Использование методов иммобилизации микроорганизмов для повышения эффективности переработки биомассы на основе отходов сельского хозяйства для получения биогаза, белково-витаминного концентрата и биоудобрений

Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы постепенно приводят к глобальным изменениям климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всѐ нарастающей остротой показывают неизбежность широкого использования нетрадиционных и возобновляемых видов энергии.

Известно, что применение анаэробного метода при переработке отходов животноводства имеет существенный эффект по сравнению со многими другими методами, что выражается в значительном снижении загрязнения почвы, воды, воздуха химическими веществами и патогенной микрофлорой. Эффективность анаэробного процесса [1] в существенной мере зависит от правильной подготовки сырья к переработке и от конструкции биореактора.

В сельскохозяйственной практике использования биогазовых установок в основном используется мезофильный режим [2], а термофильный режим, по мнению многих специалистов, является неоправданным, хотя в подавлении патогенной микрофлоры более эффективен именно термофильный режим.

Более того, использование продуктов анаэробной переработки отходов животноводства в качестве источника кормовых добавок предъявляет жесткие требования по его стерилизации. А это возможно достичь только при использовании термофильного режима переработки. Именно термофильный режим обеспечивает генерацию в продукте витамина В-12.

Только производство этого витамина может окупить все затраты на установки анаэробной переработки. Но получение витамина (части кормовой добавки) требует качественной стерилизации продукта, что достижимо только в термофильном режиме. Все это свидетельствует о необходимости более детального изучения возможности использования комбинированных режимов.

В свою очередь, срок сбраживания определяет конструктивные размеры установок. Меньший срок сбраживания предопределяет меньший объем установки. Кроме того, доза загрузки в термофильном режиме практически в два раза больше, что характеризует термофильный режим как более интенсивный. Температурный уровень в реакторе определяет теплопотери через стенку, а также затраты тепла на начальный подогрев перерабатываемой биомассы.

В последнее время благодаря накопившемуся опыту по сооружению и эксплуатации установок, исследованию биологических основ этого процесса и получению удачных инженерных решений, наметились пути усовершенствования процесса анаэробной конверсии органических отходов в биореакторах с увеличением выхода биогаза в 3-4 раза.

Одним из таких методов усовершенствования переработки отходов для повышения эффективности является усовершенствование конструкций биореакторов для увеличения выхода метана из расширяющихся ассортиментов сырья. Очевидным способом повышения производительности реакторов и снижения ВГУ является увеличение плотности, т.е. иммобилизация микроорганизмов [3, 4].

Основная задача таких биореакторов - интенсификация теплообмена и гомогенизация ферментационной среды, что способствует ускорению метаногенеза за счет закрепления метаногенной микрофлоры в аппарате. Основными методами обогащения биореакторов микроорганизмами являются иммобилизация биомассы на носителях, фиксированных в реакторе, на свободно плавающих объектах в реакторе, которые удаляются, а потом обратно загружаются, а также разделение биомассы и обратная загрузка биомассы.
Иммобилизованные микроорганизмы оказались более устойчивыми, чем взвешенные микроорганизмы в реакторе брожения.

Они образуют связные системы, называемыми хлопьями, которые являются достаточно большими, чтобы оставаться на дне реактора без промывания чистой водой. Возможно, они растут еще лучше в иммобилизованном состоянии, чем в рассеянном [5].

Все медленно растущие микроорганизмы процесса анаэробного брожения склонны к иммобилизации. Микроорганизмы род Methanosaeta растут особенно хорошо на гидрофобных поверхностях, так как они не покрыты барьером наклеивающие молекулы воды. По этой причине, реакторы с иммобилизованными микроорганизмами оборудованы упаковочными материалами на которых микроорганизмы могут расти в виде тонкого слоя (биопленки) [6-8].

Поэтому, последние разработки в конструкции биореакторов были сосредоточены на сохранении активной микрофлоры внутри реактора [9].

Эти конструкции опираются на тенденции развития бактерий, участвующих и присоединенных к инертным поверхностям, пленкообразующих (биопленки) или собранных в удобные для расселения хлопьях или гранулах, а также обеспечивающих улучшение стабильности и контроля процесса. В последнее время для переработки твердых животноводческих отходов применяются непрерывные процессы со слоем выщелачивания. Эта технология была успешно применена для сбраживания бытовых и дворовых отходов [10-11], твердых отходов биологического происхождения, овощных и фруктовых отходов [12].

В проведенной работе получены результаты по усовершенствованию конструкции биореактора, который обеспечивает более эффективное протекание процесса анаэробного сбраживания отходов животноводства, улучшение процесса образования биогаза и удобрений.

Иммобилизационное устройство, представляющее собой матрицу из инертных носителей, позволяет накапливать метаногенные бактерии в виде биопленки на поверхности носителей. Это обеспечивает сохранение биомассы независимо от времени гидролитического удержания, а микроорганизмы, иммобилизованные в кольцах менее подвергаются раневому стрессу и повреждению клеток пузырьками газа.

При анаэробном брожении отходов животноводства и птицеводства в данном биореакторе может производиться биогаз с содержанием CH4 - 60-90%, CO2 - 15-30%, а также небольшого количества сероводорода. Кроме того, в данном биореакторе происходит полный переход питательных веществ в удобрение.
Метанобразующие бактерии — строгие анаэробы и имеют температурный оптимум для роста в области 30–40°, поэтому в данной научной работе используется температурный предел 30-500С, оптимальный pH в области 6,5–7,5 [13, 14].

Для получения микробной суспензии использовали около 10 г предварительно измельченного образца. Навеску образца переносили в колбу емкостью 250 мл с 90 мл стерильной водопроводной воды, взбалтывали в течение 10 минут на механической качалке и давали отстояться грубым частицам. Затем методом разведения готовили суспензии, содержащие разные количества отходов. Одновременно из пробы отбирали 20 г отходов для определения влажности, и проводили пересчет на 1 г абсолютно сухих отходов. Из полученных разведений проводили посевы микроорганизмов на плотные питательные элективные среды [13].

Питательная среда для метанобразующих бактерий включала основные растворы солей калия гидрофосфата, хлоридов калия, магния, кальция, натрия ацетата, дрожжи, витамины В1, В2, В6, В12 , С, РР, агар-агар. На питательную среду было помещѐно небольшое количество разведѐнного дистиллированной водой навоза, в составе которого находились метаногенные бактерии. Колбу с питательной средой плотно закрывают пробкой, создав анаэробные условия и помещают в термостат при температуре 30С на 2 недели. По истечению срока на питательной среде можно обнаружить колонии бактерий, природу которых проверяют окраской по Грамму [15].

Были проведены исследования и проконтролирован объем выделившегося газа без иммобилизации метанобразующих бактерий и при использовании иммобилизационного устройства, которые свидетельствуют об интенсификации процесса метанового брожения. Результаты представлены в таблице 1.

Теги: Бактерии
Год: 2014
Город: Астана
Категория: Биология