Физико-химические и биохимические особенности переработки целлюлозосодержащих твердых органогенных (c, n, h, o, p, s) промышленных отходов способом экологической биотехнологии Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 628.4.038:032

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ТВЕРДЫХ ОРГАНОГЕННЫХ (C, N, H, O, P, S) ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ СПОСОБОМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

© К.С. Никольский1, В.В. Рябков1, М.Л. Рабинович2

1 Государственное научное учреждение Всероссийский научноисследовательский, конструкторский и проектно-технологический институт органических удобрений и торфа Российской академии сельскохозяйственных наук, ул. Прянишникова, д. 1, п. Вяткино, Судогодский р-н, Владимирская обл., 601390 (Россия) e-mail: vnion@vtsnet.ru; vniptio@vniptiou.elcom. ru

2Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Ленинский пр-т, д. 33, г. Москва,

117071 (Россия)

Приведены полезные примеры и расчеты по переработке твердых промышленных органогенных (C, N, H, O, P, S) отходов. Статья содержит результаты работы по выбору ферментативных систем переработки твердых промышленных органогенных (C, N, H, O, P, S) отходов. Работа внедрена в производство.

Введение

Органогенные (C, N, H, O, P, S) материалы (хлопковая и древесная целлюлоза и ее отходы, древесная стружка и опилки, твердые промышленные и бытовые отходы, торф) содержат от 20 до 98% клетчатки. Основное свойство таких материалов - влагопоглощение объясняется высоким содержанием в них целлюлозы с ее тремя гидроксильными группами в элементарном звене [1]. Это свойство обусловливает использование таких материалов для приготовления органических удобрений и вовлечения их в хозяйственный биологический круговорот [2].

Экспериментальная часть

В исследованиях предусматривалась разработка рационального способа переработки твердых промышленных отходов производства хлопковой целлюлозы (ТПОХЦ) и сложных эфиров целлюлозы (СЭЦ) способом экологической биотехнологии.

По технико-экономическим соображениям для компостирования был выбран подстилочный свиной навоз на древесной стружке и опилках. Исследования способа переработки ТПОХЦ и СЭЦ велись последовательно в лабораторных условиях и в опытно-промышленных условиях на площадках очистных сооружений г. Владимира. Исследования проводились совместно с институтом биохимии им. А.Н. Баха РАН на основе творческого сотрудничества. По рекомендации последнего в технологической схеме испытывался биохимический ферментативный комплекс Ф1. Лабораторные исследования велись по двум направлениям:

- по изучению процессов биодеградации отходов (ТПОХЦ и СЭЦ) в их чистом виде, без введения в качестве компонента подстилочного навоза;

* Автор, с которым следует вести переписку.

- по изучению процессов компостирования тех же отходов в смеси с подстилочным навозом.

Одновременно велись исследования по выявлению влияния ферментативного комплекса Ф1 на указанные процессы всех вариантов ТПХОЦ и СЭЦ.

ТПХОЦ и СЭЦ характеризовались влажностью от 60 до 80%, содержанием клетчатки от 50 до 98% и соотношением C : N при компостировании в пределах 25-30. Отходы при указанной влажности находились в расстеклованном состоянии.

В ходе исследований производилось определение фитотоксичных веществ уксусного альдегида и уксусной кислоты хроматографически (хроматограф «Цвет-1», газоноситель - очищенный азот). Микробиологические исследования осуществлялись на микроскопе МБС-9. Содержание тяжелых металлов определялось методом газопламенной фотометрии. Измерения степени полимеризации (СП) выполнялись виско-зиметрически [3]. Исходные и конечные продукты анализировались на содержание сухого вещества, золы, углерода валового, азота общего и аммонийного, калия общего. Зрелость компоста оценивалась визуально и по запаху массы. Определялись также в компостах микрофлора и гельминтофауна. Температурный контроль осуществлялся с интервалом в три дня.

Результаты и их обсуждение

Проведенные исследования показали следующее.

1. При ферментативной биодеградации ТПОХЦ имеет место в начальной стадии процесса снижение рН (рис. 1а, кривая 2), что обусловлено образованием фитотоксичных веществ (АсН ^ АсОН).

2. При биодеградации ТПОХЦ без ферментов за счет случайной микробиоты в начале процесса также происходило снижение рН до 6 (рис. 1а, кривая 1).

Эти результаты согласовывались с данными Линча, Бидлстона и др. [4]. Выделение фитотоксичных веществ по заключению авторов ингибировало рост корней ячменя, оказывая вредное воздействие на растения, что подтверждало необходимость компостирования ТПОХЦ и СЭЦ.

