CC BY
16УДК 628+314.17
А.В. Гарабаджиу, Г.В. Козлов, Д.С. Якшилов
Для протекания классического биотехнологического процесса необходима маточная культура, стерильная среда, доступные источники питания, оптимизация рН, температуры и прочих факторов. Но в биотехнологии существует множество процессов, которые осуществляются без использования специальных затравочных микроорганизмов, за счет активности тех микроорганизмов, которые присутствуют в субстрате. Это и силосование кормов, виноделие, компостирование, получение биогаза. В последнее время во всех этих областях используются специальные биопрепараты и дополнительные источники питания и биогенных элементов. При этом на специфические условия нестерильного процесса, часто при наличии труднодоступных источников питания без адаптации переносятся выводы, сделанные при изучении кинетики роста микроорганизмов в биореакторе. В ряде случаев (при силосовании кормов, в виноделии) это имеет успех, в ряде случаев (например, при компостировании отходов) польза от дополнительных источников питания и биопрепаратов невелика.
При анализе процессов становится ясно, что успех или неуспех зависит не от биотехнологии, а от стереотипов существующих в данной отрасли.
Рассмотрим первый пример - процесс силосования. Молочнокислые бактерии, развиваясь на углеводах соков силосуемых трав, выделяют молочную кислоту, которая и консервирует силос. Поэтому силосование проводится в момент наибольшего содержания в травах углеводов, а лучшая силосная культура - кукуруза. Если по каким то причинам (несвоевременная уборка трав) содержание углеводов в сырье мало, в него добавляют углеводы в виде мелассы. В противном случае даже использование специальных силосных заквасок либо дает меньший эффект либо не эффективно вообще - молочной кислоте не из чего образоваться.
Другой биотехнологический процесс - компостирование отходов. Тут стоит та же проблема - термофильным микроорганизмам, осуществляющим компостирование необходимо сбалансировать питание - добавить источники азота. Для этого используется навоз, птичий помет или минеральные удобрения. К сожалению, приведенные затраты на дополнительные источники питания настолько велики, что реализация такого метода возможна лишь в приусадебном или фермерском хозяйстве.
О ФЕРМЕНТАЦИИ ТВЕРДЫХ
НЕСТЕРИЛЬНЫХ
СУБСТРАТОВ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
Анализируется проблема ускорения биотехнологических процессов, протекающих при ферментации твердых нестерильных субстратов, аборигенной микрофлорой. Предложены новые методики выбора состава дополнительного питания и расчета его количества. Приведены данные об их практической проверке. В результате применения разработанных подходов для модернизации процесса компостирования отходов норма внесения активаторов была снижена с 5-15% до тысячныхдолей процента.
Итак, два случая приложения теории к практике в одном случае несомненный успех, в другом случае успех есть, но не столь очевидный.
Оба процесса с точки зрения кинетики роста микроорганизмов - периодическое культивирование микроорганизмов, содержащихся в исходных субстратах, питательной средой выступает доступная биоразложению часть вещества субстрата.
В обоих случаях разработчики абсолютно правильно решили, что недостаток питательных веществ восполнить извне.
Но никто не отметил того обстоятельства, что собственно главным препятствием для роста микроорганизмов, которые в изобилии содержатся в субстратах, является доступности питательных веществ. Этим и объясняется длительная лаг-фаза процесса и низкая физиологическая активность целевой микрофлоры, которая и является движущей силой процесса. Мы предположили следующее:
- необходимо вносить в качестве активаторов только самые доступные источники питания (сахара и белковые гидролизаты) в виде водных растворов, что позволит до минимума сократить лаг-фазу процесса;
- количество питательных веществ должно быть эквивалентно тому количеству, которое будет затрачено на приготовление инокулюма исходя из классических дозировок - 1*106 к.о.е./см3.
Именно поэтому при использовании небольшого (десятки литров на тысячи тонн) мелассы для активации процесса силосования успех очевиден, а для достижения серьезного результата в отходы надо вносить 10-15% навоза или 3-5% минеральных удобрений. Разработанная на основе стереотипного подхода технология ускорения компостирования ТКО [1,2] несмотря на хорошие результаты, так и не была внедрена в производство по экономическим соображениям, а методика силосования используется повсеместно. Успех на 100% обусловлен стереотипом, что в корма можно добавлять только кормовые субстраты, а неудача стереотипом - в отходы - только отходы.
Для проверки наших положений были проведены испытания активаторов компостирования.
Следуя логике, для экспериментов следовало взять стандартный состав среды для определения ОМЧ, однако мы поступили следующим образом. Мы создали два варианта среды - первая смесь сусла с пептоном и
сахарозой (наиболее легкодоступные источники питания), второй вариант представлял собой стереотипную питательную среду (углерод/азот/фосфор=20/5/1) на основе сахарозы и минеральных удобрений в состав среды был так же в качестве активатора включен лиг-ногумат. Состав сред на одну загрузку биобарабана (300 тонн ТКО):
Среда 1
Концентрат квасного сусла 1 кг
Сахароза Пептон
Среда 2
Сахароза
Аммиачная селитра Азофоска Лигногумат сухой
1 кг 0,2 кг
4 кг 1, 5 кг 0,1 кг 0,2 кг
Материалы и методы
Эксперименты проводились на базе предприятия «Опытный завод механизированной переработки бытовых отходов» (ОЗ МПБО) с использованием штатного оборудования (рисунок 1). Длина реактора составляет 60 м, диаметр - 4 м. На отметках 12, 24, 36 и 48 м от загрузочного устройства расположены пробоотборники (№№ 1 ... 4 соответственно).
Для приготовления растворов питательных веществ осуществляли в смесителе объемом 2 куб. м.
Рисунок 1. Реактор биотермической санации отходов.
Измерения температуры ТКО в биобарабана проводили пирометром с учетом поправки (корректировалась раз в смену), температуру компоста в буртах (рисунок 2) на глубине 0,5 м - максимальным термометром, физико-химические параметры компоста - по стандартным методикам.
Результаты и обсуждение
Обычно все 4 фазы роста микроорганизмов протекают в одном реакторе. На заводе МПБО эти стадии разделены. Лаг - фаза и фаза экспоненциального роста, а так же часть стационарной фазы протекает в биобарабане. По сути дела лаг-фаза и фаза экспоненциального роста - это выход процесса на температурный режим, а собственно санация ТКО протекает в начале стационарной фазы. Разумеется, это относится лишь к доминирующей на конечном этапе биотермической санации, целевой группе микроорганизмов - термофилам. Микроорганизмы мезофильной группы, которые доминируют на начальном этапе, обеспечивают разогрев массы ТКО до температур, когда в дело вступают термофилы в дальнейшем и гибнут в биобарабане. Роль мезофиллов и скорость выхода процесса на температурный режим различна в зависимости от исходной температуры ТКО. В плане кинетики роста следует отметить, что мезофиллы не успевают перейти в стационарную фазу роста - при повышении температуры они сразу переходят в фазу лизиса.
Численность микроорганизмов сильно зависят от условий в биореакторе, которые неодинаковы по его длине.
В таблице 1 приведено количество микроорганизмов в различных участках биореактора.
Параметр Пробоотборник №
1 2 3 4
ОМЧ 6,0*107 1,7*106 2,3*106 Более 109
Микромицеты 3,3*104 - - -
В условиях резкого снижения интенсивности перемешивания и аэрации микроорганизмы продолжают разрушать остаточные органические субстраты и поддерживать температуру компоста. Эта стадия называется дозревание. По мере исчерпания запасов питательных веществ микроорганизмы переходят в фазу лизиса, что сопровождается остыванием компоста. Процесс продолжается от 8 месяцев до 1,5 лет. В течение этого времени завершаются процессы разложения органических веществ, происходит падение температуры до 30ОС и ниже. Микробное число снижается с 9*1010 до 4*107 , рН стабилизируется на уровне 8,13-8,17. По завершении стадии дозревания количество микроорганизмов падает и стабилизируется к моменту остывания компоста на уровне 107 (таблица 2).
Таблица 2. Изменение микробиологических
Рисунок 2. Дозревание компоста в штабеле.
Проба Свежий (менее одного месяца) 0,5 года 1,5 года
ОМЧ 7,8*108 3,8*108 4,6*107
Микромицеты 4,3*105 6,0*104 1,8*105
Ввиду многообразия микроорганизмов на начальном этапе процесса и смене микробных сообществ по мере его протекания некорректно использовать содержание микроорганизмов того или иного вида (или ОМЧ) в качестве параметра, по которому можно судить о кинетике процесса. Более универсальным параметром, отражающем интенсивность протекания микробиологических процессов является температура компостируемого субстрата. График ее изменения повторяет, разумеется, с некоторым временным сдвигом, кривую роста микроорганизмов. Поэтому в качестве основного контрольного параметра мы использовали температуру компоста.
Температура,
Температура, С
Исходная температура 25 °С
у*
О 4 8 12 16 20 24 28
Время, час
Температура, °С Исходная температура 30 °С
РисунокЗ. Влияние добавоки исходной температуры ТКО на выход биобарабана на температурный режим
Результаты экспериментов (рисунок 3), проведенных при различных температурах исходных ТКО (в разные времена года), говорят о том, что внесение активаторов эффективно при любых исходных температурах, однако, наибольший эффект наблюдается при низких температурах. Особенно ярко видно это на графиках с исходной температурой 15ОС - максимум температур, наблюдаемый на 20-й час ферментации есть ни что иное, как следствие подогрева биобарабана ИК излучателями, однако физиологическая активность исходной микрофлоры низка, а ее количество мало, поэтому процесс переходит в экспоненциальную фазу лишь через 8 часов после разогрева до оптимальных температур. В случае активатора, созданного на основе сусла и пептона процесс начинается сразу после искусственного разогрева. Наблюдения за температурой компоста при дозревании (рисунок 4) и его физико-химическими характеристиками (таблица 3) при дозревании в штабелях показали, что добавки, как и предполагалось, влияют лишь на интенсивность протекания процессов. Особенности изменения температуры, рН и органического вещества одинаковы для обеих добавок и контроля, однако скорость их протекания
различна. Полученные результаты позволяют говорить о том, что внесение активаторов сокращает время созревания компоста в буртах в 2 раза, а сроки пребывания ТКО в биобарабане (за счет сокращения времени выхода на температурный режим) - на 20-38%.
Добавка на основе пептона и углеводов
Температура, С 70
к
• \ Остывание
Ч-
Дозревание
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34
Недели
Добавка на основе минеральных удобрений углеводов
Температура, С
- Остывание -
V \
Дозревание
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34
Недели Контрольный штабель
Температура, С 70
Остывание
4 \ / ^л^^
--Дозревание -
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34
Недели
Рисунок 4. Влияние активаторов на скорость дозревания (остываниедо 3СРСи ниже) компоста из ТКО
Таблица 3. Влияние активирующихдобавок
Показатель Время дозревания, месяцы
1|2|3|4|5|6|7|Б|9
компост с активатором на основе пептона и углеводов
Органическое вещество,% 42 40 39 32 31
^ ОС 60 56 58 30 29
рН водн. вытяжки 6,8 7,91 7,8 8,1 8,13
компост с активаторами на основе минеральных удобрений и углеводов
Органическое вещество,% 45 45 44 42 38 34 31
^ОС 65 52 43 55 65 55 32
рН водн. вытяжки 6,6 7,7 6,86 7,8 7,7 8,5 8,14
контрольный штабель
Органическое вещество,% 52 48 44 41 38 36 33 31 29
^ ОС 47 50 40 30 45 35 45 45 25
рН водн. вытяжки 6,8 7,9 7,6 7,7 7,25 7,89 7,5 7,98 8,17
Выводы
1. Лимитирующей стадией процесса ферментации трудно растворимых субстратов является фаза адапта-
ции микроорганизмов к источникам питания или лаг-фаза.
2. Предложенный метод, носит универсальный характер и может быть использован при модернизации других биотехнологических процессов, добиться эффективной (с технологической и экономической сторон) активации которых не удалось из-за стереотипного подхода.
Литература
1. Архипченко И.А., Федашко М.Я., Орлова О.В., и др. Применение микробных удобрений для интенсификации процесса ферментации муниципальных отходов // Тез. Докл. К конференции Экология и промышленность России - М., 2000. - с. 16-19.
2. Архипченко И.А., Орлова О.В. Способы повышения качества компоста из муниципальных отходов // Экологические аспекты переработки отходов большого города: Тез. докл. СПб.: СПбГУ НИИХ, 2001. С. 102-118.
