CC BY
76
ПЛОДОРОДИЕ
со сч о сч
о
ф S
ч
ф
ч
ф
ч
2
ф
W
doi: 10.24412/0044-3913-2023-3-36-40 УДК 631
Обзор активных методов биологической переработки органических отходов*
A.Д. ГОРБЕНКО12, специалист, лаборант e-mail: artemgorbenk@ yandex.ru
М.А. КАПЛАН2, кандидат
технических наук, младший
научный сотрудник
Е.П. СЕВОСТЬЯНОВА1, младший
научный сотрудник
Н.Е. ТИХОМИРОВ1, младший
научный сотрудник
B.М. АНДРЕЕВСКАЯ1, младший научный сотрудник
Я.А. МОРОЗОВА1, лаборант А.С. БАИКИН2, младший научный сотрудник
К.В. СЕРГИЕНКО2, младший научный сотрудник Е.О. НАСАКИНА2, кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.В. КВИТКО1, доктор юридических наук, ведущий научный сотрудник М.А. СЕВОСТЬЯНОВ12, кандидат технических наук, зам. директора
1 Всероссийский научно-исследовательский институт фитопатологии, ул. Институт, вл. 5, р.п. Большие Вяземы, Одинцовский р-н, Московская обл., 143050, Российская Федерация
2 Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН, Ленинский проспект, 49, Москва, 119334, Российская Федерация
Исследования и разработка достаточно быстрых и коммерчески выгодных методов переработки органических отходов значительно продвинулись со второй половины XX в., когда их утилизацию стали рассматривать в качестве одного из средств борьбы с загрязнением окружающей среды и рационального использования ресурсов. Наиболее эффективными оказались методы активной биологической переработки, отличающиеся большей скоростью биоконверсии и качеством конечного продукта, по сравнению с аналогами, благодаря чему они получили широкое распространение в сельскохозяйственном секторе. Результаты анализа современных методов биоконверсии могут способствовать повышению экономической эффективности предприятий по переработке отходов. Исследования проводили с целью ознакомления с тен-
денциями применения и анализа особенностей активных методов биологической переработки с последующим выделением наиболее перспективных. Жидкофазные и твердофазные ферментационные методы, основанные на аэробных процессах, позволяют использовать широкий спектр органического сырья для производства лекарственных средств, удобрений и кормов. Возможность оптимизации параметров технологии под конкретное сырье способствует их распространению в хозяйственной деятельности регионов, невзирая на различия природных условий и ресурсов. В области повторного использования органической материи наиболее перспективны ферментативные и биогумусообразовательные (вермикомпостирование) методы. Ферментативная биоконверсия обладает значительным потенциалом в условиях продвижения «водородной энергетики». Фотоферментация и темное сбраживание, протекающие в аэробных и анаэробных условиях, позволяют не только перерабатывать органические отходы, но и производить топливо в виде биогаза, в том числе водорода.
Ключевые слова: биотопливо, биологическая переработка, биореактор, ферментация, биоконверсия.
Для цитирования: Обзор активных методов биологической переработки органических отходов / А.Д. Горбенко, М. А. Каплан, Е. П. Севостьянова и др. // Земледелие. 2023. № 3. С. 36-40. бог. 10.24412/0044-3913-2023-3-36-40.
Предприятия по биологической переработке органических отходов в последние годы демонстриуют значительный рост эффективности. Благодаря распространению и росту популярности идей повторного использования отходов постоянно совершенствуются методы их активной биологической переработки. Сейчас они рассматриваются в качестве главного подхода к повышению ценности органических побочных продуктов [1]. Современные технические возможности тщательного контроля и изменения параметров биоконверсии позволяют добиваться оптимальных результатов среди всего спектра методов переработки, что открывает возможности не только для банальной утилизации отходов, но и для более сложного производства. С использованием различных форм биоконверсии реализуются процессы восстановления почвы [2, 3, 4], изготов-
ления биотоплива [5, 6], повышения эффективности сельского хозяйства [7, 8] и др. Однако задачи по их оптимизации не утратили актуальности и стали более многогранными благодаря научным и техническим достижениям последних десятилетий, а также лучшему пониманию того, как человек влияет на окружающую среду.
Цель исследований - анализ и выделение наиболее перспективных методов активной биоконверсии органических отходов с опорой на результаты исследований последних лет и промышленный опыт.
Подбор источников для обзора был основан на следующих подходах:
определение ключевых слов и фраз, связанных с темой активной биопереработки отходов («биоконверсия», «ферментация», «активные методы переработки» и др.);
поиск научных статей и публикаций в базах данных Google Scholar, ScienceDirect, Web of Science и др. с учетом ключевых слов, даты и типа публикации;
анализ публикаций на предмет соответствия теме исследования, актуальности, научной значимости на основе таких параметров, как количество цитирований, рейтинг журнала, авторский состав, методология исследования и др.
