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

ОЦЕНКА ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ БИОМАССЫ

Агроэкономическая оценка биоконверсии вторичных продуктов животноводства

Накопленный опыт компостирования навоза животноводства убедительно доказывает, что наилучшие результаты дает контролируемая конверсия органических субстратов в локальных ёмкостях (ферментерах, аэротенках, метантенках и т.п.). Биохимические процессы многократно ускоряются, а конечный продукт - биокомпост и его аналоги - по содержанию питательных веществ в несколько раз превосходит первоначальный субстрат. Таков закономерный итог микробиологической конверсии.

Микробиологические превращения углеродсодержащих отходов в аэробных и анаэробных условиях представляют собой специфические реакции саморазогревающейся системы.

Микроорганизмы приспособились жить при определенных температурах, а многие представители различных таксономических групп демонстрируют высокую трансформирующую активность, окисляя субстраты при температуре до 70-80°С и выше. Теплоемкость клеток микробов является относительно стабильным свойством и в значительной мере определяется содержанием в них воды. Клеточная стенка термофилов обладает заметной устойчивостью к действию высокой температуры. Это обусловлено ее химическим составом и более термоустойчивым, чем у мезофилов, механизмом синтеза клеточных стенок.

На скорость роста микрофлоры в боксе влияют состав субстрата и режим компостирования (температура, перемешивание или поддув и т. д.), а также правильный подбор штаммов-деструкторов. При этом изменяется качество и количество метаболитов: чем богаче субстрат источниками энергии, тем выше максимальные температуры развития гетеротрофных микроорганизмов.

Некоторое превышение оптимальной температуры вызывает у термофилов интенсификацию дыхания и усиленное потребление субстрата - активизацию термогенеза. Дальнейшее повышение температуры ведет к снижению дыхательной активности. Практически максимальная специфическая скорость роста микроорганизма может быть установлена в первые 8-20 ч развития. Для поддержания высокой скорости метаболических реакций и быстрого окисления субстратов термофилами в среде всегда в достаточном количестве должен присутствовать растворенный кислород.

Среди различных целлюлозоразрушающих микроорганизмов особое место занимают микроскопические грибы (Trichoderma, Aspei-gil/us, Chaetomium и др.) - продуценты активных целлюлоли- тических ферментов. Термофильные и тсрмотолсрантные целлюлозоразрушающие грибы в природе встречаются реже, чем бактерии. Наиболее распространенным местом их обитания являются самора- зогрсвающиеся биологические системы (компосты, навоз, вторичные продукты растениеводства и др.).

При низких температурах для поддержания в активном состоянии клеток мезофилов требуются большие энергетические затраты, чем для тех же клеток при более высоких (оптимальных) температурах. Нарушается корреляция между скоростью энергоснабжения клетки и скоростью оттока энергии на размножение. Эта избыточная энергия, поступающая с потребляемым субстратом, должна как-то рассеиваться. Такими путями рассеивания могут быть: усиление метаболизма с выделением во внешнюю среду недоокисленных соединений, содержащих сравнительно большой запас энергии (органические кислоты, спирты), а также усиленное рассеивание энергии в виде тепла (термогенез). Эти механизмы рассеивания энергии лучше контролируются при закрытом компостировании органического субстрата.

Согласно схеме, основанной на экспериментальных данных, полученных автором и рядом других исследователей, на первом этапе превышения оптимальных температур численность (следовательно, и биомасса) аэробных гетеротрофных микроорганизмов уменьшается, но дыхательная активность клеток и скорость потребления энергетического субстрата возрастают. Увеличивается также термогенез.

Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому снижению урожая биомассы. Значит, на этом отрезке времени должно адекватно увеличиться выделение продуктов неполного окисления энергетического субстрата - органических кислот, спиртов, альдегидов и др. Механизм повышенного образования и выделения в среду кислот может быть связан с ингибированием высокой температурой синтеза ферментов, вовлекающих кислоты в цикл последующих превращений.

