Биотехнологические подходы к оптимизации процессов переработки отходов и вторичного сырья агропромышленного комплекса

Хабибуллин, Рустем Эдуардович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Биотехнологические подходы к оптимизации процессов переработки отходов и вторичного сырья агропромышленного комплекса
ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Биотехнологические подходы к оптимизации процессов переработки отходов и вторичного сырья агропромышленного комплекса"

На правах рукописи

/" - У

ХАБИБУЛЛИН РУСТЕМ ЭДУАРДОВИЧ

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ И ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

Специальность: 03.0! .06 - Биотехнология (в т.ч. биошнотехнолсгик)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени "доктора технических наук

1 9 лпг 2015

Казань 2015

005561569

Работа выполнена на кафедре технологии пишевых производств ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (КНИТУ) и лаборатории экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии Наук Республики Татарстан.

Научный доктор технических наук, профессор,

консультант: Решетник Ольга Алексеевна

Официальные Осмолов Орсзмамат Мамасалиевич, доктор технически?: на-оппсненты: ук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», кафедра теплотехники, гидравлики и энергообеспечения предприятий, профессор кафедры, г. Москва

Бззаряова Юлия Генриховна, доктор технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный торгово-экономический университет», кафедра химии и биотехнологии, заведующая кафедрой, г. Санкт-Петербург

Собгайда Наталья Анатольевна, доктор технических наук, доцент, Энгельсский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», кафедра экологии и дизайна, профессор кафедры, г. Энгельс

Ведущая федеральное государственное бюджетное образовательное уч-

оргйнигация: реждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», г. Москва

Защита диссертации состоится «14» октября 2015 г. в 14:00 на заседания диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.080.02 При ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 63. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» а на сайте www.kstu.ru.

Автореферат разослан «31» июля 2015 г.

Учёный секретарь Г~~>г Степанова Светлана

диссертационного совета Д 212.080.02 "Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обеспечение экологической безопасности и сохранение здоровья населения являются приоритетными проблемами как для Российской Федерации в целом, так и для Республики Татарстан, в частности.

.Предприятия агропромышленного комплекса и пищевой гтомышленности являются источниками мощного антропогенного воздействия на экосистемы и окружающую среду. Среди основных источников загрязнения выделяются отходы животноводства, а именно навоз крупного рогатого скота, свиней и куриный помет. Их экологическая опасность и биологическая активность значительно повысилась в результате отказа от применения подстилки и изменения их состава и физико-химических свойств, в первую очередь влажности.

.Другим фактором техногенного воздействия предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности на окружающие экосистемы являются производственные сточные воды. На настоящий момент времени не существует универсальной технологической схемы их очистки, учитывающей особенности производства, состав и количество перерабатываемого сырья, ассортимент выпускаемой продукции, в связи с чем разработка, усовершенствование и внедрение эффективных технологий очистки сточных вод предприятий пищевой отрасли остаются приоритетными задачами науки.

Одновременно при переработке мясного сырья в пищевой промышленности создаются значительные количества вторичного белоксодержашего сырья, в частности, субпродуктов, которые недостаточно рационально используются. Непосредственное использование их в пищу сдерживает ряд ограничений, связанных с аминокислотной несбалансированностью белка, высокой микробной обсемененно-стыо. неудовлетворительными функционально-технологическими свойствами и сенсорными характеристиками.

iB настоящей работе предложено осуществлять оптимизацию и усовершенствование промышленных процессов переработки отходов и вторичного сырья агро-промышлешюго комплекса методами биотехнологии как наиболее эффективными, экономичными и экологически обоснованными, на основе системного подхода, т.е. с учетом свойств перерабатываемого сырья, получаемых продуктов и применяемых технологий.

Так, наиболее эффективными методами переработки отходов животноводства и очистки производственных сточных вод пищевой и перерабатывающей промышленности признаются анаэробные метаногенные процессы. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами компостирования и аэробной обработки, отличаются своей эффективностью, экологической безопасностью и низкими эксплуатационными затратами. Один из методов использования вторичного сырья животного происхождения связан с его биотехнологической модификацией, т.е. направленным регулированием физико-химических, биохимических и микробиологических процессов, в ходе которых формируются требуемые свойства готового продукта.

Биотехнология обозначена в качестве государственного приоритета в Концепции социально-экономического развития России до 2020 года (утверждена Правительством Российской Федерации 25.11.2008 г.). На региональном уровне приоритетность биотехнологии и ее потенциальные возможности подтверждаются Целевой Программой «Развитие биотехнологии в Республике Татарстан на 2010-2020 годы» (утверждена Постановлением Кабинета Министров Республики Татарстан № 180 от 24.03.2010), в которой указывается, что «...активная государственная поли-

тшсг в сфере биотехнологии позволяет осуществить:

- успешное решение экологических проблем;

- развитие альтернативной энергетики на основе возобновляемых биоресурсов;

- обеспечение населения продуктами питания отечественного производства».

Диссертационная работа выполнена в соответствии с основными направлениями исследований ФГБОУ ВПО «КНИТУ» по приоритетному направлению развития ПНР-5 «Энергоресурсссберегающие технологии перспективных материалов», в рамках темы НИ? кафедры технологии пищевых производств (ТПП) «Разработать научные и практические основы технологии производства и комплексной переработки сырья растительного и животного происхождения для выработки кенкурентноепо-ссбных пищевых продуктов» (№ государственной регистрации 01200305357), в рамках экологической научно-технической программы Республики Татарстан «Развитие мониторинга и оздоровление окружающей среды» (1993 г.), при поддержке Гранта АН Республики Татарстан № 09-9.3-192/2005 Ф на тему «Оценка экологической безопасности сточных вод и вторичных продуктов пищевой и перерабатывающей промышленности по их генотоксичности» (2004-2005 г.г.), в рамках темы НИР Бюджета АН Республики Татарстан «Изучение закономерностей формирования иммобилизованных бисценозоз биологических очистных сооружений под воздействием антропогенных факторов» (2009 -2013 г.г.) и при финансовой поддержке грантов Правительства Республики Татарстан «Алгарыш» 2008 и 2015 гг.

Цель работы заключалась в разработке, экспериментальном обосновании и практической реализации биотехнологических подходов к усовершенствованию, оптимизации и интенсификации промышленных процессов и технологий использования ряда отходов и вторичного сырья сельского хозяйства, пищевой и перерабатывающей промышленности.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. Обобщить представления об основных органических отходах птицеводческих предприятий, предприятий первичной переработки сырья животного происхождения, их качественных характеристиках и методах их утилизации.

2. Усовершенствовать процесс метаногенного сбраживания куриного помета путем снижен:« ингибирующего воздействия ионов аммония веществами природного происхождения.

3. Сформулировать и решить задачу оптимизации биотехнологического процесса сбраживания куриного помета в непрерывном режиме.

4. Разработать конструкцию биореактора для реализации промышленной биотехнологии сбраживания куриного помета и предложить методику его технологического расчета.

5. Разработать новые способы использования сброженного помета для решения проблем сельского хозяйства и зашиты окружающей среды.

6. Усовершенствовать методику' биотестирования промышленных сточных вод с использованием тест-объектов различного уровня организации.

7. Усовершенствовать технологическую схему анаэробно-аэробной очистки сточных вод предприятия по переработке цельного молока путем пространственного разделения последовательных фаз метаногенеза.

8. Сформулировать и решить задачу оптимизации процесса биологической очистки сточных вод предприятия по переработке цельного молока.

9. Экспериментально обосновать применение экзогенной молочнокислой ферментации для улучшения функционально-технологических, органолептических свойств говяжьих субпродуктов.

10. Оптимизировать условия процесса биотехнологической трансформации вторичного мясного сырья.

11. Сформулировать и решить задачу оптимизации состава комбинированных мясных продуктов на основании критериев биологической ценности с учетом стоимости компонентов сырья.

Научная новизна. В результате выполнения работы получены следующие научные результаты:

Охарактеризованы закономерности ингибирующего действия ионов аммония на процесс метгкогенного сбраживания куриного помета.

Впервые выявлен эффект снижения ингибирования метаногенного сбраживания куриного помета ионами аммония в присутствии фосфоритной муки.

Экспериментально определены оптимальные значения основных параметров процесса метаногенного сбраживания куриного помета в непрерывных условиях (скорости протока Д интенсивности перемешивания Л'ус1).

Разработана нсвая методика технологического расчета биореактора с заглубленной струен на основе критериев гидродинамического подобия.

Экспериментально обосновано повышение эффективности процесса ана-эробно-аэробной-очистки сточных вод предприятия по переработке цельного молока путем пространственного разделения анаэробной ступени.

Сформулирована задача оптимизации технологического процесса очистки сточных вод предприятия по переработке цельного молока в каскаде последовательных анаэробно-аэробных биореакторов.

Экспериментально исследован процесс биомодификации субпродуктов путем экзогенной молочнокислой ферментации с точки зрения изменений функционально-технологических, органолептических и санитарно-гигиенических свойств.

Сформулирована задача оптимизации состава мясопродуктов с использованием бномодифнцированного субпродуктов на основе критерия биологической ценности и стоимости компонентов сырья, разработана программа для расчета и оптимизации состава мясопродуктов.

Теоретическая и практическая значимость. Селекционировано метано-генное сообщество с высокой биохимической активностью в отношении азотсодержащего органического отхода - куриного помета для осуществления эффективного процесса его переработки.

Разработан и испытан в лабораторных условиях способ интенсификации процесса анаэробного метаногенного сбраживания куриного помета с использованием природных минералоЕ.

Разработана и запатентована новая конструкция биор ¡актора для анаэробной переработки жидкого куриного помета.

Разработан и согласован в ¿Министерстве экологии и природопользования Республики Татарстан технологический регламент переработки куоиного помета с получением органического удобрения и биогаза, выполнено технико-экономическое обоснование строительства биоэнергетической установки.

Разработаны и экспериментально апробированы новые способы использования сброженного куриного помета для производства бактериальных удобрений и биологических препаратов для биоремедиации нефтезагрязненных почв.

Разработана методика биотестирования производственных сточных вод на основе токсичности, фитотоксичности, ДНК-поЕреждающей и мутагенной активности на тест-объектах различного уровня организации, переданная для использования в Центральную специализированную инспекцию аналитического контроля Министерства экологии и природных ресурсов Республики Татарстан.

Разработана компьютерная программа оптимизации анаэробно-аэробной биотехнологии очистки сточных вод предприятия по переработке цельного молока. Результаты расчетов использованы при реконструкции очистных сооружений ООО «Агрофирма Верхний Услон» Республики Татарстан, в результате которой эффективность процесса очистки повысилась на 35,8 % по химическому потреблению кислорода (ХПК) и на 25,9 % по биологическому потреблению кислорода (БПК).

Разработана техническая документация для организации процесса биотгхно-логической модификации говяжьих субпродуктов в условиях промышленного предприятия и производства на их основе мясных изделий, апробированных s условиях действующего производства.

Основные результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «КНИТУ» для магистров по программам «Ресурсосберегающие технологии переработки сырья животного происхождения» и «Современные технологии переработки молока и сыроделие». В 2004 году они были включены в программу курса «Современные технологии очистки сточных вод» для слушателей ОАО «Татспиртпром» в Центре подготовки и повышения квалификации преподавателей (ЦППКГ1) при ФГБОУ ВПО «КНИТУ».

Методология и методы исследования. Работа проводилась в лабораториях технологии мяса и мясных продуктов кафедры технологии пищевых производств (ТПП) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», экологических биотехнологий к зколого-аналитических измерений н мониторинга окружающей среды Института проблем экологии и недропользования (ИПЭН) Академии наук Республики Татарстан. В исследованиях применялись рекомендованные химические, физико-химические, микробиологические, органолептические методы анализа. Обработка экспериментальных данных проводилась при помоши надстроек «Анализ данных» и «Поиск решений» стандартной программы Microsoft Office Excel.

