Полная версия

Главная arrow Агропромышленность arrow Биоконверсия вторичных продуктов агропромышленного комплекса

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ОЦЕНКА ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ БИОМАССЫ

Агроэкономическая оценка биоконверсии вторичных продуктов животноводства

Накопленный опыт компостирования навоза животноводства убедительно доказывает, что наилучшие результаты дает контролируемая конверсия органических субстратов в локальных ёмкостях (ферментерах, аэротенках, метантенках и т.п.). Биохимические процессы многократно ускоряются, а конечный продукт - биокомпост и его аналоги - по содержанию питательных веществ в несколько раз превосходит первоначальный субстрат. Таков закономерный итог микробиологической конверсии.

Микробиологические превращения углеродсодержащих отходов в аэробных и анаэробных условиях представляют собой специфические реакции саморазогревающейся системы.

Микроорганизмы приспособились жить при определенных температурах, а многие представители различных таксономических групп демонстрируют высокую трансформирующую активность, окисляя субстраты при температуре до 70-80°С и выше. Теплоемкость клеток микробов является относительно стабильным свойством и в значительной мере определяется содержанием в них воды. Клеточная стенка термофилов обладает заметной устойчивостью к действию высокой температуры. Это обусловлено ее химическим составом и более термоустойчивым, чем у мезофилов, механизмом синтеза клеточных стенок.

На скорость роста микрофлоры в боксе влияют состав субстрата и режим компостирования (температура, перемешивание или поддув и т. д.), а также правильный подбор штаммов-деструкторов. При этом изменяется качество и количество метаболитов: чем богаче субстрат источниками энергии, тем выше максимальные температуры развития гетеротрофных микроорганизмов.

Некоторое превышение оптимальной температуры вызывает у термофилов интенсификацию дыхания и усиленное потребление субстрата - активизацию термогенеза. Дальнейшее повышение температуры ведет к снижению дыхательной активности. Практически максимальная специфическая скорость роста микроорганизма может быть установлена в первые 8-20 ч развития. Для поддержания высокой скорости метаболических реакций и быстрого окисления субстратов термофилами в среде всегда в достаточном количестве должен присутствовать растворенный кислород.

Среди различных целлюлозоразрушающих микроорганизмов особое место занимают микроскопические грибы (Trichoderma, Aspei-gil/us, Chaetomium и др.) - продуценты активных целлюлоли- тических ферментов. Термофильные и тсрмотолсрантные целлюлозоразрушающие грибы в природе встречаются реже, чем бактерии. Наиболее распространенным местом их обитания являются самора- зогрсвающиеся биологические системы (компосты, навоз, вторичные продукты растениеводства и др.).

При низких температурах для поддержания в активном состоянии клеток мезофилов требуются большие энергетические затраты, чем для тех же клеток при более высоких (оптимальных) температурах. Нарушается корреляция между скоростью энергоснабжения клетки и скоростью оттока энергии на размножение. Эта избыточная энергия, поступающая с потребляемым субстратом, должна как-то рассеиваться. Такими путями рассеивания могут быть: усиление метаболизма с выделением во внешнюю среду недоокисленных соединений, содержащих сравнительно большой запас энергии (органические кислоты, спирты), а также усиленное рассеивание энергии в виде тепла (термогенез). Эти механизмы рассеивания энергии лучше контролируются при закрытом компостировании органического субстрата.

Согласно схеме, основанной на экспериментальных данных, полученных автором и рядом других исследователей, на первом этапе превышения оптимальных температур численность (следовательно, и биомасса) аэробных гетеротрофных микроорганизмов уменьшается, но дыхательная активность клеток и скорость потребления энергетического субстрата возрастают. Увеличивается также термогенез.

Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому снижению урожая биомассы. Значит, на этом отрезке времени должно адекватно увеличиться выделение продуктов неполного окисления энергетического субстрата - органических кислот, спиртов, альдегидов и др. Механизм повышенного образования и выделения в среду кислот может быть связан с ингибированием высокой температурой синтеза ферментов, вовлекающих кислоты в цикл последующих превращений.

В таблице 39 представлен экспериментальный материал по изучению процесса ферментации органических компонентов компоста (навоз, торф) в различных сочетаниях. Показано влияние температуры и сроков инкубации на численность мезофильных и термофильных микроорганизмов, участвующих в трансформации органических и минеральных форм азота.

Таблица 39

Динамика развития микроорганизмов в зависимости от соотношения ферментируемых субстратов, температуры и сроков инкубации, млн/г

Группы

микроорганизмов

Исходная проба

Через 24 ч инкубации

Через 48 ч инкубации

навоз: торф

навоз: торф

навоз: торф

40:60

50:50

30:70

40:60

50:50

30:70

40:60

50:50

30:70

Трансформирующие минеральные формы азота (учет по КАА)

  • 5L2
  • 5,3
  • 548.1
  • 10,4
  • 16.9
  • 46,1
  • 95.8
  • 64,5
  • 124,2
  • 9,0
  • 33.2
  • 40,7
  • 130,0
  • 88,5
  • 150.7
  • 20,3

ш

25,0

Трансформирующие органические формы азота (учет по МПА)

о

? ° O'

234,8

  • 12.
  • 54,8
  • 457,0
  • 0
  • 438,7
  • 113,0

_LL

33,0

  • 189,7
  • 0
  • 298.7
  • 486.7
  • 41,3
  • 74,5

Примечание: в числителе - мезофилы (температура инкубации 28°С); в знаменателе - термофилы (температура инкубации 55°С).

Таким образом, кинетические особенности метаболизма при компостировании, а также некоторые свойства ферментов микроорганизмов позволяют для удобства разделить процесс управляемого компостирования органических субстратов на мезофильную и термофильную фазы. Эти стадии характеризуются определенными параметрами температур и pH субстрата.

Обычно микроорганизмы мезофильной фазы начинают быстро размножаться, температура поднимается до 40-45°С, и среда подкисляется за счет образования органических кислот. С увеличением температуры начинают гибнуть исходные мезофилы и преобладать термофилы, pH субстрата подщелачивается за счет выделения аммиака при распаде белков. Скорость тепловыделения становится равной скорости теплопотери, что свидетельствует о достижении температурного максимума. При этом субстрат разнообразного состава активно модифицируется под воздействием ферментных систем.

Сведения о целлюлозолитических ферментах, образуемых термофильными микроорганизмами, немногочисленны. Принято считать, что при высокой температуре процесс компостирования вторичных продуктов или их биодеградации подавляется из-за ингибирования роста микроорганизмов; очень немногие виды сохраняют активность при температуре свыше 70°С. Однако температура выше 60°С полезна для борьбы с термочувствительными патогенными микробами.

Целлюлозолитические ферменты часто проявляют высокую устойчивость к нагреванию. Например, очищенные компоненты препарата целлюлазы Trichoderma viride (кристаллический продукт) инактивировались при нагревании до 100°С. Инкубация указанного препарата целлюлазы при 60°С в течение 5 мин незначительно сказывается на величине активности, т. е. целлюлаза термостабильна.

Отличительной особенностью ферментов термофильных микроорганизмов, развивающихся в диапазоне температур от 50 до 90°С, является не только их термостабильность и более высокий температурный оптимум действия, но и повышенная биохимическая активность.

Как правило, наиболее устойчивы к повышенной температуре гидролитические ферменты. Известно, что амилазы и протеазы термофильных бактерий и актиномицетов имеют оптимум действия в зонах 70-80°С. Данные последних лет показывают, что многие внутриклеточные ферменты высокостабильны к повышенной температуре; среди них ферменты экстремально-термофильных бактерий занимают особое место.

Все вышесказанное расширяет возможности контролируемой биотрансформации вторичных продуктов сельского хозяйства в специально оборудованных хранилищах и локальных ёмкостях. Накоплен определенный опыт внедрения инновационных технологий биокомпостирования, получения и успешного применения новых высококачественных продуктов.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>