Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование и разработка интенсивной биотехнологии анаэробной переработки куриного помета

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Исследование и разработка интенсивной биотехнологии анаэробной переработки куриного помета"

- ¡а июп 1335 • ' ~

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ- КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

- КАЗАНСКИЙ- ГОСУДАРСТВЕННЫ Й~ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ~~ ~~ Р ^ 5 ОД УНИВЕРСИТЕТ

-з'йюп «35 —— ~

________ На правах рукописи__

ХАБИБУЛЛИН Рустем Эдуардович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНТЕНСИВНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

КУРИНОГО ПОМЕТА 03.00. 23 - Биотехнология

Автореферат Эшш на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЗАНЬ - 1995

Работа выполнена на кафедре микробиологии и. лаборатории экологи ческой биотехнологии Казанского государственного университета

Научные руковвдители - доктор биологических наук

профессор Р.П. Наумов!

доктор технических наук профессор В.Н. Шарифуллш

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор О.А. Решетнш

доктор технических наук профессор Ю.И. Азимо]

Ведущая организация-Институт биохимии и физиологи микроорганизмов РАН, г. Пущине

!

I

Защита состоится 1995 г. в час на заседанш

специализированного Ученого Совета К 063.37.06 при Казанское государственном технологическом университете. Адрес: 420015, ул. К.Маркса, 68, КГТУ, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке; КГТУ.

Автореферат разослан

1995 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета К 063.37.06, к.т.н. %]/ - ' З.Ш. Килеева

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Повсеместное создание крупных животноводческих и птицеводческих комплексов, применение интенсивных методов содержания промышленного поголовья животных и птицы привели к резкому обострению проблемы утилизации органических отходов. Накопление огромных масс отходов и их применение без соответствующей обработки и обеззараживания создает реальную опасность загрязнения почвы, водоемов и воздушного бассейна патогенной микрофлорой и биогенными элементами. Одним из эффективных способов утилизации органических отходов птицеводства и животноводства является их анаэробная ферментация, которая позволяет решать проблемы обеззараживания, дезодорации, концентрировашш и минерализации жидких отходов с получением энергии в виде образующегося биогаза. Кроме того, метод анаэробной ферментации позволяет получать ряд ценных продуктов, которые могут быть использованы в качестве органических удобрений и белковых кормовых добавок.

К настоящему времени, несмотря на широкое распространение, метод метаногенной ферментации куриного помета имеет целый ряд нерешенных проблем. В частности, недостаточно изучены механизмы формирования и функционирования активных микробных сообществ, осуществляющих этот процесс, не разработаны методы оптимизации и интенсификации их метаболической активности. Недостаточно освещена также регуляторная золь аммонийного азота, образующегося при сбраживании белковых ;убстратов, практически отсутствуют методы снижения его ингибирующего зоздействия. Недостаточно проработаны вопросы аппаратурного оформления промышленных технологий утилизации куриного помета. Гаким образом, исследование процесса анаэробного сбраживания куриного томета, его оптимизация и разработка интенсивной промышленной -ехнологии его утилизации представляется весьма актуальным.

ДЕЛЬ РАБОТЫ. Основной целью работы является разработка интенсивной 1ромышленной технологии анаэробной переработки куриного помета. В ;оответствии с поставленной целью были определены следующие задачи шстоящей работы:

- селекция и изучение физиолого-биохимических особенностей шкробного сообщества, осуществляющего анаэробное метаногенное :браживание куриного помета;

- изучение регуляторной роли высоких концентраций аммонийного йота при сбраживании куриного помета с целью разработки методов нижения его ингибирующего воздействия;

- определение оптимальных технологических параметров процесса наэробиого метаногенного сбраживания куриного помета;

- изучение агрохимических и санитарно-гигиенических свойств [родуктов, получаемых по разрабатываемой технологии;

- разработка промышленной технологию утилизации куриного помета : получением органического удобрения и биогаза;

- разработка новой конструкции биореактора для интенсивной наэробной ферментации куриного помета;

- оценка экономической эффективности разрабатываемой технологии.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Осуществлен процесс селекции анаэробных микроорганизмов I условиях, приближающихся к реальной метангенерации куриного помета, \ создано активное метаногенное сообщество для разработки промышленное технологии переработки куриного помета.