К числу активных способов биоконверсии относят методы компостирования, биогумусообразования (вермикомпостирование), аэробной и анаэробной ферментации, получения биогаза.
Компостирование - процесс биологической переработки органических отходов в компост, используемый в качестве удобрения. Методы компостирования охватывают широкий технологический спектр от единичных куч до сложных промышленных биореакторов [9]. Во многих компостерах часто используют простые решения с естественной аэрацией, которые требуют незначительных инженерных изысканий и капитальных вложений, предусматривают конвективную аэрацию и естественное разложение, что сопровождается увеличением длительности период времени, необходимого для получения компоста. При этом смесь органического сырья помещают в длинные узкие кучи, называемые буртами, которые затем регулярно перемешивают или переворачивают [10]. Материал, подлежащий компостированию, выкладывают высотой 1...4 м и шириной 3.6 м. Скорость воздухообмена зависит от пористости бурта. Следовательно, чем менее плотный материал (сырье), тем выше воздухо-
*работа выполнена в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, предусмотренного постановлением Правительства РФ от 09.04.2010 №218 по теме «Высокотехнологичное производство грунтов методами инновационной переработки отходов» (Контракт № 075-11-2021-059 от «24» июня 2021 г., идентификатор государственного контракта 000000Э40752101.90002)
Рис. 1. Пол с канавами для перфорированного трубопровода, доставляющего кислород в компостную массу.
обмен. Размер бурта должен быть оптимальным для обеспечения хорошего аэробного компостирования. В значительной степени он определяется органическим субстратом, подлежащим компостированию, и используемым поворотным оборудованием. Если он слишком большой, в центре штабеля создадутся анаэробные условия и при переворачивании будут выделяться неприятные запахи. Если бурт слишком мал, он может быстро терять тепло и не достигнет достаточно высокой температуры для испарения влаги и уничтожения патогенных микроорганизмов, а также семян сорняков. Поэтому плотные материалы, которые обеспечивают менее активное движение воздуха, обычно перерабатывают в буртах меньшего размера, по сравнению с более пористым сырьем.
При принудительном способе аэрации материала воздухообмен обеспечивают перфорированные пластиковые трубы, аэрацион-ные конусы или перфорированный пол, встроенные в нижнюю часть перерабатываемого сырья (рис. 1). Метод аэрированного статического компостирования не предусматривает механического перемешивания бурта для достижения желаемого уровня аэрации, которая происходит путем поднятия горячих газов, что называют «эффектом дымохода» [11, 12]. Аэрацию осуществляют либо нагнетанием, либо протягиванием воздуха через перерабатываемый материал. Эта система требует наличия на объекте электроэнергии, соответствующих вентиляторов, воздуховодов и контрольного оборудования, которое определяет время подачи, продолжительность и направление воздушного потока [13, 14]
Компостирование в резервуаре сочетает в себе процессы, применяемые при механическом ворошении и статическом компостировании. Оно преодолевает недостатки каждого метода и использует их положительные стороны [15, 16, 17]. Системы компостирования в резервуаре - это системы аэрации с регулируемой скоростью, которые предназначены для обеспечения оптимальных условий компостирования, включающих механическое перемешивание компоста в контролируемых ус-
ловиях окружающей среды. Различные конструкции таких систем схожи в том, что требуют значительных капитальных затрат и затрат на управление [18].
Другим примером активных методов биоконверсии служит биогумусообразо-вание - это переработка органических материалов дождевыми червями в однородный и похожий на гумус материал (сложная смесь фекалий червей и микроорганизмов). Существует множество вариантов систем по производству биогумуса [19], но все они направлены на поддержание в органической массе среды, благоприятной для червей [20]. Компостирующие материалы находятся в условиях высокой влажности и хорошей аэрации, а также при температуре окружающей среды менее 35 °С. Эти системы компостирования работают эффективнее, если органические материалы предварительно были хорошо размягчены и перемешаны.
