Биотехнологии утилизации отходов сельского хозяйства

 

Старые технологии утилизации отходов стали убыточными. Возросла стоимость энергоносителей, а для хранения навоза или помета приходится выводить из оборота тысячи гектаров сельскохозяйственных угодий. Кроме того, размещение вблизи больших городов крупных животноводческих комплексов и птицефабрик приводит к загрязнению водных бассейнов и в целом окружающей среды.

Использование навоза в качестве только удобрения (традиционный способ) уже не может считаться универсальным и эффективным. Необходимы современные энергосберегающие эффективные технологии.

Технологии переработки помета, навоза путем обезвоживания и дальнейшей стерилизации весьма энергоемки. Термическая обработка жидкой или твердой фракции высокими температурами приводит не только к потерям элементов питания для растений, но и образованию канцерогенов. К тому же основными требованиями к технологиям переработки отходов животноводства и получения из них органических удобрений являются сохранение их биологической активности и максимальное содержание соединений азота, фосфора и других элементов.

Одним из возможных способов утилизации отходов животноводства является биологическая переработка с использованием микро- и макроорганизмов, позволяющая быстро и эффективно перерабатывать значительное количество навоза и помета.

Перспективным способом биологической утилизации отходов животноводства является культивирование на них микроорганизмов. Для ферментации навоза используют главным образом мицелиальные грибы (твердофазное культивирование), а на навозных стоках осуществляют глубинное культивирование бактерий, дрожжей и грибов. Выращивание бактериальных культур на отходах животноводческих комплексов не получило широкого распространения из-за ограниченного применения бактерий на кормовые нужды. Выращивание дрожжей позволяет произвести «облагораживание» стоков (свиноферм и ферм крупного рогатого скота) и получить дешевые кормовые добавки и бактериальные препараты.

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

Существует широкий круг микроорганизмов, способных потреблять вторичные продукты сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности с образованием микробной биомассы. Самыми перспективными являются быстрорастущие микроорганизмы, способные усваивать не гидролизованные сельскохозяйственные отходы. В наибольшей степени этим требованиям соответствуют мицелиальные грибы и дрожжи. Жидкие и плотные отходы могут быть трансформированы в кормовые препараты, обогащенные микробным белком. Известно, что концентрирован­ные стоки являются, по существу, готовой питательной средой для этих микроорганизмов, так как содержат все необходимые компоненты, включая витамины и микроэлементы.

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

Кроме того, рациональное использование животноводческих стоков позволяет получить дополнительный урожай, в денежном выражении оценивающийся эквивалентно использованию 650 тыс. т азотных, 300 тыс. т фосфорных и 600 тыс. т калийных удобрений на всей пашне Российской Федерации.

В целом же наилучшим способом удаления отходов по экономическим и экологическим соображениям является их использование в качестве вторичного сырья. Указанные выше способы биоконверсии отходов могут дать, иногда неожиданно, весьма существенный результат с благоприятными последствиями для развития биотехнологии и энергетики. К сожалению, большинство из них реализуется очень плохо.

По мере развития животноводства количество и качество отходов будет существенно увеличиваться и изменяться, и острота проблемы их утилизации усугубится. Усилия специалистов должны быть направлены на сохранение отходов, переработку и использование для увеличения продуктивности дешевого топливно-энергетического ресурса (жидкого или газового биотоплива).

Энергоемкие технологии по переработке навоза и помета не могут быть использованы в настоящее время, несмотря на их достоинство (технологическое). Ставится вопрос о разработке особой дешевой системы обработки и удаления отходов, их эффективного использования. Прежде всего это касается биотехнологических методов переработки отходов и превращения их в ценное сырье для получения кормов, горючих материалов, удобрений и сырья для химической промышленности.

Разработаны технологии утилизации отходов сельского хозяйства в специальных установках — биореакторах, биоферментерах (биоферментаторах), модулях, метантенках и т.д. В них, как правило, микробиологическая трансформация отходов осуществляется за счет аэробно-анаэробных процессов. Биотехнологии имеют существенные преимущества перед компостированием за счет снижения потерь питательных веществ в перерабатываемом исходном сырье, значительного повышения экологической чистоты конечных (вторичных) продуктов и сокращения времени переработки сырья.

