Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Агропромышленность arrow Биоконверсия вторичных продуктов агропромышленного комплекса

Значение углеродсодержащих вторичных продуктов АПК

Индустриализация и химизация сельского хозяйства, перевод животноводства на промышленную основу порождают новые сложные аграрные и экологические проблемы. Вторичные продукты полей и крупных ферм, если их не обезвредить, становятся бедствием для природы. При плохо продуманном применении минеральных удобрений, пестицидов и гербицидов эти средства превращаются в серьезную угрозу плодородию земель и тем живым организмам, которые обеспечивают нормальный круговорот веществ в почве. Традиционное земледелие, пока оно существует, постоянно будет нуждаться в качественных удобрениях, а биоконверсия вторичных продуктов сельского хозяйства будет приобретать все большее значение.

Современная биотехнология предлагает три основные возможности конверсии целлюлозе- и крахмалосодсржащнх материалов в белковые препараты, кормовые добавки и т.д.:

  • 1) вторичные продукты подвергают действию эндо- и экзоферментов при прямом культивировании микроорганизмов на углеродсодержащем растительном сырье;
  • 2) используют кислотный или ферментативный гидролиз целлюлозы с получением сахаросодержащих растворов, на которых выращивается дрожжевая биомасса (белок);
  • 3) биоконверсия углеводсодержащих вторичных продуктов в биомассу через этанол и органические кислоты.

Отходы, содержащие углеводы, используют в качестве сырья для биосинтеза различных органических соединений по схеме, представленной на рисунке 42.

Схема трансформации углеродсодержащих соединений

Рис. 42. Схема трансформации углеродсодержащих соединений

Ферментативная конверсия целлюлозы под действием полифер- ментного целлюлозолитического комплекса позволяет получать ряд ценных продуктов, в том числе биогаз, высококачественное органическое удобрение и другие необходимые материалы. С другой стороны, биоконверсия органических соединений, основную массу которых составляет клетчатка, резко снижает их негативное воздействие на окружающую среду.

Гумифицированные продукты микробиологической трансформации клетчатки быстро приходят в равновесие с экосистемой, в которую их внесли, и не вызывают серьезных нарушений в ней в отличие от непереработанных отходов.

После Всемирной конференции по окружающей среде (Рио-де- Жанейро, 1992) во многих странах приняты национальные, региональные и местные природоохранные программы, важным компонентом которых являются мероприятия по управлению вторичными продуктами и отходами АПК, в том числе и животноводства. Предлагаемые приемы управления весьма разнообразны.

Важнейший способ утилизации вторичных продуктов животноводства - биологическая переработка с использованием микро- и макроорганизмов, позволяющая быстро и эффективно конверсировать значительное количество навоза и помета (рис. 43).

Другим перспективным способом биологической утилизации вторичных продуктов животноводства является культивирование на них микроорганизмов. Для этого используют главным образом мицелиальные грибы (твердофазное культивирование), а на навозных стоках - бактерии, дрожжи и грибы (глубинное культивирование). Однако выращивание бактериальных культур на навозе животноводческих комплексов не получило широкого распространения из-за ограниченного применения бактерий на кормовые нужды. Выращивание же дрожжей позволяет не только «облагораживать» стоки свиноферм и ферм крупного рогатого скота, но и получать дешевые кормовые добавки и бактериальные препараты.

Схема утилизации отходов животноводства и микроорганизмы, участвующие в этих процессах (по И. А. Архипченко)

Рис. 43. Схема утилизации отходов животноводства и микроорганизмы, участвующие в этих процессах (по И. А. Архипченко)

Микробная биотехнология способна вовлечь в производство кормовых препаратов и добавок огромные массы жидких и плотных отходов растительного и животного происхождения.

Микроорганизмы могут потреблять вторичные продукты сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности с образованием микробной биомассы. Самые перспективные в этом отношении - быстрорастущие микроорганизмы, способные усваивать негидролизованные вторичные продукты сельского хозяйства. В наибольшей степени этим требованиям отвечают мицслиальные грибы и дрожжи.

Жидкие и плотные компоненты могут быть трансформированы в кормовые препараты, обогащенные микробным белком. Известно, что концентрированные стоки являются, по существу, готовой питательной средой для микроорганизмов, так как содержат все необходимые компоненты, включая витамины и микроэлементы.

Компостирование органических компонентов с добавлением микроорганизмов, биоферментация помета и навоза при температуре 70-85°С позволяют получать ценное органическое удобрение, необходимое для повышения плодородия почвы и производства экологически чистой сельскохозяйственной продукции.

По расчетам, рациональное использование животноводческих стоков могло бы обеспечить дополнительный урожай, в денежном выражении эквивалентный применению 650 тыс. т азотных, 300 тыс. т фосфорных и 600 тыс. т калийных удобрений на всей пашне РФ.