В системе биогумуса дождевые черви изменяют состав органических отходов, постепенно уменьшая их соотношение С: Ы, уровень кислотности и содержание металлов. При этом сохраняя такие элементы питания, как фосфор, магний и кальций - их содержание в биогумусе выше, чем в органическом сырье [21]. Дождевые черви увеличивают площадь поверхности любого материала, что делает его более благоприятным для жизнедеятельности микробиоты и, соответственно, дальнейшего разложения. Они обладают способностью потреблять различные виды органического сырья: навоз крупного рогатого скота, отходы масличной пальмы, осадок сточных вод и др. [22]. Органическое сырье, перерабатываемое с участием дождевых червей, трансформируется в высококачественные биоудобрения, не уступающие по свойствам химическим [21]. Биогумусообразование может ускорить процесс биоконверсии, по сравнению с традиционным компостированием, в 2...5 раз [21]. В последние годы этот метод биологической переработки интересен возможностью использования непосредственно самих червей в качестве питательных добавок и животных
кормов, что служит дополнительным стимулом использования технологии биогумусирования на предприятиях.
Существует ряд исследований, подтверждающих накопление различными видами червей в процессе жизнедеятельности тяжелых металлов, что способствует снижению их содержания в конечном продукте - биогумусе [23]. Поэтому такой метод биопереработки может быть использован для партий органического сырья с провышенным содержанием металлов (не более 50% от предельно допустимого уровня). Однако в этом случае дальнейшее использование самих червей невозможно.
Ферментация в жидкой среде (или «под водой», «жидкая», «глубинная») включает образование ферментов, антибиотиков, витаминов и других продуктов микроорганизмами, развивающимися в жидкой среде (в суспензии), благодаря питательным веществам, которые либо растворены, либо взвешены в виде твердых частиц [24, 25, 26]. При жидкой ферментации используют сыпучие и жидкие субстраты (меласса, бульоны). Процесс включает в себя подготовку определенного вида микроорганизмов, например, грибов, и помещение их в закрытую колбу, содержащую насыщенную питательную среду (рис. 2). При подаче большого количества кислорода микроорганизмы, расщепляя питательные вещества, выделяют в ферментационный бульон синтезированные биоактивные соединения.
Существует два распространенных метода, с использованием которых происходит ферментация в жидкой среде: периодическая и непрерывная. При периодической подаче в культуру добавляют стерилизованные питательные вещества для роста биомассы в ферментёре [27, 28]. Это позволяет повысить плотность клеток в биореакторе и сохранить их высокую концентрацию, чтобы компенсировать разбавление питательной средой. Скорость роста культуры поддерживают путем добавления питательных веществ (периодический метод с подпиткой субстрата), что снижает риск сбоев обменных процессов [29].
со
ф
5
Ф
СО
2 О
м со
Рис. 2. Общее устройство жидкостного ферментатора периодического действия.
Для непрерывной ферментации обычно используют открытую систему. Стерилизованные жидкие питательные вещества медленно и непрерывно добавляют в биореактор с той же скоростью, с которой преобразованный питательный раствор извлекается из системы. Это приводит к постоянному производству ферментационного бульона [30, 31]. Для поддержания успешной ферментации необходимо контролировать, например, температуру, рН, а также уровни кислорода и углекислого газа, что усложняет процесс и конструкцию биореактора. Одновременно существует возможность добавления индукторов для увеличения выхода продукта. Непрерывный метод может быть использован для извлечения первичных метаболитов. В продукты непрерывной жидкофазной ферментации могут входить и вторичные метаболиты. Алкалоиды, флавоноиды и другие вещества, образующиеся при непрерывной жидкофазной ферментации, могут быть использован в качестве лекарственных препаратов, пищевых добавок и др.
Преимущества ферментации в жидкой среде заключаются в коротком периоде, низкой стоимости производства и высокой производительности благодаря большей скорости реакций в водной среде [32, 33]. Упрощается извлечение конечного продукта из бульона и контроль ферментации, что при оптимизации условий может обеспечить значительное сокращение временных затрат на реализацию ферментационного процесса. Однако само оборудование сложнее и дороже, чем аналогичное для твердофазной ферментации. К тому же такой способ подходит не для всех продуктов, поэтому промышленное распространение получил и твердофазный способ [34].
Твердофазная ферментация - процесс культивирования, при котором микроорганизмы растут на твердых материалах без свободной жидкости. Этот метод служит альтернативой ферментации в водной среде для производства таких продуктов с добавленной стоимостью, как антибиотики, одноклеточный белок, полиненасыщенные жирные кислоты (например, Омега-3), ферменты, биопестициды, биотопливо и ароматизаторы [35]. Наиболее часто используемые твердые субстраты - зерновые (рис, пшеница, ячмень и кукуруза), семена бобовых, пшеничные отруби, лигноцеллюлозные материалы (солома, опилки, древесная стружка, а также широкий спектр растительных и животных материалов) п [36, 37, 38]. Большинство используе-сч мых субстратов состоят из нераство-° римых или плохо растворимых в воде со полимерных молекул и представляют о; собой концентрированный источник питательных веществ для роста микро-5 бов. Они дешевы и легкодоступны. § Первоначально для такой фермен-Ч тации использовали грибы, поскольку § условия твердофазного метода наибо-| лее близки к идеальным для их роста М [39]. Позже стали применять множе-
ство видов бактерий, а также дрожжи. Микробиологический процесс при реализации этого метода вызвал большой интерес в последние годы, поскольку спектр используемого для него сырья значительно расширился. Наряду с небольшими затратами на поддержание ферментационного процесса и простотой оборудования, это делает твердофазную ферментацию промыш-ленно привлекательной [34].
