Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Комплексная микробиологическая переработка послеспиртовой барды с получением белоксодержащего кормового продукта

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Комплексная микробиологическая переработка послеспиртовой барды с получением белоксодержащего кормового продукта"

На правах рукописи

005537897

КУЗНЕЦОВ ИЛЬЯ НИКОЛАЕВИЧ

КОМПЛЕКСНАЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ПОСЛЕСПИРТОВОЙ БАРДЫ С ПОЛУЧЕНИЕМ БЕЛОКСОДЕРЖАЩЕГО КОРМОВОГО ПРОДУКТА

03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 НОЯ 2013

Щелково 2013

005537897

Работа выполнена в Учреждении образования «Белорусский государственный технологический университет».

Научный руководитель Ручай Николай Степанович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры биотехнологии и биоэкологии, учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет»

Официальные оппоненты Денисов Аркадий Алексеевич,

доктор биологических наук, кандидат технических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ, заслуженный деятель науки Российской Федерации, член совета по защите диссертаций Д 006.069.01 при ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности» РАСХН Кузнецов Александр Евгеньевич, доктор химических наук, кандидат технических наук, зам. зав. кафедрой биотехнологии

Федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств» (ФГБОУ ВПО МГУПП)

Защита состоится 29 ноября 2013 г. в 10°° на заседании совета по защите диссертаций Д 006.069.01 на соискание ученой степени кандидата технических наук при ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности» РАСХН по адресу: 141142, Московская область, Щёлковский район, пос. Биокомбинат, д. 17 ВНИТИБП, Тел/факс (495)526-43-74, e-mail: vnitibp@mail.ru С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности РАСХН.

Автореферат разослан « 29» октября 2013 г., размещен на оффициальном сайте ВАК http://www.vak.gov.ru

Фролов Юрий Дмитриевич

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Производство этанола из углеводсодержащего сырья сопровождается образованием крупнотоннажного отхода - послеспиртовой барды, количество которой во много раз превосходит выход продукта и достигает 135-150 м3 на 1000 дал этанола. При масштабах производства этанола в Республике Беларусь 11,4 млн. дал в год общий объем послеспиртовой барды составляет около 1,5 млн. м3. Основным сырьем для производства высококачественного этанола в Республике Беларусь является зерно злаков (пшеница, рожь, тритикале).

В отечественной практике наиболее распространенным методом утилизации послеспиртовой барды является реализация натуральной барды в качестве кормовой добавки. Однако барда не подлежит длительному хранению, имеет место сезонность спроса на барду. Кроме того, перевариваемость сырого протеина барды низкая и составляет 52-54 %. Этот показатель может быть увеличен до 85-89 % в результате аэробного культивирования на барде дрожжей рода Candida. При этом резко возрастает кормовая ценность барды, появляется возможность получения полноценной кормовой белково-витаминной добавки. Промышленная реализация технологии на серийном отечественном оборудовании показала ее главный недостаток: большие затраты энергии на аэрацию барды в дрожжерастильных аппаратах и на последующее обезвоживание дрожжевой биомассы при невысоком выходе продукта.

В настоящее время на предприятиях отрасли барда является отходом, осложняющим экологическую обстановку вокруг предприятия. Несмотря на достаточно большой мировой опыт переработки барды, главным препятствием для реализации технологий являются большие энергетические затраты на производство сухих продуктов в связи с высокой влажностью барды.

Актуальность решения проблемы переработки барды связана не только с негативным техногенным воздействием отхода на окружающую среду, но и с необходимостью разработки комплексной безотходной технологии глубокой переработки продовольственного сырья с получением ценных для народного хозяйства продуктов, в частности, кормовой белоксодержащей добавки и биогаза

Цель и задачи исследования. Цель работы - создание эффективной технологии комплексной переработки крупнотоннажного отхода спиртового производства - послеспиртовой барды.

Цель работы обусловила постановку и решение следующих задач:

- установить закономерности процесса анаэробной переработки послеспиртовой бар-

3

а

ды, определить условия реализации процесса;

- разработать способ предварительной ферментативно-микробиологической обработки барды с целью получения обогащенной белком кормовой добавки на основе взвешенных веществ;

- определить технологические параметры процесса анаэробной переработки жидкой части (фугата) барды с получением биогаза;

- разработать технологию комплексной переработки послеспиртовой барды с получением кормового продукта и биогаза.

Научная повнзна исследований. В диссертационной работе получены новые результаты в области анаэробной ферментативно-микробиологической переработки послеспиртовой барды:

- определены закономерности анаэробной переработки барды, свидетельствующие о целесообразности раздельной ее переработки твердой и жидкой частей с получением кормового продукта и биогаза;

- впервые предложен способ предварительной ферментативно-микробиологической обработки барды, включающий воздействие гидролитическими ферментами, расщепляющими трудноутшшзируемый полисахарид клетчатку на 40% с увеличением общей концентрации редуцирующих веществ (РВ) с 0,27 до 1,5%, и культивирование на ферментированной барде выделенного из естественно развивающейся в барде микробиоты факультативно-анаэробного термотолерантного штамма дрожжей ЬасЪапсеа/егтеШаИ с получением обогащенного белком кормового продукта, содержащего не менее 30% истинного белка;

- определены технологические параметры непрерывного анаэробного сбраживания фугата барды в высокоэффективном \JASB-peaKTope, обеспечивающие выход биогаза 14 м3 на 1 м3 фугата и впервые разработана технология комплексной микробиологической переработки послеспиртовой барды с получением обогащенного белком кормового продукта, включающая предварительную ферментативно-микробиологическую обработку барды для обогащения ее белком, анаэробное сбраживание фугата барды с генерацией биогаза, очистку сброженного фугата ультрафильтрацией до уровня загрязненности по показателю ХПК, позволяющему осуществить сброс на городские очистные сооружения.

Практическая значимость. Практическая и экономическая значимость заключается в разработке энергоэффективной технологии комплексной переработки послеспиртовой барды с получением белоксодержащего кормового продукта, имеющего высокую коммерческую ценность, и энергоносителя —биогаза.

Разработанная технология позволяет решить актуальную экологическую проблему утилизации крупнотоннажного отхода спиртового производства с одновременным получением востребованных на внутреннем рынке продуктов.

Результаты работы являются вкладом в решение проблемы энергосбережения и импор-тозамещения.

Практические предложения

Разработанная технология комплексной переработки послеспиртовой барды предназначена для использования на предприятиях спиртовой промышленности как на территории Беларуси, так и за ее пределами.

Практическая реализация технологии позволит:

- утилизировать крупнотоннажный отход производства этанола и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду;

- производить белоксодержащую кормовую добавку с высокими потребительскими свойствами, заменяющую аналогичные кормовые продукты, закупаемые по импорту;

- получить газообразный энергоноситель (биогаз), который может использоваться для получения как тепловой, так и электрической энергии, что снижает зависимость предприятия от цен на энергоносители;

- повысить рентабельность спиртового производства за счет глубокой переработки пищевого сырья с получением коммерчески ценных продуктов.

Произведенные технико-экономические расчеты показали, что требуемые инвестиции на строительство цеха по переработке барды для спиртзавода мощностью по этанолу 2000 дал/сут составляет 2,9-3,0 млн. евро. Срок окупаемости инвестиций 5 лет. Достоверность экономических расчетов подтверждена независимой энергетической компанией «Энека».

Результаты исследований включены в следующие документы:

- проект ТУ на «Обогащенную белком сухую барды», утвержден УО «БГТУ» 27.11.2012 г.;

- опытно-промышленный технологический регламент по переработке барды, утвержден УО «БГТУ» 12.10.2012 г.;

- подана заявка на патент «Способ переработки послеспиртовой барды» от 31.03.2013 г. №а 2013 0125;

- штамм выделенных дрожжей ¿асИапсеа /егтепШЦ задепонирован в рабочей коллекции промышленно ценных штаммов кафедры биотехнологии и биоэкологии УО «БГТУ».

Результаты диссертационной работы а виде опытно-промышленного регламента используются при проектировании промышленных установок по переработке барды организациями ЗАО «ДиАрКласс» (справка от 05.08.2010 №515), ООО «Биотехстрой» (акт от 6.10.2011 г.), ООО «Биогазпро» (акт от 15.10.2012 №45).

Результаты научных исследований и технология комплексной переработки послеспирто-вой барды внедрены в курсовое и дипломное проектирование для студентов 1У-У курса спец. «Биотехнология» и «Биоэкология», в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Промышленная биотехнология» для студентов V курса спец. «Биотехнология», в лекционный курс по дисциплине «Экологическая биотехнология» для студентов IV курса по спец. «Биоэкология».

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности анаэробной переработки барды, свидетельствующие о том, что присутствие взвешенных веществ в барде снижает степень биотрансформации органических компонентов анаэробным биоценозом в 1,3 раза в сравнении с фугатом барды, что обуславливает целесообразность раздельной переработки твердой и жидкой частей барды с получением соответственно кормового продукта и биогаза;

2. Закономерности и способ предварительной ферментативно-микробиологической обработки барды, включающий воздействие гидролитических ферментов, расщепляющих труд-ноутилизируемый полисахарид клетчатку на 40 % с увеличением общей концентрации редуцирующих веществ (РВ) с 0,27 до 1,5 %, и культивирование на ферментированной барде выделенного из естественно развивающейся в барде микробиоты факультативно-анаэробного термотолерантного штамма дрожжей ЬасНапсеа/егтетаЧ с получением обогащенного белком кормового продукта, содержащего не менее 30 % истинного белка;

3. Технологические параметры непрерывного анаэробного сбраживания фугата барды в иАБВ-реакгоре, обеспечивающие выход биогаза 14 м3 на 1 м3 фугата;

4. Технология комплексной переработки послеспиртовой барды с получением обогащенного белком кормового продукта и биогаза, включающая предварительную ферментативно-микробиологическую обработку барды для обогащения ее белком, анаэробное сбраживание фугата барды с генерацией биогаза, очистку сброженного фугата ультрафильтрацией до уровня загрязненности по показателю ХПК, позволяющего осуществить сброс на городские очистные сооружения.

Личный вклад соискателя. Диссертант проанализировал научно-техническую литературу по теме работы, непосредственно участвовал в получении экспериментальных данных, составляющих основу диссертации, их анализе, обобщении и изложении материалов настоящей работы.

6

Совместно с научным руководителем к.т.н. Ручаем Н. С. осуществлял планирование экспериментов, обработку полученных данных, интерпретацию и обсуждение результатов, оформление публикаций на их основе.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты исследования доложены на международных конференциях:

международная научно-техническая конференция «Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии» (г. Гродно, HAH Беларуси, ГНУ «Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения, 2009 г.), международная конференция «Наука и образование — ведущий фактор стратегии «Казахстан—2030» (Сагиновские чтения №2), (, Казахстан, Карагандинский государственный технический университет, г Караганда, 2010 г.), международная научно-практическая конференция «Техника и технология защиты окружающей среды» (Минск, Белорусский государственный технологический университет, 2011 г.), RESET summer school (Псковский государственный университет, г. Псков, 2011), Германо-Белорусский семинар «Научная кооперация - Биоэнергия» (г. Минск, НПЦ HAH Беларуси по механизации сельского хозяйства, 2011), EnGo Seminar (Минск, ЦНИИКИВР, 2011), Международная научно-техническая конференция «Новые технологии рецикпинга отходов производства и потребления» (Минск, Белорусский государственный технологический университет, 2011), II Международная молодежная научно-практическая конференция «Научные стремления-2011» (Минск, HAH Беларуси, 2011), молодежный инновационный форум «Наука и бизнес» (Минск, HAH Беларуси, 2011), Belarus-Korea science and technology Seminar, (Minsk, BNTU, 2011), 1-й форум Союзного государства ВУЗов инженерно-технологического профиля (Минск, БНТУ, 2012), Международная научная конференция «Россия-Беларусь-Сколково: единое инновационное пространство» (HAH Беларуси, Минск, 2012), Международная научно-практическая конференция «От поля до кормового стола» (Гомель, 2013).

Опубликоваииосгь результатов диссертации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 7 - статьи в научных рецензируемых ВАК РФ и Республики Беларусь журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 120 страницах, состоит из введения, общей характеристики работы, семи глав, заключения, библиографического списка, включающего 143 источников, в том числе 18 собственных публикаций соискателя, десяти приложений. Работа содержит 20 рисунков и 28 таблиц.

2. СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских тем кафедры биотехнологии и биоэкологии УО «Белорусский государственный технологический университет».

Тема диссертационной работы соответствует приоритетным направлениям научно-технической деятельности в Республике Беларусь на 2011-2015 годы (направление «Энергетика и энергосбережение: использование вторичных энергетических ресурсов и получение топлива из отходов производства», утвержденным Указом Президента Республики Беларусь №378 от 22 июня 2010 г.).

2.1. Анализ мирового опыта использования послеспиртовой барды.

Приведен обзор литературных данных по использованию послеспиртовой барды в мировой практике. Проведена технико-экономическая оценка промышленных методов переработки барды. Показана экономическая целесообразность использования барды для получения энергоносителя - биогаза и кормовой белоксодержащей добавки.

2.2. Материалы, методы и экспериментальные установки.

Объектами исследования являлись ржаная послеспиртовая барда, а также фугат барды. Барда характеризуется следующими параметрами: pH 4,2-4,5, взвешенные вещества 45-49 г/дм3, сухой остаток - 70-80 г/дм3, показатель ХПК- 60 000-80 000 мг СЬ/ дм3, клетчатка — 13-15% от сухих веществ, сырой протеин - 24-28% от сухих веществ. Температура исходной барды — 90-95 °С.

Процесс анаэробной переработки барды и фугата моделировали в биореакторах периодического действия объемом 0,5 дм3, функционирующих в мезофильном (30±0,5 °С) и термофильном (50±0,5 °С) режимах и оснащенных счетчиком газа MGC-1, Ritter (Германия). Биореакторы инокулировали концентрированным анаэробным активным илом, предварительно накопленным на послеспиртовой барде.

Для расщепления полисахаридных компонентов барды использовали ферментные препараты Rovabio Excel АР (производитель «Adisseo», основные ферменты — глкжаназа, ксиланаза, целлюлаза), Pectinex 5XL (поставщик ООО «Винхим», основные ферменты - пектиназа, геми-целлюлаза, целлюлаза), Vegazim НС (поставщик ООО «ВКМ-сервис», основные ферменты -гемицеллюлаза и целлюлаза).

Ферментный препарат в виде 1 %-ного раствора вносили в послеспиртовую барду в количестве 0,05-1,5 см3 на 100 см3 барды (pH 4,5) с последующей выдержкой в течение суток при температурах 42 °С и 50 °С.

Продуцент белка выделяли из микробиоты, естественно развивающейся в послеспирговой барде при температуре 42 "С, с использованием стандартных питательных сред (сусло-бульон, сусло-агар). Чистую культуру дрожжей получали чашечным методом Коха. Для идентификации выделенного штамма стандартными методами определяли макро- и микроморфологические признаки, физиологические и биохимические особенности. Биомассу культуры накапливали в качалочных колбах на фугате ферментативно обработанной барды при температуре 42 "С в течение 24 ч. Концентрацию биомассы выделенного штамма определяли по оптической плотности суспензии на фотометре Specol 1300 (Analityk Jena AG, Германия) при длине волны 660 нм.