Птичий помет и навоз быстро утилизируются также с помощью простейших, личинок мух и других организмов.

За счет конверсии отходов «системой метаногенеза» может быть получено условное топливо, измеряемое миллиардами тонн. Оставшуюся в результате метановой ферментации биомассу можно использовать как удобрение. Конверсия биомассы в газообразное топливо служит дополнительным источником энергии в сельском хозяйстве. Переработка навоза метановым брожением - наиболее экономичный и эффективный метод очистки территорий, прилегающих к животноводческим комплексам.

В целом же, по экономическим и экологическим соображениям, утилизация отходов должна предусматривать их использование в качестве вторичного сырья. Вышеуказанные способы их биоконверсии могут дать, иногда неожиданно, весьма существенный результат с благоприятными последствиями для развития биотехнологии и энергетики. К сожалению, большинство из них реализуется пока очень плохо.

Энергоемкие технологии переработки навоза и помета в настоящее время нерентабельны, несмотря на их достоинства. Ставится вопрос о создании дешевой системы обработки и удаления, их эффективного использования. Прежде всего это касается биотехнологических методов превращения отходов в ценное сырье для получения кормов, горючих материалов, удобрений и сырья для химической промышленности.

Разработаны и все шире внедряются технологии утилизации отходов сельского хозяйства в специальных установках: биореакторах, биоферментерах (биоферментаторах), модулях, метантенках и т.д. В них, как правило, микробиологическая трансформация осуществляется за счет аэробно-анаэробных процессов. Биотехнологии имеют существенные преимущества перед компостированием благодаря снижению потерь питательных веществ в перерабатываемом исходном сырье, значительному повышению экологической чистоты конечных (вторичных) продуктов и сокращению сроков переработки сырья.

Управление процессом биоферментации позволяет интенсифицировать минерализацию исходного субстрата, биосинтез новых соединений и улучшить свойства конечных целевых продуктов. «Сгорание» органической массы можно регулировать физическими, химическими и биологическими приемами. В последнем случае активизируются микроорганизмы исходного субстрата или внесенные смешанные микробоценозы, преобразуя субстрат в необходимом направлении. Получаются продукты заданного качества, будь то органические удобрения или кормовые добавки, субстраты для микробиологической промышленности или почво- грунты для теплиц.

Зная характеристики вторичных продуктов, можно выбрать наиболее эффективный метод их переработки и использования (табл. 36).

Культивирование микроорганизмов на целлюлозолигниновых субстратах (или их гидролизатах) может осуществляться в аэробных или анаэробных условиях. Хотя в анаэробных условиях возможности роста клеточной массы более ограниченны, в результате активного развития определенных микроорганизмов из целлюлозы получают ценные низкомолекулярные органические соединения: метанол, органические кислоты, метан и т.д.

Рекомендации по выбору способа культивирования микроорганизмов для переработки целлюлозосодержащих вторичных продуктов

Вид сырья

Тип целевого продукта

Способ культивирования (ферментация)

Опилки древесные: хвойные, лиственные

Этанол, органические кислоты

Гетерофазная

Солома

Корма

Твердофазная

Солодовая дробина

Этанол, органические кислоты

Гетерофазная

Подсолнечная лузга

Корма, ферментативные препараты

Твердофазная

Пшеничные отруби

Корма, БАД

Твердофазная

Бумажная пульпа

Этанол, ацетатная смесь

Гетерофазная

Муниципальные в. п. (макулатура)

Этанол, органические кислоты

Гетерофазная

Костра льна

Корма

Твердофазная

При проектировании установок по переработке навоза и навозной жижи необходимы сведения о частоте и качестве сбросов, количестве и их санитарном состоянии. Это позволит правильно спланировать разделение потоков сточных вод и возможность повторного использования менее загрязненных из них для орошения и удобрения, получения побочных продуктов. Аналогичны возможности повторного использования твердых компонентов в качестве кормов для животных или для улучшения структуры почвы.

Количество и качество вторичных продуктов определяют также выбор аппаратуры и устройств для их обработки, сложность и параметры выбранного оборудования.

Круг агентов-деструкторов для проведения реакций минерализации органических соединений очень широк. Он включает представителей грибов, актиномицетов и родствеиных им организмов, многих бактерий и микроводорослей.