Управление процессом биоферментации отходов позволяет интенсифицировать минерализацию исходного субстрата, активизировать биосинтез новых соединений и улучшить питательные свойства конечных целевых продуктов. «Сгорание» органической массы можно регулировать физическими, химическими и биологическими воздействиями. В последнем случае активизируются микроорганизмы исходного субстрата или внесенные смешанные микробоценозы, а их ферментные системы преобразуют субстрат в необходимом направлении, ускоряя процессы распада органического материала и микробного синтеза. Получаются продукты заданного качества, будь то органические удобрения или кормовые добавки, субстраты для микробиологической промышленности или почвогрунты для теплиц.

Получение водорода микробиологическим путем — биотехно­логическое решение XXI в. Водород является идеальным химическим носителем энергии. Сжигание его при высоких температурах дает большое количество полезной энергии с высоким КПД.

Микробиологическое получение водорода в настоящее время развивается, хотя прямое биотехнологическое получение водорода на основе процесса, аналогичного фотосинтезу, или анаэробного сбраживания дискутируется. Уже сейчас кажется, принципиально возможным путем комбинации техники фиксированных биокатализаторов и генной технологии на основе фотосинтезируюших биосистем достичь результатов, аналогичных результатам с фотоклетками. Для получения водорода из органических отходов путем анаэробной ферментации селекционируются новые виды микроорганизмов, способные производить водород вместо метана.

В Японии исследован процесс образования водорода из метана при сбраживании рисовой соломы, кухонных отходов, лошадиного навоза и метанового ила. Исследователи Великобритании изучили процесс образования водорода с помощью использующих метан бактерий Methylomonas alvus, Methylosinus trichosporium.

Производство биогаза в процессе метанового брожения широко распространено в мире. За счет конверсии отходов системой метаногенеза может быть получено условное топливо, измеряемое миллиардами тонн. Оставшуюся в результате метановой ферментации биомассу можно использовать как удобрение. Переработка отходов за счет метанового брожения — наиболее экономичный и эффективный метод очистки территорий, прилегающих к животноводческому комплексу. Конверсия биомассы животноводческих комплексов в газообразное топливо служит дополнительным энергоносителем в сельском хозяйстве. Переработка отходов метановым брожением — наиболее экономичный и эффективный метод очистки сточных вод, утилизации твердых отходов промышленности, сельского хозяйства, коммунально-бытовых отходов. Более 30 лет работают биореакторы на получение очищенного метана. Разрабатываются в основном методы очистки биогаза от примесей.

Для получения газа во Франции городские отходы подвергают ферментации в смеси с водорослями. Производительность таких установок составляет 421 л газа на 1 кг органического вещества. Газ содержит 60% СН₄ и 40% СО₂.

Большой производительностью по метану обладают разработанные в США биореакторы, использующие магнитотаксисные бактерии. В конструкцию биореактора включают устройство для создания внутреннего локального магнитного поля, привлекающего магнитотаксисные бактерии. Бактериальные продуценты биогаза мигрируют в область магнитного поля, концентрируются в окружающей зоне биореактора и не вымываются из него при вводе свежих порций органических отходов и удалении остатков.

Показана целесообразность добавок целлюлозосодержащих материалов в качестве косубстрата при осуществлении анаэробной ферментации свиного навоза в биогаз. Оптимальная концентрация целлюлозы в составе субстрата (навоз с содержанием сухих веществ 2,8—3,0%) — 40 г/л, выход биогаза — 0,6 л на 1г целлюлозы.

Технология получения молочной кислоты разрабатывается в Санкт-Петербургском государственном университете. Используются нетрадиционные источники углерода или отходы и побочные продукты пищевой и перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства. Эффективные штаммы бактерий рубца животного ферментируют различные крахмалсодержащие субстраты с выходом молочной кислоты.

Рекомбинантный штамм дрожжей, содержащий ген лактатде-гидрогеназы (ldh), в больших количествах может продуцировать молочную кислоту. При производстве молочных продуктов (сыра, творога) в процессе получения белкового сгустка из молока выделяется молочная сыворотка, которая содержит 50% сухих веществ молока. Молочная сыворотка — нестойкое сырье, которое необходимо либо немедленно использовать, либо законсервировать. Используют ее для добавления в корма, получения напит­ков и лактозы, обогащения пищевых продуктов и полуфабрикатов, а также в качестве питательной среды для микроорганизмов при получении молочной кислоты, спирта, кормовых дрожжей и др. По статистическим данным. 48—88% получаемой во всем мире сыворотки идет на корм скоту, 0,5—4,0% — на технические и 7—52% — на пищевые цели.

