозатор для подачи навоза (производительность 14 500 кг/час) - 1 шт.
7. Шнековый дозатор для подачи отходов хлебопекарной промышленности (производительность 1 500 кг/час) - 1 шт.
8. Шнековый дозатор для подачи мела (производительность 3 000 кг/час) 1 шт.
9. Двушнековый смеситель компонентов субстрата (производительность 17 000 кг/час)- 1 шт.
10. Ферментер из нержавеющей стали с рубашкой и якорной мешалкой, объемом 16 м , снабженный подачей теплого воздуха и его отводом, системой измерения и поддержания постоянной температуры, откидным дном для выгрузки продукта и выдерживающего повышения давления 0,2 МПа - 2 шт.
11. Промежуточный бункер из нержавеющей стали для сбора полупродукта биоконверсии (емкость с нижним выводом, объемом 24 м3) - 1 шт.
12.Пастеризатор полупродукта биоконверсии из нержавеющей стали с рубашкой и якорной мешалкой, объемом 24 м3, снабженный системой измерения и поддержания постоянной температуры и выдерживающего повышения давления 0,3 МПа - 1 шт.
13.Барабанная сушилка производительностью 2 т/ч по испаряемой влаге -1 шт.
Н.Шнековый дозатор (транспортер) для перемещения МК (производительность 4 000 кг/час) на хранение или упаковку - 1 шт.
Все вышеперечисленное оборудование должно быть обвязано в соответствии с технологической схемой, иметь необходимые КИП.
Такая модульная установка по переработке отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности с получением МК особенно выгодна фермерским хозяйствам малого и среднего масштаба, расположенным по всей стране, а особенно в пригородах, где накопление отходов пищевой промышленности происходит в больших масштабах.
Расходные нормы на получение 1 т МК (влажность не более 20 %) на основе смесей торфа, навоза и отходов хлебопекарной промышленности представлены в табл. 5.6.
Применение МК в качестве удобрения позволяет снизить кислотность почвы, сбалансировать ее состав по питательным веществам - содержанию легкоусваемого азота и зольности, а также соптимизировать по содержанию "полезной" микрофлоры. Согласно проведенным во ВНИИМЗ (п. Эммаус) исследованиям, с дозой МК в 5 - 15 т/га в почву вносится до 250 - 750 кг/га основных питательных веществ, что позволяет снизить или вообще не применять минеральные удобрения.
Также полученный на модульной установке МК может быть использован в качестве кормовой добавки, содержащей некоторые необходимые организму аминокислоты и источника протеина, позволяющий снизить расходы комбикормов и сбалансировать по аминокислотам рационы сельскохозяйственных животных и птицы (после проведения дальнейших исследований по токсикологическому и санитарно-гигиеническому контролю).