2. Выявлены закономерности и характер ингибирующего действш аммонийного азота на анаэробное разложение куриного помета, а такж< возможности и перспективы снижения этого ингибирования < использованием природных минералов.

3. Определены оптимальные значения основных параметров (скоросп протока О, интенсивности перемешивания Куд) процесса анаэробной сбраживания в непрерывных условиях.

4. Разработан новый метод инженерного расчета анаэробного реактор; для сбраживания куриного помета.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1. Получено метаногенное сообщество, обладающее высоко] биохимической активностью в отношении куриного помета.

2. Разработан и испытан способ интенсификации процесс анаэробного метаногенного сбраживания куриного помета с использование! природных минералов.

3. Установлены оптимальные технологические параметры анаэробног процесса сбраживания куриного помета в непрерывных условиях (скорост протока, интенсивность перемешивания, температура).

4. Разработан технологический регламент промышленной установк для сбраживания куриного помета птицефабрики с поголовьем в 1 млн кур несушек, проведено технико-экономическое обоснование строительства это установки.

5. Разработан промышленный аппарат для анаэробной переработк куриного помета, обеспечивающий снижение затрат энергии н перемешивание не менее чем в 2 раза.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались н итоговых научных конференциях Казанского государственного университет (1991 - 1995 гг.), на Всесоюзной конференции "Биотехнология и биофизик микробных популяций" (г. Алма-Ата, 1991), на Всесоюзном симпозиук "Микробиология охраны биосферы в регионах Урала и Северно! Прикаспия" (г. Оренбург, 1991), на 5-й Всероссийской конференции "Новь направления биотехнологии" (г. Пущино, 1992), на 7-м Европейско Конгрессе по Биотехнологии (г. Ницца, Франция, 1995).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные материалы диссертации опубликованы в статьях и тезисах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, глав, заключения, списка литературы и приложений. Материалы изложен

на 165 страницах машинописного текста и содержат 17 таблиц и 18 рисунков. Список литературы содержит 190 наименований работ.

1 . ИССЛЕДОВАНИЕ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА МЕТАНОГЕННОГО СБРАЖИВАНИЯ КУРИНОГО ПОМЕТА

Первым этапом работы явились изучение и интенсификация процесса анаэробного сбраживания помета на уровне кинетики микробного процесса. В соответствии с известными уравнениями кинетики роста микробных популяций с ингибироваиием задача интенсификации процесса на уровне кинетики может быть решена следующими способами:

увеличением общей удельной скорости роста путем

использования микробного сообщества с высокой биохимической активностью в отношении сбраживаемого субстрата или повышением температуры в физиологических пределах;

снижением отрицательного воздействия ингибиторов путем увеличения константы ингибирования К\.

Для этих целей в результате направленной селекции в условиях непрерывного культивирования было получено специализированное микробное метаногенное сообщество с высокой ферментативной активностью в отношении куриного помета.

Полученное сообщество отличалось от микрофлоры нативного помета (табл.1) более высоким содержанием (на 4-5 порядков) бактерий, обладающих протеолитической и сахаролитической ферментативной активностью. Наличие этих групп микроорганизмов отражает специфику состава сбраживаемого органического материала, в частности, высокое содержание белка и растительных полисахаридов.

Таблица 1.