Глубина катаболических процессов при использовании органических соединений зависит от ферментативной активности самих микроорганизмов. В тех случаях, когда не удается подобрать микроорганизм, осуществляющий сразу несколько превращений трансформируемого субстрата, или он малоактивен, используют последовательно или одновременно несколько микроорганизмов в виде инокулирующей добавки. В последние годы смешанные культуры получили особое распространение в трансформации навоза животноводства. Здесь обычно используют смеси из штаммов разных физиологических групп, доминирующих в органическом субстрате (исходной смеси) и участвующих на разных стадиях его ферментации. В условиях совместного культивирования (ферментации) микроорганизмы функционируют иначе, чем в монокультуре. Совместное действие нескольких культур достаточно быстро приводит к образованию важных биологически активных соединений - метаболитов интродуцированных микроорганизмов.

Некоторые экспериментаторы для стимуляции ростовых и конверсионных процессов составляют композицию из целлюлозолитических термотолерантных микроорганизмов родов Monoascus rubber, Trichoderma asperellum, азотфиксирующих бактерий рода Azospirillum sp. и дрожжей рода Saccharomyces cerevisiae.

Помет птиц часто смешивают с влагопоглощающими материалами и проводят твердофазную ферментацию смеси с использованием микроорганизмов - трансформаторов-стимуляторов. В качестве стимулятора компостирования используют консорциум микроорганизмов на основе штаммов бактерий рода Bacillus subtilis П-1, Clostridium butyricum П-2, Micrococcus urea П-3 и штамма гриба Sporotrichum р. Ruinosum П-4.

Динамика трансформации полимерных соединений смешанной культурой зависит от механизма процесса или скорости минерализации. Ускорения процесса биоконверсии достигают путем замкнутости цикла производства целевого продукта (биокомпоста, препарата, кормовой добавки и т.д.) и создания оптимальных условий биотрансформации. Ферментативные реакции в смешанной культуре могут происходить последовательно или параллельно.

Органические соединения требуют разнообразного набора микроорганизмов. Анализ литературного материала показывает, что способность превращать только гетероциклические основания и их производные выражена у таксономически весьма широкого спектра микроорганизмов. По-видимому, можно говорить об определенной специфичности трансформаций для крупных таксонов. Известно, что бактерии обладают преимущественно дегидрирующей активностью, для грибов более характерны реакции гидроксилирования и разрыва С-С-связей, для стрептомицетов - дегидрирование и гидроксилированис; нокардии известны как дегидрирующие организмы; процессы восстановления осуществляются в основном дрожжами и анаэробными бактериями.

Проявление микробных взаимодействий смешанного субстрата вторичных продуктов уникально в каждом отдельном случае. Они основаны на ферментных активностях организмов. Индукция и репрессия ряда ферментов, ответственных за катаболизм и экзергони- ческие и эндергонические реакции при трансформации различных соединений, связаны, по-видимому, с совместным действием некоторых микроорганизмов, присутствующих в сырье.

К сожалению, классификация микробиологических трансформаций такого сложного субстрата, как органические вторичные продукты, построенная на биологической основе, пока невозможна, что затрудняет целенаправленные химические операции с ними. По этой же причине остаются труднодоступными многочисленный экспериментальный материал и широкая информация об использовании микроорганизмов в превращении органических соединений, осложняется видение перспектив микробиологии в решении экологических и экономических проблем.

Исключительность мира микроорганизмов состоит в том, что, несмотря на малые размеры, их клетки обладают огромной поверхностью, которая определяет активнейшую связь микроорганизмов со средой обитания. В 1 кг живой биомассы кишечной палочки содержатся бактерии, общая площадь поверхности которых составляет 5000 м2 Активность дыхания у бактерий, и особенно у плесневых грибов, значительно выше, чем у высших организмов. Например, трехдневная культура гриба Aspergillus при 34°С выделяет за 24 ч 682 см3 диоксида углерода, а почки сирени при 15°С - всего 35 см3

Микробная клетка может рассматриваться как биологическая система широкого спектра действия, пока не доступная для полного понимания всех механизмов ее функционирования, но по своим возможностям далеко превосходящая все технологические системы, сконструированные человеком в XX в. Практическое использование этих созданных природой «биологических машин» чрезвычайно разнообразно, а сфера - по сути беспредельна.

Микроб атакует необычные для его метаболических систем вещества. Результатом может быть дальнейшая ассимиляция вещества (если есть в наборе ферментная система для его деструкции) или накопление трансформированного продукта, который, в свою очередь, может быть в дальнейшем с успехом освоен.

Использование возобновляемых источников энергии в виде растительной биомассы и перевод ее в более удобную и экономичную форму (газообразную - метан, синтез-газ или жидкую - этанол, уксусную кислоту, ацетон) становится сейчас наиболее привлекательным технологическим решением. Например, при сбраживании вторичных продуктов пивоваренного производства из 1 т отработанного сухого хмеля образуется 180 л смеси спирта и органических кислот - уксусной и молочной; из 1 т солодовой дробины - 320 л смеси.

