Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1. Многообразие современных способов биоконверсии органического сырья и отходов. Преимущества твердофазной ферментации
1.2. Процесс аэробной твердофазной ферментации 14
1.2.1. Общая характеристика процесса 14
1.2.2. Аппаратурное оформление процесса 15
1.2.3. Характеристика ферментируемых субстратов 16
1.2.3.1. Сырье животноводства 16
1.2.3.2. Углеродсодержащие материалы растительного происхождения
1.2.4. Физико-химические и биохимические факторы, влияющие на ход ферментации
1.2.4.1. Углеродно-азотное соотношение 21
1.2.4.2. Содержание целлюлозо-лигниновых компонентов
1.2.4.3. Влажность 26
1.2.4.4. Кислотность 28
1.2.4.5. Размер частиц и скорость аэрации 30
1.2.4.6. Температура 31
1.2.4.7. Использование биостимуляторов 32
1.3. Физико-химические подходы к моделированию аэробной твердофазной ферментации
1.3.1. Общие положения 34
1.3.2. Термодинамическое моделирование 35
1.3.3. Кинетическое моделирование 37
2. Объекты и методы исследований 41
2.1. Устройство лабораторной установки 41
2.2. Устройство полупроизводственной установки 42
2.3. Схема экспериментов на полупроизводственной установке 43
2.4. Физико-химическое тестирование процесса 45
2.4.1. Наблюдение за режимом влажности 45
2.4.2. Наблюдение за температурным режимом 45
2.4.3. Наблюдение за уровнем кислородообеспечения 46
2.4.4. Кислотный режим процесса 48
2.5. Биохимическое тестирование процесса 48
2.5.1. Определение каталазной активности 48
2.5.2. Определение дегидрогеназной активности 50
2.5.3. Определение пероксидазной активности 51
2.5.4. Определение полифенолоксидазной активности 52
2.5.5. Определение содержания триптофана 54
2.5.6. Определение сырого протеина 54
2.5.7. Определение сырого жира 55
2.5.8. Определение сырой клетчатки 56
2.5.9. Определение органического углерода гуминовых и фульвовых кислот
2.6. Химическое тестирование процесса 59
2.6.1. Определение азота 59
2.6.2. Определение фосфора 61
2.6.3. Определение калия 63
2.6.4. Определение зольности 64
2.7. Микробиологическое тестирование процесса 65
2.7.1. Общие требования к проведению микробиологических анализов
2.7.2. Определение общей микробной обсемененности 67
2.8. Статистическая обработка данных 67
3. Комплексное исследование процессов аэробной твердофазной ферментации
3.1. Исследование базового процесса ферментации 68
3.1.1. Варьирование режимов аэрации и выбор оптимума 68
3.1.2. Оценка физико-химических показателей 71
3.1.3. Оценка биохимических показателей 72
3.1.4. Оценка микробиологических показателей 76
3.2. Исследование влияния различных органических субстратов на ход процесса ферментации
3.2.1. Оценка физико-химических показателей 80
3.2.2. Оценка биохимических показателей 83
3.3. Многокритериальная оценка удобрительного «рейтинга» продуктов ферментации
4. Моделирование аэробной твердофазной ферментации ... 99
4.1. Кинетика развития целлюлозолитических аэробов при использовании различных лигноцеллюлозных субстратов. Ингибирующая способность лигнина
4.2. Кинетическая модель биодеградации органической фракции 105
Заключение : 116
Список литературы
- Аппаратурное оформление процесса
- Физико-химическое тестирование процесса
- Оценка физико-химических показателей
- Кинетическая модель биодеградации органической фракции
Введение к работе
Актуальность проблемы и общая характеристика работы. Процессы, протекающие в биосфере в рамках малого (биологического) круговорота веществ, в значительной степени основываются на жизнедеятельности микроорганизмов в определенных физико-химических условиях. Существующие в природе физико-химические закономерности и механизмы переносятся человеком на уровень технологических решений, направленных на утилизацию отходов и сырьевых ресурсов, поэтому их изучение является одной из приоритетных задач, обладающих высокой научно-практической значимостью.
Среди многообразия современных подходов, имеющихся в этой области, выделяются способы утилизации отходов «нового поколения», относящиеся к биоконверсионным. Процессы, осуществляемые микроорганизмами при биоконверсии, выгодны не только тем, что в них используются самые разнообразные сырьевые ресурсы (возобновляемые материалы животного и растительного происхождения, а также отходы различных производств), но и тем, что получаемые продукты зарекомендовали себя возможным применением в самых различных областях человеческой деятельности.