Состав молочной сыворотки заметно варьирует в зависимости от качества исходного сырья, характера готового продукта, способа отделения белка (сквашивание, ферментный способ). Наличие в сыворотке легкоусвояемых источников углерода (лактоза — молочный сахар, в меньших количествах — глюкоза, галактоза и др.) и ростовых веществ позволяет считать ее перспективным сырьем в биотехнологических процессах.

На молочной сыворотке можно выращивать поверхностным и глубинным способами микроскопические грибы (Penicillium rogueforti, Rhizopus oligosporus, Morchella и др.). В Канаде разработан способ выращивания культуры сморчков с выходом биомассы гриба около 25—26 г/л. Известны способы получения кормовых биомасс на основе смешанной культуры микроскопических грибов и бактерий (Lactobacterium, Pseudomonas, E. coli, Candida utilis, Brettanomyces anomalis и др.). При культивировании дрожжевых микроорганизмов на сыворотке необходимо внесение дополнительных источников азота в виде мочевины, сернокислого аммония и аммиака в количестве до 1%, что способствует повышению содержания белка в дрожжах в 2-4 раза.

Главное достоинство перспективных биотехнологий переработки отходов — экономичность и экологичность. Снижение количества загрязнений при внедрении новых технологических приемов и процессов должно достигаться за счет использования отработанных продуктов, автоматизированного управления процессами, использования быстрорастущих суперактивных штаммов микроорганизмов, адаптированных к деградации определенных субстратов, или полученных методом генной инженерии новых микроорганизмов или их сообществ.

В любом случае по теории стабильного развития органические отходы должны рассматриваться как источник питательных веществ, как носитель энергии. Существующие отходы должны утилизироваться, когда это технически возможно и когда стоимость этого является разумной. Только в исключительных случаях отходы отправляются на свалку или длительное хранение.

Получение спирта-сырца из муниципальных отходов. Просеянные и измельченные отходы в количестве 6—8% сухого вещества от рабочего объема вместе с питательными солями и водой стерилизуют, что позволяет одновременно запарить сырье и деаэрировать питательную среду. Подают засевной материал из инокулятора в количестве 15—20% от рабочего объема. Ферментацию продолжают семь суток при периодическом перемешивании и рН 5,0. В ходе ферментации периодически создают вакуум (46,1 кПа) для отделения и конденсации паров этанола (спирта-сырца). В зависимости от степени конверсии углеводных фракций субстрата предусматривается замкнутый цикл непереработанного сырья. По окончании ферментации твердый осадок отделяют от жидкости и используют в качестве удобрения или структуратора почвы. Культуральную жидкость направляют в инокулятор для дальнейшего наращивания биомассы бактерий. Спирт-сырец отправляют на дальнейшую очистку ректификацией.

Биоконверсия теоретически позволяет получать спирт при рентабельности 65—70%. При ферментации древесных опилок с содержанием лигнина 22% с учетом 86%-ной (минимальной) степени конверсии углеводной части сырья выход этанола составляет 28,7% от исходного количества сырья. Для ферментации соломы теоретический выход этанола — 32,6% от исходного сырья; для пшеничных отрубей — 15,2%. Продолжительность ферментации при этом 7—10 суток (для опилок и древесных отходов).

В ФРГ получают этанол из растительных, сельскохозяйственных и пищевых отходов с помощью катализаторов, потребляя менее 1% энергии. Микроорганизмы полностью перерабатывают исходное сырье, побочные продукты (витамины, белки, биологические удобрения) разделяют на ионообменниках. При переработке домашних отходов получают спирт и метан, используемые в качестве энергоносителей.

Главным преимуществом биоконверсии является экологическая чистота, связанная с сокращением или полным отсутствием фенола, фурфурола, формальдегида, неорганических кислот и других токсичных веществ, накапливающихся в местах размещения целлюлозно-бумажных комбинатов и мусорных свалок. Технология переработки является безотходной, так как все продукты могут реализоваться (этанол, этанол-ацетатная смесь, незакисленный лигнин для адсорбирующих препаратов, диоксид углерода). При этом используется широкий список потребляемых (перерабатываемых) субстратов и смешанные и монокулътуры бактерий, способные конвертировать целлюлозосодержащие материалы.