Качество сухой кормовой добавки на основе взвешенных веществ барды контролировали по содержанию сырого протеина по методу Кьельдаля на анализаторе состоящем из диге-стора behrotest InKjel 625М и дистиллятора S3 («berh Labor-Technik», Германия), истинного белка по Барнштейну, переваримого белка и клетчатки по методу Кюршнера и Ганека на анализаторе Hydro 2 («berh Labor-Technik»),

В качестве проточного биореактора для непрерывного сбраживания фугата барды использовали модель UASB-реактора (реактор с восходящим потоком жидкости через слой гранулированной биомассы микроорганизмов), который отличается высокой производительностью. Лабораторный UASB-реактор, функционирующий в термофильном режиме (50 °С), оснащен двухуровневым газоилоотделительным устройством и имеет общий объем 9 дм3 (полезный объем 8 дм3). Фугат барды дозировали в биореактор с помощью перистальтического насоса с регулированием расхода в пределах 0,2-2 дм3/сут.

Величину показателя ХПК сбраживаемой массы определяли стандартным экспресс-методом на приборе, состоящем из термореакгора HI 83980 и спектрофотометра HI 83214 (HANNA Instruments, Германия). Для раздельной переработки жидкой и твердой фаз осуществляли разделение барды центрифугированием (5000 g, 20 мин). Содержание сухих веществ в жидкой и твердой фазах устанавливали весовым методом с использованием определителя влажности ЭВЛАС-2М (Россия). Для сравнительной оценки изменения состава сухих веществ барды после сбраживания использовали метод термогравиметрии (ТА — 4000, METTLER TOLEDO, Швейцария). Состав биогаза анализировали на газовом хроматографе Agilent 7820, HP (США) с детектором по теплопроводности и микрокапиллярной колонкой HP GS-GASPRO.

Для очистки сброженного фугата барды использовали ультрафильтрационные мембраны МИФИЛ производства НИИ «Физико-органической химии» HAH Беларуси: ПА, ПС, ПАН и фторлон. Эффективность ультрафильтрационной очистки определяли в специально сконструированной цилиндрической ячейке при давлении 0,3 МПа.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Исследование процесса анаэробной переработки послеспиртовой барды.

На первом этапе исследований моделировали процесс анаэробной переработки барды и фугата в биореакторах периодического действия в присутствии микроорганизмов, спонтанно развивающихся в мезофильных (30 °С) и термофильных (50 °С) условиях.

Контроль процесса анаэробной переработки барды и фугата осуществляли по изменению содержания сухих веществ (СВ) в сбраживаемых субстратах, показателя химического потребления кислорода (ХПК), величины pH сбраживаемой массы и по количеству выделившегося биогаза.

Экспериментальные данные по степени биотрансформации органиченских веществ и уровню накопления биогаза при сбраживании натуральной барды и фугата с участием спонтанно развивающихся микроорганизмов свидетельствуют о преимуществе термофильного режима по скорости процесса перед мезофильным (табл. 1). Однако выход биогаза в результате анаэробной обработки барды и фугата в течение 60 суток невысокий из-за низкой скорости естественного накопления биомассы метаногенных бактерий.

Таблица 1

Анаэробная переработка послеспиртовой барды и фугата в биореакторе периодического дей-

ствия (продолжительность процесса 60 сут)

Показатель Барда Фугат

исходная барда после обработки при 30 "С после обработки при 50 °С исходный фугат после обработки при 30 "С после обработки при 50 °С

Сухие вещества, % 7,2 4,1 3,2 4,2 2,0 1,3

ХПК, мг/дм" 66 000 35 600 28 000 37 000 12 600 6 600

Количество биогаза, см3 - 4 800 6 200 - 3 500 4 600

Выход биогаза на единицу объема жидкой фазы, м3/м3 - 12,0 16,0 - 8,8 11,5

Степень биотрансформации сухих веществ, % - 43,1 55,6 - 52,4 69,0

Степень биотрансформации компонентов по показателю ХПК, % - 46,1 57,6 - 65,9 82,2

Инокулирование биореакторов концентрированным анаэробным активным илом (в объеме 30 см3на 400 см3 барды или фугата), предварительно накопленным на послеспиртовой барде, привело к ускорению процесса генерации биогаза и увеличению его выхода (табл. 2).

При этом преимущества термофильного режима по скорости процесса в инокулиро-ванных биореакторах сохранились: степень биотрансформации сухих веществ барды и фугата выше в 1,3 раза; практически в той же пропорции ниже величина показателя ХПК термофильно сброженных барды и фугата.

Выход биогаза при переработке барды в 1,4 раза выше, чем из фугата. Однако степень биотрансформации сухих веществ барды, обрабатываемой в мезофильном и термофильном режимах (43,1 %; 55,6 %), существенно ниже соответствующих показателей для фугата барды (52,4 %; 69,0 %).

Это свидетельствует о том, что для рационального использования компонентов барды целесообразно подвергать анаэробной переработке фугат барды.

Максимальная величина показателей процесса анаэробного сбраживания фугата барды составила: выход биогаза-14,5 м3/м3, степень биотрансформации сухих веществ -76,2 %, степень биотрансформации компонентов фугата по показателю ХПК - 89,7 %.

Таблица 2

Анаэробная переработка фугата барды в биореакторе периодического действия (продолжи-

тельность процесса 80 сут)

Показатель Фугат

исходный после обработки при 30 "С после обработки при 50 °С

Сухие вещества, % 4,2 1,5 1,0

ХПК, мг/дм3 37 000 8 000 3 800

Количество биогаза, см - 4 900 5 800

Выход биогаза на единицу объема жидкой фазы, м3/м3 - 12,2 14,5

Степень биотрансформации сухих веществ, % - 64,3 76,2

Степень биотрансформации компонентов по показателю ХПК, % - 78,4 89,7

Высокая степень снижения величины показателя ХПК при анаэробной переработке фугата барды открывает возможность глубокой очистки сброженного раствора с последующим использованием его взамен технической воды.

Известно, что экономически целесообразно разделение процесса анаэробной переработки субстрата на две стадии (фазы) - кислотную (преацидификация субстрата, рН 6-6,5) и

метановую (генерация метана, рН 6,5-8), реализуемые в двух последовательно соединенных аппаратах. Такое технологическое решение увеличивает капитальные затраты, но при этом общая скорость анаэробной трансформации субстрата существенно возрастает.

Процесс преацидификации заключается в выдержке барды в течение нескольких суток для обеспечения развития кислотогенных микроорганизмов, осуществляющих гидролитическое расщепление биополимеров (белка, клетчатки, пектиновых веществ). Как следует из полученных экспериментальных данных, преацидификация барды при 50 °С в течение 5 сут (табл. 3) приводит к снижению содержания сухих веществ на 12 %. Преацидифициро-ванная барда более эффективно в сравнении с натуральной осветляется отстаиванием и центрифугированием. Доля сырого протеина после преацидификации барды практически не меняется, а содержание клетчатки снижается с 13,4 до 11,6 %.

В то же время следует отметить, что часть клетчатки (7,4 % от сухого вещества) в сброженной барде остается нерасщепленной, а значит, неиспользованной.

Таким образом, присутствие взвешенных веществ в барде снижает степень биотрансформации органических компонентов анаэробным биоценозом в 1,3 раза в сравнении с фугатом барды. Трудно расщепляемым компонентом барды является клетчатка.