Численность отдельных групп микроорганизмов, % И/мл

Целлюло-литики Протео- литики Сахаро- литики Сульфат- редукторы Дени- трифи- каторы Метзно-гены

Нативный помет 1 6 3 3 3 2 ■

Микробное сообщество 4 10 . а 6 3 6

Сравнительное изучение метаногенных бактерий из состава селекционированного сообщества и микрофлоры исходного помета при различных температурных режимах позволило определить их субстратную специфичность в отношения различных соединений. Показано, что в условиях термофильного культивирования метанообразование протекает более интенсивно, а предпочтительными субстратами являются ацетат и пропионат. В нативном курином помете численность мезофильных метаногенных микроорганизмов на 2-4 порядка выше, чем термофильных. В результате селекции в термофильном режиме количество мезофильиой

микрофлоры практически не изменялось, тогда . как численность микроорганизмов термофильной группы увеличивалась на 3-6 порядков.

Другим возможным способом повышения интенсивности процесса метангенерации органических отходов является снятие ингибирующего воздействия компонентов ферментационной среды. Известно, что высокое содержание протеина в курином помете (до 60 % от суммарного органического, вещества) обусловливает протекание его метаногенного сбраживания при высоких концентрациях эндогенного аммония (до 50 г/л). Данные литературы свидетельствуют о его ингибирующей роли в процессе анаэробного брожения, поэтому были проведены исследования по влиянию аммонийного азота на процесс метанообразования и поиску путей снятия его ингибирующего воздействия.

Показано влияние концентрации экзогенного аммонийного азота на показатели функционирования метаногенного консорциума на модельной среде и курином помете (рис.1).

0 2 5 10 15 20 25 0 2 5 10 15 20 25

Концентрация аммония, г/л Концентрация аммония, г/л

Рис.1. Влияние концентрации аммонийного азота на образование биогаза и метана на модельной среде (А) и курином помете (Б)

При концентрациях аммония 2-5 г/л его присутствие не влияло на продукцию биогаза и метана. При 15-25 г/л подавлялось выделение биогаза и метана, причем в различной степени: если объем биогаза уменьшился в 2.4 раза, то объем выделившегося метана в 5-7 раз снизился по сравнению с контрольным вариантом. Очевидно, высокие концентрации аммонийного азота ингибировали прежде всего метаногенную составляющую консорциума.

Проведенные исследования метаногенеза на модельных средах и курином помете в присутствии добавок минералов (рис.2) продемонстрировали стимулирующий эффект последних при обеих исследованных температурах, причем максимум их стимулирующего эффекта наблюдался при концентрациях минералов 5-10 %.

0.5

, 0.4 с

9

8 § °"3 \ "О-2

5 0.1

а 37-с ■ 55'С

г!г1Г1

»3 6

\л

0 1 5 10 20 Концентрация минерала, %

0 1 5 10 20 Концнпрацкя минерала, %

ис.2. Влияние концентрации минерала на образование метана на модельной среде (А) и курином помете (Б)

Предполагая, что одной из наиболее вероятных причин стимуляции етаногенеза при добавлении минералов является снятие ингибирующего »действия аммонийного азота, нами были проведены эксперименты по :йствию минералов в условиях варьирования концентрации аммония, вменение объемов биогаза и метана в процессе анаэробной ферментации цданого помета при концентрации экзогенного аммония от 0 до 50 г/л тс.З) показало, что метанообразование ингибируется аммонийным азотом большей степени, чем образование биогаза.

0 10 20 30 40 50

Концентрация аммония, г/л

10 20 30 40 50

Концентрация аммония, г/л

ис.З. Влияние добавок минерала (5%) на образование биогаза (А) и метана (Б) при различных концентрациях аммонийного азота.

Внесение минералов в оптимальной концентрации снижает нгибирующее воздействие аммонийного азота при его концентрациях до 20 'л, в результате объемы биогаза и метана практически не отличаются от онтроля (в отсутствие экзогенного аммония).

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА МЕТАНГЕНЕРАЦИЮ КУРИНОГО ПОМЕТА

Задача оптимизации процесса анаэробной ферментации куриного помета формулируется следующим образом:

Определить значения основных технологических параметров, обеспечивающих максимальную удельную производительность биореактора по метану.