Положения, выносимые на защиту. Результаты пилотных исследований метаногенного сбраживания куриного помета в непрерывных условиях.

Метод снижения ингибирующего воздействия ионов аммония на метансге-нез куриного помета при помощи фосфоритной муки.

Экспериментальное обоснование иммобилизации микробной биомассы на гранулированном курином помете с получением бактериальных удобрений и биопрепаратов для биоремедиаиии нефтезагрязненных почв.

Методика технологического расчета биореактора с заглубленной струей на основе критериев гидродинамического подобия.

Экспериментачьное обоснование пространственного разделения анаэробной стадии биологической очистки сточных вод предприятия по переработке цельного молока.

Взаимосвязи эффективности очистки с показателями удельной органической нагрузки и удельной скорости деструкции органического вещества в процессе очистки сточных вод предприятия по переработке цельного молока.

Алгоритм оптимизации процесса биологической очистки сточных вод предприятия по переработке цельного молока в каскаде последовательных анаэробно-аэробных реакторов.

Экспериментальное обоснование молочнокислой ферментации говяжьих субпродуктов для улучшения га сашларно-гигиенических, функционально-технологических, органолептаческих свойств и биологической ценности.

Алгоритм и программа оптимизации состава комбинированных мясопродуктов на основе показателей биологической ценности белка и стоимости компонентов сырья.

Степень достоверности результатов. Достоверность и обоснованность основных положений и выводов диссертационной работы подтверх<даются согласованностью результатов теоретических исследований и экспериментальных работ, выполненных с применением современных методов исследований на экспериментальной базе ряда вузов, научных организаций и предприятий (ФГБОУ ВПО «КНИТУ», ИПЭН АН РТ, ООО НПИ «Биопрепараты»), а также их опытно-пром,пиленной апробацией на промышленных предприятиях (ОАО «Птицефабрика Ндбережночелнинская», ООО «Агрофирма «Верхний Услон». Филиал ОАО «Вамин-Татарстан» «Алексеевский молочно-консервный комбинат». Мясоперерабатывающее предприятие ИП Мутигуллин P.M.).

Апробация результатов работы. Основные результаты работы опубликованы s: доложены на: международной конференции «Проблемы современной биохимии и биотехнологии»'(Рига, 1985), 7 съезде всесоюзного микробиологического общества (Алма-Ата, 1985), всесоюзной конференции «Контроль и управление биотехнологическими процессами» (Горький, 1985), 4-й всесоюзной конференции «Управляемое культивирование микроорганизмов» (Пущина 1986), всесоюзной конференции «Микробиология охраны биосферы в регионах Урала и Северного Прикаспия» (Оренбург, 1991), научной конференции «Биофизика и биотехнология микробных популяций» (Алма-Ата, 1991), 5-й конференции «Новые направления биотехнологии» (Пущи.чо, 1992). 1 и 6 республиканских научных конференциях «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» (Казань, 1995, 2004), 7 и 8 европейских конгрессах по биотехнологии (Ницца, 1995, Будапешт, 1997). международной конференции по загрязнению окружающей среды ICEP-95 (Санкт-Петербург, 1995), международной конференции «Advanced Biotechnologies and Agriculture» (Феррара, 1995), межрегиональной научно-практической конференции «Пищевая промышлениость-2000» (Казань, 1996), международной конференции «Clean Tech'96» (Лондон, 1996), научно-практической конференции «Проблемы городского хозяйства и социально-культурной сферы города» (Казань, 1998), международных конференциях «Окружающая среда для нас и будущих поколений» (Самара, 20012004). 5 всероссийском форуме «Конкурентоспособность территорий и предприятий - стратегия экономического развития страны» (Екатеринбург, 2002), научной конференции «Кирпичниковсхие чтения» (Казань, 2003), 3 международной конференции по экологической химии (Кишинев, 2005), научно-практической конференции «Фу ндаментальные и прикладные проблемы повышения продуктивности сельскохозяйственных животных в изменившихся условиях системы хозяйствования и экологии» I Ульяновск, 2005), германо-российском семинаре «Использование энергосберегающих технологий в Республике Татарстан» (Берлин, 2008), научной конференции по случаю 20-летия сотрудничества Казанского государственного университета и Гиссеиского университета (Казань-Нижний Новгород, 2009). 2 международном кон-

грессе-партперияге-выстазке по биотехнологии и биоэнергии «EurasiaBio-20i0>> (Москва, 2010), 5-й межрегиональной научно-практической конференции «Промышленная экология и безопасность» (Казань, 2010), конгрессах и выставках «Чистая Веда» (Казань, 2009-2013), 7 Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2013), международной научно-практической конференции «Биотехнология и качество жизни» (Москва, 2014). общероссийских конференциях с международным участием «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2003-2013),

Публикации. По результатам научных исследований опубликованы 57 печатных работ, в том числе 2 патента, 29 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследований, результатов исследований и их анализа, основных результатов работы и выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 331 странице основного текста, содержит 61 рисунок и 52 таблицы. Список литературы включает 424 наименований, в том числе 120 иностранных источников.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному консультанту Заслуженному деятелю науки РТ, д.т.н., профессору Решетник O.A. за помощь и ценные советы при проведении работы и обсуждении ее результатов.

Автор выражает благодарность за научные консультации в процессе обсуждения результатов работы д.т.н., профессору Зиятдинову H.H. и д.т.н., профессору Ша-рнфуллину В.Н., а также к.б.н. Петрову A.M., к.б.н. Иванченко О.Б. и к.б.н. Крыловой Н.И. за неоценимую помощь в проведении экспериментальных работ и обсуждении их результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность рассматриваемой проблемы и целесообразность исследований, сформулирована цель работы, охарактеризована ее научная новизна и практическая значимость.

1 Современное состояние проблемы переработки органических отходов и вторичного сырья агропромышленного комплекса

Охарактеризованы основные виды органических отходов агропромышленного комплекса, описаны их физико-химические и зколого-токсикологические характеристики, описаны используемые и перспективные технологии их утилизации.

Дан анализ современных представлений о функционально-технологических, санитарно-гигиенических, физико-химических и органолептических свойствах вторичного мясного сырья, описаны основные проблемы при использовании его на пищевые цели и проанализированы способы улучшения их потребительских и Функциональных свойств. Приведены литературные данные о биотехнологических свойствах молочнокислых бактерий и бафид ©бактерий и их роли в биотрансформации вторичного мясного сырья. Теоретически обоснована перспективность экзогенной молочнокислой ферментации для улучшения свойств вторичного мясного сырья.

В свете современных представлений о глобальном потеплении и вкладе пар-никоаых газов в этот процесс, с учетом актуальности дефицита белка, и исходя из принципов энерго- и ресурсосбережения обоснована перепет износ гь биотехноло-

гических подходов к разработке л усовершенствованию способов использования отходов и вторичного сырья, связанных с получением возобновляемой энеогии и пищевого белка.

2 Организация, объекты и методы исследований

В главе представлены основные этапы проведения экспериментальных исследований. объекты исследований и используемые методы анализа. Методическую основу организации работ составляет системный подход, включающий исследование проблемы, постановку цели и соответствующих задач, выбор методов их решения, методику планирования и постановки эксперимента, матештическ\ю обработку и анализ результатов, практическую апробацию полученных решений.'

Объектами исследования на разных этапах работы явились: образцы натив-ного куриного помета с птицефабрик РТ; образцы сточных вод мясоперерабатывающих и молокоперерабатываюших предприятий; образцы нефтезагрязненных почв из мест нефтедобычи РТ; говяжьи субпродукты второй категории из лаборатории ветеринарно-санитарного контроля колхозного рынка № 2 г. Казани; штаммы бактерий Azotobacter crhoococcum, микромииета Trichoderma harzianum. угче-водородокисляющих микроорганизмов (УОМ) Rhodococcus sp.; микробное сооб-шество, сформированное из природных метакогенных экологических'шш: лиофи-лизированные монобактериальные закваски бактерий Lactobacillus plantarum ВРАЗ, Lactobacillus acidophilus n.v.Ep. 317/402, Bifidobacterium bifidmr., полнбактери-альные закваски для производства .мясопродуктов; семена пшеницы и редиса красного с белым кончиком, рачки Еетвистсусые Daphnia magna, бактерии родов Sarcina и Escherichia для проведения токсикологических исследований: бзктееии Escherichia coli, дефектные по отдельным системам репарации, для определения ДНК-поврежяаюшей активности, и ауксотрофный по гистидину штамм Salmonella typhimurium ТА 100 для определения мутагенности.

В работе использованы физико-химические, микробиологические, биохимические, гистологические, сенсорные методы исследований с помощью аттестованных методих.

Статистическая обработка результатов проведена в соответствии с принятыми методиками (ГОСТ Р ИСО 5725-1-5725-6-2002).

3 Экспериментальное обоснование интенсификации и оптимизации биотехнологии переработки куриного помета

Первым этапом работы предусматривалось исследование процесса метгно-генного сбраживания помета и его интенсификация. В соответствии с известными уравнениями кинетики роста микробных популяций с интибиоозанием, напоимер,

уравнением Эндрюса: * ' "

- ~ — - s

" ~ X dt ~ Ртах ' . S1 (1)

задача интенсификации процесса на уровне кинетики монет быть решена следующими способами:

- увеличением максимальной удельной скорости рсста pmvt путем использования микроорганизмов или микробных сообществ с высокой биохимической активностью з отношении утилизируемого субстрата,

- поддержанием высокой концентрации лимитирующего субстрата S;

- увеличение!*, константы ингибирования АГ, путем снижения воздействия ингибиторов.

Для реализации этих способов проведена направленная селекция в условиях непрерывного культивирования и получено микробное метаногенкое сообщество с высокой ферментативной активностью. Оно отличается от микрофлоры нативкого помета более высоким содержанием (на 4-5 порядков) бактерий с протеолигиче-ской и сахаролнтической ферментативной активностью (Таблица I), что отражает специфику сбраживаемого субстрата, в частности, высокое содержание в нем белка и растительных полисахаридов.

Таблица 1 - Групповой состав селекционированного микробного сообщества

Объект Численность отдельных групп микроорганизмов, ! ЫН • мл"1

Нативный помет | 1 ! 6 Микробное сообщество | 4 | 10 3 3 8 6 3 \ 2 з ; 6

Сравнительное изучение метаногенных бактерий из состава селекционированного сообщества при различных температурных режимах позволяет определить их субстратную специфичность и термочувствительность (Таблица 2).

Таблица 2 - Субстратная специфичность и термочувствительность метаногенных бактерий селекционированного микробного сообщества__^_

Субстрат Численность метаногенных бактерий, igN ■ м .1

Нативный помет Микробное сообщество

37°С 45°С 55°С 37°С 45°С 55СС

со2 + Н2 7 3 4 5 6 N

Ацетат 7 3 3 8 9 8

Пропионат 6 з 4 6 8

Метанол 7 5 4 6 < 5

Бутират 5 3 2 4 5 4

Глюкоза +пептон 0 0 0 2 3 2

Показано, что в селекционированном сообществе преобладают ацетат- и пропионатпотребляющие микроорганизмы, причем количество мезофильной микрофлоры при культивировании практически не меняется, а численность термофильных микроорганизмов увеличивается на 1-5 порядков.

Задача снижения влияния ингибиторов на процесс сбраживания куриного помета представляется актуальной, поскольку высокое содержание в нем протеина обусловливает протекание метаногенной деструкции органического вещества в присутствии ионов эндогенного аммония вплоть до концентраций 50 г ■ ¿Ы\ которые согласно литературным данным признаны ингибируюшими.

Экспериментально подтверждено ингибирующее влияние ионов экзогенного аммония с повышением их концентрации на активность микробного консорциума с преимущественным ингибированием его метаногенной составляющей.

Проведенные исследования метаногенеза на модельных средах и курином помете в присутствии ряда добавок природного происхождения, в том числе фосфоритной муки Сюндюковского месторождения РТ (Рисунок 1). показали ее стимулирующий эффект при концентрациях 5-10 %.

Концентрация минерала, %

5 10 20 Концентрация минерала, %

Рисунок 1 - Влияние фосфоритной муки на образование биогаза и содержание метана на модельной среде (А) и курином помете (Б) при различных температурах

Исходя из предположения о связи между стимуляцией метаногенеза при добавлении минералов и снижением икгибирующего воздействия ионов аммония, исследован процесс метангенерации куриного помета в присутствии фосфоритной муки (Рисунок 2). Показано, что внесение фосфоритной муки в оптимальной концентрации снижает кнгибируюшее воздействие ионов аммония на 10-60 %.

□ Без минерала ВС минералом

ю О

□ Без минерала s С минералом

30 40 50

0 10 20 30 40 50 Концентрация аммония, г/л Рисунок 2 - Влияние фосфоритной муки (5 %) на образование биогаза (А) и метана (Б) при различных концентрациях ионов аммония

о 10 20 Концентрация аммония, г/л

Исследование процесса метангенерации куриного помета в непрерывном режиме проведено на пилотной установке, состоящей из трех горизонтальных биореакторов объемом 100 дм", снабженных механическим перемешивающим устройсг-бом. теплообменником, системой подачи и отвода помета, штуцером отбора биогаза и контрольно-измерительными приборами. Скорость протока D варьируется от 0,1 до j),25 сут" изменением расхода загружаемого субстрата с фиксированной массовой долей влаги, интенсивность перемешивания - изменением частоты вращения мешалки.

По результатам количественного и качественного анализа субстрата и биогазз определяли удельную производительность по метану Q„ (м3-м"3сут"'Х степень разложения органического вещества 1 - S/S0, выход метана от потребленного субстрата Y (mj ■ кг" АСВ). Экспериментально показано (Рисунок 3), что увеличение D приводит к росту удельной производительности Qv с максимумом при D = 0,2 сут"'.

Рисунок 3 - Зависимости удельной производительности по метану QM (А) и степени разложения органического вещества 1- S/So (Б) от скорости протока D

Превышение данной величины D вызывает нарушение устойчивого режима сбраживания помета и падение Q,,. Зависимость 1-S/S0 от D имеет нисходящую тенденцию с линейным характером, что объясняется разницей максимальных удельных скоростей роста гидролитических и метаногенных микроорганизмов, определяющих соответственно 1-S/Se и Q«- Статистически достоверной разницы удельных произ-водительностей QM и степеней деструкции органического вещества i-S/S0 при обеих исследованных температурах не наблюдается. Зависимость выхода метана Y от скорости протока D (Рисунок 4) также демонстрирует линейную тенденцию.

I о од од 0,3 о ;

Рисунок 4 - Зависимости выхода метана У от скорости протока Б при исследованных температурах

Задача оптимизации процесса метансгенеза куриного помета в непрерывном режиме основана на нахождении максимума удельной производительности биореактора по метану Q,, -* max при варьировании параметров оптимизации, которыми являются скорость протока D и выход метана от потребленного субстрата У. О,, рассчитывается по формуле:

Q„ = (Sin-Se„)-V д, (2)

Полагая, что кинетика роста ц описывается уравнением Эндрюса с учетом ингибироиания, а также учитывая зависимость выхода метана YP и величины потребления субстрата S„rS0f от скорости протока D, нами предложено выражение удельной производительности биореактора по метану:

Ом = (Sin - Soff) ■ Yv ■ ц = (5in - S0„) ■ Yx ■ /W ■ 5/(5 + Ks 4- S2/KL) (4)

Решение задачи оптимизации основано на экспериментальном определении зависимости 0„от указанных параметров и их параметрической идентификации.

По результатам экспериментов сформулированы принципы интенсификации и технологической оптимизации процесса сбраживания помета:

а) непрерывный режим сбраживания при оптимальной скорости протока Л);

б) оптимизация состава метаногенного сообщества путем пространственного разделения последовательных стадий процесса;

з) использование термофильного режима сбраживания, обеспечивающего более высокий санитарный эффект обработки помета;

г) использование фосфоритной муки с целью снижения ингнбирующего воздействия ионоз аммония;

д) применение иммобилизации микрофлоры анаэробного микробного сообщества; э) обеспечение оптимальной интенсивности мгссосбмена в биореакторе;

Для реализации заявленных принципов разработана принципиальная технологическая схема промышленной биоэнергетической установки (Рисунок 5).

Натизный помет (НП) поступает в смеситель-накопитель 1, затем через теплообменник-рекуператор 2 подается в смеситель 3, где разбавляется фильтратом и водой (ХВ) до влажности 0,92. Субстрат подается в биореаетоо 4 первой ступени сбраживания, затем в биореактор 5 второй ступени, где происходит биосинтез метана. Постоянно происходит рециркуляция сбраживаемой массы с нагревом в теплообменниках в. Бкогаз (БГ) из реакторов накапливается з газгольдере 7 и передается в :<огенератор тепла и электроэнергии 9. Сброженный помет поступает на ба-раоакный закуум-фильтр 10, где разделяется на твердую фракцию (ТФ) и жидкую фракцию (ЖФ). Твердая фракция после высушивания в сушилке 8 теплом топ очных газов (ТГ) накапливается в бункере 12, фасуется в упаковочном автомате 13 и используется в качестве органического удобрения (КПГ), а жидкая фракция используется в мокрых скрубберах 11 для очистки использованного Сопочного газа, затем отдает свое тепло в теплообменнике-рекуператоре 2, а частично идет на оаз-бавленяе поступающего помета в смесителе 3.

Для интенсификации процесса метаногенного сбраживания куриного помета предложена конструкция биореактора-ферментера (Рисунок 6).

Биореактор имеет следующие конструктивные элементы и работает следующим образом.

Корпус 1 цилиндрический, с плоским днищем и конусной крышкой 2. Ввод поступающего помета производится через распределитель 3, отбор биогаза происходит через отверстия в центральной трубе 4 и затем через штуцер 5. Для оптимального использования рабочего объема биореактора и организации гидродинамического режима внутри корпуса коаксиально установлены четыре диффузора 6. Рециркуляция ферментационной среды организована с помощью центробежных насосов через выносной пиркуляшюнно-теплосбменный контур, что позволяет повысить степень турбулизашш в области теплообмена и его интенсивность. Отбор жидкости для рециркуляции среды производится через переливное устройство 7 и затем штуцер 8 из верхней части биореактора, затем при помощи центробежных насосов через теплообменник и эжекторы 9 сна вводится в нижнюю часть диффузоров. В верхней части диффузоров установлена объемная загрузка 10 из инертного материала для иммобилизации биомассы микробного метаногенного сообщества.

БГ

"Г

//7 г—Ц

д.

\хв /—

/Д

7_ 1

5 /¿7

ГВ

' Г~Г тго

12 Я й:

л_г

Рисунок 5 - Принципиальная технологическая схема промышленной биоэнергетической установки по переработке помета:

1 - смеситель-накопитель нагивного помета, 2 - теплообменник-рекуператор, 3 - смеситель для субстрата, 4 - биореактор I ступени, 5 - биореактор 2 ступени, 6 - теплообменники биореакторов, 7 - газгольдер, 8 - аэрофонтанная сушилка куриного помета, 9 - когенератор тепла и электроэнергии, 10 - барабанный вакуум-фильтр, 11 - скрубберы мокрой очистки топочных газов, 12 - накопитель высушенного помета, 13 - упаковочный автомат для высушенного помета (НП - нативный помет, ХВ - холодная вода, БГ - биогаз, ЖФ - жидкая фракция (фильтрат) сброженного помета, ТФ - твердая фракция сброженного помета, ТТ - топочные газы, ГВ - горячая вода, ТГО - топочные газы очищенные после скруббера, ЖФПС - жидкая фракция поело скруббера, КПГ - куриный помет гранулированный).

А § Щ

•4 | I

1 !

Рисунок 6 - Принципиальная схема биореактора для метаногенногс сбраживания куриного помета

Для технологического расчета биореактора такого типа предложена методика, включающая в себя расчет основных размеров аппарата и характеристик вспомогательного оборудования с учетом параметров материальных потоков перерабатываемого субстрата и оптимальных технологических параметров.

Основным критерием для расчета интенсивности перемешивания является величина удельной мощности К, оптимальное значение которой определено в предыдущих экспериментах и принято равным 3,0 Вт ■ м"3

Расчет ведется в следующей последовательности:

1. Определение полного и рабочего объема биореактора \'п и V,,, исходя из заданной производительности и оптимального времени пребывания НГ<Т

2. Подбор габаритных размеров аппарата исходя из принципа минимизации боковой поверхности аппарата или посадочной площади ргактора э.

3. Расчет критериев гидродинамического подобия Архимеда Аг и Рейнольдса Р.е для частиц органического и минерального вещества помета.

4. Определение скорости осаждения органических частиц \¥срг по формуле Стокса либо (в случае превышения критического значения критерия Архимеда Аг) по критерию Рейнольдса Ке, определяемому по справочным таблицам.

5. Определение диаметра диффузора и расчет линейной скорости движения жидкости в диффузоре, обеспечивающей выполнение условия:

^УсргОУ^ХУ*,«. (5)

6. Расчет затрат энергии на перемешивание среды в одном аппарате по величине удельной сведенной мощности и объему аппарата Ур.

7. Определение расхода циркулирующей жидкости, исходя из мощности насоса и потерь напора на подъем жидкости.

8. Расчет линейной скорости рециркулирующей жидкости в диффузоре.

9. Расчет мощности насоса в установившемся режиме, в пусковом режиме и установочной мощности насоса с учетом КПД и запаса мощности.

!0. Определение тепловой нагрузки на теплообменник по величинам теплоты реакции, энтальпии и расхода поступающего субстрата и тепловых потерь.

11. Расчет поверхности теплообмена и расхода теплоносителя.

Разработанная методика технологического расчета биореактора апробирована при проектировании биоэнергетической установки на ОАО «Птицефабрика На-бережночелнинская» для переработки помета от 1 млн. голов кур-несушек. В результате инженерных расчетов, включая расчет биореактора по описанной выше методике, а также выполнения технико-экономического обоснования, определены основные технико-экономические показатели проектируемой биоэнергетической установки (Таблица 3).

Разработанные технологический регламент и технико-экономическое обоснование строительства промышленной биоэнергетической установки прошли экологическую экспертизу и согласованы в Министерстве экологии и природопользования Республики Татарстан.

Таблица 3 - Расчетные технико-экономические показатели промышленной биоэнергетической установки_________

Показатель Единица измерения Величина

Влажность сбраживаемого субстрата и г-г1 0,92

Температура сбраживания °С 55

Удельная производительность по биогазу <Эбг м3 ■ м'" • сут'1 2,5

Обший объем биореакторов 3000

Производительность по нативному помету т ■ сут" 175

Производительность по биогазу м') ■ сут"1 7000

Производительность по твердой фракции т • сут"1 315

Капитальные затраты млн. руб. 25,6

Годовой экономический эффект млн. руб. 5,7

Срок окупаемости лет 4,5

Твердая фракция сброженного куриного помета имеет благоприятные санитарно-гигиенические и агрохимические показатели, поэтому традиционно используется в качестве органического удобрения. С целью расширения возможностей использования сброженного помета предложены, экспериментально обоснованы и прошли апробацию два новых способа его применения.

Первый - производство бактериальных удобрений, основное на культивировании биомассы микроорганизмов различной биологической активности с последующим концентрированием ее и внесением в почву в различные периоды вегетативного цикла растений. Известные технологии бактериальных удобрений имеют ряд недостатков, поэтому целью проведенных исследований являлась разработка технологии бактериальных удобрений с повышенной эффективностью.

