Введение к работе
Актуальность проблемы и общая характеристика работы. На сегодняшний день не существует отходов, которые нельзя было бы переработать тем или иным способом. Правда при этом велики расходы энергии и себестоимость единицы массы переработанных отходов. Именно это сдерживает применение традиционных способов переработки и одновременно стимулирует разработку новых экологически и экономически эффективных технологий.
К так называемым технологиям «нового поколения» следует отнести биотехнологические способы утилизации отходов. Продукты, получаемые биотехнологическими способами, выгодно отличаются от традиционных химических тем, что сырьем для их получения служат возобновляемые материалы животного и растительного происхождения, а также отходы различных производств.
Большая часть биотехнологий представлена различного рода ферментационными процессами. Занимаясь их разработкой, исследователи руководствуются следующими основными соображениями: получаемые продукты недолжны представлять опасности для окружающей среды, а их себестоимостьдолжнабьггь возможно ниже.
Фактически, создание и отладка новой технологии сводятся к поиску оптимальных величин параметров технологического процесса. Решать задачи такого рода позволяет математическое моделирование, в связи с тем, что лишь с использованием математической модели возможнаобъективная оценкаходапроцессаналюбомэтапе.
Среди многочисленных технологий биопереработки органического сырья, (анаэробное и аэробное компостирование, анаэробное сбраживание, гидролиз с последующим выращиванием кормовых дрожжей и др.), наиболее активно разрабатываемых на базе научно-исследовательских институтов РАСХН (ВНИПТИОУ, ВНИПТИХИМ, ВНИИСХМ, СЗНИИМЭСХ и др.), одной из наиболее перспективных является технология аэробной твердофазной ферментации навоза и помета с углерод со держащими материалами растительного происхождения (торф, опилки, солома и др.), в основу которой положено воздействие на ферментируемую массу воздуха, подаваемого извне компрессором. Регуляция процесса осуществляется варьированием физико-химических и биохимических параметров, что приводит к активации микрофлоры, присущей трансформируемым субстратам, и ее ферментного аппарата.
В 1987-2000 гг. ю Всероссийском НИИ сельскохозяйственного использования мелиорированных земель (ВНИИМЇ) проводились фундаментальные и прикладные исследования, направленные на изучение биологических аспектов аэробной твердофазной ферментации и разработку технологии получения высокоэффективных, экологически чистых удобрений. Фундаментальные исследования были проведены при тесном сотрудниче-
М>С. НАЦИОНАЛЬНА)» Ї БИБЛИОТЕКА {
СПетчЛцк іІй *
» О» mfcunffJ
стве с кафедрой биотехнологии и химии Тверского государственного технического университета (ТГТУ).
В то же время, в этой области оставался нерешенным ряд проблем. Среди них недостаточно проработанным оказался вопрос использования в качестве компонентов смесей для ферментации различных углеродсодержащих отходов сельскохозяйственного производства, пищевой и дерево-п ер срабатывающей про мышл енно сти. Кроме того, должное внимание не уделялось и поиску математических зависимостей параметров ферментации от составаи свойств исходных смесей.
Цель работы. Поиск путей оптимизации аэробной твердофазной ферментации на основании результатов комплексного мониторинга процесса с учетом новых технологических решений и в зависимости от природы и количеств углеродсодержащих субстратов в составе исходных смесей.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: 1. разработка полезной модели устройства (ферментера) для приготовления удобрений (био компоста в) и усовершенствование устройства пробоподготовки для используемого в процессе ферментации анализатора кислорода Выявление оптимальных параметров и режимов работы ферментера, обеспечивающих благоприятное течение процесса ферментации; 2. комплексное исследование базового процесса аэробной твердофазной ферментации и процессов при использовании различных количеств углеродсодержащих субстратов- ранее наиболее активно применяемых в аналогичных процессах (опилки) и впервые предлагаемых к использованию в таком качестве (пивная дробина,льняная костра);3. выявление связей между величинами, характеризующими течение исследуемых процессов; 4. разработка кинетической модели процесса ферментации, позволяющей оценить степень биодеградации органической фракции ферментируемых смесей, с целью его дальнейшей оптимизации для получения удобрений с заданными свойствами; 5. сравнительная оценка эколого-эюномической эффективности производства и применения удобрений, получаемых по базовой технологии и при использовании углеродсодержащих субстратов.
Научная новизна работы и практическая значимость. Разработана полезная модель установки для экспрессного приготовления биокомпо-стов. Усовершенствован анализатор кислорода посредством устройства пробоподготовки и получен патент на полезную модель.
Проведен экспресс-анализ базового процесса ферментации и доказана целесообразность 20-секундной продувки ферментируемой смеси через каждые 10 минут. 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 благоприят-
ным течением процесса, способствующим формированию качественных продуктов.
Впервые в процессе аэробной твердофазной ферментации использованы 2 вида нетрадиционных углеродсодержащих субстратов - 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.
Построена кинетическая модель, характеризующая развитие целлю-лозоразрушающих 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 физиго-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 (биоюмпоста).
Выявлены оптимальные параметры и режимы работы ферментера, предложены подходы к расчету составов исходных смесей для получения удобрений с заданными свойствами.
Технологические приемы, представленные в диссертационной работе, могут использоваться сельскохозяйственными предприятиями различных форм собственности, обладающими разнообразной сырьевой базой, практически во всех регионах РФ и в настоящее время применяются при реализации процессов аэробной твердофазной ферментации на лабораторном, полупроизводственном и производственномуровнях во ВНИИМЗ.
Полученные данные и сделанные выводы использованы во ВНИИМЗ при выполнении Программы прикладных и фундаментальных исследований Россельхозакадемии в 2001-2005 гг.: 12j05j05 «Разработать научные основы и технологии получения новых видов и форм органических удобрений, мелиорантов и кормовых добавок на основе биоферментации разнообразного растительного сырья, органических отходов и природных аг-роруд», а также проектов научных отраслевых программ Министерства образования и науки РФ, реализованных в ТГТУ: «Создание научных основ биосорбции и биодеструкции органических отходою> (программа«Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»), «Разработка технологии получения и использования биологически активных веществ - регуляторов биотехнологических процессов переработки сельскохозяйственного сырья» (программа «Научные исследования высшей школыпо приоритетным направлениям науки и техники»).
Материалы диссертации могут оказаться полезными при подготовке курсов по математическому моделированию в сельскохозяйственной биотехнологии и других смежных дисциплинах.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на Международной конференции молодых ученых «От фундаментальной науки к новым технологиям» (Тверь, 2001), Международной на-учно-пракіической конференции «Использование органических удобрений и биоресурсов в современном земледелии» (Владимир, 2002), Всероссий-смой заочной конференции «Перспективы развития Волжского региона» (Тверь, 2003), Международной научно-практичесюй конференции «Высокие технологии добьни, глубоюй 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), Всероссийской конференции молодых ученых «Энергию молодых - мелиорации» (Москва, 2004), Международной научно-практической конференции «Научно-производственное обеспечение развития сельского социума» (Астрахань, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, получены патенты РФ на полезные модели №39599, № 38396 и патент РФ на изобретение № 2249581.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, содержит 151 страницу печатного текста, 29 рисунков, 26 таблиц в основном тексте и 8 в приложениях. В списке литературы 139 наименований, в том числе 79 на иностранном языке.