Такая постановка задачи определила следующие цели исследования процесса метангенерации куриного помета в непрерывных условиях:

1. Определение влияния основных технологических параметров (скорости протока, интенсивности перемешивания, температуры) на удельную производительность реактора по метану при выполнении следующих совокупных требований к процессу переработки:

- заданная степень разложения органического вещества;

- достаточный санитарно-гигиенический эффект обработки;

- максимальная сохранность биогенных элементов.

2. Определение предельного выхода метана от потребленного субстрата.

Исследование влияния основных технологических показателей проводилось в пилотной установке, состоящей из трех горизонтальных реакторов объемом 100 л, соединенных по двухстадийной схеме с отношением объемов первой и второй стадий 1:2. Биореакторы снабжены механическим перемешивающим устройством, встроенным теплообменником, системой подачи и отвода помета, штуцером отбора биогаза, контрольным манометром и смотровым окном.

Температура в биореакторе поддерживалась автоматически на уровне 45° и 55°С, скорость протока субстрата D варьировалась от 0.1 до 0.25 сут путем изменения расхода загружаемого субстрата при фиксированной величине влажности. Интенсивность перемешивания регулировалась изменением числа оборотов перемешивающего устройства.

Определяли основные параметры процесса (концентрация субстрата, содержание биогенных элементов, количество микроорганизмов). Основными расчетными технологическими показателями процесса являлись удельные производительности по биогазу Qgr и метану QM (л/л/сут), скорость потребления органического вещества dS/dt (г/л/сут), степень разложения органического вещества 1 - S/So (г/г), выход метана от потребленного субстрата Y (л/г ХПК (АСВ)).

Результаты исследования процесса анаэробного сбраживания куриного помета в непрерывных условиях (табл.2.) показывают, что увеличение скорости протока субстрата D приводило к росту удельной производительности по биогазу Q6r и метану QM, максимум которых наблюдался при скорости протока D = 0.2 сут"1. Скорость потребления органических веществ dS/dt, являющаяся показателем активности гидролитической и ацидогенной составляющих сообщества, также увеличивалась с ростом скорости протока и достигала максимума npv: критической величине протока D = 0.2 сут"1.

Показатели процесса анаэробной переработки куриного помета

Таблица 2

Параметр 45°С 55°С

Скорость протока субстрата 1/сут 0.25 0.20 0.17 0.10 0.25 0.20 0.17 0.10

Удельная производительность по биогазу 0 бг, л/л/сут 2.0 3.3 2.7 2.0. 1.9 3.1 2.6 2.2 !

Удельная производительность по метану Ом, л/л/сут 1.2 1.9 1.7 1.3 0.6 1.9 1.4 1.3

Степень разложения органики 1-8/8о, г/г 0.13 0.19 0.22 0.28 0.08 0.12 0.17 0.22

Скорость потребления органики <1Б/{И, г/л/сут 5.8 7.4 7.1 5.9 4.3 4.9 4.9 4.1

Выход метана от субстрата У, л/кг 0.19 0.26 0.27 0.29 0.17 0.27 0.25 0.30

Предельный выход метана от субстрата Уо, л/кг 0.35 0.41

Содержание ОМЧ, % от исходного 8.40 3.20 0.30 0.02 0.08 0.02 0.00 0.00

Содержание БГКП, % от исходного 1.60 0.60 0.06 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00

Содержание сальмонеллы, % от исходного 0 0 0 0 0 0 0 0

Содержание общего N. % 4.2 4.0 3.9 3.8 4.3 4.0 4.0 . 3.9 ;

Содержание Р2О5, % 3.0 2.9 2.9 2.8 - 3.0 2.9 !