3. Процесс биодеградации и ресинтеза ТПОХЦ и СЭЦ является микробиологическим (обнаружено семейство Promyxobacteriaceae, клетки Су-tophaga и ряд других микроорганизмов) и биохимическим. Биохимическое старение СЭЦ и ресинтез (гумификация) происходили только при введении ферментов. Из графиков (рис. 1б) очевидно, что изменения рН и степени полимеризации (СП) СЭЦ (кривые 2) являются зеркальным отражением друг друга в начале и в середине процесса. Установлено, что при введении в массу СЭЦ ферментов происходило их расщепление и наблюдались рост и развитие микроскопических плесневых грибов родов Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Penicillinum (микробиологические исследования) [3]. Эти виды грибов (возможно, ввиду синергического влияния СЭЦ) фиксировали азот из воздуха и, вырабатывая фермент кар-бамоилфосфатсинтетазу через цикл Кребса, продуцировали мочевину [5], что и явилось причиной запаха мочи и канализации при расщеплении СЭЦ (подтверждено качественно анализом по методу А.П. Крешкова [6]). Снижение рН связано с выделением АсОН (кривая 2 до 40 сут.). Повышение рН, по-видимому, связано с ростом доступности макромолекул СЭЦ за счет медленного снижения СП СЭЦ и постепенного увеличения сорбции NH3 за счет роста и развития плесневых грибов как азотфиксаторов из воздуха. При добавке ферментов к компостной массе содержание указанных бактерий увеличивалось в 2-3 раза с одновременным ростом и развитием упомянутых выше плесневых грибов - азотфиксаторов.

4. При компостировании ТПОХЦ и СЭЦ с подстилочным навозом процесс в течение 30-35 дней без добавки и с добавкой ферментов протекал одинаково. По истечении 35 дней роль ферментов заметно проявилась. Они ускоряли компостирование, и на 320 день компостная масса становилась черной и стабильной по свойствам, полностью исчезал неприятный запах навоза. То есть при добавке ферментов происходила глубокая гумификация компоста [7].

Без введения ферментов компостирование шло медленно, выделялись газовые пузыри, и на 320 день сохранялись серо-зеленоватый цвет и неприятный запах. То есть без введения ферментативного комплекса СЭЦ разлагались очень медленно по причине их биотермодинамической устойчивости, в отличие от ТПОХЦ и СЭЦ. Компостная масса без введения ферментов имела серо-зеленый оттенок и не растворялась в воде.

рН 1 1

8.0

6.0 «) > / pH 2

4,0 ^ _ — * —“рн 1

2,0

0

40

80

120

160 сут.

Рис. 1. Биодеградация и компостирование ТПОХЦ и СЭЦ в лабораторных условиях: 1 - без введения ферментов; 2 - с введением ферментов;

а) изменение pH при биодеградации ТПОХЦ;

б) изменение рН и СП при биодеградации СЭЦ;

в) изменение рН при компостировании ТПОХЦ и СЭЦ

Готовая компостная масса с введением ферментов частично растворялась в воде и давала бурокрасновато-коричневый раствор.

После завершения лабораторных исследований работа проводилась в опытно-производственных условиях. Компоненты смешивались бульдозером. Экскаватором формировался бурт длиной 500 м, высотой 1,5-2 м, шириной 3-3,5 м. Исходная влажность массы составляла 68-74%, зольность - 5,8%, содержание углерода - 44,2%, азота общего - 1,48%, азота аммонийного - 0,42%, фосфора общего - 0,39%, калия общего - 0,59%. Начальная температура бурта была +15° С. Компостирование длилось около 10 месяцев. Максимальная температура при этом достигала +74°С, рН - 8,8 (рис. 2).

Физико-химические показатели конечного продукта: влажность- 65-67%, зольность - 7,7%, содержание углерода общего - 38,8%, азота общего - 1,42%, азота аммонийного - 0,38%, фосфора общего - 0,35%, калия общего - 0,56%.

Физико-химические показатели конечного продукта с ферментами: влажность - 65-68%, зольность - 7,8%, содержание общего азота - 1,68%, аммонийного азота - 0,58%, фосфора общего - 0,35%, калия общего - 0,58%.

