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