Содержание К2 0, % 1.9 1.8 1.8 1.8 - 1.8 1.6 -

Превышение критической скорости протока D вызывало нарушешк устойчивого режима сбраживания помета, что проявлялось в паденш удельных производительностей Q6r и QM, а также снижении степею разложения органического вещества 1 - S/So (рис. 4).

£

I«

в——

D-" ® - •: • * - ; - - ■ т : : Я : ^

о в

D, 1/сут

0.2

-в - S/So (45 С) - © - S/SO (55 С) -О—йш (55 С) -■-Вт (45 С)

Рис.4. Зависимость удельной производительности по метану Qm и степени разложения органического вещества S/So от скорости протока D.

Зависимость S/So от D (рис.4) имеет характер, близкий к линейному, : зависимость Qm (D) имеет характерный излом при переходе от скорости протока 0.2 к 0.25 сут"1. Это, по-видимому, объясняется разницей ] максимальных удельных скоростях роста микроорганизмов гидролитическое и метаногенной составляющих сообщества, определяющих соответствен» S/So и Qm-

Температурный режим оказывал незначительное влияние на основньк технологические показатели процесса. Удельные производительности Qm 1 Q6r близки при обеих температурах, нет существенной разницы и в степеш деструкции органического вещества 1 - S/So.

Скорость потребления субстрата dS/dt при мезофильном сбраживанш помета в целом несколько выше, чем при термофильном, объяснением чем; может служить богатое видовое разнообразие и весьма высокое содержан» мезофильной микрофлоры во вносимом субстрате, в первую очеред! гидролитической и ацетогенной групп.

Зависимости выхода метана Y от скорости протока D (рис.5 показывают его снижение при увеличении скорости протока. Линеаризация экспериментальных данных в виде:

Y = Y0 + к * D,

где Y - выход метана от субстрата, л/г ХПК (АСВ);

Yo - предельный выход метана от субстрата, л/г ХПК (АСВ);

D - скорость протока, сут"1;

позволяет определить величины предельного-выхода метана У0 от субстрата, которые приведены в табл.2.

* 0.2

к-

11 "1

^---4 1-—1

[ игр (45 С) -И—У *пт з»гр (55 С)

- О - V хя* оопр (45 С)

— ♦ - У хот потр (55 С)

0.17 0.2

О, 1/суг

0.3

-- -яь-^

—13—У (45 С) —О-V (55 С)

0.1

0.17 0.2

а, 1/с у<

Рис. 5. Зависимость выхода метана У от ХПК (А) и АСВ (Б) от скорости протока Б при различных температурах.

Санитарно-гигиенические показатели исходного и сброженного куриного помета свидетельствуют о значительном снижении содержания микроорганизмов, в том числе санитарно-показательных, в результате его анаэробной обработки и демонстрируют существенно более высокий эффект обеззараживания в термофильном режиме. Сопоставление содержания основных биогенных элементов в исходном и сброженном помете показало высокую степень их сохранности, что не налагает особых ограничений на выбор режима его переработки.

С целью определения оптимального уровня интенсивности перемешивания было проведено исследование влияния удельной мощности на удельную производительность по биогазу Обг и метану Ом- Для этого

варьировали число оборотов перемешивающего устройства при постоянной скорости протока Б = 0.2 сут"1 и двух температурных режимах.

Зависимости удельных производительностей ()6г и от удельной введенной мощности 1Чуд представлены на рис.6.

-Ом, л/л/сут -Обг, л/л/сут

1.6 2. N уд, Вт/куб.м

Рис. 6. Зависимость удельной производительности по биогазу и метану от величины удельной мощности Иуд

Экспериментальные данные аппроксимированы в виде:

а*ИуД

(3 = А+-

Ь+Ыуд

Определены значения коэффициентов этого уравнения и определен оптимальный уровень удельной мощности, равный 3 Вт/куб.м.

3. РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ КУРИНОГО ПОМЕТА

Отличительные особенности разработанной интенсивной технологии анаэробной переработки куриного помета следующие:

а) оптимизация пространственной сукцессии микроорганизмов метаногенного сообщества путем разделения стадий процесса;

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

в) использование добавок природных минералов с целью снижения ингибирующего воздействия аммонийного азота;

г) применение иммобилизации микрофлоры сообщества;

д) использование оптимального уровня перемешивания;

е) непрерывный режим сбраживания помета при оптимальной скорости протока.

3.1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

Установка, схема которой представлена на рис.7, работает следующим образом.

Исходный помет из емкости-накопителя 1 насосом 2 подается через теплообменник-утилизатор 3 в смеситель 4, где он разбавляется фильтратом до оптимальной влажности 0.92. В теплообменнике 3 происходит нагрев поступающего помета за счет тепла фильтрата, поступающего после этого в емкость для сбора фильтрата 16. Разбавленный помет поступает в биореактор первой ступени сбраживания 5, где протекают реакции первых стадий разложения органического вещества. Сбраживаемая масса непрерывно поступает в реактор второй ступени 6, где происходит основное образование метана. Непрерывно биогаз, отбираемый из реакторов, накапливается в газгольдере 8, откуда подается в топку 9 для сжигания. Горячие топочные газы поступают в сушильную установку 10 для сушки твердой фракции, после чего попадают в аппарат 11 для очистки отработанных топочных газов от частиц твердой фракции и утилизации их тепла путем контакта с фильтратом. Масса сброженного помета из аппарата ' второй ступени 6 поступает на барабанный вакуум-фильтр 7. Твердая фракция помета поступает в сушильную установку 10, а после сушки собирается в емкости 17. Часть фильтрата подается в аппарат очистки топочных газов 11, улавливает частицы высушенной твердой фазы, нагревается за счет тепла газов и подается в смеситель 4, где разбавляет поступающий свежий помет. Другая часть фильтрата подается в теплообменник 3, где отдает свое тепло поступающему помету и накапливается в емкости 16 для хранения и дальнейшего использования.

3.2. РАЗРАБОТКА АППАРАТА И МЕТОДА ЕГО РАСЧЕТА

При разработке новой конструкции биореактора были поставлены задачи обеспечения поддержания частиц органического вещества помета во взвешенном состоянии и поддержания заданного температурного режима среды (55°С) с высокой точностью.

Для выполнения функции перемешивания и поддержания органического вещества во взешенном • состоянии предложено использование рециркуляции ферментационной среды с помощью центробежных насосов 12 и вводом в нижнюю часть биореакторов 5 и 6 как наиболее экономичный и надежный способ. Для оптимального использования рабочего объема реактора внутри его соосно установлены четыре диффузора, а подача рециркулирующей жидкости рассредоточена на четыре эжектора 14, установленных в нижней части диффузоров. Функция обеспечения температурного режима выполняется при помощи теплообменников 13.

. Для повышения степени турбулизации среды в области теплообмена предлагается совместить систему перемешивания и теплообмена в единый циркуляционно-теплообменный контур. Отбор среды предлагается производить из верхней части биореактора, затем при помощи

Рис.7. Технологическая схема промышленной установки для анаэробной переработки куриного помета (пояснения в тексте)

центробежного насоса 12 через теплообменник 13 и эжектор 14 вводить ее в нижнюю часть аппарата.

В верхней части диффузоров установлена объемная загрузка 15, выполненная из инертного материала, для иммобилизации микроорганизмов метаногенного сообщества.

Основным критерием для расчета интенсивности перемешивания является величина удельной мощности Куд, оптимальное значение которой принято равным 3 Вт/куб.м.

Расчет биореакгора, включающий в себя расчет основных размеров аппарата и характеристик вспомогательного оборудования, производится с учетом параметров материальных потоков перерабатываемого субстрата и оптимальных технологических параметров в следующей последовательности:

1. Определение полного и рабочего объема биореактора исходя из заданной производительности и оптимального времени пребывания.