Большая часть способов биоконверсии представлена различного рода ферментационными процессами, осуществляемыми микрофлорой, изначально присутствующей в перерабатываемых субстратах или привнесенной в них в качестве биокатализатора. Одним из наиболее перспективных способов биоконверсии является аэробная твердофазная ферментация навоза и помета с углеродсодержащими материалами растительного происхождения (торф, опилки, солома и др.), в основу которой положено воздействие на ферментируемую массу воздуха, подаваемого извне компрессором. Регулирование процесса ферментации осуществляется варьированием физико-химических и биохимических параметров, что приводит к активации микрофлоры, присущей исходным субстратам, и ее ферментного аппарата.
Для прогнозирования свойств целевого продукта ферментации необходимо знание механизма процесса, вида описывающих его уравнений и их кинетических параметров. Решать задачи такого рода позволяет математическое моделирование.
Использование корректной математической модели делает возможным проведение оценки хода процесса ферментации на любом этапе.
Цель работы - комплексный мониторинг процесса аэробной твердофазной ферментации в зависимости от природы и количеств углеродсодержащих субстратов в составе исходных смесей, направленный на разработку прогнозной кинетической модели биодеградации органической фракции.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: комплексное (физико-химическое и биохимическое) исследование базового процесса аэробной твердофазной ферментации с использованием «классической» тор-фо-навозно-пометной смеси; комплексное (физико-химическое и биохимическое) исследование процессов аэробной твердофазной ферментации при использовании различных количеств углеродсодержащих субстратов, частично замещающих торф, - ранее наиболее активно применявшихся в аналогичных процессах (опилки) и впервые предлагаемых к использованию в таком качестве (пивная дробина, льняная костра); выявление связей между физико-химическими и биохимическими величинами, характеризующими течение исследуемых процессов; разработка кинетической модели процесса ферментации, позволяющей оценить скорость и степень биодеградации органической фракции ферментируемых смесей с целью его дальнейшей оптимизации для получения удобрений с заданными свойствами.
Научная новизна работы и практическая значимость. Проведен экспресс-анализ базового процесса ферментации и выявлен оптимальный режим аэрации ферментируемых смесей. Выполнен комплексный мониторинг процессов ферментации при использовании различных концентраций углеродсодержащих субстратов.
Установлено, что использование одного из традиционных субстратов (древесных опилок) допустимо лишь в количестве, не превышающем 5% от общей массы ферментируемой смеси, что подтверждается благоприятным течением процесса, способствующим формированию качественных продуктов.
Впервые в процессе аэробной твердофазной ферментации использованы 2 вида нетрадиционных углеродсодержащих субстратов - крупнотоннажные отходы сельского хозяйства (льняная костра) и пивоваренной промышленности (пивная дробина). Выявлены благоприятные уровни концентраций пивной дробины (5 15%) и льняной костры (5-10%) на течение процессов ферментации, их интенсивность и направленность, что подтверждено многокритериальной оценкой удобрительного «рейтинга» получаемых продуктов.
Построена кинетическая модель, характеризующая развитие целлюлозораз-рушающих аэробов на начальной стадии процесса ферментации в зависимости от состава лигноцеллюлозного комплекса ферментируемых субстратов, позволившая выявить пределы их концентраций, оказывающие позитивное влияние на развитие указанной группы микроорганизмов и их деградабельную способность.
Построена кинетическая модель биодеградации органической фракции ферментируемых смесей с учетом комплекса физико-химических показателей: температуры, влажности, зольности, кислородообеспечения, пористости, порозности, изменения массово-объемных соотношений, позволяющая осуществлять прогнозирование течения процесса ферментации с оценкой готовности и качества получаемой продукции (биокомпоста).
Результаты работы применяются при реализации процессов аэробной твердофазной ферментации на лабораторном, полупроизводственном и производственном уровнях в Тверском государственном техническом университете (ТГТУ) и Всероссийском НИИ сельскохозяйственного использования мелиорированных земель (ВНИИМЗ).