Новизна и отличительная особенность этой технологии в том. что выращенную и сконцентрированную биомассу микроорганизмов иммобилизуют на сброженном гранулированном курином помете и затем высушивают до воздушно-сухого состояния в щадящих условиях.

В опытно-промышленных условиях бактериальные удобрения исследованы в следующих вариантах.

1. Бактериальное удобрение на основе микробных азотфиксаторов АгсЮоас!ег с'пгоососсит.

2. Удобрение на основе мшсромнцета ТпсЪос1ггта !шг21апит с фунгицидной и иелдюлслитической активностью.

3. Смешанное удобрение на основе выше указанных микроорганизмов. Оценивали выживаемость микроорганизмов бактериальных удобрений по

динамике нх титра в почве (Таблица 4).

Таблица 4 - Изменение титра микроорганизмов при использовании бактериальных удобрений (КПГ - куриный помет гранулнрованный, ЖБУ - жидкое бактериальное удобрение)______

Варианты Титр клеток и пропагул микроорганизмов, клеток • г"1 почвы

После 1 Через ! Через внесения | 20 суток | 40 суток Через | Через 60 суток ! 80 с\ток

Титр азот< щксируюгцих микроорганизмов

КПГ - 4,9-102 1.6-103 ' 6-Ю3 2.8-Ю4

ЖБУ Лг. скгоососсит 1.0-10® 6,8-Ю8 5,6-108 1 2,3-Ю8 6,3-Ю7

ЖБУ Аг. скгоососсит КПГ 1,0-105 11,6-109 1,4-Ю9 ! 1,0-109 9,2-108

Титр пропагул микромицетов

КПГ 1,0-1 о4 2.0-104 3.4-10'1 ! 1.0-105 6, МО4

ЖБУ Т. 'пап^апит 1,0-1 о9 1,8-¡О9 6,0-Ю8 1 4,4-Ю5 7,3-107

ЖБУ Т. Иатапит + КПГ 1.0-10» 1.6-10" 3.8-109 3.2-109 2,2-Ю9

Суммарный титр азотофиксаторов и ппопагул микромицетов

ЖБУ Аг. с'пгоососсит + КПГ 1.0-10* 1.6-109 1,4-109 1,0-109 9,2-10®

ЖБУ Т. 1ютапит+ КПГ 1,0-1 о9 1,6-1 о9 3.8-109 3.2-109 2,2-109

Смешанное ЖБУ + КПГ 1,0-1 о9 1,4-109 4,4-109 4,7-109 6,0-Ю9

Результаты показывают преимущества иммобилизации биомассы микроорганизмов на курином помете во всех исследованных вариантах. Совместное внесение гзотфиксирующих бактерий и микромицетов способствует установлению сим-биотическнх отношений в микробном сообществе и увеличивает приживаемость клеток в почве. Показатели эффективности бактериальных удобрений в отношении огурцов и томатов представлены в Таблице 5.

Представленные данные доказывают преимущества иммобилизации бактериальных удобрений на курином помете с точки зрения повышения урожайности сельскохозяйственных растений.

Второй способ использования сброженного куриного помета относится к технологии биоремедиации нефтезагрязненных почв. К настоящему моменту разработаны и предложены различные способы восстановления нефтезагрязненных почв путем использования биомассы различных углезодородокисляющих микроорганизмов (УОМ). Для интенсификации процесса деструкции компонентов нефти и ее метаболитов нами предложена иммобилизация биомассы УОМ на гранулированном курином помете.

Таблица 5 - Урожайность огурцов Сиссштз м/Ля« и

томатов Ьусореп'юоп -2

еьсЫетит при использовании ; Варианты Урожайность огурцов

май июнь 1 июль август сентябрь

1 КПГ 0,13 2,8 1 5,9 7.0 7,7

------- 1ЖБУ Аг. сЬ.гоососсит 0,2 3,6 ! 7,1 8.2 8,3

1 ЖБУ Аг. сЬгоососсит + КПГ 0,27 3.9 ! 7,8 9,4 9,4

1 | Урожайность томатов

июнь июль август сентябрь октябрь

¡КПГ 3,3 3,8 3,0 3,1 2,6

¡ЖБУ Т. катапит 4.4 5,7 2,8 2,5 "> 2

| ЖБУ Т. кагггапит + КПГ 4.8 1 6,3 4,2 3,9 3,2

Урожайность огурцов

май июнь июль август сентябрь

! ЖБУ Аг. сИгоососсит + КПГ 0.27 3,9 7,8 9,4 9,4

! ЖЕУ Т. 'пяЫапит+ КПГ 0,18 3,6 7,6 9,4 9,6

1 Смешанное ЖБУт КПГ 0,22 3,6 9.6 10,8 10,0

Т'ссл»довгн процесс очистки почвы от нефтяного загрязнения штаммом деструктора углеводородов ЯШососсш хр. ВКМ Ас-1232Д и сообществом УОМ с масштабированием процесса - в условиях лабораторных экосистем в помещении, затем под открытым небом и, наконец, в условиях полевых испытании в районах нефтедобычи РТ (Таблица 6).

Таблица б - Динамика углеводородов при использовании различных форм биопрепаратов (К - контроль (без УОМ), КПГ - куриный помет гранулированный, Ш1

м.ЧЛУМЙ ППРПЯПЯТ} ...---,-

1 Варианты _[_ Концентрация углеводородов в почве, г • кг

1 Месяиы 1 июнь | июль | август 1 сентябрь

! Лябопатооные экосистемы (закрытое помещение)

Гк----- 1 50.0±4,9 48,0±4,9 38,2±4,1 33,5±3.6

!кпг 50,0±4,9 47,2±4,6 39,4±3,9 32,5±2,8

¡ЖП Rhodococcus $р. 50,0±5,2 41,4±3,7 33,5±3,3 26,5±2,9

! ЖП Ккойососсизвр. + КП | Лабораторные з 50,0±4,4 42,2±4.8 32,3+2,9 19,9±1,5

косистемы (под открытым небом) 1

!К 50,0±5,9 46,0±5,1 38,6±4,2 33.4±3,9 1

| КПГ 50,0=4,9 46,2±4,4_ 39,4±3,6 32,8±3,1 !

ЖП УОМ 50,0±4,6 42,1±4,0 32,4±4,0 23.5±2,6

ЖП УОМ + КП 50,0±5,8 44,7±4,1 31,0±4,2 ^ 18,6±1.9

! Полевые испытания

!«■ 1 87,0±7,8 80.5±7,9 63,1±5,9 51,1±5,3

I КПГ 89,6±8,8 79,4±5.9 61,1=6,3 48,8±5.4

! М УОМ 90.3±8,6 76,2г7,1 55,3±5.8 45.6±5,1

¡ЖП УОМ + КП 91.5±7,4 86,2±7.8 54,3±5,2 34,0±5,1

Сравнительная динамика деструкции углеводородов в почве показывает высокую эффективность штамма в иммобилизованном виде. Параллельный мониторинг динамики клеток УОМ и индивидуального штамма Rhodococcus sp. (в лабораторных условиях) демонстрирует повышение активности накопления биомассы за счет ее иммобилизации.

Аналогичные эксперименты проведены с аборигенным сообществом УОМ, выделенным из почв з районах нефтедобычи, а затем в условиях полевых испытаний (Таблица 7). Преимущества иммобилизации на гранулированном помете показаны как с точки зрения эффективности деструкции углеводородов нефти, так и динамики численности УОМ в почве.

Таблица 7 - Изменение тигра Шюаососсш $р. или УОМ в почве при внесении различных биопрепаратов, клеток ■ г"1 почвы_

Ваоианты Титр Rhodococcus sp. или УОМ

июнь | июль август сентябрь

Лабораторные экосистемы (закрытое помещение)

ЖП Rhodococcussp. 3,8 ■ 105 ! 6.2 ■ 107 8,2 • 107 6.2 ■ 106

ЖП Rhodococcussp.+KYir 9,2 ■ 10J I 9,1 ■ 10' 1,7 • 10* 8,9 ■ 107

Лабораторные экосистемы (под открытым небом)

К 2,1 ■ 10J 1 8.4 ■ 10J 6,2 - 104 2,7 ■ 105

КПГ 1,8 • 10-' j 3.6 ■ 105 1,2 ■ 10; 7.2 ■ 103

ЖП УОМ 8.8 • 105 ! 1.2 - 104 2,0 • 108 6,2 • 107

ЖП УОМ +КПГ 9,2 • 105 : l.i • io6 2,7 ■ 108 1,3 10v

ПолеЕые испытания

К 2,5-10" | 9.ОТО3 5,9-104 1,2-105

КПГ 2,8-10' j 3,9-10J 2,0-10^ 6,5-;o5

ЖП УОМ 7.5-10- 1 1.8-106 7,5-10' 2,5-10'

ЖП УОМ +КПГ 1,2 10е j 6.5T06 2.5 10s 3,510*

Таким образом, иммобилизация на гранулированном курином помете биомассы УОМ обеспечивает лучшую приживаемость их в почве, длительное сохранение мх деструктивной активности, что может быть обусловлено благоприятным химическим составом куриного помета и наличием в нем дополнительных источников минерального питания (N, Р, К).

4 Оптимизация анаэробно-аэробной биотехнологии очистки сточных вод пищевых производств

Выбор применяемых методов очистки сточных вод пищевых производств определяются не только их химическим составом, но и зколого-токсикологическими свойствами, которые традиционно определяют методами биотестирования, позволяющими быстро определить интегральную токсичность объекта в случае сложного химического состава. Именно оценка суммарной активности представляет собой наиболее перспективный подход к выявленито реального мутагенного и канцерогенного потенциала сточных вод.

В связи с этим разработана методика биотестнрования сточных вод, которая включает в себя следующие показатели и тест-объекты.

Токсичность в отношении ветвистсусых рачков Daphnia magna, бактерий родов Escherichia и Sarcma - представителей грам-положительных и грам-отрицательных микроорганизмов.

Фитотоксичность в отношении семян высших растений пшенины и редиса красного с белым кончиком.

Тест на ДНК-повреждагощую активность с использованием мутактных по репарации штаммов Е. coli: pol А~, Ree A". Uvr А" в суспензионной модификации Рсзенкранца.

Мутагенная активность при помощи системы 5а/токг//а/микросомы с метаболической активацией in vilro и без метаболической активации (тест Эймса). Использовали ауксотрофный по гистидину штамм Salmonella typhimunum ТА100, позволяющий регистрировать мутации типа замены пар оснований.

Предложенная система сценки апробирована на сточных водах ряда пред-гриятий по переработке цельного молока РТ.

Результаты показывают в большинстве случаев отсутствие токсичности в отношении всех тест-объектов. Фитотоксичность в отношении семян высших растений также отсутствует, а в ряде случаев наблюдается стимуляция их роста в виде показателя энергии прорастания.

Исследование ДНК-повреждаюшей активности кативной сточной воды и ее фракций, отличавшихся гидрофильно-липофильными свойствами, показывает отсутствие такого воздействия со стороны отдельных фракций, тогда как под действием нативной сточной еоды такой эффект зарегистрирован на штамме с нарушенной эксцизионной репарацией Uvr А~. Это дает основания предполагать, что компоненты сточной воды усиливают ДНК-повреждаюшее действие друг друга, и для исправления этих дефектов необходимо полноценное функционирование системы эксцизионной репарации.

Мутагенная активность сточных вод и их фракций не выявлена, в том числе после метаболической активации in vilro.

Результаты работы в виде методики контроля сточных вод переданы в центральную спениазизированную инспекцию аналитического контроля (ЦСИАК) Министерств?, экологии и природных ресурсов РТ для проведения биотестирования природных водоемов и сточных вод промышленных предприятий.