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

3. Расчет критериев Архимеда и Рейнольдса для частиц органического вещества помета и минеральных частиц.

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

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

^орг < А^'диф < Wмнн

б. Расчет затрат энергии на перемешивание среды в одном аппарате по величине удельной введенной мощности и объему аппарата.

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

8. Расчет приведенной 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.

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

11. Расчет поверхности теплообмена и расхода теплоносителя.

3.3. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ПОМЕТА

Предложенная методика расчета аппарата и вспомогательного оборудования была апробирована при проектировании промышленной технологии переработки куриного помета на Набережночелнинской птицефабрике.

Исходные данные для разработки промышленной технологии переработки куриного помета определялись Техническим заданием,

действующей нормативной документацией [ОНТП 17-81] и свойствами помета с данной птицефабрики:

Среднегодовая численность поголовья кур-несушек 1 млн

Суточный выход помета от одной курицы-несушки, г 175

Влажность исходного помета, % н.б. 85

Оптимальные технологические параметры и расчетные показатели были получены по результатам предварительных исследований и составляли: Влажность исходного субстрата, % 92

Скорость протока субстрата, сут"1 5

Температура анаэробного сбраживания, °С 55

Удельная производительность по биогазу, л/л/сут 2.5

Содержание метана в биогазе, % 60

В результате расчетов по изложенной выше методике получены основные технико-экономические показатели промышленной установки: Общий объем биореактора, куб.м 3000

Производительность по помету, т/сут 175

Производительность по биогазу, куб.м/сут 7000

Выход твердой фракции (влажность 15 %), т/сут 38

Срок окупаемости, лет 1

Применение фракционирования сброженного помета обусловлено его высокой влажностью, а выбор оптимального способа основан на изучении распределения биогенных элементов" и органического вещества по фракциям.

Наиболее эффективным способом фракционирования признано фильтрование. Выбор типа фильтра, способа организации рабочего цикла и конструкционного материала позволил рекомендовать использование непрерывной вакуумной фильтровальной установки (ленточной или барабанной) базового исполнения.

Высокая концентрация сухого вещества и биогенных элементов в фильтрате обусловила его рецикл для разбавления поступающего помета. При решении вопроса о применении высушивания сброженного помета было проведено технико-экономическое сопоставление вариантов переработки помета:

- прямое высушивание исходного помета;

- анаэробное сбраживание помета и фракционирование;

- анаэробное сбраживание с последующим фракционированием и высушиванием твердой фракции.

Показатели экономической эффективности трех вариантов оказались достаточно близкими. Это позволяет рекомендовать выбор оптимального варианта в зависимости от предполагаемого срока и способа реализации продукта.

Для реализации технологии в промышленном масштабе был разработан технологический регламент промышленного процесса, проведено технико-экономическое обоснование и начато проектирование промышленной установки.

ВЫВОДЫ

1. Создано высокоактивное по отношению к куриному помету микробное сообщество, в котором доминируют микроорганизмы с протеолитической, сахаролитической и метаногенной активностью.

2. Культивирование в непрерывном режиме на курином помете способствовало селекции умеренно термофильной синтрофной ассоциации, осуществляющей метангенерацию с предпочтительным использованием ацетата и пропионата.

3. Высокие концентрации (более 15 г/л) экзогенного аммония ингибируют процесс метангенерации куриного помета. Внесение в ферментационную среду природных минералов в концентрации 5 % позволяет снизить ингибирующее воздействие аммонийного азота.