Полученные данные и сделанные выводы использованы при выполнении следующих проектов в рамках научных отраслевых программ Министерства образования и науки Российской Федерации: 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», подпрограмма «Химия и химические продукты»), проект «Создание научных основ биосорбции и биодеструкции органических отходов» (программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Химия и химические продукты»), проект «Разработка технологии получения и использования биологически активных веществ - регуляторов биотехнологических процессов переработки сельскохозяйст венного сырья» (программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Технологии живых систем»).
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на Международной конференции молодых ученых «От фундаментальной науки к новым технологиям» (Тверь, 2001), Международной научно-практической конференции «Использование органических удобрений и биоресурсов в современном земледелии» (Владимир, 2002), Всероссийской заочной конференции «Перспективы развития Волжского региона» (Тверь, 2003), Международной научно-практической конференции «Высокие технологии добычи, глубокой переработки и использования озерно-болотных отложений» (Томск, 2003), 11-ом Международном Конгрессе «Молекулярные взаимодействия между растениями и микроорганизмами: новые мосты между прошлым и будущим» (С.-Петербург, 2003), 6-ой Межрегиональной конференции по использованию и управлению земельными и водными ресурсами (Альбасете, Испания, 2003), 2-ой научно-практической конференции «Научные проблемы устойчивого развития Тверской области: экономика, экология, социология» (Тверь, 2003), Межрегиональной конференции «Производство продовольствия и вода» (Москва, 2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, получены патенты РФ на полезные модели №39599, № 38396 и решение о выдаче патента РФ (Заявка № 2003138196/12 от 31.12.2003).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 137 страниц печатного текста, 28 рисунков, 21 таблицу в основном тексте и 6 в приложениях. В списке литературы 136 наименований.
Аппаратурное оформление процесса
К органическому сырью животноводства, используемому в процессе аэробной твердофазной ферментации, относится навоз крупного рогатого скота, свиней и других сельскохозяйственных животных, а также помет разных видов птицы.
По физическому состоянию экскременты животных представляют собой гетерогенную полидисперсную суспензию, которая включает твердые частицы, составляющие дисперсную фазу и водный раствор солей кислот и щелочей, образующих так называемую дисперсную среду. Твердые частицы состоят из нерастворимых дисперсных структур, пропитанных дисперсионной фазой и связанных с ней механически и капиллярно. Фаза дисперсной среды навоза разных видов животных различна по причине неодинаковых массовых долей растворенных сухих веществ, составляя для свиного навоза - 1010 кг/м , для крупного рогатого скота -1017кг/м3[35].
В зависимости от способов содержания животных навоз можно разделить на бесподстилочный и подстилочный.
Бесподстилочный навоз представляет собой смесь кала и мочи животных с водой и примесями (остатки кормов, щетина, шерсть, мусор и др.) [36]. Химический состав бесподстилочного навоза крупного рогатого скота значительно различается в зависимости от пола и возраста животных [37]. Содержание растворимого азота в бесподстилочном навозе составляет 50-70%. Азотсодержащие соединения находятся в растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях и могут переходить из одного состояния в другое. Доминирующей формой азота в жидком бесподстилочном навозе является аммиачная [38].
Подстилочный навоз состоит в основном из твердых и жидких экскрементов животных и подстилки, от которой в значительной степени зависит его химический состав [39]. Основными видами подстилки, применяемыми в животноводстве, являются солома зерновых культур и торф. Значительно реже используются древесные опилки и стружка. Подстилка не только способствует эффективному поглощению жидкостей и газов, но и активизирует деятельность целлюлозоразрушающеи микрофлоры навоза, чем обусловлено предпочтительное использование подстилочного навоза в процессе ферментации по сравнению с бесподстилочным. В подстилочном навозе по многочисленным усредненным данным содержится: воды — 65-77.3%, общего азота - 0.45-0.54%, органического вещества - 20-21%, золы - 2.3-14%. Углеродно-азотное соотношение составляет 15-22:1 при рН около 8 [40].
Микробиологические исследования показывают, что навоз обладает высокой биогенностью. Преобладающими группами микроорганизмов в навозе являются аммонифицирующие и автохтонные микроорганизмы. Отмечено, что с уменьшением влажности навоза снижается содержание большинства групп микроорганизмов, в том числе доминантов.
Специфическая особенность органического сырья животноводческих ферм и комплексов заключается в его высокой обсемененности патогенными микроорганизмами и зараженности гельминтами. Так, в свином навозе обнаружены патогенные серотипы кишечной палочки, стрептококки, возбудители лептоспироза и др. Установлено, что в жидком навозе крупного рогатого скота и свиней содержатся яйца аскариды, власоглава, личинки нематод, трихоцефалов и др.