Результаты биотестирсваиия сточных вод молоко- и мясоперерабатывающих .предприятий свидетельствуют об их токсикологической и генотоксической безопасности. что позволило нам рекомендовать для их очистки биологический метод-Преимущества комбинированной анаэробно-аэробной технологии с позиций энерго- и ресурсосбережения - минимальные затраты энергии, высокая эффективность очистки, низкий прирост избыточной биомассы и возможность получения альтернативного энергоносителя - биогаза.

Экспериментальное моделирование процесса очистки сточных вод проведено на лабораторных установках, включающих анаэробную и аэробную ступени очистки с иммобилизованной биомассой, выполненных в виде цилиндров переменного объема. Подача сточной воды на первую ступень очистки осуществляется с помощью перистальтического насоса и далее самотеком по трубопроводам.

Моделирование процесса вели до установления стационарного режима, что занимало в среднем 12-16 суток. Эксперименты проведены при подключении биореактсров по двум схемах, представленным на рисунке 7.

Рисунок 7 - Принципиальные схемы подключения биореакторов экспериментальной установки: 1 - биореакторы. 2 - загрузка с иммобилизованной биомассой, 3 -вход сточной воды в первый биореактор, 4 - выход очищенной сточной воды, 5 -переточные трубопроводы, 6 - выход биогаза, 7 - воздух на аэрацию

СХЕМА 1

Вез разделения фаз

Схему подключения 1 применяли в экспериментах по определению корреляционных зависимостей эффективности очистки Е и удельной скорости деструкции органического вещества Р от скорости протока £> и удельной органической нагрузки Ь. Она предусматривает подключение четырех биореакторов АГА4 последовательно (с разделением фаз) или двух биореакторов А, и А2 (без разделения фаз) с вариациями технологических режимов и их параметров (Таблица 8).

Таблица 8 - Технологические параметры исследованных режимов (схема 1)

Краткое описание режима в [ в О ь

■ч1 10-м ■суг1 кгХПК: ■м-3 сут'! п-Ж'м'3" СУТ"'

1. Разделение фаз. низкая Б 78±8 1,9±0,4 3.5±0.8 0.4±0.2 1.4±0.2

2.Разделение фаз. средняя Э 112±10 2,7+0,4 3.5±0.9 0,6±0,1 2,0=0.3

З.Разделгние фаз, высокая Б 149±15 3,6±0,7 3,8±0.9 0,8±0.1 3,0=0.4

4.Разделение фаз. низкая Б, увеличенная Э 78±8 1,9±0,2 4,2±1,0 0,4*0,1 1,7=0,3 j

5. Разделение фаз. низкая О. двойная 8 78±8 1,9±0,2 6,8+1,6 0,4=0.1 2,8+0.4

6. Без разделения фаз, низкая О 78+8 1,9±0.2 3,5+0.9 0,4±0,1 0,9=0.1 |

7.Без разделения фаз, высокая Б 149±15 3,6±0,7 3.7=0.9 0,8±0,1 2,8=0,4

Схема подключения 2 использована при анализе энергетической эффективности процесса и включает в себя аппарат первой ступени А, и три аппарата второй ступени (А2, А3. А*) также с вариацией объемов и режимов (Таблица 9).

Первая серия экспериментов проведена в непрерывном режиме при варьировании удельных скоростей протока Д удельной органической нагрузкл Ь, с пространственным разделением фаз анаэробной ступени и без него.

1 аолица у - 1 ехнилс» ич^слпс Показатели Размер- Фазы очистки

ность _ А, А2 Аз ! А.

Расход сточной воды О дм^-сут*' 1,19 0,30 0,40 ! 0.40

Объем биореактора V 3 дм 2,64 2,00 1,52 | 0.74

Скорость протока Б сут"' 0,45 0,15 0,26 ! 0.54

Показано, что при увеличении О от 0,4 до 0,8 сут"1 (режимы I, 2, 3) не происходит заметных изменений в обшей эффективности работы Е, что обеспечивается перераспределением нагрузки на аэробные ступени процесса А3 и Ал при снижении эффективности работы анаэробных ступеней А-, и А2. Увеличение удельной органической нагрузки I при эквивалентных значениях О (режимы 1, 4, 5) приводит к повышению Е на обеих анаэробных ступенях А, и А2. Общая эффектизность очистки в целом при варьировании органической нагрузки не меняется и составляет 98,0-99,6%. Полученная закономерность хорошо согласуется с литературными данными, указывающими на эффективность метода анаэробной очистки для сточных вод с высоким содержанием легкоусвояемого органического вещества.

Оценка пространственного разделения фаз показывает ее положительное влияние на эффективность очистки, которая без разделения фаз (варианты 6 и 7) ниже, чем с их разделением (режимы 1 и 3). Улучшение процесса наблюдается как на анаэробной и аэробной ступенях по отдельности, так и по установке в целом (63-69 % против 98-99 %).Таким образом, пространственное разделение анаэробной стадии биодеструкции органического вещества из состава сточных вод приводит к повышению эффективности процесса анаэробно-аэробной счистки.

Физико-химические факторы ферментационной среды, во многом определяющие скорость и направленность метаболизма анаэробных микроорганизмов, а именно активная кислотность и окислительно-восстановительный потенциал Еь, представлены в динамике на различных фазах очистки в таблице 10.

Таблица 10- Окислительно-восстановительный потенциал (мВ) ферментационной среды по фазам процесса в различных режимах очистки_____

Фазы очистки Вход

А2 Аз А4

Режим очистки

-235 -340 + 120 + 140

-185 -310 +80 +110

-160 -280 +110 +155

+70 -255 -350 +130 +160

-275 -360 +130 + 155

-180

+ 140

-150

+ 120

Результаты свидетельствуют о том, что жизнедеятельность микроаэрсфиль-ной и факультативно-анаэробной микрофлоры на начальных этапах биотрансформации органического вещества (А1 и А2) способствует полному исчерпанию кислорода и накоплению восстановленных форм метаболитов. На аэробной ступени величина редокс-потенциэла среды, равная +120 - +140 мВ, определяется концентрацией растворенного кислорода 5 мг -дм"'.

Анализ влияния пространственного разделения фаз анаэробной сту пени (режимы 5. 3, 6 и 7) указывает на более выраженную дифференциацию процессов на первой и второй фазах анаэробной ступени очистки.

Исследования динамики рН по фазам процесса показывают, что при низких концентрациях органического вещества в сточных водах данный показатель на анаэробной ступени снижается ка 1,1-2,6 единицы, что свидетельствует о хорошей сбалансированности между накоплением летучих жирных кислот (ЛЖК) ацидо-геннсй микрофлорой, с одной стороны, и их утилизацией метаногенами, с другой. Повышение органической нагрузки приводит к возникновению дисбаланса между процессами накопления и потребления ЛЖК, повышению их концентрации в ферментационной среде и снижению величины рН.

Поскольку одним из образующихся метаболитов является биогаз, проведен анализ процесса с точки зрения его энергетической эффективности, для чего исследованы интегральная продукция биогаза (У6г, см3сут'), удельная скорость деструкции органического вещества Р (по ХПК, мг-дм"3-сут') и удельный выход биогаза от потребленного органического вещества (ХПК) см3-г'1.

Интегральная продукция биогаза Убг на первой ступени (Рисунок 8 А) анаэробной стадии (А|) существенно отличается от аналогичных показателей на вторых ступенях (А2, А3, А4) как по абсолютной величине, так и по характеру зависимости от £, т.е образование биогаза на первой ступени практически не наблюдается при исследованных режимах.

V», « '93,7 а - 0,8 V« = 195,8 1_ + 10,2 В' = 0,95

Уы ■ 80,1 -1.40,7 ®Д2 ^ IV =0.69

А * АЗ

В 52 ■ I + 53,7 А А4 :! = о,91

, .А1

В1 = 0,90

вое , 1 /

5С0 ; /7

400 ! и

ЗОС 1 и у

2 ОС и 'УV,

ЮС Ш У "г

° 500

5 «с

I 300 200 100 о

•ш

!_, г ХПК . ди-'3 сут-1

-91,7 -12+351.4 1 + 10.0 Б Я! = 0,80

2 3

I. г ХПК . диН.сут'

Рисунок 8 - Динамика продукции биогаза У6г (А - раздельно по фазам процесса, Б -на второй фазе интегрально).

Зависимости Убг от I на вторых ступенях близки, что объясняется идентичным составом ферментационной среды, поступающей на вторые ступени, и близкими условиями по гидравлической и органической нагрузке. Это позволяет рассматривать их интегрально, без разделения по фазам (Рисунок 8 Б). Как видно из данных, интегральная продукция биогаза во всех исследованных режимах закономерно возрастает с увеличением Ь. Такая тенденция объясняется стехиометриче-ским характером зависимостью выхода биогаза У6г от удельной органической нагрузки I.

Результаты корреляционного анализа зависимостей Е и Р от Ь указывают на отсутствие корреляции между ними на первой ступени А,, что определяется высокой флуктуацией характеристик посту пающей сточной воды. Таким образом, ступень выполняет буферную функцию, нивелируя колебания характеристик сточных вод перед их поступлением на последующие фазы очистки. На последующих фазах

А2-А4 выявлены достоверные корреляционные линейные зависимости Е = /" (Ь) (Таблица 1!). Аналогичные линейные взаимосвязи .между удельной скоростью потребления органического вещества Р и удельной органической нагрузкой Ь также показаны на всех ступенях, за исключением первой.

1аолица грузки Ь

- Зависимости эффективности очистки Е от удельной органической на-

| Фаза ! очист- | 1СИ Функция зависимости ■ Коэффициент детерминации Функция зависимости Коэффициент детерминации

1 А, Е- -1,44 • Ь + 63,14 0,10 Р = -0.53 •!/+16.174.-0.08 1.0

! л » -"К Е= 5,20 • Ь + 26,83 0.81 Р = 5,36 - Ь + 0,77 0,96

Аз Е- 4,41 -Ь-1-0,08 0,92 Р = 9,52 • Ь - 2,53 0,98

_А4__ Е= 8,56 • Ь - 0.09 0,79 Р= 16.65 ■ Ь-0.15 0,99

Задачу оптимизации процесса анаэробно-аэробной очистки сточных вод рассматривали как задачу оптимизации каскада последовательных биореакторов переменного объема, в качгстве критерия оптимизации выбрано суммарное время пребывания воды в установке, пропорциональное суммарному объему установки:

5л Ц = х Г( -*т1п, ' ' (6)

где V- объем бкореактора единичной /-ой ступени, С- объемный расход очищаемой жидкости, I— время пребывания (очистки) на единичной /-ой ступени.

Используя кинетическую зависимость времени очистки на /-ой ступени Г, от РглХ,\

Р-1 ■

-3

(7)

где А б1, - разность концентраций на входе и выходе /-й ступени, мг 02 -дм"' удельная скорость потребления органического вещества на ¡-ой стадии, ч'1. концентрация биомассы ь.а /-ой стадии, г • дм"3 объема:

Д5,

Р, -X,-

зывели формулу расчета общего

= с

Р1хХ1

шш

(8)

Численные значения параметров процесса очистки приняты из результатов эксперимента или рассчитаны на их основе (Таблица 12).

Параметр Ед. изм. Численное значение

Начальные концентрации биомассы Х: на 1-4 фазах очистки Концентрация органических веществ в сточной воде 5/ Интервал значений удельной органической нагрузки по фазам /„</,,<!,„,„., Эффективность очистки, Е г • дм"3 г • дм'3 гХПК • -3 -1 дм • сут % X, = 5,0-7.0, Х2 = 5,0-7,0, Хг 3,0-3,5,Х4 = 1,0-1,5 (3,5 ± 0,8) <5;< (6,8 ± 1,6) 14,0 <¿,<15,0,6,0<1;<8,9, 2,5 <¿^<2,8, 0,3 <£.,<0,6 Е = 98 - 99

Для реализации данного алгоритма разработана компьютерная программа, с помощью которой произведены расчеты и оптимизация процесса биологической

очистки сточных вод, результаты которой использованы при реконструкции очистных сооружений предприятия по переработке молока ООО «Агрофирма Верхний У слон». В результате реконструкции эффективность процесса очистки повысилась по ХПК - на 35,8 % и по БПУ - на 25,9 %.