Для обеспечения стабильности accоциаций микроорганизмов разработаны различные комбинации (например, одна из них: Clostridium, Thermoanaerobium и Thermonaerobacter) и методы их хранения, выбор рабочей смешанной культуры бактерий в зависимости от вида целлюлозосодержащего сырья и типа целевого продукта.

Кроме того, для ферментации отработаны режимы аэрации, способствующие суспендированию твердой фазы и активизации процесса, а дробная подача исходного субстрата в ферментационный объем повышает степень конверсии сырья на 50%. Предлагаются возможные схемы процессов утилизации различных промышленных, сельскохозяйственных и муниципальных целлюлозосодержащих отходов.

Продукты вермикультивирования. В животноводстве биомасса червей — эффективный корм для кур, уток, индеек, морской и пресноводной рыбы. Она содержит 60-80% протеина, 9% липидов и 7—16% азотистых веществ. Высокое содержание сбалансированных аминокислот, в том числе и незаменимых, провитаминов D, водорастворимых витаминов свидетельствует о том, что биомасса червей является ценной кормовой добавкой. Черви пригодны для скармливания свиньям, бычкам в сыром и вареном виде. Биомассу красного червя можно использовать в виде пасты для кормления аквариумных рыб. Обезвоженная биомасса червей также представляет собой весьма ценный материал, полезные минеральные вещества. В их состав входят макро- и микроэлементы.

В фармакологии могут использоваться экстракты из биомассы червей для обработки лишаев как противораковые препараты, как лечебное средство при заболеваниях глаз, в косметической промышленности — как биодобавки в шампуни, защитные кремы, лосьоны и др. Дождевые черви в китайской медицине используются около двух тысячелетий. В настоящее время в Китае изго­товлена антивирусная и антиопухолевая сыворотка Е76.

В питании человека используются черви, выращенные определенным способом. При подборе способа разведения червей для приготовления блюд важным является не только размер особей, но и субстрат, на котором их разводят, так как он определяет окраску и вкус дождевых червей. Нельзя использовать для пищевых целей дождевых червей, питавшихся навозными компостами. Дождевые черви содержат 60—70% белка, дешевого и полезного. Приготовление блюд из дождевых червей требует специальных знаний по отбору, чистке, хранению и использованию исходного материала. Готовят червей с крабами, омлет с червями, паштеты и др. В зависимости от применяемых специй рецептура блюд меняется.

В земледелии вермикультура и «биогумус» положительно влияют на плодородие почвы. В процессе переваривания органического вещества в кишечнике червей формируются гумусовые вещества, в том числе высокомолекулярные органические кислоты. Концентрация их в копролитах червей, питающихся навозом, в несколько раз выше, чем в исходном субстрате. При переработке дождевыми червями 1 т навоза в перерасчете на сухое вещество получается 600 кг сухого удобрения с содержанием органического вещества 25—40% и более. В этом удобрении содержится азот, фосфор, калий, а также многие микроэлементы. При удобрении почвы биогумусом повышается ее биологическая активность, а выращенная продукция практически не содержит нитратов и тяжелых металлов.

Из микрофлоры, выращенной на стоках свинокомплексов, получают новые виды микробных удобрений. Микробная ассоциация их на почвах всех типов проявляет фосфатмобилизующую активность. Содержание доступного фосфора увеличивается на 15—29% при внесении одной дозы. Введение в компостируемую массу муниципальных отходов микробных удобрений (БАМИЛ) положительно влияет на интенсивность процесса компостирования, главным образом за счет изменений в микробном сообще­стве, ответственном за биоферментацию.

Продукты утилизации отходов синантропными мухами. Наряду с биоперегноем и биомассой насекомых технология выращивания опарышей позволяет получить из органических отходов витамин В₁₂, незаменимые аминокислоты, высокоценный жир, биостимуляторы роста и развития растений и животных, биологически активные и экологически безвредные дезинфектанты, антисептики и ряд других высокоценных веществ и соединений.

Продукты термофильной переработки отходов животноводства кроме биокомпоста или органического удобрения могут быть использованы как бактериальные препараты защитного действия от фитопатогенов, кормовые добавки (премиксы) для пушных зверей, птицы, рыбы и др.

 

Библиографический список

1. Госманов Р.Г. Практикум по ветеринарной микробиологии и иммунологии. /Госманов Р.Г., Н.М. Колычев, А.А. Барсков//. Второе издание, переработанное и дополненное. Омск. Издательский дом «ЛЕО», 2008,312 с.