В зависимости от способа содержания птицы различают бесподстилочный и подстилочный виды помета. К бесподстилочному помету относятся так называемый пластичный помет влажностью 65-90%, получаемый при содержании птицы напольным способом и жидкий помет влажностью более 90%, накапливающийся при клеточном содержании птицы.
Птичий помет относится к одному из самых ценных видов органического сырья. Содержание биогенных элементов в помете варьирует в зависимости от ви 18 да птицы, ее возраста, способа содержания, кормления и других факторов [41]. Содержание общего азота в птичьем помете сильно варьирует в зависимости от его влажности: от 4.1% (сухой помет) до 0.28% (жидкий помет). Птичий помет характеризуется довольно узким соотношением углерода к азоту - 6-15:1. В помете содержится 17 основных аминокислот, в том числе лизин, метионин, цистеин, треонин и другие. Преобладающими группами микроорганизмов в птичьем помете, как и в навозе крупного рогатого скота, являются аммонификаторы и автохтонные микроорганизмы.
.Углеродсодержащие материалы растительного происхождения К углеродсодержащим материалам растительного происхождения, используемым в процессах ферментации, относятся торф, отходы полеводства (солома зерновых культур, льняная костра и др.), отходы деревообрабатывающей промышленности (древесные опилки) и др.
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, так как в торфе на 27-30 % сухого вещества приходится 3-7 % сырого протеина, 6 % клетчатки, около 0,7 % жира и широкий спектр микроэлементов [42]. Удобрительная ценность торфов определяется в первую очередь уровнем содержания водорастворимых и легкогидролизуемых веществ, богатых углеводами [43].
Торф представляет собой трехкомпонентную систему, состоящую из органической массы, зольной части и воды [44]. При этом содержание воды в торфе может достигать 90%. Основным химическим элементом органической массы торфа является углерод, среднее содержание которого в торфах составляет 56-68%.
Другой, не менее важной характеристикой торфа является содержание в нем азота. Азот является постоянным элементом органического вещества торфа, между тем характер соединений азота до сих пор выяснен недостаточно [45]. Отметим, что содержание азота в низинном торфе примерно в 1,7 раза выше, чем в верховом. Основная часть азота торфа входит в состав гумусовых веществ.
Физико-химическое тестирование процесса
По стандартному методу определения влажности органические образцы высушиваются до воздушно-сухого состояния, что необходимо для прекращения ферментативных процессов.
Ход анализа. Для определения первоначальной влажности используют фарфоровые чашки или алюминиевые стаканчики диаметром 5 см. Их предварительно нумеруют и высушивают в сушильном шкафу при температуре 80-90 С в течение 1 ч. После охлаждения в эксикаторе их взвешивают на технических весах. Записав массу тары, в нее помещают анализируемый субстрат. Чашку с пробой ставят в сушильный шкаф. Температуру внутри шкафа перед загрузкой в него материала нужно поднять до 110-120 С, так как во время загрузки она сильно падает. Затем температуру следует понизить до 60-65 С и продолжать сушку до тех пор, пока высушиваемый образец не будет казаться на ощупь сухим.
Тару вынимают из сушильного шкафа и охлаждают на воздухе, оставляя в эксикаторе (на ночь), и снова взвешивают. Для проверки полноты высушивания пробы опять ставят в сушильный шкаф на 1 ч, затем охлаждают и взвешивают. Результат последнего взвешивания вычитают из результата определения массы тары с субстратом до высушивания и находят количество потерянной воды во взятой навеске. Первоначальную влажность в процентах рассчитывают по формуле: где х -первоначальная влажность, %; b - масса воды, удаленной при сушке, г; а - навеска вещества, г; 100 - коэффициент пересчета в проценты.
В процессе аэробной твердофазной ферментации температурный режим изменяется самопроизвольно, благодаря жизнедеятельности микроорганизмов. Этот параметр фактически саморегулируется, как при обычном классическом компостировании. Ферментируемый продукт подвергается при этом действию как мезо-фильной, так и термофильной микрофлоры, максимумы активности которой наблюдаются в разные периоды процесса.
Тем не менее, контроль за температурным режимом процесса аэробной твердофазной ферментации крайне важен, так как он позволяет оценить зависимость жизнедеятельности микробиоты от этого параметра.