Таблица 3

Изменение состава сухих веществ послеспиртовой ржаной барды в процессе термофильной

(50 °С) анаэробной переработки

Компоненты барды, % от сухого вещества Натуральная барда Преацидифицированная барда Сброженная барда

Сухие вещества, % 7,2 ± 0,4 6,4 ± 0,3 3,2 ± 0,5

Минеральные вещества 7,9 ±0,1 8,2 ±0,1 33,5 ±0,1

Органические вещества (расчетная величина) 92,1 91,8 66,5

Сырой протеин 29,1 ±0,4 30,1 ±0,4 26,7 ± 0,4

Клетчатка 13,4 ±0,5 11,6 ±0,5 7,4 ± 0,5

С учетом повышенной температуры исходной барды (90 °С) предпочтителен термофильный режим анаэробной обработки, который в сравнении с мезофильным обеспечивает более высокую скорость процесса трансформации органических веществ и позволяет реализовать его в биореакгорах меньшего объема.

3.2. Ферментативная обработка барды.

Исследования показали, что высокое содержание полисахаридов в сухом веществе барды и низкая скорость их расщепления анаэробными бактериями обуславливают целесо-

образность предварительной ферментативной обработки барды с целью гидролиза полисаха-ридных компонентов до мономеров (моносахариды, уроновые кислоты), которые легко ассимилируются микроорганизмами с накоплением белоксодержащей микробной биомассы. Обогащение барды микробным белком с одновременным снижением доли трудноассимили-руемой клетчатки способствует получению на основе взвешенных веществ барды сухого кормового продукта с высокими потребительскими свойствами.

Ферментативную обработку барды проводили в течение суток при температурах 42 °С и 50 °С. Выбор таких температур связан с целесообразностью совмещения в одном аппарате процессов ферментативной обработки и преацидификации барды, что предпочтительно как технологически, так и экономически.

Степень ферментативного расщепления полисахаридов барды оценивали по содержанию редуцирующих веществ в фугате барды, доле клетчатки во взвешенных веществах (ке-ке) и по увеличению показателя ХПК фугата.

По результатам исследований более эффективным гидролитическим действием обладает ферментный препарат Rovabio Excel АР (рис.1).

Повышенная температура (50 °С) ускоряет процессы ферментативного расщепления полисахаридов. При длительности процесса ферментативной обработки 24 ч концентрация редуцирующих веществ в барде возрастает с 0,25 до 1,5 %, что составляет 50 % от потенциального количества редуцирующих веществ.

Расщепляя полисахарид-ные компоненты, ферментный препарат осуществляет перевод части взвешенных веществ барды в растворенное состояние, о чем свидетельствует увеличение показателя ХПК фугата барды после ферментативной обработки с 30 000 до 45 000 мг Ог/дм3 (рис. 2).

Эксперименты показали, что содержание клетчатки в сухом веществе бар-

1,5 3 4,5 6

Продолжительность ЭКСПОЗИЦИЯ, ч

"4~0,05 смЗ 1% р-ра фермента

НКПЗснЗ lió р-ра фермента

НМ,5 смЗ 1'ор-ра фермента

"#"1,5 смЗ 1% р-ра фермента

Потенциальное содержание РВ

Рисунок 1. Динамика накопления редуцирующих веществ при обработке барды ферментным препаратом Rovabio Excel АР при 50 °С

ды снижается под воздействием фермента на 40 % (рис. 3). Дальнейший процесс расщепления клетчатки ингибируется продуктами ферментолиза.

Параметры процесса ферментативной обработки барды (42 "С, продолжительность 24 ч) удовлетворяют требованиям к процессу её преацидификации, что позволяет совместить эти технологические операции в одном аппарате.

16 14

к

S 12

К

8- ю

0 0,05 0,25 0,5 1,5 Объем 1%-го раствора ферментного

Рисунок. 2. Изменение показателя ХПК фугата Рисунок. 3. Влияние ферментативной обра-при обработке барды ферментным препаратом ботки на содержания клетчатки в послеспир-Rovabio Excel АР (42°С) товой барде

Производственная стадия преацидификации барды характеризуется быстрым развитием кислотогенных микроорганизмов, потребляющих продукты ферментолиза полисаха-ридных компонентов, что предотвращает ингибирование ферментов и повышает степень расщепления клетчатки.

3.3. Выделение и идентификация продуцента белка для культивирования иа послеспиртовой барде.

Предварительное ферментативное расщепление полисахаридных компонентов с обогащением барды легкоассимилируемыми углеводами открывает возможность целенаправленного культивирования специально отобранных штаммов анаэробных микроорганизмов с накоплением биомассы на стадии преацидификации барды для получения высокобелкового кормового продукта.

Для минимизации затрат на производство кормового продукта продуцент белка должен отвечать следующим требованиям:

- накапливать биомассу в условиях ограниченного доступа кислорода при величине рН 4,2-4,5;

- иметь высокую удельную скорость роста при повышенной температуре (40-42 °С), ограничивающей развитие посторонних микроорганизмов;

- обладать конкурентоспособностью в присутствии кислотогенных микроорганизмов, развивающихся в условиях преацидификации барды.

Естественной средой обитания для таких микроорганизмов является ферментолизо-ванная преацидифицированная при 42 °С барда.

Отбор штаммов продуцентов белка проводили высевом преацидифицированной барды на сусло-агар и питательный агар с последующим инкубированием при 42 °С в течение 48 ч. Многократными пересевами на специально подобранные среды смешанного состава, на которых формируют колонии как дрожжевые, так и бактериальные клетки, были получены чистые культуры, из числа которых отобран быстрорастущий факультативно-анаэробный штамм, отнесенный по микро- и макроморфологическим признакам к дрожжам.

Клетки выделенного штамма удлиненные или вытянутые (рис. 4а), имеют размер 2,5-5 мкм в ширину и 3-7,5 мкм в длину, размножаются вегетативно путем многостороннего почкования. Исследуемый штамм образует аскоспоры круглой формы от 1 до 4 в аске, формирует дифференцированный ложный мицелий (псевдомицелий), состоящий из длинных клеток псевдо-гиф и окружающих их клеток округлой формы — бластоспор (рис. 46).

На плотной среде наблюдается рост в виде складчатого штриха с ворсинчатым окаймлением. Индивидуальные колонии на сусло-агаре - белые, матовые, диаметром 1-2 мм. При росте в жидкой среде культура образует хлопьевидный осадок и пристеночное кольцо. По способности к сбраживанию Сахаров выделенный штамм относится к небродящим.

Оптимальную температуру роста исследуемого штамма определяли по уровню накопления биомассы при культивировании на фугате ферментализованной барды в течение 12 ч в интервале температур 20^43 °С. Концентрацию микробной суспензии контролировали по величине экстинк-ции при длине волны 660 нм.

Эксперименты показали, что выделенный штамм наиболее активно накапливает биомассу при температуре 37-42°С, что удовлетворяет технологическим требованиям.

о ^

И0»

** 'V \

г.

I >4

■■■В і & - 9 Шт • -й

а б

а - форма клеток б — способ вегетативного размножения и образование ложного мицелия Рисунок. 4. Микроморфологические признаки выделенного штамма

На основании установленных признаков в сопоставлении с информацией Международного банка данных МусоВапк, а также справочных данных, установлено, что штамм дрожжей соответствует виду Ьас/юпсеа /ег-тепши. Дрожжи рода ЬасИапсеа не обладают патогенностью.

Экспериментально установлено, что при культивировании на фугате ферментали-зованной барды (42 "С, отсутствие аэрации) в течение 24 ч культура накапливает биомассу в количестве 0,5 г/дм3 по абсолютно сухому веществу (рис. 5). Максимальная удельная скорость роста (цта0 составила 0,12 ч"1.

Рисунок. 5. Кривая роста популяции дрожжей Lachanceafermentan на фугате послеспирто-вой ферментализованной барды (42 °С, отсутствие аэрации)

По технологическим характеристикам выделенный штамм дрожжей является перспективным для обогащения барды белком в процессе ее преацидификации.

3.4. Моделирование процессов и создание технологии комплексной переработки по-слеспнртовой барды

На следующем этапе работа была посвящена моделированию процессов переработки послес-пиртовой барды. Результаты проведенных исследований позволяют сформировать комплексную технологию переработки послеспиртовой барды включающую следующие стадии: преацидафикация

16

барды, совмещенная с анаэробной ферментативно-микробиологической обработкой в термофильных условиях; отделение взвешенных веществ ферментированной барды с получением кормовой бело-ксодержащей добавки; непрерывное анаэробное сбраживание фугата ферментированной барды в высокоэффективном UASB-реакшре; очистка сброженного фугата ультрафильтрацией.

3.4.1. Анаэробная ферментатнвно-мнкробнологическая обработка барды с получением белоксодержащей кормовой добавки. Процесс ферментативно-микробиологической обработки барды моделировали в лабораторном биореакторе периодического действия объемом 3 дм3.

В эксперименте в барду вносили ферментный препарат Rovabio Excel АР в количестве 1,0 см3 1%-ного раствора на 100 см3 барды (рН 4,5) и инокули-ровали суспензией дрожжей Lachancea fermentati в объеме 10 см3 суточной культуры (титр I I О8 кл/см3). Иноку-лированную барду выдерживали при температуре 42 °С в течение 24 ч (преацидификация барды, совмещенная с ферментативно-микробиологической обработкой). Взвешенные вещества с дрожжевой биомассой отделяли центрифугированием (5000 g, 30 мин). Влажный осадок высушивали в сушильном шкафу при 90 °С с получением опытного образца обогащенной белком сухой барды. Параллельно для сравнения получили образец сухой барды отделением взвешенных веществ натуральной барды центрифугированием с последующей сушкой при 90 °С.

Качественные показатели образцов продуктов представлены в табл. 4. Как следует из полученных данных, опытный образец обогащенной белком сухой барды имеет более высокие потребительские свойства в сравнении с сухой бардой.

Таблица 4

Качественные показатели опытного образца белоксодержащего кормового продукта.

Показатель Величина показателя, % от СВ

Опытный образец Сухая барда

Сырой протеин 34,9±0,9 32,3±1,2

Истинный белок 30,5±1,1 20,8±0,8

Переваримый белок 25,4±1,3 16,9±0,9

Минеральные вещества 6,4±0,5 8,9±0,5

Клетчатка 9,5±0,6 14,8±0,5

Образец обогащенной белком сухой барды прошел независимую физико-химическую и биолого-токсикологическую экспертизу в НИИ прикладной ветеринарной медицины и биотехнологии при Витебской академии ветеринарной медицины. Результаты экспертизы коррелируют с полученными экспериментальными данными и подтверждают высокое содержание белка в продукте при отсутствии токсичности.

Пониженное содержании клетчатки открывает возможность применения обогащенной белком сухой барды не только в составе комбикормов для крупного рогатого скота, но и для свиней и птицы.

На основании проведенных исследований разработан проект ТУ на кормовую добавку «Обогащенная белком сухая барда».

3.4.2. Анаэробное сбраживание фугата ферментированной барды. Освобождение ферментализованной барды от взвешенных веществ обеспечивает возможность анаэробного сбраживания фугата в высокопроизводительном иАЭВ-реакторе с получением биогаза. Непрерывный процесс сбраживания фугата при температуре 50 °С моделировали в лабораторном иА5В-реакторе объемом 9 дм3. Биомассу анаэробно активного ила накапливали в иАЗВ-реакторе в течение 4,5 месяцев, после чего были сняты характеристики непрерывного процесса анаэробной переработки фугата барды (табл. 5).

В целом иАБВ-реакгор функционировал в течение 6-ти месяцев с последовательным увеличением удельной производительности по трансформируемым сухим веществам. Высокие показатели процесса генерации биогаза достигнуты при времени удерживания фугата в аппарате 17 сут (табл. 5). Дальнейшее увеличение скорости протока среды с уменьшением времени удержания до 7,4 сут привело к снижению эффективности процесса, что связано с перегрузкой биореактора по органическим веществам.

Таблица 5

Технологические параметры непрерывного процесса сбраживания фугата барды в иА5В-реакторе

Режим сбраживания фугата Сухие вещества фугата, г/дм3 к к а 2 Показатель ХПК фугата, мг/дм3 в к 1* Биогаз

скорость протока, сут" і время удержания в биореакторе, сут температура, °С Я си исходного сброженного ртепень биотрансфор сухих веществ, % исходного сброженного Степень биотрансфор компонентов по ХПК, "а "а СЇ § 3 са концентрация метана, % об.

по истечении 4,5 месяцев эксплуатации биореакгора

0,05 20 50 6,5-7,2 40,2 20,3 9,5 36000 14000 61,1 9,0 59

по истечении 6 месяцев эксплуатации биореактора

0,06 17 50 6,5-7,0 30,0 8,0 74,7 33000 3800 88,5 14,6 65

0,135 7,4 50 6,0-6,5 31,6 13,1 56,4 35000 10500 70,0 9,8 61

Следует отметить высокую степень трансформации сухих веществ фугата, которая составила 74,7 % или 88,5 % по показателю ХПК. Относительно невысокий уровень загряз-

18

ценности сброженного фугата предполагает возможность его доочистки с последующим использованием в производстве или сбросом в городскую водоотводящую сеть.

Хроматографический анализ состава биогаза, образовавшегося в иА8В-реакторе, показал, что содержание метана составляет 59-65 %, диоксида углерода - 28-35 %.

3.4.3. Ультрафильтрационпая очистка сброженного фугата ферментированной барды. Уровень загрязненности сброженного фугата барды не позволяет осуществить сброс его на городские очистные сооружения. Для очистки сброженного фугата наиболее приемлемы мембранные технологии, отличающиеся низким энергопотреблением.

Ультрафильтрационную очистку сброженного и осветленного отстаиванием фугата (рН=7,0-7,5) осуществляли в периодическом режиме в мембранной ячейке с площадью фильтрования 0,001075 м2 при избыточном давлении 0,3 МПа.

Результаты экспериментов (табл. 6) показали, что сброженный фугат может быть очищен ультрафильтрацией до уровня загрязненности по ХПК меньше 1000 мг/дм3, что позволяет осуществить сброс его на городские очистные сооружения. Удельная производительность мембран колеблется в пределах 18-25 дм3/(м2ч).

Наилучшее сочетание показателей по эффективности очистки сброженного раствора и удельной производительности имеет мембрана ПАН-50.

Таблица 6

Эффективность ультрафильтрационной очистки сброженного фугата барды на мембранах различных типов

3 § г ХПК сброженного фугата, мг/дм3 і 5 с 2. « >8-о Степень очистки по ХПК, %

а. ю 2 а> 2 І ь а. о В а. 4> г І3 а. исходного после очистки ультрафильтрацией Пропускная собность МЄМІ ДМ3/(М2-«:

ПА 0,1 1800 560 18,0 68,9

ПАН-50 50 1800 840 21,3 53,3

ПАН-100 100 1800 1020 23,4 43,3

Фторлон 3 1800 920 24,7 48,9

ПС-300 300 1800 840 18,8 53,3

3.4.4. Комплексная микробиологическая переработка послеспиртовой барды с получением белоксодержащего кормового продукта. По результатам выполненных исследований разработана технология комплексной переработки послеспиртовой барды (рис. 6),

которая основывается на следующих экспериментально обоснованных технологических решениях:

- ферментативная обработка барды с целью расщепления полисахаридов (прежде всего клетчатки);

- культивирование термотолерантного (42 °С) факультативно анаэробного микроорганизма - продуцента белка на ферментативно обработанной барде;

- анаэробная переработка барды с разделением процесса на две стадии, реализуемые в отдельных аппаратах: преацидификация подготовленной барды при температуре 42 °С и сбраживание фугата преацидифицированной барды с биотрансформацией растворенных веществ в биогаз;

- совмещение процесса преацидификации барды с ферментативной обработкой и целенаправленным культивированием продуцента белка с последующим отделением обогащенных протеином взвешенных веществ центрифугированием для получения белоксодержащего кормового продукта;

- очистка сброженного фугата барды ультрафильтрацией.

Комплексный

Сброс в канализацию либо на поля фильтрации (ХПК < 10ОО иг/л)

Рисунок 6. Процессуальная схема комплексной переработки послеспиртовой барды На рис. 7 представлена аппаратурная технологическая схема комплексной переработки послеспиртовой барды

Рисунок 7. Технологическая схема процесса комплексной переработки послеспирто-вой барды

1 - приемник барды; 2 - преацидификатор; 3 - декантерная центрифуга; 4 - сборник кека; 5 - шнек-смеситель; 6 — роторно-дисковая сушилка; 7 сборник фугата; 8 - иЛЗВ- реактор; 9 - сухой газгольдер; 10 - факельная установка; 11 - адсорбер для удаление Нг8; 12 - отстойник; 13 - ультрафильтрационный модуль; /-/-сборник осветленного сброженного фугата; 15 - спиральный теплообменник: 16 — трубчатый теплоутилизатор

Разработанная технология микробиологической переработки послеспиртовой барды позволяет получить из 1 т отхода 50-55 кг сухого бело содержащего кормового продукта и 13-14 м3 биогаза.

4. Выводы.

1. Исследованы закономерности анаэробной переработки послеспиртовой барды и ее жидкой части - фугата. Показано, что присутствие взвешенных веществ (в частности клетчатки) снижает степень биотрансформации органических компонентов анаэробным биоценозом в 1,3 раза в сравнении с фугатом барды, что свидетельствует о целесообразности раздельной переработки твердой и жидкой частей барды с получением соответственно кормовой добавки и биогаза.

2. Впервые разработан способ предварительной ферментативно-микробиологической обработки барды, включающий воздействие гидролитическими ферментами, расщепляющими трудноутилизируемый полисахарид - клетчатку на 40 % с увеличением общей концентрации РВ с 0,27 до 1,5 % и культивирование на ферментапизованной барде в качестве продуцента белка нового выделенного факультативно анаэробного термотолерантного штамма дрожжей Lachan-cea fermentati с получением обогащенного белком кормового продукта, содержащего не менее 30 % истинного протеина.

3. В результате моделирования процесса непрерывного анаэробного сбраживания фугата барды в высокоэффективном UASB-реакторе установлены технологические параметры, обеспечивающие выход биогаза 14 м3 на 1 м3 фугата и снижение уровня загрязненности сбраживаемого фугата на 89% по показателю ХПК.

4.Показана возможность ультрафильтрационной очистки сброженного фугата со снижением его загрязненности по показателю ХПК до уровня 600-800 мг/дм3, позволяющего осуществить сброс на городские очистные сооружения.

5. Разработана технология комплексной ферментативно-микробиологической переработки послеспиртовой барды, обеспечивающая получение из 1 т отхода 50-55 кг обогащенной белком кормовой добавки и 14 м3 биогаза. Рассчитаны технико-экономические показатели разработанного технологического процесса для спиртового завода мощностью 2000 дал этанола в сутки. При инвестициях в 1,8-2,0 млн. долл. срок окупаемости производства составляет 5 лет. Разработан опытно-промышленный регламент переработки послеспиртовой барды и технические условия на кормовой продукт «Обогащенная белком сухая барда».

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ н Министерства образования Беларуси

1. Кузнецов И.Н. Анализ мирового опыта в технологии переработки послеспиртовой барды / Ручай Н.С. // Труды БГТУ. Сер. 4, Химия, технология органических веществ и биотехнология.-2010-Вып. 18. - С.294-301.

2. Кузнецов И.Н. Изменение состава послеспиртовой барды при анаэробной и ферментативной обработке / Ручай Н.С., Лембович А.И., Сазановец М.А. // Труды БГТУ. Сер. 4, Химия, технология органических веществ и биотехнология. -2011 - Вып. 19. — с. 185-189.

3. Кузнецов И.Н., Исследование процесса анаэробной переработки послеспиртовой барды / Ручай Н.С., Лембович А.И. // Материалы, технологии, инструменты. Т. 16. - 2011 -№2.-с. 85-89.

4. Кузнецов И.Н., Получение белоксодержащей кормовой добавки при комплексной переработке послеспиртовой барды / Ручай Н.С.// Сборник научных трудов ГГАУ «Сельское хозяйство — проблемы и перспективы». -Т. 18. Зоотехния. —2012.-е. 156-165.

5. Кузнецов И.Н. Технология переработки послеспиртовой барды с получением кормового продукта и биогаза / Ручай Н.С., Лембович А.И., Сазановец М.А. // Известия HAH Беларусь Сер. Физ.-техн. наук. - 2012. - №4. — с. 119-124.

6. Кузнецов И.Н. Комплексная микробиологическая переработка послеспиртовой барды с получением белоксодержащего кормового продукта / Ручай Н.С. II Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 3; URL: http://www.science-education.ru/109-9230 (дата обращения: 24.05.2013).

7. Кузнецов И.Н. Микробиологическая переработки послеспиртовой барды / Ручай Н.С.// Производство спирта и ликероводочных изделий -2013. -№3. -с. 7-10.

Публикация в других изданиях

8 Кузнецов И.Н. Анаэробная переработка послеспиртовой барды с получением биогаза / Ручай Н.С. // Материалы 8-й международной научно-технической конференции «Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии», г. Гродно. - 2010 - ч.1. — С. 198-205.

9. Кузнецов И.Н. Получение кормового белоксодержащего продукта на основе отхода производства этанола - послеспиртовой барды / Сазановец М.А., Лембович А.И., Ручай Н.С. // Материалы международной научно-технической конференции «Техника и технология защиты окружающей среды», г. Минск. - 2011. - с. 45-48.

10. Кузнецов И.Н. Технология комплексной переработки послеспиртовой барды с получением кормового продукта и биогаза / Ручай Н.С., Сазановец М.А., Лембович А.И. // Материалы международной научно-технической конференции «Новые технологии рецик-линга отходов производства и потребления», г. Минск. —2011. — с. 136-140.

11. Кузнецов И.Н. Комплексная технология переработки послеспиртовой барды с получением биогаза // Материалы встречи молодых ученых «Молодежные идеи и проекты» в рамках 1-го Форума Союзного государства ВУЗов инженерно-технологического профиля, г. Минск.-2012.-С. 16-17.

12. Кузнецов И.Н. Анаэробная переработка послеспиртовой барды с получением биогаза / Ручай Н.С. // Тезисы международной научной конференции «Наука и образование — ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030» (Сагиновские чтения №2), г. Караганда. - 2010. -. С. 195-196.

13. Кузнецов И.Н., Анаэробная переработка послеспиртовой барды с получением биогаза / Ручай Н.С. // Тезисы 8-й международной научно-технической конференции «Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии», г. Гродно. — 2010 - ч.1. - С. 198-205.

14. Ilya Kuznetsov. The technology of complex processing of stilläge with biogas production // Belarus-Korea science and technology seminar, Minsk. - 2011. -p. 29.

15. Кузнецов И.Н. Переработка послеспиртовой барды и осадков сточных вод с получением биогаза / Ручай Н.С., Агей О.В. // Тезисы международной конференции «Россия-Беларусь-Сколковогединое инновационное пространство», г. Минск. -2012. — С. 349-350.

16. Кузнецов И.Н. Получение белоксодержащей кормовой добавки при комплексной переработке послеспиртовой барды / Ручай Н.С. // Наше сельское хозяйство. Корма и кормовые добавки. - 2012. - №7. — С. 2-6.

17. Ручай Н.С. Производство биогаза из органического сырья / Кузнецов И.Н. // Наука и инновации. Обращение с отходами. -2012. - №9. - С. 15-17.

18. Ручай Н.С. Использование органического сырья для получения биогаза /Кузнецов И.Н.// Наше сельское хозяйство. Ветеринария и животноводство. - 2013. -№8.-с. 81-85.

Подписано в печать 22.10.2013 Формат 60x84 Ш6 Бумага офсетная Гарнитура Roman Печать цифровая Усл.печ.л. 1,3 Уч.изд.л. 1,4 Тираж 120 экз. Заказ № 1704 ИООО «Право и экономика» Лицензия ЛИ № 02330/0494335 от 16.03.2009 220072 Минск Сурганова 1, кори. 2 Тел. 284 18 66, 8 029 684 18 66 E-mail: pravo-v@tut.bv Отпечатано на издательской системе KONICA MINOLTA в ИООО «Право и экономика»

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Кузнецов, Илья Николаевич, Минск

Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах| рукописи

04201364675

КУЗНЕЦОВ ИЛЬЯ НИКОЛАЕВИЧ

КОМПЛЕКСНАЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ПОСЛЕСПИРТОВОЙ БАРДЫ С ПОЛУЧЕНИЕМ БЕЛОКСОДЕРЖАЩЕГО

КОРМОВОГО ПРОДУКТА

Специальность: 03.01.06 — Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

кандидат технических наук, доцент

РУЧАЙ Н.С.

Минск, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение........................................................................................................4

Общая характеристика работы..................................................................6

1 Анализ мирового опыта использования послеспиртовой барды..........9

1.1 Получение сухой барды применение ее компонентов в кормопроизводстве....................................................................................9

1.2 Аэробная микробиологическая переработка барды..........................-14

1.3 Анаэробная переработка послеспиртовой барды с получением биогаза и других продуктов..........................................................................17

1.4 Комбинированные схемы переработки послеспиртовой барды и другие способы использования......................................................................22

1.5 Сравнительный технико-экономический анализ применения технологических схем переработки послеспиртовой барды....................24

Выводы по гл. 1............................................................................................26

2 Методы исследования и экспериментальные установки........................27

2.1 Объект исследования..........................................................................27

2.2 Анаэробная переработка послеспиртовой барды..............................27

2.3 Ферментативная обработка барды....................................................30

2.4 Выделение и идентификация термотолерантого штамма-продуцента белка..........................................................................................31

2.4.1 Среды и реактивы..........................................................................31

2.4.2 Определение отличительных признаков штамма....................32

2.5 Определение качества сухой кормовой добавки на основе взвешенных веществ барды..................................................................34

2.6 Ультрафильтрационная очистка сброженного фугата барды..........34

3. Исследование процесса анаэробной переработки послеспиртовой барды............................................................................................................37

3.1 Генерация биогаза при сбраживании послеспиртовой барды и её фугата..................................................................................38

3.2 Изменение состава послеспиртовой барды в ходе анаэробной переработки.......................................................................................42

Выводы по гл. 3........................................................................................44

4. Ферментативная обработка барды..........................................................46

Выводы по гл. 4........................................................................................51

5 Выделение и идентификация продуцента белка для культивирования на послеспиртовой барде................................................52

Выводы по гл. 5........................................................................................58

6 Моделирование процессов и создание технологии комплексной переработки послеспиртовой барды..........................................................59

6.1 Анаэробная ферментативно-микробиологическая обработка барды в термофильных условиях................................ 59

6.2 Анаэробное сбраживание фугата ферментированной барды...... 61

6.3 Ультрафильтрационная очистка анаэробно сброженного фугата ферментированной барды....................................... 62

Выводы по гл. 6............................................. 66

7 Статистическая обработка экспериментальных данных........................67

8 Технико-экономические показатели комплексной

микробиологической переработки послеспиртовой барды......................72

Заключение..................................................................................................86

Библиографический список........................................................................88

Приложение А. Опытно-промышленный регламент............... 106

Приложение Б. Акт химико-биологической и биолого-

токсикологической экспертизы кормового продукта................ 107

Приложение В. Справка ЗАО «ДиАрКласс» о практическом

использовании результатов диссертационных исследований......... 110

Приложение Г. Акт ООО «Биотехстрой» о практическом

использовании результатов диссертационных исследований......... 111

Приложение Д. Акт получения опытного образца обогащенной

белком сухой барды........................................... 112

Приложение Е. Акт внедрения результатов НИР в учебный процесс

УО «БГТУ».................................................. 113

Приложение Ж. Расчет Инженерно-консалтинговой компании «ЭНЭКА» энергетической эффективности «Строительство биоэнергетического комплекса на КПП «Полесье».................. 115

Приложение 3. Проект ТУ на обогащенную белком сухую барду..... 116

Приложение И. Акт ООО «HIHI Биогазпро» о внедрении результатов диссертационной работы 117

Приложение К. Паспорт штамма Lachancea fermentati............. 118

ВВЕДЕНИЕ

Производство этанола из углеводсодержащего сырья сопровождается образованием крупнотоннажного отхода - послеспиртовой барды, количество которой во много раз превосходит выход продукта и достигает 135-150 м3 на 1000 дал этанола. Основным сырьем для производства высококачественного этанола является зерно злаков (пшеница, рожь, тритикале). При масштабах производства этанола в Республике Беларусь 11,4 млн. дал в год общий объем послеспиртовой барды составляет около 1,5 млн. м .

Зерновая послеспиртовая барда содержит 6-8 % сухих веществ, которые включают 26-28 % сырого протеина, 13-14 % клетчатки, 6,0-7,5 % жира, 40,050,0 % безазотистых экстрактивных веществ, 7,6-7,8 % минеральных веществ. Около 50 % сухих веществ находятся в барде в растворенном состоянии, а вторая половина — в виде взвешенных веществ (дробина). В барде присутствуют мертвые клетки дрожжей-продуцентов этанола (источник протеина), органические кислоты, аминокислоты, витамины, микро- и макроэлементы. Наличие протеина и биологически активных веществ придает барде самостоятельную кормовую ценность, в связи с чем основным методом утилизации послеспиртовой барды в отечественной практике является реализация натуральной барды в качестве кормовой добавки. Однако барда не подлежит длительному хранению (развиваются гнилостные процессы), имеет место сезонность спроса на барду, существенны затраты на доставку ее потребителю. Кроме того, перевариваемость сырого протеина барды низкая и составляет около 52 %. • Этот показатель может быть увеличен до 85-89 % обогащением барды белком в результате аэробного культивирования на барде дрожжей рода Candida. При этом резко возрастает кормовая ценность барды, появляется возможность получения полноценной кормовой белково-витаминной добавки. Этот метод микробиологической переработки барды применяется на ряде спиртовых заводов Российской Федерации. Промышленная реализация технологии на серийном отечественном оборудовании показала ее главный недостаток: большие затраты энергии на аэрацию барды в дрожжерастильных аппаратах и на последующее обезвоживание дрожжевой биомассы при невысоком выходе продукта. Практически реализация продукта позволяет только покрыть затраты на его производство.

В настоящее время на предприятиях отрасли барда является обременительным отходом, создающим угрозу экологической обстановке вокруг предприятия. Несмотря на то, что накоплен достаточно большой мировой опыт переработки барды, главным препятствием для реализации имеющихся технологий являются большие энергетические затраты на производство сухих продуктов в связи с высокой влажностью барды.

Актуальность решения проблемы переработки барды связана не только с негативным техногенным воздействием отхода на окружающую среду, но и с необходимостью разработки комплексной безотходной технологии глубокой переработки продовольственного сырья с получением ценных для народного хозяйства продуктов, в частности, кормовой белоксодержащей добавки и биогаза.

Таким образом проблема эффективной утилизации послеспиртовой барды остается нерешенной при существующей тенденции к увеличению мощностей по производству этанола. Предприятия спиртовой отрасли остро нуждаются в малоэнергозатратной технологии переработки послеспиртовой барды.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Связь работы с крупными научными программами (проектами) и темами. Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских тем кафедры биотехнологии и биоэкологии У О «Белорусский государственный технологический университет».

Тема диссертационной работы соответствует приоритетным направлениям научно-технической деятельности в Республике Беларусь на 2011-2015 годы (направление «Энергетика и энергосбережение: использование вторичных энергетических ресурсов и получение топлива из отходов производства», утвержденным Указом Президента Республики Беларусь №378 от 22 июня 2010 г.).

Цель и задачи исследования.

Цель работы - создание эффективной технологии комплексной переработки крупнотоннажного отхода спиртового производства послеспиртовой барды.

Цель работы обусловила постановку и решение следующих задач:

установить закономерности процесса анаэробной переработки послеспиртовой барды, определить условия реализации процесса;

- разработать способ предварительной ферментативно-микробиологической обработки барды с целью получения обогащенной белком кормовой добавки на основе взвешенных веществ;

определить технологические параметры процесса анаэробной переработки жидкой части (фугата) барды с получением биогаза;

- разработать технологию комплексной переработки послеспиртовой барды с получением кормового продукта и биогаза.

Научная новизна исследований. В диссертационной работе получены новые результаты в области анаэробной ферментативно-микробиологической переработки послеспиртовой барды:

определены закономерности анаэробной переработки барды, свидетельствующие о целесообразности раздельной ее переработки твердой и жидкой частей с получением кормового продукта и биогаза;

впервые предложен способ предварительной ферментативно-микробиологической обработки барды, включающий воздействие гидролитическими ферментами, расщепляющими трудноутилизируемый полисахарид клетчатку на 40% с увеличением общей концентрации редуцирующих веществ (РВ) с 0,27 до 1,5%, и культивирование на ферментированной барде выделенного из естественно развивающейся в барде микробиоты факультативно-анаэробного термотолерантного штамма дрожжей Ьаскапсеа /егтеМаИ с получением обогащенного белком кормового продукта, содержащего не менее 30% истинного белка;

- определены технологические параметры непрерывного анаэробного сбраживания фугата барды в высокоэффективном иА8В-реакторе,

3 3

обеспечивающие выход биогаза 14 м на 1 м фугата и впервые разработана технология комплексной микробиологической переработки послеспиртовой барды с получением обогащенного белком кормового продукта, включающая предварительную ферментативно-микробиологическую обработку барды для обогащения ее белком, анаэробное сбраживание фугата барды с генерацией биогаза, очистку сброженного фугата ультрафильтрацией до уровня загрязненности по показателю ХПК, позволяющему осуществить сброс на городские очистные сооружения.

Практическая значимость. Практическая и экономическая значимость заключается в разработке энергоэффективной технологии комплексной переработки послеспиртовой барды с получением энергоносителя - биогаза и белоксодержащего кормового продукта, имеющего высокую коммерческую ценность.

Разработанная технология позволяет решить актуальную экологическую проблему утилизации крупнотоннажного отхода спиртового производства с одновременным получением востребованных на внутреннем рынке продуктов.

Результаты работы являются вкладом в решение проблемы энергосбережения и импортозамещения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности анаэробной переработки барды, свидетельствующие о том, что присутствие взвешенных веществ в барде снижает степень биотрансформации органических компонентов анаэробным биоценозом в 1,3 раза в сравнении с фугатом барды, что обуславливает целесообразность раздельной переработки твердой и жидкой частей барды с получением соответственно кормового продукта и биогаза;

2. Закономерности и способ предварительной ферментативно-микробиологической обработки барды, включающий воздействие гидролитических ферментов, расщепляющих трудноутилизируемый полисахарид клетчатку на 40 % с увеличением общей концентрации редуцирующих веществ (РВ) с 0,27 до 1,5%, и культивирование на ферментированной барде выделенного из естественно развивающейся в барде микробиоты факультативно-анаэробного термотолерантного штамма дрожжей Ьаскапсеа/егтеШай с получением обогащенного белком кормового продукта, содержащего не менее 30 % истинного белка;

3. Технологические параметры непрерывного анаэробного сбраживания фугата барды в иАБВ-реакторе, обеспечивающие выход биогаза 14 м3 на 1 м3 фугата;

4. Технология комплексной переработки послеспиртовой барды с получением обогащенного белком кормового продукта и биогаза, включающая предварительную ферментативно-микробиологическую обработку барды для обогащения ее белком, анаэробное сбраживание фугата барды с генерацией биогаза, очистку сброженного фугата ультрафильтрацией до уровня

загрязненности по показателю ХПК, позволяющего осуществить сброс на городские очистные сооружения.

Личный вклад соискателя. Диссертант изучил научно-техническую литературу по теме работы, непосредственно участвовал в получении экспериментальных данных, составляющих основу диссертации, их анализе, обобщении и изложении материала настоящей работы. Совместно с научным руководителем к.т.н. Ручаем Н. С. осуществлял планирование экспериментов, обработку полученных данных, критическое обсуждение результатов, оформление публикаций на их основе.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты исследования доложены на международных конференциях:

международная научно-техническая конференция «Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии» (г. Гродно, HAH Беларуси, ГНУ «Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения, 2009 г.), международная конференция «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030» (Сагиновские чтения №2), (, Казахстан, Карагандинский государственный технический университет, г Караганда, 2010 г.), международная научно-практическая конференция «Техника и технология защиты окружающей среды» (Минск, Белорусский государственный технологический университет, 2011г.), RESET summer school (Псковский государственный университет, г. Псков, 2011), Германо-белорусский семинар «Научная кооперация - Биоэнергия» (г. Минск, НПЦ HAH Беларуси по механизации сельского хозяйства, 2011), EnGo seminar (Минск, ЦНИИКИВР, 2011), Международная научно-техническая конференция «Новые технологии рециклинга отходов производства и потребления» (Минск, Белорусский государственный технологический университет, 2011), II Международная молодежная научно-практическая конференция «Научные стремления-2011» (Минск, HAH Беларуси, 2011), молодежный инновационный форум «Наука и бизнес» (Минск, HAH Беларуси, 2011), Belarus-Korea science and technology seminar, (Minsk, BNTU, 2011), 1-й форум Союзного государства ВУЗов инженерно-технологического профиля (Минск, БНТУ, 2012), Международная научная конференция «Россия-Беларусь-Сколково: единое инновационное пространство» (HAH Беларуси, Минск, 2012), Международная научно-практическая конференция «От поля до кормового стола» (Гомель, 2013).

Опубликованность результатов диссертации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 7 - статьи в научных рецензируемых ВАК РФ и Республики Беларусь журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 120 страницах, состоит из введения, общей характеристики работы, семи глав, заключения, библиографического списка, включающего 143 источников, в том числе 18 собственных публикаций соискателя, десяти приложений. Работа содержит 20 рисунков и 28 таблиц.

АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОСЛЕСПИРТОВОЙ БАРДЫ

В мировой практике накоплен значительный опыт по различным методам переработки послеспиртовой барды, разрабатываются новые технологические процессы. Предлагаемые технологии переработки барды можно условно разделить на четыре принципиально различающихся технологических схемы:

- получение сухой барды с использованием процессов центрифугирования, упаривания и сушки;

- аэробная микробиологическая переработка жидкой фазы барды с получением белоксодержащего кормового продукта;

- анаэробная переработка барды в метантенках с получением биогаза;

- комбинированные схемы, включающие механическое разделение барды, аэробную переработку фугата и анаэробное сбраживание отработанной культуральной жидкости и другие способы переработки и использования барды, в том числе в качестве удобрений, добавок в строительные мате