4. Исследование процесса метангенерации куриного помета в условиях непрерывного культивирования позволило определить оптимальные величины основных технологических параметров:

- максимум удельной производительности по метану QM, равный 1.9 л/л/сут, достигается при скорости протока D=0.2 сут'. Превышение критической величины D приводит к нарушению устойчивого режима метаногенного брожения;

- степень разложения органических веществ (1-S/So) при всех исследованных режимах не превышает 30 %, а предельные выходы метана от субстрата У0 составляют 0.305 л/г АСВ загруженного при 45°С и 0.264 л/г АСВ загруженного при 55°С;

- содержание биогенных элементов практически не зависит от изменения скорости протока субстрата и температурного режима;

- при термофильном режиме ферментации (55°С) достигаются наилучшие санитарно-гигиенические показатели сброженного куриного помета;

- удельная мощность перемешивания Ыуд существенно влияет на удельную производительность биореактора, при этом ее оптимальное значение составляет 3 Вт/ куб.м.

5. Разработана промышленная технология утилизации куриного помета для птицефабрики на 1 млн голов кур-несушек. Основные принципы технологии и ее аппаратурного оформления защищены патентом РФ.

6. Разработана конструкция нового биореактора с оптимальной интенсивностью перемешивания, которая обеспечивает снижение энергетических затрат на перемешивание по сравнению с существующими аналогами не менее чем вдвое. Предложен метод инженерного расчета основных параметров этого биореакгора.

7. Оценка экономической эффективности разрабатываемой технологии выявила высокие показатели ее рентабельности. Срок окупаемости капитальных затрат около 1 года.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Хабибуллин Р.Э., Крылова Н.И., Наумова Р.П. Биотехнологические аспекты применения метаногенного консорциума для анаэробной переработки отходов птицеводства / Тез. докл. Всесоюзн. конф. "Биотехнология и биофизика микробных популяций". Алма-Ата, 1991. -С.86.

2. Хабибуллин Р.Э., Крылова Н.И., Наумова Р.П. Использование метаногенного консорциума для анаэробной переработки отходов птицеводства / Тез. докл. Всесоюзн. симпозиума "Микробиология охраны биосферы в регионах Урала и Северного Прикаспия". - Оренбург, 1991. -С. 124.

3. Крылова Н.И., Образцова А.Я., Хабибуллин Р.Э., Наумова Р.П. Исследование микрофлоры термофильного брожения куриного помета / Новые направления биотехнологии. Тез. докл. 5-й конф. РФ. 18-22 мая 1992 г., ПущиногСД60.

4. Заявка на патент РФ N 5061386 "Установка для анаэробной переработки отходов животноводства" (Р.П. Наумова, Н.И.Крылова, Р.Э.Хабибуллин, В.В.Гребнев, М.З.Хуснуллин, И. А. П арамыгин). Положительное решение от 30.03.94, приоритет от 02.09.92.

5. Крылова Н.И., Образцова А.Я., Хабибуллин Р.Э., Лауринавичюс К.С., Наумова Р.П., Акименко В.К. Микробиологические аспекты ферментации куриного помета при различных температурах // Прикладная биохимия и микробиология. - 1994. - Т. 30, N 1. - С. 156 - 160.

6. Habibullin R.E., Krylova N.I., Naumova R.P. Technological aspects of poultry manure anaerobic treatment// Abstracts of 7th European Congress on Biotechnology, Nice, France, Febr. 19 - 23, 1995. - Vol.4, p. 96.

7. Krylova N.I., Habibullin R.E., Naumova R.P. Microbiological aspects of poultry manure anaerobic treatment: the influence of different factors on the composition of methanogenic consortium // Abstracts of 7th European Congress on Biotechnology, Nice, France, Febr. 19 - 23, 1995. - Vol.4, p. 96.

8. Хабибуллин P.P., Крылова Н.И., Наумова Р.П. Технологические аспекты анаэробной переработки отходов птицеводства // Биотехнология. -1995. - N 1-2. - С.43-46.

Соискатель AJ^ LJ Р.Э.Хабибуллин

Сдано в набор 07.04.95 г. Подписано в.печать 10.04.95 г. Форм.бум. 60 х 84 I/I6. Печ.л. I. Тираж 100. Заказ 159.

Лаборатория оперативной полиграфии КГУ 420008 Казань, Ленина, 4/5