Возможность реализации этого метода определяют следующие свойства матрицы (субстрата):
пористость - большая площадь поверхности на единицу объема для быстрого роста микроорганизмов на границе раздела твердое вещество - газ, возможность биоразложения;
способность поглощать воду в количестве, равном ее сухой массе или более, для обеспечения высокой скорости биохимических процессов на границе раздела твердого вещества и газа;
способность выдерживать сжатие или осторожное перемешивание, необходимое для процесса ферментации (для этого требуются мелкие гранулированные или волокнистые частицы, которые не склонны ломаться или прилипать);
способность поглощать и удерживать такие необходимые для развития микроорганизмов вещества, как углеводы (целлюлоза, крахмал, сахара), источники азота (аммиак, мочевина, пептиды) и минеральные соли.
Поверхность раздела твердой и газообразной фаз должна быть средой, подходящей для быстрого развития плесневых грибов, дрожжей или бактерий, как в чистых, так и в смешанных культурах. Необходимо, чтобы субстрат не был загрязнен ингибиторами микробной активности, а воздушная смесь кислорода с другими газами и аэрозолями должна поступать под относительно низким давлением и перемешивать бродящее сусло.
Твердофазная ферментация представляет собой многоступенчатый процесс, включающий следующие стадии: предварительная подготовка исходного сырья путем механической, химической или биохимической об-
работки для повышения доступности связанных питательных веществ, а также уменьшения размера компонентов, например, измельчение растительных материалов (например, соломы);
гидролиз преимущественно полимерных субстратов (например, полисахаридов и белков);
утилизация (ферментация) продуктов гидролиза;
разделение и очистка конечных продуктов.
Низкое содержание влаги позволяет уменьшать объем реактора, по сравнению с жидкофазными методами, а также упрощает извлечение продукта. Однако из-за неоднородности культуры возможны серьезные проблемы в отношении смешивания, теплообмена, перемещения кислорода, что делает измерение и контроль многих параметров (например, влажности и градиентов рН питательных веществ и продукта) сложными и часто неточными, тем самым ограничивая промышленный потенциал технологии. Поэтому микроорганизмы, отобранные для переработки, должны быть устойчивы к варьированию условий в процессе культивирования. Применение твердофазной ферментации возможно в процессах биологического выщелачивания, биообогащения, био-ремедиации, биоварки и др. [40, 41].
Одно из главных преимуществ этого метода - образование минимального количества отходов и жидких стоков, что уменьшает вероятность нанесения большого вреда окружающей среде. Удобна низкая технологичность метода, а, следовательно, незначительные энергозатраты и капиталовложения. Нет необходимости в стерилизации, снижено микробное загрязнение из-за отсутствия сплошной жидкой среды. Стандартное устройство предполагает простые процедуры закладки сырья и извлечения продукта, например, путем загрузки модулей с веществом в шкаф (рис. 3). Отсутствие сложных элементов в виде роторов, стерильных камер для воды и подаваемых веществ исключает затраты на механическую обработку в ходе ферментации и стерилизацию, а также упрощает ремонт и обслуживание установки.
выпуск воздуха
Воздухозаборник Водоснабжение /
Водосброс
Рис. 3. Конструкция твердофазного ферментатора.
Применение в качестве субстратов в твердофазных процессах переработки отходов агропромышленного сектора обеспечивает производство пригодных к повторному использованию в сельском хозяйстве фракций и экологичную утилизацию неиспользуемых отходов различных отраслей.
Фотоферментация - биологический ферментационный процесс, при котором светозависимые пурпурно-серные и пурпурно-несернистые бактерии разлагают органические вещества с образованием водорода. Они получают энергию, необходимую для роста, из света, производя аденозин-трифосфат (АТФ) путем циклического фотофосфорилирования с использованием своей фотосистемы. Различные типы этих бактерий достаточно легко приспосабливаются к разнообразным органическим углеродным субстратам, в том числе к промышленным стокам, что в перспективе даёт возможность совмещать биологическую переработку органических соединений с получением водорода. При этом наибольшая эффективность таких микроорганизмов проявляется при переработке органических кислот (например, уксусная, масляная, яблочная и молочная кислоты) [42].
Фотоферментация может осуществляться как периодическим, так и непрерывным способом с использованием солнечного освещения или искусственного источника света. Водородную продуктивность бактерий определяют такие физиологические параметры, как рН, температура, состав среды и интенсивность света. Следовательно, учитывая универсальность используемого органического сырья, экономическая целесообразность фотоферментации зависит от оптимизации скорости производства водорода и затрат, связанных с расширением масштабов фотобиореактора.
Аналогом фотоферментации служит так называемое темное сбраживание -превращение органического субстрата в энергию и водород (либо другие метаболиты) в условиях отсутствия света и кислорода - сложный процесс, происходящий в различных группах бактерий, включая серию биохимических реакций, подобных анаэробному преобразованию. Высоким потенциалом в этой области обладают такие грамположительные виды бактерий, как Clostridium и Enterobacter, которые быстро растут и способны образовывать эндоспоры, что делает их простыми в обращении для потенциального крупномасштабного производства [42]. Кроме того, для получения водорода путем темной ферментации могут быть использованы некоторые молочнокислые (например, Cellulomonas, Klebsiella pneumoniae) или термофильные (Caldicellulosiruptor saccharolyticus и Thermotoga neapolitana) бактерии.
Одно из преимуществ этой технологии связано с тем, что процесс может быть развернут на базе уже используемой реакторной технологии и субстратов, содержащих большое количество
углеводов. Питательные среды, богатые липидами и белками, показали себя непригодными для такого типа биологической переработки. Следовательно, метод лучше всего подходит для переработки отходов сельского хозяйства и растительной пищевой промышленности, а также сливаемых отходов молочных и пивоваренных предприятий. При этом производство водорода биологическим путем поможет хозяйствам встроиться в экологичную водородную энергетику, планы по развитию которой уже формируются по всему миру, в том числе в Российской федерации [43].
В контексте методов биоконверсии, основанных на выделяющих водород бактериях, интересна ферментативная переработка органических фракций без добавления инокулята. Удаление последнего из процесса, если такая необходимость возникнет из-за сложностей или чрезмерных затрат, возможно при условии надлежащей предварительной обработки сырья. Наиболее эффективна в этом отношении повышенная температура (50.90 оС). Впрочем, конкретизировать температурный режим невозможно, поскольку пик активности бактерий будет зависеть от органической фракции перерабатываемого сырья. Суть предварительной обработки заключается не в ускорении химических реакций, а в отборе Н2-продуцирующей микробной популяции путем подавления жизнедеятельности других групп микроорганизмов, например, молочнокислых. Такой метод не требует периода запуска и сравнительно прост в исполнении [42].
Таким образом, в последние годы методы активной биологической переработки заметно продвинулись в своем разнообразии и эффективности. Разработанные системы активного компостирования в резервуаре обеспечивают протекание процессов в контролируемых условиях среды, тем самым преодолевая недостатки статического компостирования с естественной и принудительной аэрацией.
Наиболее эффективными методами биоконверсии, пригодными для широкого распространения, можно считать жидко- и твердофазную ферментацию в биореакторах с использованием в качестве субстратов остатков определённых культур и микроорганизмов. Наличие широких возможностей по созданию, модернизации и настройке таких систем ставит их выше прочих методов переработки при создании продуктов с добавленной стоимостью (в том числе, кормовых добавок и лекарственных препаратов). В области повторного использования органического вещества наиболее перспективны на сегодняшний день ферментативные и биогумусообразовательные методы. Ферментативная биоконверсия также обладает значительным потенциалом в условиях продвижения «водородной энергетики», которое сопровождается ростом потребности в создании предприятий по ферментационной переработке органических отходов в водород.
Литература
1. Сложный компост и его влияние на свойства почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур / Д.А. Анто-ненко, И.С. Белюченко, В.В. Гукалов и др. // Кубанский государственный аграрный университет. Краснодар, 2015. 181 с.
2. Strachel R., Wyszkowska J., Bacmaga M. The role of compost in stabilizing the microbiological and biochemical properties of zinc-stressed soil // Water, Air, & Soil Pollution. 2017. No. 9. P. 1-15.
3. Carabassa V., Domene X., Alcañiz J.M. Soil restoration using compost-like-outputs and digestates from non-source-separated urban waste as organic amendments: Limitations and opportunities // Journal of environmental management. 2020. Vol. 255. 109909. doi: 10.1016/j.jenvman.2019.109909.
4. The potential impact on the biodegradation of organic pollutants from composting technology for soil remediation / X. Ren, G. Zeng, L. Tang, et al. // Waste management. 2018. Vol. 72. P. 138-149. doi: 10.1016/j.wasman.2017.11.032.
5. Recycling of organic wastes through composting: Process performance and compost application in agriculture / T. Sayara, R. Basheer-Salimia, F. Hawamde, et al. // Agronomy. 2020. Vol. 10. No. 11. 1838. doi: 10.3390/agronomy10111838.
6. Waste management through composting: Challenges and potentials / M.S. Ayilara, O.S. Olanrewaju, O.O. Babalola, et al. // Sus-tainability. 2020. Vol. 12. No. 11. 4456. doi: 10.3390/su12114456.
7. Agegnehu G., Srivastava A.K., Bird M.I. The role of biochar and biochar-compost in improving soil quality and crop performance: A review // Applied soil ecology. 2017. Vol. 119. P. 156-170. doi: 10.1016/j.apsoil.2017.06.008.
8. A review on the efficiency of landfarming integrated with composting as a soil remediation treatment / B. Lukic, A. Panico, D. Huguenot, et al. // Environmental Technology Reviews. 2017. No. 1. P. 94-116. doi: 10.1080/21622515.2017.1310310.
9. Composting - Methods, Types, Factors, Importance // Microbiology Note: Environmental Microbiology, 2022. URL: https://microbiology-note.com/composting-methods/#composting-methods (дата обращения: 27.02.2023).
10. Fernandes L., Sartaj M. Comparative study of static pile composting using natural, forced and passive aeration methods // Compost Science and Utilization. 2013. Vol. 5(4). P. 65-77. doi: 10.1080/1065657X.1997.10701899.
11. Compost convective airflow under passive aeration / S. Barrington, D. Choiniere, M. Trigui, et al. // Bioresource technology. 2003. Vol. 86. No. 3. P. 259-266. doi: 10.1016/S0960-8524(02)00155-4.
12. Chapter 5. Passively aerated composting methods, including turned windrows / F. Michel, T. O'Neill, R. Rynk, et al. // The Composting Handbook. Academic Press, 2022. P. 159-196. URL: https://www.sciencedirect.com/science/ article/abs/pii/B9780323856027000029?via% 3Dihub (дата обращения: 12.02.2023). doi: 10.1016/B978-0-323-85602-7.00002-9.
13. Erdal i., Ekinci K. Effects of composts З and vermicomposts obtained from forced | aerated and mechanically turned compost- л ing method on growth, mineral nutrition and g nutrient uptake of wheat // Journal of Plant е Nutrition. 2020. No. 9. P. 1343-1355. doi: | 10.1080/01904167.2020.1727506. (D
14. Composting: The way for a sustainable z agriculture / M. Pergola, A. Persiani, A.M. Palese, lo et al. // Applied Soil Ecology. 2018. Vol. 123. " P. 744-750. doi: 10.1016/j.apsoil.2017.10.016. 0
15. Безруких А.И. Использование компости- oo рования для уменьшения количества мусора и w
получения органических удобрений // Регулирование земельно-имущественных отношений в России: правовое и геопространственное обеспечение, оценка недвижимости, экология, технологические решения. 2021. №1. C. 125-132. doi: 10.33764/2687-041X-2021 -1 -125-132.
16. The progress of composting technologies from static heap to intelligent reactor: Benefits and limitations / Z. Liu, X. Wang, F. Wang, et al. // Journal of cleaner production. 2020. Vol. 270. P. 122328. doi: 10.1016/j.jclepro.2020.122328.
17. Alkoaik F.N. Integrating aeration and rotation processes to accelerate composting of agricultural residues // PLoS One. 2019. No. 7. 0220343. doi: 10.1371/journal.pone.0220343.
18. Жежеря А.А. Использование площадок компостирования в составе многофункциональных комплексов обращения с отходами. Управление техносферой. 2021. Т. 4. №2. C. 212-220. doi: 10.34828/UdSU.2021.94.45.009.
19. A review on vermicomposting of organic wastes / U. Ali, N. Sajid, A. Khalid, et al. // Environmental Progress and Sustainable Energy. 2015. Vol. 34. No. 4. P. 1050-1062. doi: 10.1002/ep.12100.
20. Huang K., Xia H. Role of earthworms' mucus in vermicomposting system: Biodegradation tests based on humification and microbial activity // Science of the Total Environment. 2018. Т. 610. P. 703-708. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.08.104.
21. Pathma J., Sakthivel N. Microbial diversity of vermicompost bacteria that exhibit useful agricultural traits and waste management potential // SpringerPlus. 2012. Vol. 1. 26. URL: https://springerplus.springeropen. com/articles/10.1186/2193-1801 -1 -26. (дата обращения: 20.02.2023).
22. Alshehrei F., Ameen F. Vermicomposting: A management tool to mitigate solid waste // Saudi Journal of Biological Sciences. 2021. Vol. 28. No. 6. P. 3284-3293. doi: 10.1016/j.sjbs.2021.02.072.
23. Bhat S. A., Singh J., Vig A. P. Earthworms as organic waste managers and biofertilizer producers // Waste and biomass valorization. 2018. Vol. 9. P. 1073-1086. doi: 10.1007/s12649-017-9899-8.
24. Rice seed germination underwater: morpho-physiological responses and the bases of differential expression of alcoholic fermentation enzymes / B. Miro, T. Longkumer, F.D. Entila, et al. // Frontiers in plant science. 2017. Vol. 8. P. 1857. doi: 10.3389/fpls.2017.01857.
25. Elhalis H., Cox J., Zhao J. Ecological diversity, evolution and metabolism of microbial communities in the wet fermentation of Australian coffee beans // International journal of food microbiology. 2020. Vol. 321. 108544. doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2020.108544.
26. Recovery processes of organic acids from fermentation broths in the biomass-based industry / Q.Z. Li, X.L. Jiang, X.J. Feng, et al. // Journal of microbiology and biotechnology. 2016. No. 1. P. 1-8. doi: 10.4014/jmb.1505.05049.
27. García C., Rendueles M., Díaz M. Liquid-phase food fermentations with microbial consortia involving lactic acid bacteria: A review // Food Research International. 2019. Vol. 119. P. 207-220. doi: 10.1016/j.foodres.2019.01.043.
28. Математическое моделирование биотехнологического процесса периодической ферментации получения молочной кислоты /
О Ю.Л. Гордеева, Е.Г. Рудаковская, Е.Л. Гордее-N ва и др. // Теоретические основы химической " технологии. 2017. Т. 51. №. 3. С. 270-287. doi: Z 10.7868/S0040357117030058 ф 29. Open and continuous fermentation: products, conditions and bioprocess economy щ / T. Li, J. Chen, Q. Wu, et al. // Biotechnology ¡J journal. 2014. Vol. 9. No. 12. P. 1503-1511. e; doi: 10.1002/biot.201400084.
30. Ruan L., Chen X.D. Comparison of several (H periodic operations of a continuous fermentation
process // Biotechnology progress. 1996. No. 2. P. 286-288. doi: 10.1021/bp960006l.
31. Long-chain Alcohol Production in Open Culture Anaerobic Fermentation / L. Wu, W. Wei, Z. Chen, et al. // Chemical Engineering Journal. 2022. Vol. 452(1). 139225. doi: 10.1016/j.cej.2022.139225.
32. Teke G.M., Pott R.W. Design and evaluation of a continuous semipartition biore-actor for in situ liquid extractive fermentation // Biotechnology and bioengineering. 2021. Vol. 118. No. 1. С. 58-71. doi: 10.1002/bit.27550.
33. Филиппова А.С. Анализ различных типов процесса ферментации и аппаратов для ее реализации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. №7. С. 396-402.
34. Твердофазная ферментация цел-люлозосодержащего сырья с использованием дрожжей / М.С. Каночкина, Е.Г. Борисенко, Е.Р. Крючкова и др. // Хранение и переработка сельхозсырья. 2022. №. 1. P. 133-144. doi: 10.36107/spfp.2022.245.
35. Friedl A. Downstream process options for the ABE fermentation // FEMS Microbiology Letters. 2016. Vol. 363. No. 9. 073. doi: 10.1093/femsle/fnw073.
36. Peter F. Stanbury, Allan Whitaker, Stephen J. Hall. An introduction to fermentation processes // Principles of Fermentation Technology. Butterworth-Heinemann. Elsevier, 2017. P. 1-20. URL: https://www. sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9 780080999531000016?via%3Dihub. (дата обращения: 20.02.2023). doi: 10.1016/B978-0-08-099953-1.00001-6.
37. Микробиологическая оценка процесса ускоренной твердофазной ферментации органического сырья / Н.В. Фомичева, Г.Ю. Рабинович, Е.А. Прутенская и др. // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. №. 2 (37). P. 236-243. doi: 10.21285/2227-2925-2021 -11 -2-236-243.
38. Advantages and Progress innovations of solid-state fermentation to produce industrial enzymes / L. Londono-Hernandez, H.A. Ruiz, C.R. Toro, et al. // Microbial Enzymes: Roles and Applications in Industries. MICRO. 2020. Vol. 11. P. 87-113. doi: 10.1007/978-981 -15-1710-5_4.
39. Solid-state fermentation for the production of mushrooms / L. A. J. Letti, F. M. D. Vitola, G. V. de Melo Pereira, et al. // Current developments in biotechnology and bioengineering. 2018. P. 285-318. doi: 10.1016/ B978-0-444-63990-5.00014-1.
40. Sadh P.K., Duhan S., Duhan J.S. Agro-industrial wastes and their utilization using solid state fermentation: a review // Bioresources and Bioprocessing. 2018. Vol. 5. 1. URL: https://bioresourcesbioprocessing. springeropen.com/articles/10.1186/s40643-017-0187-z. (дата обращения: 20.01.23). doi: 10.1186/s40643-017-0187-z.
41. Advances in solid-state fermentation for bioconversion of agricultural wastes to value-added products: Opportunities and challenges / C.R. Chilakamarry, A.M. Sakinah, A.W. Zularisam, et al. // Bioresource technol -ogy. 2022. Vol. 343. 126065. URL: https:// www.sciencedirect.com/science/article/abs/ pii/S0960852421014073?via%3Dihub (дата обращения: 28.01.2023). doi: 10.1016/j. biortech.2021.126065.
42. Biohydrogen production from organic waste-a review / P. Sampath, K.R. Reddy, C.V. Reddy, et al. // Chemical Engineering and Technology. 2020. Vol. 43. No. 7. P. 1240-1248. doi: 10.1002/ceat.201900400.
43. Распоряжение Правительства РФ от 5 августа 2021 г. № 2162-р «Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации». URL: http://static.government.ru/
media/files/5JFns1CDAKqYKzZ0mnRADAw2 NqcVsexl.pdf (дата обращения: 02.04.2023).
Review of active methods of biological processing of organic waste
A.D. Gorbenko12, M.A. Kaplan2, E.P. Sevost'janova1, N.E. Tihomirov1, V.M. Andreevskaja1, Ja.A. Morozova1, A.S. Baikin2, K.V. Sergienko2, E.O. Nasakina2, A.P. Glinushkin1, M.A. Sevost'janov1'2
1All-Russian Research Institute of Phytopathology, ul. Institut, vl. 5, r.p. Bol'shie Vyazemy, Odintsovskii r-n, Moskovskaya obl., 143050, Russian Federation
2 Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, Leninskii prosp., 49, g. Moskva, 119334, Russian Federation
Abstract. Research and development of sufficiently fast and commercially viable methods of processing organic waste has advanced significantly since the second half of the 20th century, when their disposal began to be considered as one of the means of combating environmental pollution and rational use of resources. The most effective methods were active biological processing, characterised by a higher rate of bioconversion and the quality of the final product, compared with analogues, due to which they are widely used in the agricultural sector. The results of the analysis of modern methods of bioconversion can help to improve the economic efficiency of waste processing enterprises. The studies aimed to familiarise with the trends in the use and analysis of the features of active methods of biological processing, followed by the selection of the most promising ones. Liquid phase and solid phase fermentation methods based on aerobic processes make it possible to use a wide range of organic raw materials to produce medicines, fertilizers and feed. The possibility of optimising the technology parameters for a specific raw material contributes to their distribution in the economic activity of the regions, regardless of differences in natural conditions and resources. In the field of reuse of organic matter, the most promising are enzymatic and biohumus-forming (vermicomposting) methods. Enzymatic bioconversion has significant potential in the context of the promotion of "hydrogen energy". Photofermentation and dark fermentation, taking place under aerobic and anaerobic conditions, allow not only processing organic waste, but also producing fuel in the form of biogas, including hydrogen.
Keywords: biofuel; biological processing; bioreactor; fermentation; bioconversion.
Author Details: A.D. Gorbenko, lab. assist. (e-mail: [email protected]); M.A. Kaplan, Cand. Sc. (Tech.), junior research fellow; E.P. Sevost'janova, junior research fellow; N.E. Tihomirov, junior research fellow; V.M. Andreevskaja, junior research fellow; Ja.A. Morozova, lab. assist.;A.S. Baikin, junior research fellow; K.V. Sergienko, junior research fellow; E.O. Nasakina, Cand. Sc. (Tech.), senior research fellow; A.V. Kvitko, D. Sc. (Yur.), leading research fellow; M.A. Sevost'janov, Cand. Sc. (Tech.), deputy director.
For citation: Gorbenko AD, Kaplan MA, Sevost'janova EP, et al. [Review of active methods of biological processing of organic waste Zemledelie]. 2023; (3): 36-40. Russian. doi: 10.24412/0044-3913-2023-3-36-40. ■