 

2. Госманов Р.Г. Ветеринарная вирусология/ Госманов Р.Г., Н.М. Колычев, В.И.Плешакова//. СПб: Издательство «Лань», 2010, 480 с.

 

3. Госманов Р.Г. Основы противовирусного иммунитета /Р.Г.Госманов, Н.М.Колычев //. Омск. Изд-во ОмГАУ, 2002, 124 с.

 

4. Госманов Р.Г. Санитарная микробиология /Госманов Р.Г., А.Х.Волков, А.К.Галиуллин, А.И.Ибрагимова//. СПб: Издательство «Лань», 2010, 240 с.

 

5. Госманов Р.Г. Микробиология. /Госманов Р.Г., А.Х.Волков. А.К.Галиуллин, А.И.Ибранимова//. СПб: Издательство «Лань», 2011, 496 с.

 

6. Колычев Н.М., Кисленко В.Н., Госманов Р.Г. Руководство по микробиологии и иммунологии. /В.И.Плещакова, Колесникова О.П., Зыкин П.Ф., Белов Л.Г. //. Новосибирск. Арта, 2010, 356 с.

 

7. Колычев Н.М. Основы учения об инфекции и противомикробном иммунитете /Н.А.Колычев, А.А.Новицкий, Р.Г.Госманов, Т.Г.Попова//. Омск. Изд-во ОмГАУ, 2012, 279 с.

 

8. Колычев Н.М. Ветеринарная микробиология и иммунология. Третье издание, переработанное и дополненное. /Колычев Н.М., Р.Г.Госманов//. Москва. КолосС, 2006, 432 с.

 

9. Микробная биотехнология. Издание второе, переработанное и дополненное. /Под редакцией О.Н. Ильинской, И.Б. Лещенской, М.Б. Куренко, В.И. Вершинина и др.//. Казань. Казанский государственный университет им. В.И.Ульянова-Ленина, 2007, 426 с.

 

10. Сельскохозяйственная биотехнология. Под редакцией академика РАСХН В.С.Шевелухи. Издание второе, переработанное и дополненное. /В.С. Шевелуха, Е.А. Калашникова, Е.С. Воронин и др.//. Москва, «Высшая школа», 2003, 469 с.

 

11.Тихонов И.В. Биотехнология. /Тихонов И.В., Е.А.Рубан, Т.Н. Грязнева, А.Я. Самуйленко, В.И. Гаврилов//. Санкт-Перербург, ГИОРД, 2005, 375 п.л.

Оглавление

стр.

Тема 1. Характеристика производства основных ветеринарных

препаратов………………………………………………………………..3

Тема 2. Требования к оборудованию процессов в биотехнологии

и методы их совершенствования………………………………………..5

Тема 3. Стадия приготовления посевного материала…………………………11

Тема 4. Стадия приготовления питательных сред…………………………….12

Тема 5. Характеристика основных питательных сред………………………..16

Тема 6. Аппаратурное оформление процессов приготовления

питательных сред……………………………………………………….21

Тема 7. Термическая периодическая стерилизация питательных сред……...21

Тема 8. Непрерывная термическая стерилизация питательных сред………..23

Тема 9. Холодная стерилизация. Стерилизация, фильтрация………………..23

Тема 10. Механизмы фильтрации газов………………………………………..24

Тема 11. Конструкция воздушных фильтров………………………………….26

Тема 12.Промышленная система очистки и стерилизации воздуха………...30

Тема 13.Стерилизация воздуха, выходящего из биореактора ………………32

Тема 14. Производство бактериальных антигенов-диагностикумов………...33

Тема 15. Производство аллергенов ……………………………………………36

Тема 16. Производство субъединичных вирусных вакцин…………………...39

Тема 17. Производство молекулярных и химических вакцин………………..40

Тема 18.Приготовление вирусных антигенов-диагностикумов……………..42

Тема 19. Методы высушивания биопрепаратов………………………………43

Тема 20. Консервация клеточных культур…………………………………….45

Тема 21. Биоконверсия отходов сельского хозяйства………………………...50

Тема 22. Растительные, животные и твердые отходы. Сточные воды………58

Тема 23.Культивирование микроорганизмов на отходах

сельскохозяйственного производства………………………………..64

Тема 24. Биотехнологические целевые продукты из отходов сельского

хозяйства………………………………………………………………76

Библиографический словарь……………………………………………………91

Оглавление……………………………………………………………………….92