5 Оптимизация технологии биотрансформации вторичного мясного сырья с использованием экзогенной молочнокислой ферментации

Как известно, направленная биотехнологическая модификация вторичного мясного сырья, осуществляемая ферментами или культурами живых микробных клеток, позволяет модифицировать в желательную сторону его химический состав, структуру, цвет и другие характеристики. Одним из перспективных методой биомодификации считается экзогенная молочнокислая ферментация под действием штаммов лактобакгерий, бифидобактерий и ацидофильных лактобацилл, а такжг. промышленных полибактериальных заквасок, ряд которык использован в работе.

Биотехнологические свойства исследованных монобактериальных штаммов и пслибактериальных заквасок включали в себя показатели роста клеточной популяции, антирадикальную к антагонистическую активности.

Показатели роста включали в себя динамики накопления биомассы и удельной скорости роста ft, по которым определяли интервалы экспоненциальной и логарифмической стадий развития. Показано, что экспоненциальная фаза соответствует 4-8 часу, а стационарная наступает к 18-24 часу роста.

Антагонистическую активность (АА) исследованных заквасок н штаммов оценена двумя методами in vitro-, диффузионным методом блоков, и суспензионным методом тестирования в жидких питательных средах. Обозначения заквасок следующие: А - Chr. Hansen Safe Pro B-LL-20, Б - Chr. Hansen Bactoferm F-SC-1I1, В - Schaller Start Star, Г - Danisco Texel DCM-1, Д - L. plantarum 8P-A3, E - Б. bifidum.

В качестве тест-культур использованы сапрофитные, условно-патогенные :; патогенные микроорганизмы, предоставленные ФБУН «Казанский НИИ эпидемиологии и микробиологии». Их обозначения следующие: 1 - Serratia marcescens, 2 - Escherichia coli, 3 - Klebsiella sp., 4 - Staphylococcus epidermidis, 5 -Staphylococcus aureus, 6 - Listeria monocytogenes, 1 - Bacillus cereus, 8 - Salmonella sp. Результаты определения антагонистической активности диффузионным методом блоков показаны в таблице 13.

Таблица 13 - Диаметры зон подавления роста тест-культур

j Образцы ■ заквасок Диаметр зоны подавления роста тест-культур, см |

I 2 1 3 4 ! 5 6 7 | S ■

! а 0 ! 3,0+0,1 3.2±0,3 2.6±0.2 3,7±0,2 0 3.2±0,3 1 0 1

! б 2,0±0,1 ! 2,9±0,2 | 3,1 ±0.2 3.2±0,1 3,4±0.1 С 1 3.0±0,1 i 3.4=0,3 i

! а 0 ! 3,4±0.1 2.7±0.1 3.7±С,3 4,1±0.3 3,1 ±0,3 3,1±0,2 3,2=0.2 '

: г ! о ! о 0 0 3.4=0.2 0 3,2±0,1 0 !

1 д 2,6=0.2 3,2±0,3 3.1±0.2 3.8=0.3 3,7±0.3 2,9±0,1 3.7±0,3 3,0±0.2 !

i е 1,2=0,2 2.4=0,2 2,1 ±0.2 1,9±0,2 3,0±0 3 1.6±0.2 ! 3.0±0,3 i 2.2±0,2 i

Полученные результаты свидетельствуют о том, что Есе бактериальные препараты обладают высокой антагонистической активностью в отношении

исследованных микроорганизмов. Аналогичные результаты получены суспензионным методом (Рисунок 9).

1234 5 673 1 234 5678 12345673

тест-оргэнигмы тест-органе.змы тест-организмы

Рисунок 9 - Антагонистическая активность бактериальных заквасок, определенная

суспензионным методом

Показано, что антагонистическая активность заквасок определяется во многом родовой принадлежностью микроорганизмов, входящих в их состав, причем представители рода Lactobacilhts играют решающую роль в этой характеристике.

Исходя из высокой обсемененности рубца, в том числе бактериями рода Proteus, он выбран нами для проведения молочнокислой ферментации с вариацией соотношения сырья и закваски. Молочнокислая ферментация приводит к росту количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) во всех вариантах уже к исходу первых суток, однако в опытных вариантах существенно возростает доля молочнокислых бактерий (МКБ) в общем количестве микроорганизмов (МКБ / КМАФАнМ). причем пропорционально количеству внесенной закваски.

Сопоставительный анализ активности микроорганизмов в отношении санитарно-показательной микрофлоры рубца показывает, что ферментация с В. bifidum приводит к енижеиию количества бактерий группы кишечной палочки (БГКП) лишь со вторых суток и исчезновению - после четырех суток, в то время как под действием L. plantarum БГКП полностью отсутствуют уже после первых суток. Таким образом, бифидобактерии проявляют меньшую антагонистическую активность в отношении общей и условно-патогенной микробной микрофлоры, возможно, в связи с меньшей кислотностью ферментационной среды и менее выраженным накоплением молочной кислоты.

Антирадикальная актизность (АРА) индивидуальных штаммов, моно- и полибактериальных заквасок, исследованная методом Главинда, т.е. по ннгибироваяию

свободных радикалов 1,1-дифенил-2-пикрилгидразила (ДФПГ), показана в высокой степени у промышленных бактериальных заквасок и штамма Ь.рШагит, причем компоненты ферментационной среды имеют различную активность (рисунок 10).

< Экспоненциальная фгзз | Стационарная фаза

»»к

овкэ

5 Образцы заквзсо»:

«кж <ик гзкэ

5 Образцы; заквасок

Рисунок 10 - Антирадикальная активность бактериальных заквасок и штаммов-КЖ - культуральная жидкость, ИК - интахтные клетки, В1СЭ - внутриклеточный

экстракт

Внутриклеточный экстракт микроорганизмов в экспоненциальной фазе имеет низкую АРА. менее 10 %, однако при переходе в стационарную фазу роста существенно прирастает до 38 %. Интактные клетки проявляют значение АРА от 21 до 24 % независимо от фазы роста. Наивысшая АРА (92 %) обнаружена у культу-р&льной жидкости в экспоненциальной фазе роста и сохранялась высокой, до 78 %. в течение всего процесса.

Полученные данные позволяют предположить, что ключевым звеном з про-тквоокислительной защите молочнокислых микроорганизмов являются внеклеточные антиоксиданты, накапливающиеся в ферментированном вторичном мясном сырье, возможно, глутатион и тиоредоксин, что показано ранее для ряда лактоба-цилл.

К биотехнологическим свойствам лиофилизированных заквасок относится и их способность к реактивации, во многом предопределяющая физиологическую и ферментативную активность в процессе экзогенной ферментации субпродуктов. Проведенный сравнительный анализ трех жидких питательных сред с точки зрения активности накопления биомассы показал практически идентичный характер кривых роста, что подтверждается при помощи статистических и-критерия Маняа"-Уитни и Н-критерия Крускала-Уоллиса. Это позволило рекомендовать для реактивации лиофилизированных бактериальных препаратов среду на основе молочной сыворотки, как наиболее эффективную и дешевую.

Свойства вторичного мясного сырья, трансформируемого в процессе экзогенной молочнокислой ферментации, исследовали с точки зрения изменений фракционного состава белка, .микроструктуры ткакей и его функционально-технологических свойств.

Изменения фракций белка, отличающихся растворимостью (Рисунок 11). по состоянию на 48 час ферментации, указывают на рост доли воде- я солерастворимых белков при одновременном снижении щелочерастворимых белков во всех вариантах. Среди исследованных субпродуктов наиболее подверженными лротеолкзу являются селезенка и легкое, наименее - рубец.

«123456 «123455 «123456

Сбразиы эакеэсок i Образцы закеасок Образцы заквасок :

Рисунок 11 - Изменение фракционного состава белка говяжьих субпродуктов под действием бактериальных заквасок и штаммов: К - исходный субпродукт, ВРФ -водорастворимая фракция белка, СРФ - солерастворимая фракция белка. ЩРФ -щелочерастворимая фракция белка

Изучение характера и направленности изменений структуры субпродуктов при молочнокислой ферментации прозедено методом гистологического исследования их микроструктуры, которое подтвердило деструктивный характер биотрансформации вторичного мясного сырья при экзогенной молочнокислой ферментации.

Результаты проведенных исследований позволяют рекомендовать использование ферментированного вторичного мясного сырья в рецептурах мясопродуктов.

Проведено проектирование рецептур комбинированных мясопродуктов с использованием модифицированного вторичного сырья на основе функциональных и потребительских свойств, биологической ценности и стоимостных показателей. Для определения рецептуры проведена оптимизация состава комбинированных мясопродуктов. Критерием оптимизации является биологическая ценность их белка:

БЦ = 100 - Ski^-^™^ max (9)

где АС, -скор ;'-ой аминокислоты в составе мясопродукта, АСт„ - минимальный аминокислотный скор, п = 8 - количество незаменимых аминокислот. Варьируемыми параметрами служат массовые доли компонентов сырья с учетом ограничений, вызванных соображениями качественной оценки и соответствием требованиям нормативно-технической документации.

Задача оптимизации с учетом стоимости входящих компонентов сыры является задачей дробного линейного программирования с граничными условиями:

—^-->/пах (10)

Стоимость

В связи со сложностью решения задачи оптимизации рецептур комбинированного мясопродукта, связанной с расчетом большого количества вариантов, была разработана программа Optifood, позволяющая автоматизировать ввод данных сб используемых сырьевых компонентах в табличный процессор Microsoft Excel с последующим поиском значений массовых долей компонентов сырья, обеспечивающих максимальное значение критерия оптимизации. Программа реализована на языке программирования Delphi.

Проведенные на ней расчеты показывают несовпадение условий достижения максимумов этих двух критериев, при этом оптимизация с учетом стоимостных показателей (критерий оптимизации «БЦ / стоимость») приводит к экстремуму при максимально допустимой массовой доле белковой композиции (10 %). Кроме того,

расчеты позволили определить численные значения массовых долей субпродуктов б составе пищевого белкового композита, обеспечивающих максимальное значение показателя «БЦ / стоимость»: рубец - 6 %, легкое - 2 %, селезенка - 2 %.

Проведены опытные выработки рубленых мясных полуфабрикатов и вареных колбас с вариацией доли пищевой белковой композиции от 5 до 20% с определением выхода готовой продукции, функционально-технологических свойств (ФТС), включая влагосвязываюшую (ВСС) и влагоудерживающую (ВУС) способности (таблицы 14 и 15), а также органолептических показателей (рисунок 12).

Таблица 14 - ФТС и выход образцов рубленых полуфабрикатов. Пока- I

Значение показателя, %

траль ---- Chr. Hansen Safe Pro B-LC-20 Chr. Hansen BactofermF-SC-111 Schaller Start star Danisco Texel DCM-1

10 15 20 10 15 | 20 10 15 20 10 15 20

ВСС 98,0 96,3 93,2 89,0 97,0 91,1 ¡84,8 95,6 86.9 82,7 96,7 92,7 88.1

ВУС 72,0 59,3 54,1 52,7 59,8 57.1 ¡52,9 59.8 54.6 53,0 62,0 58,2 54,8

Выход 93,9 90,0 86,1 78,4 | 89,2 87,3 ¡76,7 91,4 883 79,7 90,6 88,1 79.9

! Показатель Значение показателя, %

Контроль Опытные образцы с композицией после обработки:

Chr. Hansen Baetoferm F-SC-111 Schaller Start star Lactobacillus plantarum 8P-A3

э 10 | 15 5 10 15 5 10 15

ВСС 81,3 79.9 L 77 1 75,3 80,9 79,5 75,2 80.6 78,4 76,8

Выход i 75,0 79,6 81 | 84,6 78,9 81,9 86,2 79,9 82,1 85,7

Внешний

-—-20% разрезе -1594

Рисунок 12 - Результаты органолептической оценки рубленых полуфабрикатов (А) и вареных колбас (Б) при вариации доли пищевой белковой композиции в составе

Вил на ——0% разрез

Таким образом, на основании совокупности результатов определения функционально-технологических свойств (ФТС), органолептических свойств и расчета

биологической ценности получаемых мясопродуктов рекомендована замена мясного сырья пищевой белковой композицией в количестве 10 % для производства как рубленых полуфабрикатов, так и эмульгированных мясопродуктов. Оптимальное содержание вторичного белоксодержащего сырья в пищевой белковой композиции составляет: рубец - 6 %, легкое - 2 %, селезенка - 2 %.