Целлюлозосодержащие субстраты сбраживаются обычно анаэробными термофильными бактериями, в результате образуется целый ряд ценных продуктов. Термофилы перерабатывают множество разнообразных субстратов, в том числе низкокачественные крахмал, лактозу, пен- тозы и целлюлозосодержащие материалы - трудноусваиваемые и малопитательные. Кроме того, бактерии относительно устойчивы к ионам тяжелых металлов, токсичным веществам и загрязнителям (ксенобиотикам). Большинство таких микроорганизмов выживает при соприкосновении с воздухом, хотя и не растет в присутствии кислорода.

Деструкция органических субстратов с использованием термофильных и супертермофильных микроорганизмов позволяет достичь больших результатов благодаря реальной возможности сбраживания многих углеродсодержащих соединений. Высокая катаболическая активность термофилов обусловливает сокращение времени ферментации и как следствие большую эффективность промышленных установок биоконверсии вторичных продуктов.

Для жидких продуктов, содержащих растворенные органические вещества, пригодна биохимическая очистка, а твердые компоненты с высоким содержанием органического вещества можно компостировать (табл. 37).

Разложение биополимеров является экзотермическим процессом. Поэтому для поддержания высоких температур в ферментерах не требуется значительных дополнительных затрат энергии.

Особенность микробиологических трансформаций вторичных продуктов заключается в том, что большая часть органических субстратов расщепляется под действием нескольких ферментов (существует более 20 соответствующих микробиологических процессов). Результат - изменение молекулярной структуры трансформируемого субстрата, синтез метаболитов из предшественников. Главное при этом - удобство и экономичность технологических процессов, для которых не требуется дорогостоящая аппаратура, так как микроорганизмы функционируют в неагрессивных средах при обычных температурах и давлении.

Возможные методы переработки и использования вторичных продуктов с различными характеристиками

Вторичные продукты

Методы переработки и использования

Жидкие:

сточные воды, содержащие растворенные органические вещества

Биохимическая очистка, внесение в почву

сточные воды, содержащие растворенные неорганические вещества

Физическая или химическая обработка, внесение в почву

сточные воды, содержащие взвешенные орг эпические вещества

Отстаивание, биохимическая очистка, химическое осаждение; внесение в почву

сточные воды, содержащие взвешенные неорганические вещества

Отстаивание, химическая обработка; внесение в почву

Твердые:

содержащие органические вещества

Сжигание, компостирование, высушивание; внесение в почву, корм для животных

содержащие неорганические вещества

Внесение в почву

Использование микроорганизмов в качестве химических реагентов, осуществляющих ферментативное превращение различных органических веществ, должно быть направлено не только на утилизацию отходов. Интерес представляет накопление продуктов частичной ферментативной трансформации экзогенных органических соединений. К трансформациям этого типа относится, например, накопление промежуточных продуктов в процессе использования микробной клеткой органических веществ в качестве источников углерода и энергии. Характерной иллюстрацией может служить образование и накопление низкомолекулярных органических кислот и других соединений с малыми молекулами, большинство которых своеобразно окрашены и физиологически активны.

Широкий круг микроорганизмов, участвующих в трансформации углеродсодержащих соединений вторичных продуктов, накапливает метаболиты разнообразной окраски: от белого до черного цвета, всю гамму цветов радуги. Некоторые пигменты хорошо растворимы, другие - нерастворимы в воде; пигменты полимерной природы (черные, коричневые и красные), синтезирующиеся из фенольных соединений, легко подвергаются кислотному или щелочному гидролизу.

Таким образом, углеродсодержащие соединения растительных тканей, постоянно находящиеся в ассоциации в различных пропорциях с белками, жирами, лигнином, танинами и т.д., иногда вызывают глубокие изменения в метаболизме углеводов. Одновременно с минерализацией углеводных соединений микроорганизмы синтезируют определённые соединения. Поэтому трудно установить, какие соединения представляют собой промежуточные продукты расщепления, а какие - промежуточные продукты синтеза.

Методы биоконверсии навоза одного вида животных не всегда могут быть применимы к переработке навоза других видов. Кроме того, навоз животных находится в разном физическом состоянии - твердом, полутвердом или жидком - и соответственно должна быть подобрана определенная технология его переработки.

Контрольные вопросы

  • 1. Навоз, химический состав.
  • 2. Технологии управления отходами животноводства.
  • 3. Сточные воды животных (коров, лошадей, свиней и др.).
  • 4. Осадки сточных вод.
  • 5. Санитарно-паразитологические показатели осадков.
  • 6. Методы обеззараживания навоза животных.
  • 7. Активный ил.
  • 8. Удобрительная ценность осадков сточных вод.
  • 9. Методы утилизации осадков сточных вод.
  • 10. Нетрадиционные органические удобрения.
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы