Физико-химические закономерности процесса аэробной твердофазной ферментации субстратов различной природы

Актуальность проблемы и общая характеристика работы. Процессы, протекающие в биосфере в рамках малого (биологического) круговорота веществ, в значительной степени основываются на жизнедеятельности микроорганизмов в определенных физико-химических условиях. Существующие в природе физико-химические закономерности и механизмы переносятся человеком на уровень технологических решений, направленных на утилизацию отходов и сырьевых ресурсов, поэтому их изучение является одной из приоритетных задач, обладающих высокой научно-практической значимостью.

Среди многообразия современных подходов, имеющихся в этой области, выделяются способы утилизации отходов «нового поколения», относящиеся к биоконверсионным. Процессы, осуществляемые микроорганизмами при биоконверсии, выгодны не только тем, что в них используются самые разнообразные сырьевые ресурсы (возобновляемые материалы животного и растительного происхождения, а также отходы различных производств), но и тем, что получаемые продукты зарекомендовали себя возможным применением в самых различных областях человеческой деятельности.

Большая часть способов биоконверсии представлена различного рода ферментационными процессами, осуществляемыми микрофлорой, изначально присутствующей в перерабатываемых субстратах или привнесенной в них в качестве биокатализатора. Одним из наиболее перспективных способов биоконверсии является аэробная твердофазная ферментация навоза и помета с углеродсодержащими материалами растительного происхождения (торф, опилки, солома и др.), в основу которой положено воздействие на ферментируемую массу воздуха, подаваемого извне компрессором. Регулирование процесса ферментации осуществляется варьированием физико-химических и биохимических параметров, что приводит к активации микрофлоры, присущей исходным субстратам, и ее ферментного аппарата.

Для прогнозирования свойств целевого продукта ферментации необходимо знание механизма процесса, вида описывающих его уравнений и их кинетических параметров. Решать задачи такого рода позволяет математическое моделирование.

Использование корректной математической модели делает возможным проведение оценки хода процесса ферментации на любом этапе.

Цель работы — комплексный мониторинг процесса аэробной твердофазной ферментации в зависимости от природы и количеств углеродсодержащих субстратов в составе исходных смесей, направленный на разработку прогнозной кинетической модели биодеградации органической фракции.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: комплексное (физико-химическое и биохимическое) исследование базового процесса аэробной твердофазной ферментации с использованием «классической» тор-фо-навозно-пометной смесикомплексное (физико-химическое и биохимическое) исследование процессов аэробной твердофазной ферментации при использовании различных количеств углеродсодержащих субстратов, частично замещающих торф, — ранее наиболее активно применявшихся в аналогичных процессах (опилки) и впервые предлагаемых к использованию в таком качестве (пивная дробина, льняная костра) — выявление связей между физико-химическими и биохимическими величинами, характеризующими течение исследуемых процессовразработка кинетической модели процесса ферментации, позволяющей оценить скорость и степень биодеградации органической фракции ферментируемых смесей с целью его дальнейшей оптимизации для получения удобрений с заданными свойствами.

Научная новизна работы и практическая значимость. Проведен экспресс-анализ базового процесса ферментации и выявлен оптимальный режим аэрации ферментируемых смесей. Выполнен комплексный мониторинг процессов ферментации при использовании различных концентраций углеродсодержащих субстратов.

Установлено, что использование одного из традиционных субстратов (древесных опилок) допустимо лишь в количестве, не превышающем 5% от общей массы ферментируемой смеси, что подтверждается благоприятным течением процесса, способствующим формированию качественных продуктов.

Впервые в процессе аэробной твердофазной ферментации использованы 2 вида нетрадиционных углеродсодержащих субстратов — крупнотоннажные отходы сельского хозяйства (льняная костра) и пивоваренной промышленности (пивная дробина). Выявлены благоприятные уровни концентраций пивной дробины (5.

15%) и льняной костры (5−10%) на течение процессов ферментации, их интенсивность и направленность, что подтверждено многокритериальной оценкой удобрительного «рейтинга» получаемых продуктов.

Построена кинетическая модель, характеризующая развитие целлюлозораз-рушающих аэробов на начальной стадии процесса ферментации в зависимости от состава лигноцеллюлозного комплекса ферментируемых субстратов, позволившая выявить пределы их концентраций, оказывающие позитивное влияние на развитие указанной группы микроорганизмов и их деградабельную способность.

Построена кинетическая модель биодеградации органической фракции ферментируемых смесей с учетом комплекса физико-химических показателей: температуры, влажности, зольности, кислородообеспечения, пористости, порозности, изменения массово-объемных соотношений, позволяющая осуществлять прогнозирование течения процесса ферментации с оценкой готовности и качества получаемой продукции (биокомпоста).

Результаты работы применяются при реализации процессов аэробной твердофазной ферментации на лабораторном, полупроизводственном и производственном уровнях в Тверском государственном техническом университете (ТГТУ) и Всероссийском НИИ сельскохозяйственного использования мелиорированных земель (ВНИИМЗ).

Полученные данные и сделанные выводы использованы при выполнении следующих проектов в рамках научных отраслевых программ Министерства образования и науки Российской Федерации: проект «Разработка технологии получения витаминизированных кормовых добавок методом биоконверсии сельскохозяйственных и пищевых отходов с добавлением биологически активных соединений» (программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Химия и химические продукты»), проект «Создание научных основ биосорбции и биодеструкции органических отходов» (программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Химия и химические продукты»), проект «Разработка технологии получения и использования биологически активных веществ — регуляторов биотехнологических процессов переработки сельскохозяйственного сырья» (программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Технологии живых систем»).

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на Международной конференции молодых ученых «От фундаментальной науки к новым технологиям» (Тверь, 2001), Международной научно-практической конференции «Использование органических удобрений и биоресурсов в современном земледелии» (Владимир, 2002), Всероссийской заочной конференции «Перспективы развития Волжского региона» (Тверь, 2003), Международной научно-практической конференции «Высокие технологии добычи, глубокой переработки и использования озерно-болотных отложений» (Томск, 2003), 11-ом Международном Конгрессе «Молекулярные взаимодействия между растениями и микроорганизмами: новые мосты между прошлым и будущим» (С.-Петербург, 2003), 6-ой Межрегиональной конференции по использованию и управлению земельными и водными ресурсами (Альбасете, Испания, 2003), 2-ой научно-практической конференции «Научные проблемы устойчивого развития Тверской области: экономика, экология, социология» (Тверь, 2003), Межрегиональной конференции «Производство продовольствия и вода» (Москва, 2004).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, получены патенты РФ на полезные модели № 39 599, № 38 396 и решение о выдаче патента РФ (Заявка № 2 003 138 196/12 от 31.12.2003).

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 137 страниц печатного текста, 28 рисунков, 21 таблицу в основном тексте и 6 в приложениях. В списке литературы 136 наименований.

Выводы, аналогичные опыту с льняной кострой, были сделаны для опыта с древесными опилками. Необходимо отметить также, что для опыта с использованием опилок эффект ингибирования роста целлюлозолитической микрофлоры выражен слабее, нежели для опыта с кострой, что объясняется как более низким содержанием лигнина в составе опилок, так и различной ингибирующей способностью лигнина этих субстратов, связанной с различием его структурной организации [129].

Итак, построена кинетическая модель, характеризующая развитие целлюло-зоразрушающих аэробов на начальной стадии процесса ферментации в зависимости от состава лигноцеллюлозного комплекса ферментируемых субстратов, позволившая выявить пределы концентраций исследуемых субстратов, оказывающие позитивное влияние на развитие указанной группы микроорганизмов и их деграда-бельную способность.

4.2 Кинетическая модель биодеградации органической фракции.

Использование вышеуказанного подхода не дает целостного представления о ходе процесса, поэтому с учетом сведений, приведенных в работе [130], предложена модель ферментации, в основу которой положены скорость и степень биодеградации органической фракции ферментируемой смеси, которая доступна микроорганизмам.

Отметим, что скорость биодеградации зависит в первую очередь от численности микроорганизмов и их функциональной активности, а следовательно, является функцией нескольких параметров, оказывающих влияние на развитие микрофлоры: температуры, содержания кислорода в смеси, ее влажности, порозности и рН, а также химического состава.

В работе [131] предлагается следующее уравнение для скорости биодеградации органической фракции:

4.3) Л где I — время (в сутках), к — константа скорости биодеградации, ВУ8 — масса органической фракции (кг) в момент времени Ъ N — порядок реакции.

Авторы [130] считают, что процессы биоконверсии, к которым относится и аэробная твердофазная ферментация, с достаточной точностью могут быть описаны моделями реакций нулевого, первого и второго порядков.

Ниже приводятся соответствующие уравнения для разных порядков: и, л &bdquo-ч реакция нулевого порядка: г = = -к- (4.4).

БУБ реакция первого порядка: г =-= -кВУБ- (4.5) Л реакция второго порядка: г = = -кВУБ2- (4.6) Л.

Оказывается возможным опосредованное оценивание скорости биодеградации органической фракции по скорости потребления микроорганизмами кислорода в ходе ферментации [132, 133]. С этой целью воспользуемся регрессионным уравнением для вычисления пористостно-порозностного коэффициента ферментируемых смесей, предложенным в работе [134]:

FAS%=103,3−0,089p, (4.7) где FASo/0 — объемная доля пор, заполняемых воздухом, р — объемная плотность исходной смеси (кг/м3).

Отметим, что к концу исследуемого процесса ферментации снижение верхней границы уровня ферментируемой смеси (Ah) относительно исходного оказывалось равным (0,11−0,24 м), а соответствующее уменьшение объема смесей (AVC) составляло (0,04−0,14 м3) при известной площади поверхности смесей, равной 0,4 м².

Начальная и конечная объемные плотности ферментируемых смесей вычисляются по формулам: pHa4=mi/VCjHa4, (4.8) pKOH=m2/VC-ICOH=m2/(Vc>Ha4-AVc), (4.9) где mi и ш2 — массы загруженной и выгруженной смесей (кг), Ус, нач и Vc, KOhначальный и конечный объемы смеси.

Допустим, что в ходе ферментации объемная плотность и непосредственно объем смеси за равные интервалы времени уменьшаются на равную величину, тогда ежесуточное снижение объемной плотности составляет: Дрсуг=(Рнач-Ркон)/6 кг/м *сут", а ежесуточное снижение объема смеси — AVC-Cyr=(VC)"a4-VC-KoH)/6 м. Тогда плотность смеси на i-e сутки ферментации составит р-=р"ач-Дрсуг*ь В свою очередь, сообразно уравнению для вычисления FAS, объем воздуха (м3), которым заполняются поры после каждой продувки на i-e сутки, вычисляется по формуле: V (Vv (°c*FAS (, V1/100=(Vc>Ha4-AVc, cyr*i)*(103,3−0,089*(pHa4-Apcyr*i))/100, (4.10) где Vc — объем смеси на i-e сутки ферментации,.

Зная объем воздуха в смеси (V (I)B) и опираясь на сведения об изменениях объемного содержания кислорода (табл. 3.3, табл. П. 1.1), можно вычислить массу кислорода, расходующегося на биодеградацию в течение i-x суток (кг/сут), по формуле:

Vuol ЮО 1 — где аог. вход и «02,выход объемное содержание кислорода в окружающей среде (-21%) и в ферментируемой смеси перед очередной продувкой соответственно,.

3 3.

Vmol ~ молярный объем газов (22,4*10″ м /моль), М02 — молярная масса кислорода.

0,032 кг/моль), 0 — интервал между продувками (10 мин), 1440 — коэффициент пересчета в сутки. Тогда суммарный расход кислорода (кг) за 7 суток ферментации равен:

Общ т02 1>о'2- (4.12).

На основании сведений о зольностях исходных смесей и продуктов ферментации (табл. 3.3, табл. П. 1.1) вычислим общее снижение массы органической фракции за 7 суток ферментации согласно следующей формуле:

АВУЯ (кг) = т, *(100-^,)*(100*(100-}У2)*(0−22).

4.13) где Ш] и Ш2 — массы загруженной в ферментер смеси и выгруженного продукта соответственно (кг), и — их влажности (%), Z и Z2 — зольности (%).

Исходя из допущения, что в ходе ферментации подвергается деградации органическая фракция некоторого стехиометрически-постоянного состава, определим среднюю величину расхода кислорода, необходимого для деградации 1 кг фракции каждой из смесей по формуле:

ХПК = т°б2щ /АВУБ (кг}, (4.14).

Фактически, рассматриваемый показатель ХПК — это аналог широко используемого химиками показателя химического потребления кислорода, являющегося однозначной характеристикой того или иного органического вещества. Найденные согласно уравнению (4.14) величины ХПК органической фракции используемых в работе смесей варьировали в пределах 1,46−1,63 кг/кг. К примеру, в работе [135] ХПК для субстрата на основе пищевых отходов, описываемого формулой С18Н26О10М, составлял 1,34 кг/кг. Более высокие величины ХПК ферментируемых субстратов по сравнению с литературной величиной свидетельствуют о их сложной стехиометрии, причем большие ХПК были характерны для смесей с повышенным содержанием лигноцеллюлозы — в опытах с льняной кострой и опилками.

Воспользуемся величинами ХПК для расчета скоростей биодеградации (кг*сут" '). Для этого введем допущение о неизменности скорости биодеградации в течение суток: где г®- - скорость биодеградации на i-сутки, — масса потребленного за i-e сутки кислорода.

В таблице 4.2 приведены входные данные модели биодеградации органической фракции.

Поскольку скорость биодеградации определяется в соответствии с изменениями объема смеси (m (? =f (V (i)B)), то, зная массы поглощаемого кислорода можно вычислить константы скорости для реакционных моделей разных порядков. Мы полагаем физико-химически обоснованными реакции нулевого и первого порядков: нулевой порядок: ки) = r (i), (4.16) r0) rv) первый порядок: к (,) =-=-:-,.

ВУ5> Е< (4.17).

ВУБ.

0 ХПК.

Единицы измерения констант скорости биодеградации следующие:

— к (нулевой порядок) — кг*сут.

— к' (первый порядок) — 1 *сут-1;

Известно, что с ростом температуры (до уровней, при которых денатурирует большинство известных ферментов) увеличивается и способность микроорганизмов к осуществлению биотрансформации. Поэтому оказывается необходимым поиск подходящего математического описания зависимостей скорости биодеградации от температуры ферментируемой смеси. Авторы работ [126, 130] указывают на то, что с этой целью может быть использовано классическое уравнение Аррениуса, связывающее константу скорости с температурой ферментируемых смесей.

— ЭД р к = А*е или пк = пА-^~ (4.18) Ш где Еа — кажущаяся энергия активации, кДж/моль;

Я — универсальная газовая постоянная, 8,314*10'3 кДж/моль;

Т — температура смеси, К;

А — предэкспоненциальный множитель, зависящий от порядка реакции.

Однако прямое использование уравнения Аррениуса для аэробной твердофазной ферментации оказывается крайне затруднительным, поскольку окисление органической фракции кислородом воздуха относится к гетерогенным процессам и.

N.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящее время существует ряд нерешенных проблем в области усовершенствования процессов биоконверсии, среди которых выделяется необходимость поиска математических зависимостей параметров ферментации от состава и свойств исходных смесей, позволяющих осуществлять автоматизированный контроль процессов. В связи с этим настоящая работа была посвящена созданию кинетической модели биодеградации органической фракции ферментируемых смесей различного состава, основанной на физико-химических данных, полученных путем комплексного мониторинга процесса аэробной твердофазной ферментации «классической» торфо-навозно-пометной смеси (50%:35%:15%) и при использовании 520% углеродсодержащих субстратов различной природы (пивная дробина, льняная костра, древесные опилки), частично замещающих торф.

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. Установлены основные физико-химические закономерности, характерные для процесса аэробной твердофазной ферментации. Построена кинетическая модель развития популяции аэробных целлюлозолитических микроорганизмов на начальной стадии процесса ферментации, позволившая определить пределы концентраций исследуемых субстратов, при которых наблюдается наилучшее развитие микроорганизмов этой группы: для опыта с пивной дробиной — 5−15%- для опыта с льняной кострой — 5−10%- для опыта с древесными опилками — 5−10%.

2. Разработана многопараметрическая кинетическая модель биодеградации органической фракции при использовании комплекса физико-химических параметров ферментации (температуры, влажности, зольности, кислородообеспечения, пористости, порозности, изменения массово-объемных соотношений), позволившая выдвинуть предположение о механизме гетерогенного окисления субстратов различной природы. Внедрение модели обеспечивает автоматизированный контроль процесса.

3. Выявлены антибатность динамики содержания кислорода и температуры (Яср ~ -0,84) — активная биотрансформация трудногидролизуемых высокомолекулярных веществ — клетчатки и жировнакопление физиологически активных веществ — фульвокислот и триптофана, придающих продуктам ферментации удобрительную ценность.

4. Установлено, что наилучшими разогревом смесей и поглощением кислорода микрофлорой, наибольшей длительностью термофильного периода и минимальными коэффициентами остывания, наивысшей степенью озоления ферментируемых смесей по сравнению с базовым опытом отличались опыты с внесением в состав исходных смесей 10−20% пивной дробины, свидетельствуя о благоприятном воздействии указанного субстрата в отношении микроорганизмов.

5. Выявлено сокращение длительности термофильного периода, снижение поглощения кислорода и степени озоления ферментируемых смесей для опытов с 15−20% льняной костры и 10−20% древесных опилок, что свидетельствует об инги-бирующем эффекте, возникающем из-за избытка лигноцеллюлозных компонент.

6. Установлено максимальное накопление фульвокислот в опытах с пивной дробиной (5−15%) — достаточно высокое, соразмеримое с базовым опытом, — в опытах с льняной кострой (5−10%) и древесными опилками (5%). Получаемые при таких количествах исходных компонент продукты ферментации обладают согласно «конденсационной» теории пролонгированными удобрительными свойствами, способствуя повышению почвенного плодородия.

7. Предложена система оценки удобрительного «рейтинга» продуктов ферментации, показавшая их высокую удобрительную ценность, в 2−4 раза превышающую удобрительную ценность нативного подстилочного навоза.

8. Разработаны полезные модели на полупроизводственную установку и устройство пробоподготовки (патенты РФ №№ 39 599, 38 396), обеспечившие проведение цикла запланированных экспериментов.