Это значение положено в основу нормативно-технической документации для производства указанных мясопродуктов в производственных условиях. Результаты проведенных опытно-промышленных испытаний подтверждают высокие потребительские свойства получаемой продукции.

Выводы по работе

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований автором решена актуальная проблема, имеющая важное социальное и хозяйственное значение, заключающаяся в разработке, экспериментальном обосновании и практической реализации биотехнологических подходов к оптимизации и усовершенствованию технологий переработки ряда органических отходов и вторичного белоксодержащего сырья предприятий сельского хозяйства, пищевой и перерабатывающей промышленности.

1. Обобщены и проанализированы литературные данные об основных органических отходах и вторичном сырье агропромышленного комплекса, охарактеризованы основные технологии I! методы их переработки с учетом их физико-химических, экологс-токсикологических, санитарно-гигиенических и органолепти-ческпх свойств.

2. Исследован процесс метаногенного сбраживания куриного помета и экспериментально обосновано его усовершенствование путем снижения ингибиругошего воздействия ионов аммония веществами природного происхождения.

3. Сформулирована задача оптимизации процесса метаногенного сбраживания куриного помета в непрерывных условиях на основе удельной производительности биореактора по метану и экспериментально обосновано ее решение расчетным методом.

4. Предложена и конструктивно проработана конструкция биореактора для реализации промышленной биотехнологии метаногенного сбраживания жидкого куриного помета, предложена и в ходе промышленного проектирования апробирована методика его технологического расчета на основе критериев гидродинамического подобия ферментационной среды. Разработанные технологический регламент и технико-экономическое обоснование строительства промышленной биоэнергетической установки были согласованы в Госкомитете ТАССР по охране природы (письмо № 2 от 9.01.1991 г.).

5. Разработаны и экспериментально обоснованы новые способы использования сброженного куриного помета для производства бактериальных удобрений и биопрепаратов для биоремедиации нефтезагряз.чеиных почв, что позволяет решать проблемы сельского хозяйства и защиты окружающей среды. Полученные бактериальные удобрения прошли апробацию в опытко-промышленных условиях на базе ООО НПИ «Биопрепараты» н на посевных площадях ООО «Совхоз Казанский Тепличный» (Акт испытаний от 17.11.2008 г.).

6. Усовершенствована методика лабораторного биотестированкя промышленных сточных вод с использованием тест-объектов различного уровня организации, позволяющая оценить их токсикологические и генотоксические свойства. Методи-

xa нашла применение при оптимизации промышленной биотехнологии очистки сточных вод предприятия rio переработке цельного молока и была передана для использования в ЦСИАК Минприроды РТ (Акт передачи от 5.11.2003 г.).

7. Экспериментально обоснован способ усовершенствования технологической схемы процесса анаэробно-аэробной очистки сточных вод предприятия по переработке^ цельного молока путем пространственного разделения последовательных стадий биодеструкции органического вещества и метаногенеза.

8. Сформулирована задача оптимизации процесса биологической анаэробно-аэробной очистки сточных вод предприятия по переработке цельного молока з каскаде из четырех последовательных биореакторов и разработана программа для компьютерного расчета и оптимизации. Полученные расчетные данные были использованы в ходе проведения реконструкции очистных сооружений на предприятии по переработке цельного молока ООО «Агрофирма Верхний Услон», в результате которой эффективность процесса очистки сточных вод повысилась на 35.8 % по ХПК и на 25,9 % по БПК (Акт испытаний от 5.12.2014 г.).

9. На основании результатов проведенных исследований экспериментально обосновано применение экзогенной молочнокислой ферментации для улучшенчя функционально-технологических и органолептических свойств говяжьих мякотных субпродуктов. Подтверждена антиоксидантная и антагонистическая активность исследованных моно- и полибахтериальных молочнокислых заквасок.

10. Сформулирована задача оптимизации условий процесса биотехнодогической трансформации вторичного белоксодержашего сырья, получены численные значения параметров процесса, обеспечивающие максимум критерия оптимизации. Нй базе полученных экспериментальных результатов разработан опытно-промышленный технологический регламент получения пищевой белковой композиции № 01/17-34-2015 и выполнено технико-экономическое обоснование производства комбинированных мясных продуктов с ее использованием на предприятии мощностью 3 т в смену. Расчетный экономический эффект составляет 3789 тыс рублен при производстве вареных колбас и 1496 тыс. рублей при производстве мясных рубленых полуфабрикатов.

11. Разработан критерий оптимизации состава комбинированных мясных продуктов с учетом биологической ценности и стоимости сырья, разработана программа расчета и оптимизации состава мясопродуктов Opt::food, получены численные значения параметров оптимизации. Проведенные промышленные испытания разработанных технологий производства вареных колбас и рубленых пoлvфaбpи-катов (Акты испытаний от 15.05.2013 и от 30.05.2014) показали хорошие органо-лептичесхие свойства выпускаемой продукции, а исследования, проведенные в аккредитованном испытательном центре ФГБУ «Татарская межрегиональная ветеринарная лаборатория» (Протоколы № 1891 и 1892 от 6.05.2015), подтвердили ее санитарно-гигиеническую безопасность.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Публикации, рекомендованные к изданию ВАК РФ

1. Крылова, Н.И. Микробиологические аспекты ферментации куриного помета при различных температурах / Н.И. Крылова, А.Я. Образцова. Р.Э.'Хабибуллин. К.С. Лауркназичюс, Р.П. Наумова, В.К. Акименко // Прикладная биохимия и микробиология. - 1994. - Т. 30. - № 1. - С. 156-160.

2. Хабибуллин, Р.Э. Технологические аспекты анаэробной переработки отходов птицеводства / Р.Э. Хабибуллин, Н.И. Крылова, Р.П. Наумова // Биотехнология. -1995. -№ 1-2.-С. 43-46.

3. Krylova, N.I. The influence of ammonium and methods for removal during the anaerobic treatment of poultry manure / N.l. Krylova, R.P. Naumova, R.E. Khabibullin, M.A. Nagel // Journal of Chemical Technology and Biotechnology. - 1997. - №70. - P. 99-105.

4. Иванченко, О.Б. Токсикогенетические характеристики з оценке качества пищевых продуктов / О.Б. Иванченко, Н.С. Карамова, Р.Э. Хабибуллин // Известил вузов: сер. Пищевая технология. - 2002. - №4. - С. 61-66.

5. Иванченко, О.Б. Оценка генотоксического потенциала сточных вод мясоперерабатывающего предприятия / О.Б. Иванченко, Р.Э. Хабибуллин // Известия ьузов: сер. Пищевая технология. - 2005. - № 4. - С. 61-63.

6. Иванченко, О.Б. Биотесты в мониторинге экологической безопасности сточных вод / О.Б. Иванченко, Р.Э. Хабибуллин, Х.Р. Хусаинова // Вестник Казанского технологического университета. - 2006. - №4. - С. 157-163.

7. Хабибуллин, Р.Э. Токсические свойства сточных еод мясоперерабатывающего предприятия / Р.Э. Хабибуллин, О.Б. Иванченко // Известия вузов: сер. Пищевая технология. - 2006. - № 4. - С. 114-116.

8. Хабибуллин, Р.Э. Исследование процесса анаэробного сбраживания куриного помета и инженерная методика технологического расчета биореактора / Р.Э. Хабибуллин, В.Н. Шарифуллин // Вестник Казанского технологического университета. -2010.-№ 9.-С. 639-646.

9. Хабибуллин, Р.Э. Технологические аспекты комбинированной анаэробно/аэробной технологии очистки сточных вод молочного производства / Р.Э. Хабибуллин, A.M. Петров, И.В. Князев, Э.Ф. Хасаноьа, Ф.М. Абдуллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. -№ 11. - С. 317-326.

10. Хабибуллин, Р.Э. Влияние разделения фаз ка эффективность процесса очистки сточных вод молочного производства / Р.Э. Хабибуллин, A.M. Петров, И.В, Князев, Н.Ю. Крапивина // Георесурсы. - 2011. - № 5. - С. 22-26.

11. Хабибуллин, Р.Э. Оптимизация анаэробной технологии сточных вод молочного производства / Р.Э. Хабибуллин, A.M. Петров, И.В. Князев // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 5. - С. 28-33.

12. Хабибуллин, Р.Э. Влияние экзогенной молочнокислой ферментации на микроструктуру говяжьих субпродуктов 2 категории / Р.Э. Хабибуллин, М.С. Ежксва, Э.И. Минивалееза, O.A. Решетник // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 15.-С. 189-194.

13. Хабибуллин, Р.Э. Влияние экзогенной молочнокислой ферментации на функционально-технологические свойства говяжьих субпродуктов 2 категории / Р.Э. Хабибуллин, Х.Р. Хусаинова, Э.И. Минивалеева, O.A. Решетник // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 16. - С. 187-194.

14. Хабибуллин, Р.Э. Влияние экзогенной молочнокислой ферментации на свойства мясных изделий с использованием говяжьих субпродуктов 2 категории / Р.Э Хабибуллин, Х.Р. Хусаинова, Э.И. Минивалеева, O.A. Решетник // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 16. - С. 203-209.

15. Хабибуллин, Р.Э. Корреляционный анализ эффективности технологии очистки сточных вод молочного производства в зависимости от основных технологических параметров / Р.Э. Хабибуллин, A.M. Петров, И.В. Князев // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15. - № 16. - С. 188-190.

16. Хабибуллин, Р.Э. Разработка алгоритма оптимизации процесса очистки сточных вод молочного производства / Р.Э. Хабибуллин, A.M. Петров // Вестник Казанского Технологического Университета. - 2012. - Т. 15. - № 19. - С. 127-129.

17. Хабибуллин, Р.Э. Влияние молочнокислой микрофлоры на санитарно-гигиенические показатели говяжьих субпродуктов / Р.Э. Хабибуллин, Г Ю. Яковлева, А.Р. Низамиеза. С.А. Жакслыкова /7 Вестник Казанского технологического университета.-2012.-Т. 15.-№23.-С. 123-126.

18. Жакслыкова, С.А. Биохимическая активность бифидобактерий в отношении говяжьих с)бпродуктов 2 категории / С.А. Жакслыкова, Р.Э. Хабибуллин. Г.Ю. Яковлева, O.A. Решетник /У Вестник Казанского технологического университета -2013.-Т. 16.-ЛИ!.-С. 202-206.

19. Хабибуллин. Р.Э. Сравнительная характеристика питательных сред для регид-раташ?!! и реактивации лиофилизированных бактериальных заквасок / Р.Э. Хабибуллин, С.А. Жакслыкова, А.Р. Низамнева, Г.Ю. Яковлева, O.A. Решетник // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16. - № 11. - С. 217-219.

20. Карамова, Н.С. Антирадикальные свойства Lactobacillus acidophilus л.v. Ер. S17/402 in vitro / Н.С.Карамоза, Р.Э. Хабибуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2СЧЗ. - Т. 16. - № 23. - С. 127-129.

21. Петров, A.M. Исследование и оптимизация комбинированной технологии очистки сточных вод предприятия по переработке молока / A.M. Петров. Р.Э. Хабибуллин // Вода: химия и экология. - 2013. - Л'о 11 (65). - С. 28-34.

22. Хабибуллин, Р.Э. Анализ энергетической эффективности анаэробно-аэробной технологии очистки сточных вод молочного производства /' Р.Э. Хабибуллин, A.M. Петров, И В. Князев // Вестник Казанского технологического университета -'2014 - Т. 17. - № 1. - С. 232-234.

23. Жакслыкова, С.А. Антагонистическая активность бактериальных молочнокислых заквасок ! С.А. Жакслыкова, Р.Э. Хабибуллин, Г.Ю. Яковлева, O.A. Решетник // Вестник Казанского технологического университета - 2014 - 'Г 17 - № 10 -С.152-155. " '

24. Карамова. Н.С. Антиоксцдантная активность промышленных бактериальных заквг.сок / Н.С. Карамова. Р.Э. Хабибуллин, С.А. Жакслыкова, Н.Б. Мпрошгшк. O.A. Решетник // Вестник Казанского технологического университета - 2014 - Т 17.-№ 10.-С. 190-194.

25. Жакслыкова, С.А. Подходы к оптимизации состава сбалансированных мясопродуктов ! С.А. Жакслыкова, Р.Э. Хабибуллин, O.A. Решетник И Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - № 10. - С. 242-247.

26. Хабибуллин, Р.Э. Современные программы автоматизированного расчёта рецептур комбинированных пищевых продуктов / Р.Э. Хабибуллин, С.А. Жакслыкова, O.A. Решетник '/ Вестник Казанского технологического университета - 2014 -Т. 17.-№10.-С. 257-260.

27. Иванченко, О.Б. Пути образования и токсические свойства сточных вод пивоваренных предприятий / О.Б. Иванченко, Р.Э. Хабибуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т. 18. - № 2. - С. 433-436.

28. Здйнулгабидинов, Э.Р. Особенности распределения нормальных алкаков в современных дерново-подзолистых почвах / Э.Р. Зайнулгабидинов, Ю.А. Игнатьев, А.М Петров, Р.Э. Хабибуллин it Вестник Казанского технологического университета. - 2015. -Т.18. -№4. - С. 271-274.

29. Иванченко. О.Б. Оценка генотокснчности сточных вод в системе экологического мониторинга пивоваренного предприятия / О.Б.Иванченко, Р.Э. Хабибуллин, О.А.Решетник /У Вестник Казанского технологического университета. - 2015. -Т. 18. - № 6. - С. 223-226.

Патенты и изобретения

30. Пат. 2040138 Российская Федерация. МПК А01СЗ/С2. Установка для анаэробной переработки отходов животноводства [Текст] / Крылова Н.И., Наумова Р.П., Хабибуллин Р.Э.. Параыыгин И.А., Гребнев В.В., Хуснуллин М.З.; № 5061386/15, заявл. 02.09.1992. опубл. 25.07.1995.

31. Пат. .2130005 Российская Федерация. МПК C05F11/08, C12N11/02. Способ получения биоудобрения [Текст] / Райманов И.Т., Алимова Ф.К., Ожиганова Г.У., Хабибуллин Р.Э., Крылова Н.И., Фаттахова Л.Н.; № 96111333/13, заявл. 04.06.1996, опубл.'10.05.1999.

Публикации в периодических изданиях и трудах конференций

32. Кристапсон, М.Ж. Интерпретация окислителыю-восстановительного потенциала и его применение для управления процессом синтеза биологически актизных веществ / М.Ж. Кристапсон, Р.Э.Хабибуллин //Проблемы современной биохимии и биотехнологии: сб. трудов межд. конф. СССР-ГДР. Рига, 1985. - с.239.

33. Кристапсон, М.Ж. Редоксстатный режим культивирования микроорганизмов М.Ж. Кристапсон, М.К. Смолкина, Хабибуллин Р.Э. // 7 Съезд ВМО: сб. трудов. -Алма-Ата, 1985. - с.64

3^. Кристапсон, М.Ж. Принципы измерения окислительно-восстановительного потенциала в биотехнологии микробного синтеза / М.Ж. Кристапсон, Р.Э. Хабибуллин. - М: ВНИИСЭН'ГИ, 1985. - 36 с.

35. Хабибуллин, Р.Э. Измерение окислительно-восстановительного потенциала в микробиологических процессах / Р.Э.Хабибуллин П 3 кн.: Эксплуатация и усовершенствование ферментационных установок. - Рига: Зинатне, 1986. - С. 166-170.

36. Крылова, Н.И. Исследование микрофлоры термофильного брожения куриного помета / Н.И.Крылова, Р.Э.Хабибуллин, Р.П.Наумова, А.Я.Образцова // Новые направления биотехнологии: сб. трудов 5-й конф. - Пущине, 1992. - С.160.

37. Khabibullin, R.E. Technological aspects of poultry manure anaerobic treatment / R.E.Khabibullin, N.l.Krylova, R.P.Naumova // 7th European Congress on Biotechnology. abstracts. V.4. - Nice, 1995. - P. 96.

38. Krylova, N.I. Microbiological aspects of poultry manure anaerobic treatment: the influence of different factors on the composition of methanogenic consortium / N.l.Krylova, R.P.Naumova. R.E.Khabibullin // 7th European Congress on Biotechnology: abstracts. V.4. - Nice, 1995. - P. 96.

39. Krylova, N. The influence of natural minerals on physiological activity and microbial composition of methanogenic consortium / N. Krylova, R. Khabibulim, R. Naumova // Conference on Environmental pollution (ICEP-95). - St.-Petersburg, 1995. - P. 23.

40. Krylova, N. Changes in soil biological activity during bioremediation of petroleum contaminated soil / N. Krylova, R. Khabibullin, R. Naumova // Conference on Environmental pollution (ICEP-95). - St.-Petersburg, 1995. - P. 30.

4 i. Khabibullin. R.E. Anaerobic digestion of agricultural wastes: microbiological and technological studies / R. Khabibuüfn, N. Krylova, R. Naumova // AGROBIOTEC (Advanced Biotechnologies and Agriculture). - Ferrara, 1995. - P. 90.

42. Хабибуллин, Р.Э. Анаэробный биореактор для очистки сточных вод пищевой промышленности / Р.Э. Хабибуллин, В.Н. Шарифуллин // Пищевая промышлсн-ность-2000: сб. трудов научной конференции. - Казань, 1996,- С.89-90.

43. Krylova, N.I. The influence of ammonium and the methods for its removal during the poultry manure anaerobic treatment / N.I. Kiylova, R.P. Naumova, R.E. Khabibullin,

M.A. Nagei//Clean Tech'96: abstracts of Symposium.-London, 1996.-P. 133-136.

44. Khabibullin, R.E. Granulated poultry manure as the key to solve an environmental problems / R.E. Khabibullin, I.T. Raimanov, G.U. Ozhiganova // 8th European Congress on Biotechnology: abstracts. - Budapest, 1997. - P.43.

45. Ozhiganova, G.U. Biofertilizer on the base of poultry manure / G.U. Ozhiganova, R.E. Khabibullin, I.T. Raimanov // 8th European Congress on Biotechnology: abstract* -Budapest, 1997. - P.43.

46. Khabibullin, R.E. Biotechnology of poultry manure treatment / R.E. Khabibuilin, I.T. Raimanov, N.I. Krylova, G.U. Ozhiganova // 8th European Congress or. Biotechnclogv abstracts. - Budapest, 1997. - P.316.

47. Хабибуллин, Р.Э. Анаэробный биореактор для очистки сточных вод пищевой промышленности / Р.Э. Хабибуллин, Ю.В. Шапошникова, Е .Н. Шарифуллик, О.А. Решетник // Проблемы городского хозяйства и социально-культурной сферы города: сб. трудов научно-практич. конференции. - Казань, 1998. - C.'l37.

48. Зарилова, С.К. Биологическая активность почв: влияние нефтяного загрязнены и различных методов биоремедиации / С.К. Зарнпова, И.Т. Храмов, Ф.К. Алимова, А.В^ Гарусов, Р.Э. Хабибуллин, Р.С. Кашаев, Р.П. Наумова //Плодородие почв' удобрения, урожай: труды ТатНИИ агрохимии и почвоведения. - Казань- ПАГ 2001.-С.176-186.

49. Хабибуллин, Р.Э. Энергосберегающие технологии переработки отходов предприятий пищевой промышленности / Р.Э. Хабибуллин, М.А. Чижова /7 Кирпични-ковские чтения: сб. трудов научной конференции. - Казань, 2003. - С.137.

50. Иванченко, О.Б. Токсичность как показатель экологической безопасности сточных вод мясоперерабатывающих предприятий / О.Б. Иванченко, Х.Р. Хусэдкова, Р.Э. Хабибуллин, М.А. Чижова /7 Ecological Chemistry: abstracts of 3rd International Conference. - Chisinau, Moldova, 2005. - P. 158-159.

51. Хусаинова, Х.Р. Повышение эффективности переработки мясного сырья за счет использования вторичных продуктов и отходов / Х.Р. Хусаинова, О.В. Смирнова, Р .Э. Хабибуллин, О.А. Решетник // Фундаментальные и прикладные проблемы повышения продуктивности сельскохозяйственных животных в изменившихся условиях системы хозяйствования и экологии; сб. Havn. трудов. - Ульяновск 2005 - С 234-237.

52. Хабибу ллин, Р.Э. Энергетический потенциал сточных вод пищевых производств Республики Татарстан в процессе их анаэробной очистки / Р.Э. Хабибуллин, И.В. Князев, Э.Ф. Хасанова, A.M. Петров // ЕвразияБио-2010: сб. трудов международного конгресса. - Москва, 2010. - С.201-203.

53. Khabibullin, R.E. Energy potential of waste waters of the food processing plants of Republic of Tatarstan during their anaerobic treatment / R.E. Khabibuliin, I.V.Knya2ev. E.F. Khasar.ova, A.M. Petrov // EurasiaBic-2010: abstracts of 2nd International Congress on Biotechnology and Bioenergy. - Moscow, 2010. - P. 285-286.

54. Хабибуллин, Р.Э. Энерго- и ресурсосберегающая технология анаэробной переработки куриного помета / Р.Э. Хабибуллин, A.M. Петров // Журнал экологии и промышленной безопасности. - 2010. - №3 (47). - С. 91-92.

55. Жакслыкова, С.А. Перспективность использования биотраксфармированного вторичного сырья в технологии мясных продуктов / С.А. Жакслыкова, Р.Э Хаби-буллин, O.A. Решетник // Биотехнология: состояние и перспективы развития: сб. трудов 7 Московского международного конгресса. - Москва, 2Ö13. - С. 79.

56. Хабибуллин, Р.Э. Исследование эффективности и оптимизация анаэробно-аэробной технологии очистки сточных вод молочного производства / Р.Э. Хабибуллин, A.M. Петров, И.В. Князев, Ю.А. Игнатьев //Сборник научных трудов Института проблем экологии и Недропользования АН РТ. - Казань: Отечество, 20 S 4. -С. 178-197. '

57. Жакслыкова, С.А. Научные основы производства мясных изделии с. использованием биотрансформированного вторичного сырья мясной промышленности / С.А. Жакслыкова, Р.Э. Хабибуллин, O.A. Решетник // Биотехнология и качество жизни: сб. трудов Международной научно-практической конференции. - М.: Экс-побнохимтехнологии, 2014. - С. 361-362.

Заказ /О?_____________Тираж /00Э^

Офсетная лаборатория Казанского национального исследовательского технологического университета

420015, Казань, К.Маркса, 68

Информация о работе

Хабибуллин, Рустем Эдуардович
доктора технических наук
Казань, 2015
ВАК 03.01.06

Автореферат

Биотехнологические подходы к оптимизации процессов переработки отходов и вторичного сырья агропромышленного комплекса - тема автореферата по биологии, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы