Физико-химические закономерности процесса аэробной твердофазной ферментации субстратов различной природы

Рабинович, Роман Михайлович

Автореферат диссертации на тему "Физико-химические закономерности процесса аэробной твердофазной ферментации субстратов различной природы"

На правах рукописи

Рабинович Роман Михайлович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА АЭРОБНОЙ ТВЕРДОФАЗНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ СУБСТРАТОВ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ

Специальность 02.00.04 - Физическая химия, 03.00.04 -Биохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Тверь - 2004

На правахрукописи

Рабинович Роман Михайлович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА АЭРОБНОЙ ТВЕРДОФАЗНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ СУБСТРАТОВ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ

Специальность 02.00.04 - Физическаяхимия, 03.00.04-Биохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Тверь - 2004

Работа выполнена в филиале кафедры биотехнологии и химии Тверского государственного технического университета, базирующемся во Всероссийском НИИ сельскохозяйственного использования мелиорированных земель.

Научный руководитель:

доктор химических наук профессор Сульман Э.М.

Научный консультант:

доктор технических наук профессор Ковалев Н.Г.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук профессор Лапина Г.П.

кандидат биологических наук Ущаповский И.В.

Ведущая организация:

Российский

химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (г, Москва)

Защита состоится 30 декабря 2004 г. в 15 ч 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.263.02 Тверского государственного университета по адресу: г. Тверь, Садовый пер., 35, ауд. 226.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного университета.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

Для прогнозирования свойств целевого продукта ферментации необходимо знание механизма процесса, вида описывающих его уравнений и их кинетических параметров. Решать задачи такого рода позволяет математическое моделирование. Использование корректной математической модели делает возможным проведение оценки хода процесса ферментации на любом этапе.

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

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: комплексное (физико-химическое и биохимическое) исследование

базового процесса аэробной твердофазной ферментации с использованием «классической» торфо-навозно-пометной смеси; комплексное (физико-химическое и биохимическое) исследование процессов аэробной твердофазной ферментации при использовании различных количеств углеродсо-держащих субстратов, частично замещающих торф, - ранее наиболее активно применявшихся в аналогичных процессах (опилки) и впервые предлагаемых к использованию в таком качестве (пивная дробина, льняная костра); выявление связей между физико-химическими и биохимическими величинами, характеризующими течение исследуемых процессов; разработка кинетической модели процесса ферментации, позволяющей оценить скорость и степень биодеградации органической фракции ферментируемых смесей с целью его дальнейшей оптимизации для получения удобрений с заданными свойствами.

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

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

Впервые в процессе аэробной твердофазной ферментации использованы 2 вида нетрадиционных углеродсодержащих субстратов - крупнотоннажные отходы сельского хозяйства (льняная костра) и пивоваренной промышленности (пивная дробина). Выявлены благоприятные уровни концентраций пивной дробины (5-15%) и льняной костры (5-10%) на течение процессов ферментации, их интенсивность и направленность, что подтверждено многокритериальной оценкой удобрительного «рейтинга» получаемых продуктов.

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

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

Результаты работы применяются при реализации процессов аэробной твердофазной ферментации на лабораторном, полупроизводственном

и производственном уровнях в Тверском государственном техническом университете (ПТУ) и Всероссийском НИИ сельскохозяйственного использования мелиорированных земель (ВНИИМЗ).

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

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

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, получены патенты РФ на полезные модели №39599, № 38396 и решение о выдаче патента РФ (Заявка № 2003138196/12 от 31.12.2003).

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цель, научная новизна и практическая значимость проведенных исследований.

В первой главе «Литературный обзор» обобщены имеющиеся в литературе сведения о современных способах биоконверсии. Дано описание физико-химических и биохимических свойств органического сырья (торф) и крупнотоннажных отходов сельскохозяйственной (навоз, помет, льняная костра), пивоваренной (пивная дробина) и деревообрабатывающей (древесные опилки) промышленности, и показана перспективность утилизации этих субстратов путем аэробной твердофазной ферментации. Охарактеризованы основные физико-химические и биохимические факторы, оказывающие влияние на ход ферментации, и способы их регуляции. Представлены физико-химические подходы к моделированию процессов биоконверсии и обоснована необходимость разработки моделей аэробной твердофазной ферментации, учитывающих различные виды гетерогенностей ферментируемых смесей.

Во второй главе «Объекты и методы исследований» приводятся схемы лабораторной и полупроизводственной установок для осуществления экспериментов, изложена методика приготовления смесей для ферментации и правила отбора образцов, рассматриваются физико-химические, биохимические и микробиологические методы анализа ферментируемых смесей.

В третьей главе «Комплексное исследование процессов аэробной твердофазной ферментации» приводятся результаты комплексных исследований процесса ферментации на полупроизводственной установке, предложенной ТГТУ и ВНИИМЗ, состоящей из 4-х одинаковых бункеров с рабочим объемом 0,5 м3 каждый. Ферментируемые смеси составлялись на основе «классической» торфо (50%) - навозно (35%) - пометной (15%) смеси сравнения (базовый опыт, базовый процесс), в состав которой вводили органические субстраты различной природы (пивная дробина, льняная костра, древесные опилки) в количестве 5,10,15 и 20%, замещая соответствующее количество торфа.

Экспериментам на полупроизводственном ферментере предшествовали модельные эксперименты по выявлению оптимального режима аэрации ферментируемых смесей. При этом на лабораторной установке с рабочим объемом 1,75 дм3 ферментировались «классические» смеси, а имитация их саморазогрева, характерного для полупроизводственного ферментера, достигалась посредством термостатирования лабораторной установки в соответствии с усредненными данными о типичных температурных изменениях в ходе аэробной твердофазной ферментации. Установлено, что наилучшее потребление кислорода микроорганизмами проявляется при 20-секундной продувке ферментируемой смеси с интервалом в 10 минут. Именно для этого режима было характерно снижение содержания кисло-

рода в смеси в термофильный период до 8-10%, что согласуется с 5-12%-ным интервалом, рекомендованным для процессов такого рода.

Во всех опытах наблюдалось первичное увеличение температуры смесей с ее последующим монотонным снижением, однако длительность термофильных периодов (ТЕКМТТМЕ), когда величина температуры смесей превышала 45°С, а также непосредственно величины коэффициентов разогрева смесей (ТМАХ - отношение максимальной достигаемой температуры к температуре окружающей среды) и коэффициентов их остывания (ТМШ - отношение температуры окружающей среды к температуре продуктов ферментации), были различны (рис. 1).

Рис. 1 Коэффициенты разогрева и остывания смесей

и длительность термофильного периода Примечание: базовый опыт - «классическая смесь», ПД - пивная дробина, Ж - льняная костра, О - опилки

Установлено, что наилучшим разогревом смесей, максимальной длительностью термофильного периода и минимальными коэффициентами остывания отличались опыты с 10-20% пивной дробины, что свидетельствовало о благоприятном воздействии указанного субстрата в отношении микроорганизмов, активизирующихся в термофильную фазу. Наряду с быстрым увеличением температуры для опытов с 15 и 20% льняной костры и 5-20% древесных опилок отмечено сокращение длительности термофильного периода по сравнению с базовым процессом, что указывает на инги-бирующий эффект избытка лигноцеллюлозных компонент в отношении термофильной микрофлоры.