В процессе аэробной твердофазной ферментации наблюдение за уровнем кислородообеспечения и, как следствие, режимом работы напорного вентилятора осуществляется при помощи газоанализаторов (кислородомеров). Рекомендуемый диапазон концентраций кислорода в газовой смеси, на выходе ферментера составляет 5-12%.
В настоящей работе в качестве кислородоанализатора использовался анализатор кислорода промышленный многофункциональный (АКПМ-01), разработанный фирмой «Альфа БАССЕНС», г.Москва [112]. Анализатор состоит из измерительного устройства и амперометрического сенсора.
Амперометрический сенсор (АсрО2-02 ТУ 4215-002-16963232-01), входящий в комплект поставки анализатора, отличающийся высокой чувствительностью, предназначен для аналитического контроля кислорода в потоке газов или жидко стей, протекающих через измерительную камеру.
Для исключения ошибок калибровки, возникающих из-за изменения влажности атмосферного воздуха, следует осуществить процедуру автоматической калибровки анализатора по атмосферному воздуху.
В том случае, если анализатор не эксплуатировался длительное время, необходимо провести процедуру калибровки нулевой точки. С этой целью разработано устройство подготовки пробы для указанного типа анализаторов (рис. 2.3). Кислотный режим процесса ферментации следует оценивать, определяя рН анализируемых органических образцов.
Ход анализа. К 5 г навески органического субстрата, помещенной в широкогорлую колбу на 100 мл, добавляют 50 мл дистиллированной воды. Суспензию встряхивают, закрывают резиновой или стеклянной притертой пробкой и настаивают в холодильнике при температуре 10С в течение получаса. рН определяют на универсальном иономере ЭВ-74, погружая в анализируемую суспензию стеклянный и хлорсеребряный электроды. Измерения проводят через 1.5-2 мин после погружения электродов, как только установится равновесное состояние системы.
Каталаза способна разлагать ядовитые для клеток перекисные соединения, в том числе перекись водорода, в значительных количествах присутствующие в органическом сырье (торфе, навозе, помете и др.), подвергающемся ферментации. Перекисные соединения образуются в процессе дыхания и в результате различных биохимических реакций окисления, свойственных живым организмам (растениям и животным) при жизни, в связи с чем и обнаруживаются в отходах их жизнедеятельности. Повышенный уровень каталитической активности в процессах ферментации свидетельствует об активно идущих реакциях распада, сопровождаясь удалением из конвертируемой органической смеси ядовитых соединений перекиснои природы. Конец процесса ферментации обычно характеризуется низкой активно стью этого фермента, что является, безусловно, одним из показательных тестов завершенности биопереработки.
Метод определения каталазы в образце исследуемого материала основан на измерении количества молекулярного кислорода, выделяющегося при распаде перекиси водорода под воздействием этого фермента в соответствии с реакцией: 2Н202 -» 2Н20 + 02 Для определения каталазы чаще всего используют газометрический метод, используя специально собираемый в лаборатории прибор (рис. 2.4).
Ход анализа. Навеску органического субстрата массой не менее 1 г вносят в толстостенную колбу (2), прибавляют 0.5 г СаСОз и смачивают навеску 4 мл дистиллированной воды. Затем на дно осторожно ставят с помощью пинцета маленький пенициллиновыи стаканчик (1) с 1.7 мл 10 %-го раствора перекиси водорода. Колбу с перечисленными ингредиентами плотно закрывают каучуковой пробкой, имеющей трубку, соединенную с градуированной бюреткой (3), закрепленной на штативе (5). Градуированная бюретка через тройник сообщается с неградуирован-ной бюреткой (7), которая в свою очередь сообщается через шланг с грушей (6).
Оценка физико-химических показателей
Как видно из рис. 3.1, наилучшим образом в отношении потребления кислорода микроорганизмами проявлял себя вариант с интервалом между продувками, равным 10 мин. Именно для этого варианта было характерно снижение содержания кислорода в термофильный период до 8-10%, что согласуется с 5-12%-ным интервалом содержания кислорода, рекомендованным для процессов такого рода.
Итак, предварительно доказанное сходство между лабораторным и производственным уровнями ферментации и исследование процесса ферментации на лабораторной установке по выявлению оптимального режима продувки показали преимущество и целесообразность продувки смесей на полупроизводственной установке с интервалом 10 мин. В то же время длительность продувки ферментируемых смесей должна быть согласована с производительностью используемого вентилятора Ц4-70 (G=22,3 м3/мин=371,7 л/сек) и общим объемом установки, состоя 71 щей из 4 бункеров (V=0,5 м3 4=2000 л). Исходя из предложенного выше соотношения =4 V/G=21,5 с (-20 с).
В ходе ферментации на полупроизводственном ферментере анализировались следующие физико-химические показатели: температура, содержание кислорода в смеси, ее кислотность, влажность и зольность (табл. 3.3).
В течение первых 4-х суток ферментации наблюдали активный рост температуры с 21 до 60 С. В последующие сутки уровень температуры оставался практически неизменным, однако уже к концу 6-х суток ферментации указанная температурная стабильность сменилась снижением температуры, достигнув к концу процесса 38 С.
В этом процессе была отмечена антибатная температурной периодичность изменений содержания кислорода. В течение первых 3-4-х суток ферментации объемное содержание кислорода монотонно снижалось с 20,38% до 10,53...10,32%. В то же время уже на 5-е сутки наблюдалось увеличение содержания кислорода в ферментируемой массе. К концу процесса концентрация кислорода в смеси оказывалась близка к атмосферному уровню. К концу 1-х суток ферментации обнаруживалось снижение рН с 6,6 (в исходной смеси) до 5,9, что характерно для так называемой «кислотной фазы» ферментации [113, 114]. В дальнейшем величина рН смеси возрастала, превысив к концу процесса исходный уровень и достигнув нейтральных значений.
В свою очередь динамика изменения влажности не обнаруживала сколько-нибудь видимых экстремумов. В течение всего процесса ферментации влажность смеси монотонно снижалась с 64 до 59%, что связано с поверхностным испарением влаги, ускоряемым периодической аэрацией.
В противовес динамике влажности наблюдали постепенное увеличение зольности, что свидетельствовало об активной биодеградации органической массы.
В качестве биохимических критериев эффективности процесса ферментации оценивалось содержание сырой клетчатки, сырого жира, триптофана, углерода гу-миновых и фульвокислот, общего углерода гумусовых кислот, а также исследовалась активность ряда ферментов (табл. 3.4, 3.5). Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в ходе ферментации значительные количества высокомолекулярных органических соеди нений подвергались активной трансформации. Так, к концу ферментации процентное содержание сырой клетчатки снижалось в 1,5 раза, сырого жира в 1,3 раза.
Для оценки доминирования процессов деструкции высокомолекулярных соединений над процессами их синтеза в ходе ферментации была использована условная величина каталазно-дегидрогеназного коэффициента (КДК), равная соотношению относительных активностей соответствующих ферментов (рис. 3.2).
Активность фермента каталазы, относящейся к классу редуктаз, свидетельствует о преобладании механизмов разрушения перекисных соединений, протекающих на клеточном уровне [115]. То есть величина активности этого фермента позволяет опосредованно судить о том, насколько глубокими являются деструкционные процессы в данный момент времени. Напротив, дегидрогеназная активность свидетельствует о преобладании восстановительных процессов, к каким относится большинство реакций биосинтеза [116].
Как видно из рис. 3.2, наибольшие значения КДК были зафиксированы в течение первых 2-х суток ферментации. Это говорит о том, что уже на начальной стадии процесса микрофлора, присущая ферментируемым субстратам, довольно активно трансформирует высокомолекулярные соединения, одновременно синтезируя новые. Об этом свидетельствуют и соответствующие величины каталазной и дегидрогеназной активностей (табл. 3.5). Последовавшее за этим снижение величины КДК позволило сделать вывод о том, что в термофильный период процессы биосинтеза высокомолекулярных органических соединений доминируют над дест-рукционными.
Обращает на себя внимание тот факт, что в отличие от изменения содержания сырого жира и сырой клетчатки, содержание общего углерода гумусовых кислот возрастало к концу ферментации в 1,6 раза. Отмечено, что в ходе всего процесса наблюдалось снижение содержания гуминовых кислот и увеличение содержания фульвокислот, для которых характерна менее сложная молекулярная структура (табл. 3.4).
Кинетическая модель биодеградации органической фракции
Показана возможность использования уравнений реакций нулевого и первого порядков, удовлетворительно описывающих течение процесса аэробной твердофазной ферментации. Кроме того, высокой степени точности прогнозирования содержания органической фракции в составе ферментируемой смеси удается достичь посредством использования средней температуры (-40-50 С), характерной для процессов такого рода. Фактически, предложенная модель позволит автоматизировать контроль течения процесса, основываясь на следующих входных параметрах:
В ходе моделирования установлено, что использование пивной дробины (5-20%) способствует снижению энергетического эквивалента органической фракции. В то же время в опытах с использованием льняной костры и опилок (5-10%) аналогичный показатель по сравнению с базовым опытом увеличивался, что свидетельствует о меньшей доступности этих субстратов для микрофлоры, связанным с повышенным содержанием лигнина в их составе. Казалось бы, для смесей с еще большим количеством льняной костры и опилок (15-20%) энергетический эквивалент должен быть выше, однако этого не наблюдали. Указанное противоречие может быть объяснено тем, что в действительности в условиях этих опытов лигно-целлюлозные субстраты практически не подвергались деградации, что приводило к занижению значений этого показателя.
В настоящее время существует ряд нерешенных проблем в области усовершенствования процессов биоконверсии, среди которых выделяется необходимость поиска математических зависимостей параметров ферментации от состава и свойств исходных смесей, позволяющих осуществлять автоматизированный контроль процессов. В связи с этим настоящая работа была посвящена созданию кинетической модели биодеградации органической фракции ферментируемых смесей различного состава, основанной на физико-химических данных, полученных путем комплексного мониторинга процесса аэробной твердофазной ферментации «классической» торфо-навозно-пометной смеси (50%:35%:15%) и при использовании 5-20% углеродсодержащих субстратов различной природы (пивная дробина, льняная костра, древесные опилки), частично замещающих торф.
По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:
1. Установлены основные физико-химические закономерности, характерные для процесса аэробной твердофазной ферментации. Построена кинетическая модель развития популяции аэробных целлюлозолитических микроорганизмов на начальной стадии процесса ферментации, позволившая определить пределы концентраций исследуемых субстратов, при которых наблюдается наилучшее развитие микроорганизмов этой группы: для опыта с пивной дробиной - 5-15%; для опыта с льняной кострой - 5-10%; для опыта с древесными опилками - 5-10%.
2. Разработана многопараметрическая кинетическая модель биодеградации органической фракции при использовании комплекса физико-химических параметров ферментации (температуры, влажности, зольности, кислородообеспечения, пористости, порозности, изменения массово-объемных соотношений), позволившая выдвинуть предположение о механизме гетерогенного окисления субстратов различной природы. Внедрение модели обеспечивает автоматизированный контроль процесса.
3. Выявлены антибатность динамики содержания кислорода и температуры (Rep -0,84); активная биотрансформация трудногидролизуемых высокомолекулярных веществ - клетчатки и жиров; накопление физиологически активных ве 117 ществ - фульвокислот и триптофана, придающих продуктам ферментации удобрительную ценность.
4. Установлено, что наилучшими разогревом смесей и поглощением кислорода микрофлорой, наибольшей длительностью термофильного периода и минимальными коэффициентами остывания, наивысшей степенью озоления ферментируемых смесей по сравнению с базовым опытом отличались опыты с внесением в состав исходных смесей 10-20% пивной дробины, свидетельствуя о благоприятном воздействии указанного субстрата в отношении микроорганизмов.
5. Выявлено сокращение длительности термофильного периода, снижение поглощения кислорода и степени озоления ферментируемых смесей для опытов с 15-20% льняной костры и 10-20% древесных опилок, что свидетельствует об инги-бирующем эффекте, возникающем из-за избытка лигноцеллюлозных компонент.
6. Установлено максимальное накопление фульвокислот в опытах с пивной дробиной (5-15%); достаточно высокое, соразмеримое с базовым опытом, - в опытах с льняной кострой (5-10%) и древесными опилками (5%). Получаемые при таких количествах исходных компонент продукты ферментации обладают согласно «конденсационной» теории пролонгированными удобрительными свойствами, способствуя повышению почвенного плодородия.
7. Предложена система оценки удобрительного «рейтинга» продуктов ферментации, показавшая их высокую удобрительную ценность, в 2-4 раза превышающую удобрительную ценность нативного подстилочного навоза.
8. Разработаны полезные модели на полупроизводственную установку и устройство пробоподготовки (патенты РФ №№ 39599, 38396), обеспечившие проведение цикла запланированных экспериментов.