Лабораторные и опытно-производственные исследования позволили сделать вывод о том, что применение ферментов ускоряет биодеградацию ТПОХЦ и СЭЦ и направленно изменяет компостирование с образованием продуктов буро-красновато-коричневого цвета, которые частично растворяются в воде, что указывает на большое содержание гуминовых кислот в этом продукте [8]. Интерпретация биосинтеза гумино-вых кислот по Д.С. Орлову [5, 8] показала, что продукты биосинтеза ядерной части гуминовой кислоты образовывались при расщеплении пептидов; производные пирола поступали из древесной коры (со стружкой); продукты разложения лигнина являлись также основой биосинтеза ядерной части гуминовой кислоты вместе с продуктами расщепления пептидов (см. рис. 3).

Рис. 2. Изменение рН и температуры при компостировании ТПОХЦ и СЭЦ в опытнопроизводственных условиях

кы3т + н2о + со

Расщепление пептидов

т;

N

Феноксазин

н н І I с=с-

Продукты

разложения

лигнина

(из древесных

опилок и стружки)

он

N I

сн3

Гигрин

сосн

N

СН/ ЧСНз

Стахидрин

СОО-

ОСН3

сн

СН

I

СООН

Феруловая кислота

Н Н І I

^5-

ОН

Н Я3 І I3 -Ы—С—Н I

С=О

СН2 I 2 СО I

СН ОН I

Я2

Производные пирола (содержатся в древесной коре )

«Гидролизуемая часть» (СН3)2СНСН2СНКН2СООН

(С6Н5О2) ^------ из целлюлозы

—(СООН)П , —ОН -(КН2)п , (СН2)П

из продуктов окисления полисахаридов и пептидов

СН3О.

СН

СН

I

СООН

Синаповая кислота

ОН 1 О II

л . . с

т

1 СН II О

II

СН

1 СООН

п-кумаровая кислота п-бензохинон

к

Рис. 3. Схема биосинтеза гуминовых кислот

На основании исследований была разработана технологическая инструкция переработки ТПОХЦ и СЭЦ и внедрена в производство. Применение полученного компоста без введения фермента на глинистой почве позволяло повысить урожайность картофеля на 20-25% [9, 10]; с введением фермента - на 35-40%. Экономический эффект от внедрения за год составил 40 тыс. рублей.

Выводы

Результаты проведенных исследований подтверждают, что:

- для получения твердых органических удобрений с целью исключения выделения фитотоксичных веществ (АсОН, АсН) органогенные (С, N Н, О, Р, 8) целлюлозосодержащие материалы должны подвергаться компостированию;

- введение ферментов при компостировании ТПОХЦ и СЭЦ приводит к большой гумификации компостируемой массы. Наличие отходов СЭЦ, выполняющих функцию сорбента аммонийного азота, способствует повышению эффективности готовых твердых органических удобрений;

- введение биохимического ферментативного комплекса Ф1 ускоряет и усиливает процесс компостирования и позволяет получать более качественное удобрение;

- при ферментативной биодеградации СЭЦ ввиду интенсивного развития плесневых грибов родов Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Penicillinum происходит фиксация азота из воздуха на продуктах биодеградации (возможно, ввиду синергического влияния СЭЦ);

- изменяя условия компостирования и состав исходных компонентов, можно управлять физикохимической природой получаемого продукта и варьировать содержание в нем гуминовых кислот, гуминов, гуматов и фульвокислот.

Список литературы

1. Манушин В.И., Никольский К.С., Минскер К.С., Колесов С.В. Целлюлоза, сложные эфиры целлюлозы и пластические массы на их основе. 2-е изд. Владимир, 2002. 108 с.

2. Органические удобрения: Справочник. М., 1988. 208 с.

3. Никольский К.С., Захарова Е.Б., Белова З.А., Соколов В.В. Экологическая биотехнология переработки отхо-

дов производства целлюлозы и ее сложных эфиров для нужд сельского хозяйства // НТРС. Производство и переработка пластмасс и синтетических смол. М., 1991. Вып. 5. С. 25-38.

4. Экологическая биотехнология / Под ред. К.Ф. Форстера, Дж. Вейза. Л., 1990. 362 с.

5. Основы биохимии / Под ред. А.А. Анисимова М., 1986. 552 с.

6. Крешков А.П. Основы аналитической химии. М., 1970.

7. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процесс его трансформации. Л., 1980. 288 с.

8. Орлов Д.С. Химия почв. М., 1985. 376 с.

9. Никольский К.С., Соколов В.В. и др. Биомасса из отходов производства // Химия в сельском хозяйстве. 1993.

№3-4. С. 20-21.

10. Никольский К.С., Захарова Е.Б. и др. Приготовление компостной смеси и исследование процессов, происходящих в ней // Химия в сельском хозяйстве. 1994. №2. С. 25.

Поступило в редакцию 25 марта 2004 г. После переработки 10 сентября 2004 г.