Сходным образом анализировались данные об изменении содержания кислорода в ферментируемых смесях (рис. 2). При этом сравнивались

коэффициенты поглощения кислорода микроорганизмами: максимальный (ОХМАХ - отношение содержания кислорода в воздухе (-21%) к минимальному содержанию кислорода, зафиксированному в ходе эксперимента) и итоговый (ОХЕШ - отношение содержания кислорода в воздухе к содержанию кислорода в смеси к концу процесса), а также длительность периода (МШОХШ), в течение которого содержание кислорода в смеси не выходило за границы 5-12%-ного интервала.

Рис. 2 Коэффициенты поглощения кислорода и длительность периода 5-12%-го содержания кислорода (обозначения, как на рис.1)

Отмечено, что по сравнению с базовым опытом наилучшим поглощением кислорода микрофлорой (лучшим коэффициентом ОХМАХ, а также максимальным периодом МШОХЖ) характеризовались все опыты с пивной дробиной, а также опыты с 5% льняной костры и 5% древесных опилок. Очевидно, что существование значимого отрицательного коэффициента корреляции (Яд, ~ -0,84) между величинами температуры смеси и объемной концентрации кислорода, свидетельствующего об антибатности динамики этих физико-химических параметров, может быть использовано при оценке скорости потребления кислорода микрофлорой на основании температурных изменений, и наоборот.

Поскольку температурные изменения, происходящие в процессе ферментации, являются следствием активной биодеградации органических соединений, оказывается целесообразным анализ степени озоления конечных продуктов по сравнению с исходными смесями (рис. 3). Опыты с использованием 10-20% пивной дробины характеризовались высокой степенью озоления. В оиытах с 15-20% костры и 10-20% опилок степень озоле-ния продуктов ферментации оказывалась существенно ниже, что подтвер-

ждает выдвинутое ранее предположение о труднодоступности субстратов, богатых веществами лигноцеллюлозной природы, для микрофлоры, осуществляющей биотрансформацию.

Условия опытов

Рис. 3 Степень озоления продуктов ферментации по сравнению с исходными смесями (обозначения, как на рис.1)

Для всех опытов отмечена монотонность снижения уровня влагосо-держания, ускоряемого периодической аэрацией и поверхностным испарением, а также первичное снижение рН смесей (в «кислотную» фазу) с последующим увеличением рН до нейтральных значений. Это свидетельствует о сходстве исследуемого типа процесса с процессами твердофазной ферментации, описанными в литературе и, как следствие, о возможности экстраполяции на него известных физико-химических закономерностей.

Показано, что в ходе ферментации наблюдается активная биотрансформация трудногидролизуемых высокомолекулярных веществ - клетчатки и жиров (рис. 4), а образующиеся при этом вторичные метаболиты вовлекаются в многочисленные процессы преобразований, в том числе, биосинтетические, о доминировании которых над деструкционными в термофильный период свидетельствовало снижение каталазно-дегидрогеназного коэффициента (КДК), равного соотношению относительных активностей соответствующих ферментов. Выявлено, что степень конверсии высокомолекулярных органических соединений зависит от длительности термофильной фазы, проявляясь наилучшим образом в опытах с 10-15% пивной дробины.

Отмечено, что процессы ферментации характеризовались первичным накоплением аминокислоты триптофана (рис. 5) - предшественника индо-лилуксусной кислоты (ИУК), причем в период достижения максимальной температуры скорость накопления триптофана несколько снижалась, что,

вероятно, связано с известным фактом преобразования этой аминокислоты в циклический пептид - дикетопиперазин при высокой температуре. К концу ферментации наблюдалось снижение концентрации этой аминокислоты в ферментируемой смеси, что вполне могло свидетельствовать о ее прямой трансформации в ИУК (рис. 5).

Рис. 5 Сравнительный анализ динамики триптофана (обозначения, как на рис.1)

Обнаружены высокие коэффициенты корреляции между содержанием триптофана и протеазной активностью, варьирующие в интервале 0,80,9 для опытов с пивной дробиной (10-15%), льняной кострой (5-10%) и опилками (5%), в которых накопление аминокислоты было максимальным,

что свидетельствует о формировании продуктов с высокой удобрительной ценностью. Кроме того, высокий удобрительный потенциал продуктов ферментации формировался при преимущественном накоплении гумусо-подобных соединений независимо от типа и количеств используемого субстрата (рис. 6).

Рис. 6 Накопление общего углерода гумусовых кислот (обозначения, как на рис.1)

Максимальное накопление гумусоподобных соединений в ходе ферментации, в том числе, доступных для растений фульвокислот, наблюдали в опытах с пивной дробиной (5-15%); достаточно высокое, соразмеримое с базовым процессом, - в опытах с льняной кострой (5-10%) и древесными опилками (5%). Продукты ферментации, приготовленные при использовании органических субстратов в указанных количествах, богаты фульвокис-лотами и обладают согласно «конденсационной» теории (фульвокислоты —» гуминовые кислоты и гумины) пролонгированными удобрительными свойствами, поскольку при внесении в почву способны повышать запас ее питательных веществ и плодородие. При этом, как показали величины по-лифенолоксидазно-пероксидазных коэффициентов (ППК), равные отношениям абсолютных активностей соответствующих ферментов, в опытах с применением пивной дробины (10-15%) к концу ферментации (при остывании смесей) наблюдалось превалирование активного прямого синтеза фульвокислот, что отличало эти опыты от всех прочих, для которых было характерно преимущественное накопление фульвокислот за счет деструкции исходных высокомолекулярных соединений.

Таким образом, общая направленность окислительно-восстановительных реакций в процессе ферментации свидетельствовала об

образовании веществ с новым энергосодержанием, в том числе физиологически активных - фульвокислот и триптофана.

Для объективного сравнения качества продуктов ферментации предложена система оценки их удобрительного «рейтинга» в виде взвешенной суммы некоторых химических и биохимических критериев (содержание общего азота, содержание подвижных форм фосфора, и калия, содержание общего углерода гумусовых кислот), показавшая, что наилучшими удобрительными свойствами по сравнению с базовым опытом характеризовались продукты ферментации, полученные при использовании пивной дробины, особенно, в количестве 15% от общей массы исходной смеси. Кроме того, величинами удобрительного рейтинга, соразмеримыми с базовым опытом, характеризовались опыты с 5% льняной костры и 5-10% древесных опилок. Необходимо отметить, что в выбранной системе оценок удобрительная ценность продуктов ферментации оказывалась в 2-4 раза выше, нежели аналогичный показатель для нативного подстилочного навоза, что вполне согласуется с результатами многолетних исследований ВНИИМЗ.

В четвертой главе «Моделирование аэробной твердофазной ферментацию) предлагаются подходы к моделированию исследуемого процесса. Отмечается, что прогнозируемое получение продуктов ферментации с заданными свойствами на фоне многокомпонентности смесей и значительной вариабельности их свойств, несмотря на кажущееся постоянство исходного состава, является нетривиальной задачей, решаемой лишь с помощью математических подходов.

Поскольку в ходе ферментации происходит активная трансформация углеродсодержащих соединений, среди которых главенствующее положение занимают вещества лигноцеллюлозной природы, входящие в состав большинства используемых при ферментации субстратов, оказывается целесообразной оценка первичного развития аэробных целлюлозолитических микроорганизмов, как мезофильной, так и термофильной групп.

Как показали результаты экспериментов, в течение 3-х суток ферментации наблюдается экспоненциальный рост численности целлюлозолити-ческих микроорганизмов во всех опытах, поэтому подходящей характеристикой для сравнения развития популяций этих микроорганизмов может стать удельная скорость роста, связывающая скорость изменения числа клеток в системе с их текущей концентрацией в соответствии с дифференциальным уравнением

где ц - удельная скорость роста, сут" ;

t - время от начала процесса, сут;

N - концентрация микробных клеток, млн./г.

Сравнение величин удельных скоростей роста целлюлозолитической микрофлоры, полученных интегрированием уравнения (1) и последующей линеаризацией опытных сведений в координатах позволило вы-

явить пределы концентраций исследуемых субстратов (пивной дробины,

льняной костры, древесных опилок), оказывающих позитивное влияние на развитие целлюлозолитических аэробов и их деградабельную способность.

Так, пивная дробина, используемая в количестве 5-15%, способствовала увеличению скорости роста исследуемых групп микроорганизмов, которая достигала 0,456-0,528 сут*1. Вероятно, это обусловлено пониженным содержанием лигнина в составе исходных смесей, формирующихся при использовании этого субстрата, а также тем, что в составе пивной дробины обнаруживается высокое содержание веществ-стимуляторов клеточного роста. В опыте с 10% льняной костры удельная скорость роста целлюлозо-литической микрофлоры (ц=0,408 суг"1) была аналогична величине этого показателя для базового опыта (ц=0,408 сут'1), а в опыте с 5% костры - несколько превышала ее (ц=0,432 сут"1). В то же время дальнейшее увеличение содержания костры в составе исходных смесей приводило к 2-кратному снижению удельной скорости роста (ц=0,216 сут"1) по сравнению с 5%-ным опытом, что вызвано ингибированием деятельности микрофлоры, осуществляющей трансформацию целлюлозы, лигнином в составе лигноцеллюлозного комплекса костры. Выводы, аналогичные опыту с льняной кострой, были сделаны для опыта с древесными опилками. Необходимо отметить также, что для опыта с использованием опилок эффект ингибирования роста целлюлозолитической микрофлоры выражен слабее, нежели для опыта с кострой, что объясняется как более низким содержанием лигнина в составе опилок, так и различной ингибирующей способностью лигнина этих субстратов, связанной с различием его структурной организации.

Однако использование указанной модели не дает целостного представления о ходе ферментации, поэтому предлагается прогнозная кинетическая модель процесса, учитывающая комплекс физико-химических показателей ферментируемых смесей, а именно: температуру, влажность, зольность, кислородообеспечение, пористость, порозность, изменение массово-объемных соотношений.

Использование модели позволяет осуществлять прогнозирование течения процесса ферментации с оценкой готовности и качества получаемой продукции (биокомпоста). Согласно допущению о неизменности массы минеральной фракции ферментируемых смесей в течение всего процесса ферментации получаем уравнение для скорости биодеградации органической фракции, аналогичное уравнению химической кинетики:

(2)

л

где г - скорость биодеградации, кг*сут"'; 1 - время, сут; к - константа скорости биодеградации; ВУБ - масса органической фракции в момент времени 1, кг; N - порядок реакции.

В ряде зарубежных работ показана возможность использования уравнений нулевого, первого и второго порядков, однако мы считаем физико-химически обоснованным применение уравнений нулевого и первого порядков (N=0,1).

Опосредованное оценивание скорости биодеградации оказывается возможным по скорости потребления микроорганизмами кислорода в ходе ферментации. При этом вводится допущение о неизменности скорости потребления кислорода микроорганизмами в течение каждых (i-x) суток ферментации. Количество потребленного за i-e сутки кислорода может быть получено из соотношения

где аодвход и ао2,юкод - объемное содержание кислорода в окружающей среде (~21%) и в ферментируемой смеси перед очередной продувкой соответственно, УМОЬ - молярный объем газов (22,4*10"3 м3/моль), М02 -молярная масса кислорода (0,032 кг/моль), в - интервал между продувками (10 мин), 1440 - коэффициент пересчета в сутки, Г® - объем, заполняемый воздухом после каждой из продувок, м3 и вычисляемый на основании регрессионного уравнения для изменяющихся пористости и порозности смесей (рШ).

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

(4)

ХПК = т$ !MiVS{¡ir),

где т- количество поглощенного за 7 суток ферментации кислорода - из формулы (3), U}VS(lcr) - масса деградировавшей органической фракции.

Фактически, рассматриваемый показатель ХПК - это аналог широко используемого химиками показателя химического потребления кислорода, являющегося однозначной характеристикой того или иного органического вещества. Найденные согласно уравнению (4) величины ХПК органической фракции варьировали в пределах 1,46-1,63 кг/кг. В то же время ХПК субстрата на основе пищевых отходов, состава Cigl^OioN, составлял 1,34 кг/кг (литературные сведения). Более высокие величины ХПК ферментируемых субстратов по сравнению с литературной величиной свидетельствуют об их сложной стехиометрии, причем большие ХПК были характерны для смесей с повышенным содержанием лигноцеллюлозы - в опытах с льняной кострой и опилками.

Зная ХПК (4) и количество потребленного кислорода (3) за i-e сутки ферментации, рассчитаем скорость потребления кислорода за i-e сутки разделив на ХПК.

Согласно (2) рассчитаем константы скоростей для моделей реакций 0-го и 1-ю порядков:

нулевой порядок: к'" = г(|), (5)

г(0 г« первый порядок: к{,) =-=-,

ш' Ы (6)

Единицы измерения констант скорости биодеградации следующие:

- к (нулевой порядок) -кг*сут';

- к1 (первый порядок) - 1*сут

Известно, что с ростом температуры (до уровней, при которых денатурирует большинство известных ферментов) увеличивается и способность микроорганизмов к осуществлению биотрансформации. Рядом авторов указывается на возможность использования классического уравнения Аррениуса, связывающего константу скорости с температурой ферментируемых смесей. Однако прямое использование уравнения Аррениуса для аэробной твердофазной ферментации оказывается крайне затруднительным, поскольку окисление органической фракции кислородом воздуха относится к гетерогенным процессам и на фоне саморазогрева смесей, частицы которых обладают высокопористой структурой с развитой внутренней поверхностью, невозможно однозначное толкование механизма биодеградации законами кинетики или диффузии. Вместе с тем, ввиду отсутствия других физико-химических зависимостей, приемлемо описывающих влияние температуры на скорость биодеградации, использование эмпирического уравнения (7), подобного уравнению Аррениуса с последующей линеаризацией опытных сведений об изменении констант скоростей разных порядков в зависимости от температуры, позволило сравнить способность к биодеградации субстратов различной природы и выдвинуть предположение о механизмах тех или иных процессов с их использованием:

где Рзи - средний энергетический эквивалент субстрата, кДж/моль, характеризующий его способность к трансформации и включающий в себя обе составляющие: и диффузионную, и кинетическую;

Адк - средняя величина предэкспоненциального множителя, характеризующая число реакционных центров и учитывающая ограничения, накладываемые диффузией кислорода к поверхности частиц субстрата через водный слой.

На рис. 7 отображена типичная форма зависимостей в координатах Ц^ЩД). В ходе моделирования были обнаружены следующие закономерности. В базовом опыте и всех опытах с пивной дробиной лучшая линеаризация была отмечена при использовании модели реакции первого порядка ^2=0,6-0,9); для большинства опытов с опилками и льняной кострой - преимущественно нулевого порядка ^2=0,63-0,9).

Установлено, что использование пивной дробины способствует снижению энергетического эквивалента с 31 кДж/моль (для базового опыта) до 19 кДж/моль. Возможной причиной этого, по-видимому, является спо-

собность пивной дробины оказывать каталитическое влияние на жизнедеятельность микрофлоры, осуществляющей биотрансформацию, а также снижение содержания лигнина в составе исходных смесей. Соответствующее снижение величины предэкспоненциального множителя (Ада) с 104 в базовом опыте до 102-103 в опыте с пивной дробиной хорошо согласуется с представлениями о возникновении диффузионных ограничений при использовании этого субстрата, поскольку пивная дробина характеризуется повышенной влажностью и часть реакционных центров оказывается покрыта водной пленкой. В этом случае можно говорить о том, что биодеградация протекает в переходной области, близкой к диффузионной. В этой связи для преодоления затруднений, вызванных диффузионными ограничениями, может быть рекомендовано предварительное высушивание пивной дробины.

-4 -'--'---—'-----

0,0030 0,0031 0,0031 0,0032 0,0032 0,0033 0,0033 0,0034

1/т 1/к

Рис. 7 Определение параметров уравнения (7) для опыта с использованием 5% пивной дробины

В то же время в опытах с использованием 5-10% льняной костры и соответствующих количеств опилок энергетический эквивалент увеличивался по сравнению с базовым опытом с 31 кДж/моль до 49 кДж/моль (для костры) и до 60 кДж/моль (для опилок), что свидетельствует о превалировании в составе указанных субстратов веществ лигноцеллюлозной природы, менее доступных для микрофлоры. Найденные величины энергетического эквивалента для этих опытов в терминах теории Аррениуса харак-

терны для кинетической области (ЕА~50-200 кДж/моль). Предположение о смене механизма биодеградации подкрепляется увеличением предэкспо-ненциального множителя (Ада) с 104 в базовом опыте до 108-109, что свидетельствует об активном высушивании смесей с кострой и опилками, усиливаемом периодической аэрацией, и о возникновении новых реакционных центров.

Значительное уменьшение величин энергетического эквивалента в опытах с использованием 15-20% костры и 15-20% опилок по сравнению с их использованием в количестве 5 и 10% может быть объяснено тем, что в условиях избытка лигноцеллюлозных соединений льняная костра и опилки фактически перестают подвергаться деградации, о чем свидетельствует спижеиие общего количества трансформированной органики (ДВУ8).

Верификация модели (рис. 8) проводилась путем сравнения прогнозных содержаний органической фракции (8, 9), подвергающейся биодеградации, с эмпирическими сведениями об изменении зольности смесей. Уравнения (8) и (9) получены интегрированием уравнений (5) и (6).

Значение к; для той или иной реакционной модели определяется из уравнения (7), в которое подставляются соответствующие значения (5э„„ 1/Т И Ада.

Обе реакционные модели позволили достаточно точно прогнозировать изменение содержания органической фракции в ходе ферментации (рис. 8). Кроме того, удовлетворительного прогнозирования биодеградации удается достичь посредством использования величины средней температуры (40-50°С), характерной для процесса аэробной твердофазной ферментации. При этом константа скорости считается неизменной величиной. Предложенная многопараметрическая модель позволит автоматизировать контроль процесса, основываясь на следующих входных параметрах: ХПК, исходная влажность, исходная зольность, исходная масса смеси, рабочий объем ферментера, величина средней температуры.

ВЫВОДЫ

1. Установлены основные физико-химические закономерности, характерные для процесса аэробной твердофазной ферментации. Построена кинетическая модель развития популяции аэробных целлюлозолитических микроорганизмов на начальной стадии процесса ферментации, позволившая определить пределы концентраций исследуемых субстратов, при которых наблюдается наилучшее развитие микроорганизмов этой группы: для опыта с пивной дробиной - 5-15%; для опыта с льняной кострой - 510%; для опыта с древесными опилками - 5-10%.

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

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

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

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

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

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

8. Разработаны полезные модели на полупроизводственную установку и устройство пробоподготовки (патенты РФ №№ 39599, 38396), обеспечившие проведение цикла запланированных экспериментов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Рабинович Р.М., Рабинович Г.Ю. Тестирование продуктов ферментации // Международная конференция молодых ученых «От фундаментальной науки к новым технологиям. Химия и биотехнология биологически активных веществ, пищевых продуктов и добавок. Экологически безопасные технологии». Тверь, 2001. - С. 137-138.

2. Рабинович Г.Ю., Рабинович Р.М. Синтез аминокислот - предшественников физиологически активных соединений - в процессе биоконверсии вторичных ресурсов в удобрения // Международная научно-практическая конференция «Использование органических удобрений и биоресурсов в современном земледелии». Владимир, 2002. - С. 79-84.

3. Преимущества аэрируемых процессов переработки навоза и других сырьевых ресурсов / Рабинович Г.Ю., Ковалев Н.Г., Рабинович P.M., Полозова В.Г. // Сборник научных трудов научно-технические проблемы механизации и автоматизации животноводства и концепция развития механизации и автоматизации животноводства в 21-м веке», т. 11, ч. 1, Москва, 2003 - С. 140-144.

4. Рабинович P.M., Рабинович Г.Ю., Сульман Э.М. Оценка гумусо-образования в процессе ферментации торфонавозных смесей с биодобавками // Всероссийская заочная конференция «Перспективы развития Волжского региона», выпуск 4,2003. - С. 188-191.

5. Перспективы использования биологически активных продуктов, получаемых в процессе углубленной переработки торфо-навозных смесей / Рабинович Г.Ю., Ковалев Н.Г., Рабинович P.M., Фомичева Н.В. // Международная научно-практическая конференция «Высокие технологии добычи, глубокой переработки и использования озерно-болотных отложений». Томск,2003.-С. 160-161.

6. Рабинович Р.М., Рабинович Г.Ю., Сульман Э.М. Трансформация гумусоподобных соединений в процессе производства продуктов твердо-

фазной ферментации торфа и отходов животноводства // Международная научно-практическая конференция «Высокие технологии добычи, глубокой переработки и использования озерно-болотных отложений». Томск, 2003.-С. 161-163.

7. New technologies for express-fermentation and creation of bioactive substances for agriculture / Rabinovich G.Yu., Kovalev N.G., Rabinovich R.M., Polozova V.G. // 11-th International Congress «Molecular Plant-Microbe Interactions: New bridges between Past and Future», St.-Petersburg, Russia, 2003. -P. 54.

8. New technologies as a basis of agricultural ores preservation. / Nicolay

G. Kovalev, Galina Yu. Rabinovich (P), Roman M. Rabinovich, Valentina G. Polozova // 6th Inter-Regional Conference on Environment-Water "Land and Water Use Planning and Management", Albacete, Spain, 2003. - P. 300.

9. Рабинович Р.М., Фомичева Н.В., Рабинович Г.Ю. Использование пивной дробины в производстве компоста многоцелевого назначения (КМН) // 2-ая научно-практическая конференция «Научные проблемы устойчивого развития Тверской области: экономика, экология, социология», Тверь, 2003.-С. 49-59.

10. Процессы и качество продуктов твердофазной ферментации: Методическое пособие / Рабинович Г.Ю., Ковалев Н.Г., Фомичева Н.В., Рабинович Р.М. - Москва-Тверь, 2003. - 54 с.

11. Пивная дробина - компонент и стимулятор процесса ферментации при формировании КМН. / Рабинович Г.Ю., Фомичева Н.В., Ковалев

H.Г., Рабинович Р.М. // Бюлл. № 119 ВНИИПА им. Прянишникова «Задачи научных учреждений Геосети опытов с удобрениями и др. агрохим. средствами по реализации концепции развития агрохимии и агрохимического обслуживания сельского хозяйства РФ на период до 2010 г.», Москва, 2003.-С. 167-168.

12. Рабинович Г.Ю., Рабинович Р.М., Полозова В.Г. Удобрения для осушаемых почв с эффектом пролонгирующего гумусонакопления // Межрегиональная конференция «Производство продовольствия и вода: социально-экономические проблемы ирригации и дренажа», Москва, 2004. - С. 141-142.

13. Патент на полезную модель № 39599 РФ. Установка для приготовления компостов / Рабинович P.M., Ковалев Н.Г., Сульман Э.М., Суль-ман М.Г., Рабинович Г.Ю. (13.04.2004).

14. Патент на полезную модель № 38396 РФ. Устройство подготовки пробы для газоанализаторов / Буробин В.А., Рабинович P.M., Ковалев Н.Г. (03.02.2004).

15. Решение о выдаче патента РФ. Способ приготовления компоста с использованием пивной дробины / Ковалев Н.Г., Рабинович P.M., Сульман Э.М., Рабинович Г.Ю., Фомичева Н.В. (Заявка № 2003138196/12 от 31.12.2003).

Подписано в печать 23.11.04 Физлечл 1,25 Тираж 100 экз. Заказ №225 Типография ТГТУ. 170026, Тверь, наб. А.Никитина, 22

$ 2 6 3 6 S

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата химических наук, Рабинович, Роман Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Многообразие современных способов биоконверсии органического сырья и отходов. Преимущества твердофазной ферментации.^.

1.2. Процесс аэробной твердофазной ферментации.

1.2.1. Общая характеристика процесса.

1.2.2. Аппаратурное оформление процесса.

1.2.3. Характеристика ферментируемых субстратов.

1.2.3.1. Сырье животноводства.

1.2.3.2. Углеродсодержащие материалы растительного происхождения.

1.2.4. Физико-химические и биохимические факторы, влияющие на ход ферментации.

1.2.4.1. Углеродно-азотное соотношение.

1.2.4.2. Содержание целлюлозо-лигниновых компонентов.

1.2.4.3. Влажность.

1.2.4.4. Кислотность.

1.2.4.5. Размер частиц и скорость аэрации.

1.2.4.6. Температура.

1.2.4.7. Использование биостимуляторов.

1.3. Физико-химические подходы к моделированию аэробной твердофазной ферментации.

1.3.1. Общие положения.

1.3.2. Термодинамическое моделирование.

1.3.3. Кинетическое моделирование.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Устройство лабораторной установки.

2.2. Устройство полу производствен ной установки.

2.3. Схема экспериментов на полупроизводственной установке.

2.4. Физико-химическое тестирование процесса.

2.4.1. Наблюдение за режимом влажности.

2.4.2. Наблюдение за температурным режимом.

2.4.3. Наблюдение за уровнем кислородообеспечения.

2.4.4. Кислотный режим процесса.

2.5. Биохимическое тестирование процесса.

2.5.1. Определение каталазной активности.

2.5.2. Определение дегидрогеназной активности.

2.5.3. Определение пероксидазной активности. к) 2.5.4. Определение полифенолоксидазной активности.

2.5.5. Определение содержания триптофана.

2.5.6. Определение сырого протеина.

2.5.7. Определение сырого жира.

2.5.8. Определение сырой клетчатки.

2.5.9. Определение органического углерода гуминовых и фульвовых кислот.

2.6. Химическое тестирование процесса.

2.6Л. Определение азота.

2.6.2. Определение фосфора.

2.6.3. Определение калия.

2.6.4. Определение зольности.

2.7. Микробиологическое тестирование процесса.

2.7.1. Общие требования к проведению микробиологических анализов.

2.7.2. Определение общей микробной обсемененности.

2.8. Статистическая обработка данных.

3. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АЭРОБНОЙ

ТВЕРДОФАЗНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ.

3.1. Исследование базового процесса ферментации.

3.1.1. Варьирование режимов аэрации и выбор оптимума.

3.1.2. Оценка физико-химических показателей.

3.1.3. Оценка биохимических показателей.

3.1.4. Оценка микробиологических показателей.

1 3.2. Исследование влияния различных органических ^ субстратов на ход процесса ферментации.

3.2.1. Оценка физико-химических показателей.

3.2.2. Оценка биохимических показателей.

3.3. Многокритериальная оценка удобрительного «рейтинга» продук- ^ тов ферментации.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОБНОЙ ТВЕРДОФАЗНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ.

4.1. Кинетика развития целлюлозолитических аэробов при

1 Vi. использовании различных лигноцеллюлозных субстратов.

Ингибирующая способность лигнина.

4.2. Кинетическая модель биодеградации органической фракции.

Введение диссертация по химии, на тему "Физико-химические закономерности процесса аэробной твердофазной ферментации субстратов различной природы"

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, получены патенты РФ на полезные модели №39599, № 38396 и решение о выдаче патента РФ (Заявка № 2003138196/12 от 31.12.2003).

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

Заключение диссертации по теме "Физическая химия"

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

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

4.2 Кинетическая модель биодеградации органической фракции

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3 3

Vmol ~ молярный объем газов (22,4*10" м /моль), М02 - молярная масса кислорода

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

Общ т02 1>о'2- (4.12)

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

АВУЯ(кг) = т, *(100-^,)*(100*(100-}У2)*(\00-22)

10000

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

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

ХПК = т°б2щ /АВУБ(кг}, (4.14)

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

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

В таблице 4.2 приведены входные данные модели биодеградации органической фракции.

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

ВУ5> Е< (4.17)

ВУБ

0 ХПК

Единицы измерения констант скорости биодеградации следующие:

- к (нулевой порядок) - кг*сут

- к' (первый порядок) - 1 *сут-1;

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

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

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

Т - температура смеси, К;

А - предэкспоненциальный множитель, зависящий от порядка реакции.

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

N.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

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

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

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

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

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

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

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

8. Разработаны полезные модели на полупроизводственную установку и устройство пробоподготовки (патенты РФ №№ 39599, 38396), обеспечившие проведение цикла запланированных экспериментов.

Список источников диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Рабинович, Роман Михайлович, Тверь

1. Gross R.A., Kalra В. Biodegradable Polymers for the Environment. I I Science, 2002, Vol. 297. P.803-807.

2. Виестур У.Э., Шмите И.А., Жилевич A.B. Биотехнология. Рига: Зинатне, 1987. - 246 с.

3. Karns J.S., Hapeman C.J., Mulbry W.W., Ahrens E.H., Shelton D.R. Biotechnology for the Elimination of Agrochemical Wastes // Hortscience, 1998. Vol. 33, Iss. 4. -P.626-631.

4. Wagner M. Tehnologii moderne de uscare a dejec-tiilor in fermele de pasari creascute in baterii. Bucuresti, Meca-nizarea agriculturii, 1999, № 12. - P.22-24.

5. Павлив C.B. Опыт рационального использования новых видов кормов и перспективы их получения из отходов животноводства // Тез. докл. сов.-чех. науч.-произв. симпозиума, 2-4 окт. 1985 г., Ужгород. С.77-78.

6. Рабинович Г.Ю., Ковалев Н.Г., Сульман Э.М. Биоконверсия органического сырья в удобрения и кормовые добавки (микробиологические аспекты). Тверь: ТГТУ, 1999.- 168 с.

7. Маякова Е.Ф. Гидролиз торфа и использование продуктов гидролитической деструкции. Справочник по торфу. М.: Недра, 1982. - С.551-554.

8. Получение обогащенного корма на основе торфа. / Шепель В.М., Васильева А.Н., Кравец А.В. и др.// Сб. науч. трудов "Торф в сельском хозяйстве". -Томск. 1990.-С.81-82.

9. Appelhof Mary. Worms Eat My Garbage. Flower Press, Kalamazoo, MI. -1982. -227 p.

10. Subler S., Edwards C., Metzger J. Comparing vermicomposts and compost. // BioCycle.- 1998.-P.63-66.

11. Pauss A., Nuns E.- J. Biogas plants in Europe. An updated databank. / Final report, commission of the European Communities. 1990. - 67 p.

12. Шен Маттиас. Компогаз метод брожения биоотходов // Метроном. - 1994. № 1-2.-С.41.

13. Использование экскрементов птиц и крупного рогатого скота для приготовления кормовых дрожжей / К.П.Зайцев, А.В. Миронов, В.А. Мельников и др. // Доклады ВАСХНИЛ. 1995. №8. - С.25-26.

14. Raimbault M. Fermentation en milieu solide: croissance de champignons filamenteux sur substrats amylacés. Paris: ORSTOM-Paris, Série Travaux et Documents 127, 1981.-291 p.

15. Tengerdy R.P. Solid substrate fermentation. // Trends in Biotechnology. 1985. -Vol. 3. - P.96-99.

16. Agosin, D., Jarpa, S., Rojas, E. and Espejo, E. Solid state fermentation of pine sawdust by brown-rot fungi. // Enzyme and Microbial Technology, 1985. Vol. 11. -P.511-517.

17. Roussos S. Croissance de T. harzianum par FMS: physiologie, sporulation et production de cellulases. / Thèse de Doctorat, Université Provence, Marseille Fr. , Orstom Ed., 1985.-450 p.

18. Solid-substrate fermentation of soya beans to tempe process innovations and product characteristics. (Thesis) / Reu, J.C., Oostra, J., Nagel, F.J.I., et.al. - Wageningen Agricultural University, The Netherlands, 1995. - 154 p.

19. Vandenberghe L.P.S., Soccol C.R., Pandey A, Lebeault J.M. Microbial production of citric acid. // Braz Arch Biol Technol. 1999. - Vol. 42. - P.262-274.

20. Soares M., Christen P., Pandey A., Soccol C.R. Fruity flavour production by Cerato-cystis fimbriata grown on coffee husk in solid state fermentation. // Proc Biochem,2000.-Vol. 35.-P.8.

21. Nampoothiri K.M., Pandey A. Solid state fermentation for L-glutamic acid production using Brevibacterium sp. II Biotechnol Lett. 1996. - Vol. 16. - P. 199-204.

22. Merck. New 2-nonatienyl-pyran-3-yl glycine ester. US Patent № US-4952604, Merck, USA. 1990.

23. Merck. New fungicide antibiotic isolated from Fusarium sp. fermentation broth. US patent № US-5008187, Merck, USA. 1991.

24. Deshpande M.V. Mycopesticide production by fermentation: potential and challenges. // Crit Rev Microbiol. 1999. - Vol. 25. - P.229-243.

25. Ангилеев О.Г. Комплексная утилизация побочной продукции растениеводства. -М.: Росагропромиздат, 1990. 160 с.

26. Форстер К.Ф., Вейз Д.А. Экологическая биотехнология: Перев. с нем.- JL: Химия, 1990. 282 с.

27. Патент РФ № 2112764 / Ковалев Н.Г., Малинин Б.М., Туманов И.П., Кл. 6 С05 F3/00, 1997.

28. Лукьяненков И.И. Перспективные системы утилизации навоза М.: Россель-хозиздат, 1985. - 176 с.

29. Ковалев Н.Г., Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. М.: ВО Агропромиздат, 1989. - 160 с.

30. Научные основы и рекомендации по эффективному применению органических удобрений (по зонам страны)./ Под ред. Н.З.Милащенко. M., 1991. - 215 с.

31. Васильев В.А., Швецов М.М. Применение бесподстилочного навоза для удобрений. -М., 1983.- 174 с.

32. Wood chips vs. straw for bedding. Canadian Cattlemen. / McAllister T.A., Larney F.J., Miller J.J., Yanke J., Walker I. // The Beef Magazine, 1998. Vol. 61(10A). -P.28-30.

33. Larney F.J. Carbon, Nitrogen and Phosphorus dynamics during composting of beef cattle feedlot manure. Agriculture and Agri-Food Canada, Research Centre, Lethbridge, Alberta, 2003. - P.67-75.

34. Лысенко В. Птицефабрики России поставщики эффективных экологически чистых органических удобрений. // Международный сельскохозяйственный журнал, 2002. № 3. - С.15-18.

35. Базин Е.Т. Торф и торфяные месторождения: проблемы изучения, осушения, добычи, переработки, комплексного использования, ресурсосбережения и экологии. СПб., 1993.- 85 с.

36. Химия и химическая технология. М.: Недра, 1976. - 35 с.

37. Лиштван И.И., Базин Е.Т., Косов В.И. Физические процессы в торфяных залежах Минск: Наука и техника, 1989. - 287 с.

38. Прянишников Д.Н. Избранные произведения // Агрохимия. М.: Колос, 1965. Т.1. 767 с.

39. Авдонин Н.С. Агрохимия. М.:Агропромиздат, 1982. - 344 с.

40. Наумова Г.В. Торф в биотехнологии. // Мн.: Наука и техника, 1987. 258 с.

41. Флаховский. Г. Использование гранулированной соломы в кормлении животных. М: Колос, 1979. - 205 с.

42. Эрнст Л.К., Науменко З.М., Ладинская С.И. Кормовые продукты из отходов леса. М.: Лесная промышленность, 1982. - 168 с.

43. Мушинский А.С., Быкова И.А. Применение пивной дробины в качестве компонента субстрата для выращивания базидального гриба вешенка обыкновенная. // Вестник ОГУ, 2002. №3. С. 100-103.

44. Рабинович Г.Ю. Биоконверсия органического сырья: Дисс. . докт. биол. наук. Тверь. 2000. 406 с.

45. Bahman Eghball. Composting Manure and Other Organic Residues. // Waste Management, 1997. Vol. 8. - P. 180.

46. Atchey S.H., Clark J.B. Variability of Temperature, pH, and Moisture in an Aerobic Composting Process. // Appl. and Environ. Microbiology, 1979. P. 1040-1044.

47. The composting process. British Columbia, Ministry of Agriculture and Food. Fact-sheet № 382.500-3, 1996.

48. Evaluation and demonstration of composting as an option for dead animal management in Saskatchewan. / Fonstad T.A., Meier D.E., Ingram L.J., et.al. // Canadian Biosystems Engineering/Le génie des biosystèmes au Canada, 1998. Vol.45. - P. 619-625.

49. Работнова И.Л., Позмогова И.Н. Хемостатное культивирование и ингибирова-ние роста микроорганизмов. М.гНаука, 1979. - 207 с.

50. Haug R.T. The Practical Handbook of Compost Engineering. Boca Raton: Lewis Publishers, 1993.-717 p.

51. Yang H.H., Effland M.J., Kirk Т.К. Factors influencing fungal degradation of lignin in a representative lignocellulosic, thermomechanical pulp. // Biotechnology and Bioengineering, 1980. Vol. 22(1). - P.65-77.

52. Ion exchange resin: a model support for solid state growth fermentation of Aspergillus niger. / Auria R., Hernandez S., Raimbault M. et.al. // Biotechnology Techniques, 1990.-Vol. 4. P.391-396.

53. Heat transfer simulation in solid substrate fermentation. / Saucedo-Castañeda G., Gutierrez-Rojas M., Bacquet G., Raimbault M., et.al. // Biotechnology and Bioengineering, 1990. Vol.35. - P.802-808.

54. Л.В.Насимова, А.Я.Класс, Т.В.Пичугина. Влияние соотношения исходных компонентов на процесс компостирования. Торф в сельском хозяйстве. ВНИЦ Сельхозторф. Томск, 1990. - С.63-71.

55. Микробиология и биохимия разложения растительных материалов / Отв. ред. Г.К. Скрябин, E.JI. Головлев, А.А. Клесов. М.: Наука, 1983. - 332 с.

56. Карманов А.П. Лигнин: структурная организация и самоорганизация. // Химия растительного сырья, 1999. №3. - С.65-74.

57. Kirk Т.К., Farrell R.L. Enzymatic "combustion": the microbial degradation of lignin. //Annu. Rev. Microbiol., 1987. Vol.41. - P.465-505.

58. Crawford D.L. The role of actinomycetes in the decomposition of lignocellulose. // FEMS Symp., 1986. Vol.34. - P.715-728.

59. Van Soest P J. The Nutritional Ecology of the Ruminant: 2nd edition. NY: Cornell University Press, 1994. - 476 p.

60. Lynch J.M., Wood D.A. Controlled microbial degradation of lignocellulose: the basis for existing and novel approaches to composting. // Composting of Agricultural and Other Wastes, 1985. -P.183-193.

61. Hammouda G.H., Adams W.A. The decomposition, humification and fate of nitrogen during the composting of some plant residues. / Compost: Production, Quality and Use, 1989. P.245-253.

62. Elsevier Applied Science. / M. De Bertoldi, M. P. Ferranti, P. L'Hermite, and F. Zuc-coni (eds.). London. - 853 p.

63. Bioremediation of olive-mill wastewaters by composting. / Tomati U., Galli E., Pa-setti L., Volterra E. // Waste Management and Research, 1995. Vol.13. - P.509-518.

64. Howarth W.R., Elliott L.F., Churchill D.B. Mechanisms regulating composting of high carbon to nitrogen ratio grass straw. // Compost Science and Utilization, 1995. -Vol.3(3). P.22-30.

65. Process considerations in the enzymatic hydrolysis of biomass. / Ladisch M.R., Lin K.W., Voloch M., Tsao G.T. // Enzyme Microb. Technol., 1983. Vol. 5(2). - P.82-102.

66. Grethelin H.E. The effect of pore size distribution on the rate of enzymatic hydrolysis of cellulosic substrates. // BioTechnology, 1985. Vol. 3. - P. 155-160.

67. Enhanced degradation of ammonium-pretreated wheat straw by lignocellulolytic Streptomyces sp. / Basaglia M., Concheri G., Cardinali S., Pasti-Grigsby M.B., M.P. Nuti. // Canadian Journal of Micorbiology, 1992. Vol. 38 (10). - P.1022-1025.

68. Effects of fungal pretreatment and steam explosion pretreatment on enzymatic sac-charification of plant biomass. / Sawada Т., Nakamura Y., Kobayashi F., Kuwahara M., Watanabe T. // Biotechnology and Bioengineering, 1995. Vol. 48. - P.719-724.

69. Heat Treatment of Refuse for Increasing Anaerobic Biodegradability: Final Report. ERDA/NST/7940-7612. / Gossett J.M., Healy J.B., Owen W.F., Stuckey D.C., et.al. // National Technical Information Service, Springfield, VA, 1976. P.32.

70. Predicting methane fermentation biodegradability. / Chandler J.A., Jewell W.J., Gossett J.M., Van Soest P.J., Robertson J.B. // Biotechnology and Bioengineering Symposium, 1980, № 10.- P.93-107.

71. Estimating net energy of lactation from components of cell solubles and cell walls. / Conrad H.R., Weiss W.P., Odwongo W.O., Shockey W.L. // J. Dairy Sci., 1984. -Vol.67. P.427-436.

72. Lynch J. M. Lignocellulolysis in Composts. NY: Elsevier Applied Science, 1987. -853 p.

73. Nodvin S. C. Effects of distrubance on decomposition processes and on sulfur cycling in the northern hardwood forest. Cornell University / Ph.D. Thesis, 1983. - 387 p.

74. Miller F.C. Matric water potential as an ecological determinant in compost, a substrate dense system. // Microbial Ecology, 1989. Vol. 18 (1). - P.59-71.

75. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. М.: Мир, 1989. - 682 с.

76. Shuler M.L. Utilization of farm waste for food. In Utilization and Recycle of Agricultural Wastes and Residues. Boca Raton, FL: CRC Press, Inc., 1980. - P.67-133.

77. Poincelot R. P. The Biochemistry and Methodology of Composting: Bulletin 754. -Connecticut Agricultural Experiment Station, New Haven., 1975. P. 1-17.

78. A new composting model and assessment of optimum operation for effective drying of composting material. / Nakasaki K., Kato J., Akiyama Т., Kubota H. // Journal of Fermentation Technology, 1987. Vol. 65. - P.441-447.

79. The role of periodic agitation and water addition in managing moisture limitations during high-solids aerobic decomposition. / Walker L. P., Nock T. D., Gossett J. M., VanderGheynst J. S. // Process Biochemistry, 1999. Vol. 34. - P.601-612.

80. Калнениекс У.З. Стратегия регуляции внутриклеточных рН у бактерий / Микробная конверсия: Фундаментальные и прикладные аспекты: Сб. научн. тр. -Рига: Зинатне, 1990. 158 с.

81. Березин И.В., Варфоломеев С.Д. Биокинетика. М.: Наука, 1979. - 310 с.

82. The composting process. British Columbia, Ministry of Agriculture and Food. Fact-sheet № 382.500-2, 1996.

83. Gray K.R., Sherman K. // Public Cleaning, 1970. Vol. 60 (7). - P.343-354. 93.1ntra-particle oxygen diffusion limitation in solid-state fermentation. / Oostra J., le

84. Comte E.P., van den Heuvel J.C., et.al. // Biotech Bioeng, 2001. Vol. 74. - P. 13-24.

85. Cooperband L.R. Composting: Art and Science of Organic Waste Conversion to a Valuable Soil Resource. // Laboratory Medicine, 2000. Vol. 31. - P.283-290.

86. The influence of temperature on kinetics in solid-state fermentation. / Smits J.P., Rinzema A., Tramper J., et.al. // Enzyme and Microbial Technology, 1998. Vol. 22.- P.50-57.

87. Блинов Н.П. Основы биотехнологии. СПб: Наука, 1995. - 600 с.

88. Choi, H.L., T.L. Richard and Н.Т. Kim. Composting High Moisture Materials: Bio-drying Poultry Manure in a Sequentially Fed Reactor. Korean J. of Anim. Sci., 1996.- 38(6). P.649-658.

89. Попова Т.Е. Развитие биотехнологии в СССР. М.: Наука, 1988. - 200 с.

90. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика. Практический курс. М: ФАИР-ПРЕСС, 1999. 720 с.

91. Работнова И.Л. Значение знаний о физиологическом состоянии популяции для управляемого культивирования // Тез. докл. IV Всесоюзн. конф. «Управляемое культивирование микроорганизмов», 1986. С. 1-4.

92. Koenig A. The Self-Heating Test: A simple method to Determine bioilogical stability of Dewatered Dig. Sewage Sludge // 6th IAWQ Asia-Pacific Regional Conference, 1997, Seoul, Korea. Vol.1. - P.544-551.

93. Lemus G.R., Lau A.K. Biodégradation of lipidic compounds in synthetic food wastes during composting. / Canadian Biosystems Engineering, 2002. V.44 (6). -P.33-39.

94. Березин И.В., Варфоломеев С.Д. Биокинетика. M.: Наука, 1979. - 310 с.

95. Современные проблемы биокинетики / Под ред. С.Д. Варфоломеева. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1987. - 256 с.

96. Варфоломеев С.Д., Калюжный C.B. Биотехнология: Кинетические основы микробиологических процессов. М.: Высшая школа, 1990.- 296 с.

97. Теория и практика непрерывного культивирования микроорганизмов / Под ред. И.Л.Работновой. М: Наука, 1980. - 220 с.

98. Печуркин Н.С., Терсков И.А. Анализ кинетики роста и эволюции микробных популяций. Новосибирск: Наука, 1975. - 215 с.

99. Арзамасцев А.А., Андреев А.А. Математические модели кинетики микробного синтеза: возможности использования и новые подходы к разработке // Вестн. Тамб. ун-та, №1, 2000. С.11-130.

100. Патент РФ № 2151133 Способ биоконверсии органических отходов в кормовую добавку и удобрение / Ковалев Н.Г., Рабинович Г.Ю., Степанок В.В., и др.

101. Патент РФ № 2126779 Способ получения кормовых добавок и удобрений из органических отходов / Ковалев Н.Г., Рабинович Г.Ю., Сульман Э.М. и др.

102. Анализаторы кислорода промышленные многофункциональные АКПМ-01. Руководство по эксплуатации НЖЮК 941429.000-02 РЭ / Москва, 2002, 58 с.

103. Composting of straw-bedded and wood chip-bedded beef cattle feedlot manure. / Larney FJ, Olson AF, Miller JJ, Leonard JJ, et.al. In Proceedings of 10th Annual National Composting Conference, Edmonton, 2000.

104. CRC handbook of chemistry and physics. / Edmonton A.B., Weast R.C. et. al. -CRC Press, Boca Raton, Florida, 1990.

105. Stryer L. Biochemistry (4th edition) W. H. Freeman and Co., 1995. - 757 p.

106. Tabatabai L.M. Soil enzymes. In Methods of soil analysis. Part 2. Microbiological and biochemical properties. SSSA Book Series №5 Madison, WI, 1994.

107. Дергачёва М.И. Система гумусовых веществ почв (пространственные и временные аспекты). Новосибирск: Наука, 1989. - 110 с.

108. Evolutionary patterns in auxin action. / Todd J. Cooké, et.al. // Plant Molecular Biology, 2002. Vol. 49. - P.319-338.

109. Nonhebel H.M., Cooney T.P., Simpson R. The route control and compartmenta-tion of auxin synthesis. // Aust. J. Plant Physiol., 1993. Vol. 20. - P.527-539.

110. Овчаров K.E. Физиологические основы всхожести семян M.: Наука, 1969. — 280 с.

111. Мецлер Д. Биохимия. М.: Мир, 1980. Т. 1-3.

112. Готтшалк Г. Метаболизм бактерий / Пер. с англ. М.: Мир, 1982. 310 с.

113. Звягинцев Д.Г., Зенова Г.М. Экология актиномицетов. М.: ГЕОС, 2001. -256 с.

114. Емельянов C.B., Ларичев О.И. Многокритериальные методы принятия решений. М.: Знание, 1985.

115. Молчанов В.П. Исследование влияния солей аскорбиновой кислоты на кинетику накопления аминокислот: Дис. . канд. хим. наук Тверь, 2003. - 133 с.

116. Hamelers H.V. A mathematical model for composting kinetics: Doctoral Thesis. -Wageningen University, Wageningen, 2001.

117. Biodegradative analysis of municipal solid waste in laboratory-scale landfills. / Bralaz M.A., Eleazer W.E., Odle W.S., et.al. // North Carolina State University, Raleigh, NC 27695-7908, 1997. 6 p.

118. Biodégradation of radiolabeled lignin (14C-DHP) and mechanical pulp in compost environment. / Tuomela M., Hatakka A., Raiskila S., Vikman M., Itavaara M. // Appl. Microbiol. Biotechnol, 2001. Vol.55. -P.492-499.

119. Quazi H. Ban, Albert Koenig, Tao Guihe. Kinetic analysis of forced aeration composting // Waste manag. res., 2000. -Vol.18. P.303-312.

120. Tollner E.W., Smith J., Das K.C. Development and preliminary validation of a compost process simulation model // Biol, and Agr. Engineering Dept. Driftmier. Engineering Center University of Georgia, 2002. P. 218-228.

121. Schulze K.L. Rate of oxygen consumption and respiratory quotients during the aerobic decomposition of synthetic garbage // Compost science, 1960. Vol. 1. -P.36-40.

122. Bach P.D., Shoda M., Kubota H. Composting reaction rate of sewage sludge in an autotermal packed bed reactor // Journal of fermentation technology, 1985. Vol.63 (3).-P.271-278.

123. A modified air pycnometer for compost air volume and density determination. / Agnew J.M., Leonard J.J., Feddes J, Feng Y. // Canadian Biosystems Engineering/Le genie des biosystemes au Canada, 2000. Vol. 45 (6). - P.27-35.

124. Kayhanian M., Tchobanoglous G. Innovative two-stage process for the recovery of energy and compost from the organic fraction of municipal solid waste (MSW) // Water science and technology, 1993. Vol.27 (2). - P.133-143.

125. Киперман C.JI. Введение в кинетику гетерогенных каталитических реакций. -М: Шут, 1964.-608 с.

Физико-химические закономерности процесса аэробной твердофазной ферментации субстратов различной природы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