В таблице 39 представлен экспериментальный материал по изучению процесса ферментации органических компонентов компоста (навоз, торф) в различных сочетаниях. Показано влияние температуры и сроков инкубации на численность мезофильных и термофильных микроорганизмов, участвующих в трансформации органических и минеральных форм азота.

Таблица 39

Динамика развития микроорганизмов в зависимости от соотношения ферментируемых субстратов, температуры и сроков инкубации, млн/г

Группы

микроорганизмов

Исходная проба

Через 24 ч инкубации

Через 48 ч инкубации

навоз: торф

навоз: торф

навоз: торф

40:60

50:50

30:70

40:60

50:50

30:70

40:60

50:50

30:70

Трансформирующие минеральные формы азота (учет по КАА)

  • 5L2
  • 5,3
  • 548.1
  • 10,4
  • 16.9
  • 46,1
  • 95.8
  • 64,5
  • 124,2
  • 9,0
  • 33.2
  • 40,7
  • 130,0
  • 88,5
  • 150.7
  • 20,3

ш

25,0

Трансформирующие органические формы азота (учет по МПА)

о

? ° O'

234,8

  • 12.
  • 54,8
  • 457,0
  • 0
  • 438,7
  • 113,0

_LL

33,0

  • 189,7
  • 0
  • 298.7
  • 486.7
  • 41,3
  • 74,5

Примечание: в числителе - мезофилы (температура инкубации 28°С); в знаменателе - термофилы (температура инкубации 55°С).

Таким образом, кинетические особенности метаболизма при компостировании, а также некоторые свойства ферментов микроорганизмов позволяют для удобства разделить процесс управляемого компостирования органических субстратов на мезофильную и термофильную фазы. Эти стадии характеризуются определенными параметрами температур и pH субстрата.

Обычно микроорганизмы мезофильной фазы начинают быстро размножаться, температура поднимается до 40-45°С, и среда подкисляется за счет образования органических кислот. С увеличением температуры начинают гибнуть исходные мезофилы и преобладать термофилы, pH субстрата подщелачивается за счет выделения аммиака при распаде белков. Скорость тепловыделения становится равной скорости теплопотери, что свидетельствует о достижении температурного максимума. При этом субстрат разнообразного состава активно модифицируется под воздействием ферментных систем.

Сведения о целлюлозолитических ферментах, образуемых термофильными микроорганизмами, немногочисленны. Принято считать, что при высокой температуре процесс компостирования вторичных продуктов или их биодеградации подавляется из-за ингибирования роста микроорганизмов; очень немногие виды сохраняют активность при температуре свыше 70°С. Однако температура выше 60°С полезна для борьбы с термочувствительными патогенными микробами.

Целлюлозолитические ферменты часто проявляют высокую устойчивость к нагреванию. Например, очищенные компоненты препарата целлюлазы Trichoderma viride (кристаллический продукт) инактивировались при нагревании до 100°С. Инкубация указанного препарата целлюлазы при 60°С в течение 5 мин незначительно сказывается на величине активности, т. е. целлюлаза термостабильна.

Отличительной особенностью ферментов термофильных микроорганизмов, развивающихся в диапазоне температур от 50 до 90°С, является не только их термостабильность и более высокий температурный оптимум действия, но и повышенная биохимическая активность.

Как правило, наиболее устойчивы к повышенной температуре гидролитические ферменты. Известно, что амилазы и протеазы термофильных бактерий и актиномицетов имеют оптимум действия в зонах 70-80°С. Данные последних лет показывают, что многие внутриклеточные ферменты высокостабильны к повышенной температуре; среди них ферменты экстремально-термофильных бактерий занимают особое место.

Все вышесказанное расширяет возможности контролируемой биотрансформации вторичных продуктов сельского хозяйства в специально оборудованных хранилищах и локальных ёмкостях. Накоплен определенный опыт внедрения инновационных технологий биокомпостирования, получения и успешного применения новых высококачественных продуктов.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы