Совершенствование аэробной твердофазной ферментации органического сырья путем оптимизации технологических параметров производственного процесса тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На праьах рукописи

Рабинович Роман Михайлович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АЭРОБНОЙ ТВЕРДОФАЗНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА

Специальность 05.20.01 -Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-Павловск - 2006

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственного использования мелиорированных земель

(ВНИИМЗ)

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор, академик РАСХН Ковалев Николай Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Афанасьев Вячеслав Николаевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Яблочков Владимир Иванович

Ведущая организация Всероссийский научно-исследователь-

ский институт сельскохозяйственной микробиологии Россельхозакадемии (ВНИИСХМ)

Защита состоится « 6 » апреля 2006 г. в _9_ часов на заседании диссертационного совета К 006.054.01 в Северо-Западном научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства по адресу: 196625, Санкт-Петербург-Павловск, п/о Тярлево, Фильтровское шоссе, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СЗНИИМЭСХ.

Автореферат разослан « » 2006 г.

Ученый секретарь / >> > |

диссертационного совета (ЧерейН.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и общая характеристика работы. На сегодняшний день не существует отходов, которые нельзя было бы переработать тем или иным способом. Правда при этом велики расходы энергии и себестоимость единицы массы переработанных отходов. Именно это сдерживает применение традиционных способов переработки и одновременно стимулирует разрабопу новых экологически и экономически эффекта вн ых технологий.

К так называемым технологиям «нового по юления» следует отнести биотехнологические споообы утилизации отходов. Продукты, получаемые биотехнологическими способами, выгодно отличаются от традиционных химических тем, что сьрьем для их получения служат возобновляемые материалы животного и растительною происхождения, а также отходы различных производств.

Большая часть биотехнологий представлена различного рода ферментационными процессами. Занимаясь их разработкам, исследователи руководствуются следующими основными соображениями: получаемые продукты не должны представлять опасности дл я о фу жающей среды, а их себестоимость должна быть возможно ниже.

Фактически, создание и отладка новой технологии сводятся к поиску оптимальных величин параметров технологического процесса. Решать задачи такого рода позволяет математическое моделирование, в связи с тем, что лишь с использованием математической модели возмо«необъективная оцен ка ход а процесса н а любо м этап е.

Среди многочисленных технологий биопереработки органического сырья, (анаэробное и аэробное юмпостарование, анаэробное сбраживание, гидролиз с последующим вьращиванием кормовых дрожжей и др.), наиболее активно разрабатываемых на базе н^чно-исследовательских институтов РАСХН (ВНИПТИОУ, ВНИПТИХИМ, ВНИИСХМ, СЗНИИМЭСХ и др.), одной из наиболее перспективных является технология аэробной твердофазной ферментации навоза и помета с углерод содержащими материалами растительного происхождения (торф, опилки, солома и др.), в основу юторой положено воздействие на ферментируемую массу воздуха, подаваемого извне компрессором. Регуляция процесса осуществляется варьированием физию-химических и биохимических параметров, что приводит к активации микрофлоры, присущей трансформируемым субстратам, и ее ферментного аппарата.

В 1987-2000 гг. ю Всероссийсюм НИИ сельскохозяйственного использования мелиорированных земель (ВНИИМЗ) проводились фундаментальные и прикладные исследования, направленные на изучение биологических аспектов аэробной твердофазной ферментации и разработсу технологии получагая высокоэффективных, экологически чистых удобрений. Фундаментальные исследования были проведены при тесном сотрудниче-

РОС. НАЦИОНАЛЬНА* £иСЛиПТРКД

стве с кафедрой биотехнологии и химии Тверского государственною технического университета (ТГТУ).

В то же время, в этой области оставался нерешенным ряд проблем. Среди них недостаточно проработанным оказался вопрос использования в качестве компонентов смесей для ферментации различных углеродсодер-жащих отходов сельскохозяйственного производства, пищевой и дерево-перерабатывающей промышленности. Кроме того, должное внимание не уделялось и поис^ математических зависимостей параметров ферментации от составаи свойств исходных смесей.

Цель работы. Поиск путей оптимизации аэробной твердофазной ферментации на основании результатов комплексного мониторинга процесса с учетом новых технологических решений и в зависимости от природы и количеств угперодсодержащих субстратов в составе исходных смесей.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: 1. разработка полезной модели устройства (ферментера) для приготовления удобрений (био компоста в) и усовершенствование усгройства пробоподготовки для используемого в процессе ферментации анализатора кислорода Выявление оптимальных параметров и режимов работы ферментера, обеспечивающих благоприятное течение процесса ферментации; 2. комплексное исследование базового процесса аэробной твердофазной ферментации и процессов при использовании различных количеств угле-родоодержащих субстратов - ранее наиболее активно применяемых в аналогичных процессах (опилки) и впервые предлагаемых к использованию в таком качестве (пивная дробина,льняная юстра);3. выявление связей между величинами, характеризующими течение исследуемых процессов; 4. разработка кинетической модели процесса ферментации, позволяющей оценить степень биодеградации органической фракции ферментируемых смесей, с целью его дальнейшей оптимизации для получения удобрений с заданными свойствами; 5. сравнительная оценка эюлого-эюномичесюй эффективности производства и применения удобрений, получаемых по базовой технологии и при использовании углерод содержащих субстратов.

Научная новизна работы и практическая значимость. Разработана полезная модель установки для экспрессного приготовления биокомпо-стов. Усовершенствован анализатор кислорода посредством устройства пробоподготовки и получен патент на полезную модель.

Проведен экспресс-анализ базового процесса ферментации и доказана целесообразность гО-се^ндной продувки ферментируемой смеси через каждые 10 минут. 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 благоприят-

ным течением процесса, способствующим формированию кда ест венных продуктов.

Впервые в процессе аэробной твердофазной ферментации использованы 2 вида нетрадиционных углеродсодержащих субстратов - отходы сельского хозяйства (льняная костра) и пивоваренной промышленности (пивная дробина). Выявлены благо приятные уровни нэнцентраций пивной дробины(5-15%) и льняной костры (5-10%) на течение процессов ферментации, их интенсивность и направленность.

Построена кинетическая модель, характеризующая развитое цеплю-лоээразрушающих аэробов на нанальной стадии процесса ферментации в зависимости от состава л и гноцел люлозно го комплекса ферментируемых субстратов, позволившая выявить пределы их концентраций, оказывающие позитивное влияние на развитие указанной группы микроорганизмов и их деградабельную способность.

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

Выявлены оптимальные параметры и режимы работы ферментера, предложены подходы к расчету со стаю в исходных смесей для получения удобрений с заданными свойствами.

Технологические приемы, прея ставленные в диссертационной работе, могут использоваться сельсиэхозяйственными предприятиями различных форм собственности, обладающими разнообразной сьфьевой базой, практически ю всех регионах РФ и в настоящее время применяются при реализации процессов аэробной твердофазной ферментации на лабораторном, полупроизводственном и производственном у ро вн ях во ВНИИМЗ.

Полученные данные и сделанные выводы использованы во ВНИИМЗ при выполнении Программы прикладных и фундаментальных исследований Россельхозакадемии в 2001-2005 гг.: 12Л5Х)5 «Разработать научные основы и технологии получения новых годов и форм органических удобрений, мелиорантов и нэрмовых добавок на основе биоферментации разнообразного растительного сьрья, органических отходов и природных аг-роруд», а также проектов научных отраслевых программ Министерства образования и науки РФ, реализованных в ТГТУ: «Оэздание научных основ биосорбции и биодеструкции органических отходою> (профамма«Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям нау ш и техники»), «Разработка технологии получения и использования биологически активных веществ - регуляторов биотехнологических процессов переработки сельскохозяйственного сьрья» (программа «Научные исследования высшей шнолыпо приоритетным направлениямн^ки и техники»).

Материалы диссертации могут оказаться полезными при подготовке курсов по математическому моделированию в сельскохозяйственной биотехнологии и других смежных дисциплинах.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на Международной конференции молодьк ученых «От фундаментальной н^ки к новым технологиям» (Тверь, 2001), Международной на-учно-практичесмэй конференции «Использование органических удобрений и биоресурсов в соч>еменном земледелии» (Владимир, 2002), Всероссийской заочной конференции «Перспективы развития Волжского региона» (Тверь, 2003), Международной научно-праюичесюй юнференции «Высокие технологии добьни, пгубоюй переработки и использования озерно-болотных отложений» (Томск, 2003), 11-ом Международном Конгрессе «Моле^лфные 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 конффенции «Научные проблемы устойчивого развития Тверской области: экономика, экология, социология» (Тверь, 2003), Межрегиональной конференции «Производство продовольствия и вода» (Москва, 2004), Всероссийской конффенции молодых ученых «Энергию молодых - мелиорации» (Москва, 2004), Международной научно-практичесиэй юнференции «Н^чно-производственное обеспечение развития сельского социума» (Астрахань, 2005).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, получены патенты РФ на полезные модели №39599, № 38396 и патент РФ на изобретение № 2249581.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, содержит 151 страницу печатного текста, 29 рису ню в, 26 таблиц в основном тексте и 8 в приложениях. В списке литературы 139 наименований, в том числе 79 на иностранном языке.

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 биоюнверсии. Дано описание физию-химических и биохимических свойств органического сьрья (торф) и гфупнотоннажных отходов сельскохозяйственной (навоз, помет, льняная костра), пивоваренной (пивная дробина) и деревообрабатывающей (древесные опилки) промышленности, показана перспективность утилизации этих субстратов путем аэробной твердофазной ферментации. Охфактери-зованы основные параметры, оказывающие влияние на ход ферментации. Представлены физико-химические подходы к моделированию процессов

б ко юн вер сии и обоснована необходимость разработки моделей аэробной твердофазной ферментации, учитывающих различные виды гетерогенно-стей ферментируемых смесей.

Показано, что технология аэробной твердофазной ферментации на производственном уровне реализуется при использовании специальных камер-ферментеров.

Во второй главе «Объекты и методы исследований» приводятся схемы лабораторной и полу производственной установок для проведения аэробной твердофазной ферментации и накопления экспериментального материала, достаточного для статистичесюго анализа, изложены методика приготовления смесей и правила отбора образцов, рассмотрены физию-химические, биохимические и микробиологические методы анализа ферментируемых смесей.

В третьей главе «Комплексное исследование процессов аэробной твердофазной ферментации» пригодятся результаты комплексных исследований процесса ферментации на полу производственной установке, состоящей из 4-х одинаювых бункеров с рабочим объемом 0,5 м3 каждый. Ферментируемые смеси составлялись на основе торфо (50%) - навозно (35%) - пометой (15%) смеси сравнения (базовый опыт), в состав мэторой вводили органические субстраты различной природы (пивная дробина, льняная юстра, древесные опилки) в количестве 5, 10, 15 и 20%, замещающие соответствующее количество торфа.

Экспериментам на полу производственном ферментере предшествовали модельные эксперименты по выявлению оптимального режима аэрации ферментируемых смесей. При этом на лабораторной установке с рабочим объемом 1,75 дм3 ферментировались торфо-навозно-пометные смеси, указанного выше состава, а имитация их саморазогрева, характерного для полу производствен но го ферментера, достигалась посредством термостати-рования л еборагорной 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 реяимабыло характерно снижение содержания кислорода в смеси в термофильньй период до 810%, что согласуется с 5-12%-ным интервалом, реюмендованным для процессов таюто рода.

Во всех опытах наблюдалось первичное увеличшие температуры смесей с ее последующим монотонным сжижением, однако длительность термофильных периодов (ТЕЯМПМЕ), когда величина температуры смесей превышала 45°С, а также непосредственно величины юэффициентов разогрева смесей (ТМАХ - отношение максимальной достигаемой температуры ктемп ер ату ре окружающей среды) и юэффициентов их остывания (ТМГЫ - отношение температуры окружающей среды к темпералуре продуктов ферментации), были различны (рис. 1).

Рис.1 Коэффициенты разогрева и остывания смесей и длительность термофильного периода Примечание: 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 мифоорганизмов, активизирующихся в термофильную фазу. Наряду с быстрым увеличением температуры для опытов с 15 и 20% льняной мэстрыи 5-20% древесных опилок отмечено сокращение длительности термофильного периода по сравнению с базовым процессом, что указывает на инги-бирующий эффект избытка лигноцеплюлозных 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 (ОХБШ - отношение содержания кислорода в юздухе к содержанию кислорода в смеси к юнцу процесса), а также длительность периода (М1НОХШ), в течение которого содержание кислорода в смеси не выходило за границы 5-12%-ного интервала.

Отмечено, что по сравнению с базовым опытом наилучшим поглощением кислорода микрофлорой хфактериэо вались все опыты с пивной дробиной, а также опыты с 5% льняной юслры и 5% древесных опилок. Очевидно, что существование значимого отрицательного коэффициента корреляции (Иср ~ -034) между величинами температуры смеси и объемной концентрации кислорода, свидетельствующего об антабатности дина-

мики этих физию-химических пфаметров, может быть использовано при оценке скорости потребления кислорода микрофлорой на основании температурных изменений, и наоборот.

Рис. 2 Коэффициенты поглощения кислородаи длительность периода5-12%-го содержания киспорода(обознжения, какнарис. 1)

59

61

40

12 *

ю о 1П

« ё 5 ё ё

з ш

о сч

Ё?

55

54

46

39

44

О ю ЬС 5С

# 8

Условия опытов

30

23

ЗГ

ю я

О о

с. с. а |

Рис.3 Накопление общего у пгсфод а гумусовых кислот (обозниения, какнарис. 1)

Показано, что в ходе ферментации наблюдается активная трансформация трудно гидролизу емых высо ко мо л еьу л ф н ых веществ - клетчатки и жиров. Выявлено, что степень конвфсии высоюмоле1улярных органиче-

ских соединений зависит от длительности термофильной фазы, проявляясь наилучшим образом в опытах с 10-15% пивной дробины.

Высокий удобрительньй потенциал продуктов ферментации формировался при преимущественном накоплении гу му со подобных соединений независимо от типа и количеств используемого субстрата (рис. 3). Максимальное накопление гу му соподобных соединений в ходе ферментации, в том числе, доступных для растений фульвокислот, наблюдали в опытах с пивной дробиной (5-15%); достаточно высокое, ооразмеримое с базовым опытом, - в опытах с льняной кострой (5-10%) и древесными опилками (5%). Продукты ферментации, полученные в этих опытах, обладают согласно «конденсационной» теории (фульвокислоты —> гуминовые кислоты и гумины) пролонгированными удобрительными свойствами.

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

Поскольку в ходе ферментации происходит активная трансформация уплеродсодержащих соединений, среди которых главенствующее положение занимают вещества лигноцеллюлозной природы; оказывается целесообразной оценка первичного развития аэробных целлюлоэолитических микроорганизмов, как мезофильной, так и термофильной групп.

Как показали результаты экспериментов, в течение 3-х суток ферментации наблюдается экспоненциальный рост численности целлюлоэолитических микроорганизмов ю всех опытах, поэтому подходящей х ар актер и-стинэй для сравнения развития популяций этих микроорганизмов может стать удельная снэрость роста, связывающая скорость изменения числа клеток в системе с их текущей концентрацией в соответствии с дифференциальным уравнением:

сШ

-л'*' (1)

где ц - удельная скорость роста, сут"1;

г- времяотнаналапроцесса,сут;

И - концентрация мифобных клеток, ылиЛ.

Сравнение величин удельных скоростей роста целлюлоэолитичесиэй микрофлоры, полученных интегрированием уравнения (1) и последующей линеаризацией опытных сведений в координатах 1п(Г4)=1(1:), позволило выявить пределы концентраций исследуемых субстратов (пивной дробины, льняной юстры, древесных опилок), оказывающих позитивное влияние на развитие целлюлоэолитических аэробов и их деградабельную способность.

Однако использование указанной модели не дает целостного представления о ходе ферментации, поэтому предлагается прогнозная кинете-

ческая 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 оценюй готовности и качества получаемой продукции (биоюмпоста). Согласно допущению о неизменности массы минеральной фракции ферментируемых смесей в течение всего процесса ферментации получаем уравнение для скорости биодеградации органической фракции, аналогичноеуравнению химической кинетики:

dt 4 '

где г - сюрость биодеградации, кг*сут"'; t- время, сут; к - константа скорости биодеградации; BVS - масса органичесюй фракции в момент времени t, kt;N - порядок реакции.

В ряде зарубежных работ показана возможность использования уравнений нулевого, первого и второго пор яд ж в, однако мы считаем научно обоснованным применение уравнений нулевого и первого порядно в (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 бытьполучено из соотношения:

- 1440* Yl^JÜ. * fot ^ -а02.^> (3)

VU0L 100

где а се,¡¡ход и ааг.выход - объемное содержание кислорода в окружающей среде (-21%) и в ферментируемой смеси перед очередной продувюй соответственно, VM0L - молярный объем газов (22,4*103 м3/моль), Мое -мольная масса кислорода(0,032 кг/моль), 9 - интервал между продувками (10 мин), 1440 - коэффициент пересчета в сутки, - объем, заполняемьй воздухом после каждой из продувок, м3 и вычисляемый на основании регрессионного уравнения для изменяющихся пористости и порозности смесей (FAS./J.

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

ХПК = / &BVStKn, (4)

где тколичество поглощенного за 7 суток ферментации кислорода - из формулы (3), ДВКУ(АГ) - масса деградировавшей органичесюй фракции.

Фактически, рассматриваемый показатель ХПК- это аналог широко используемого химиками показателя химического потребления кислорода, являющегося однознанной характеристикой того или иного органического вещества. Найденные согласно уравнению (4) величины ХПК органической фракции варьировали в пределах 1,46-1 ¿53 кг/кг. В то же время ХПК субстрата на основе пищевых отходов, состава QgH^OioN, составлял 134 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 (г"'),разделив m(¿¡ наХПК.

Согласно (2) рассчитаем юнстанты скоростей для моделей реакций 0-го и 1-го порадюв:

нулевой порядок: к0) = г(", (5)

Единицы измерения констант скорости биодеградации следующие:

- к (нулевой порздоф - кг*сут

- к'(первыйпорядок)- 1*<ут1.

Известно, что с ростом температуры (до уровней, при которых денатурирует большинство известных ферментов) увеличивается и способность микроорганизмов к осуществлению биотрансформации. Радом авторов указывается на возможность использования классического уравнения Аррениуса, связывающего константу скорости с температурой ферментируемых смесей. Однаиэ прямое использование уравнения Аррениуса для аэробной твердофазной ферментации оказывается крайне затруднительным, по сю л ы^ окисление органической фракции кислородом воздуха относится к гетерогенным процессам и на фоне самораэогрева смесей, частицы которых обладают высоюпорисгой структурой с развитой внутренней поверхностью, невозможно однозначное толкование механизма биодеградации законами кинетики или диффузии. Вместе с тем, ввиду отсутствия других физию-химических зависимостей, приемлемо описывающих влияние температуры на скорость биодеградации, использование эмпирического уравнения (7), подобного уравнению Аррениуса с последующей линеаризацией опьтгаых сведений об изменении юнстант 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.

г(о

первый порядок к0) =-^7

(6)

к = Адс *е~ или 1п* = 1пЛда-Яя., (7)

где <3ЭИ) - федний энфгетический эквивалент субстрата, кДж/моль, характеризующий его способность к трансформации и включающий в себя обе составляющие: и диффузионную, и кинетическую;

Адк - средняя величина пред экспоненциально го множителя, характеризующая число реакционных центров и учитывающая офаничения, накладываемые диффузий} кислорода к повфхности частиц субстрата чфез водный спой.

На рис. 5 отображена типичная форма зависимостей в координатах В ходе моделирования были обнаружены следующие заюно-мерности. В базовом опыте и всех опытах с пивной дробиной лучшая линеаризация была отмечена при использовании модели реакции пфвого порядка (112=0 £-09); для большинства опытов с опилками и льняной кострой - преимущественно нулевого поряд ка(112=0,63-09)-

^fт, 1/к

Рис.4 Опред ел ение пар аметровуравнения (7) для опыта с использованием 5% пивной дробины

Установлено, что использование пивной дробины способствует снижению энфгетического эквивалента с 31 цЦж/моль (для базового опыта) до 19 кДж/моль. Возможной причиной этого, по-видимому, является способность пивной дробины о казывать каталитичесгое влияние на жизнедеятельность микрофлоры, осуществляющей биотрансформацию, а также

снижение содержания лигнина в составе исходных смесей. Соответствующее снижение величины предэкспоненциального множителя (Ащ) 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, постольку 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, близнэй к диффузионной. В этой связи для преодоления затруднений, вызванных диффузионными ограничениями, может быть рекомендовано предв^ительное высушивание 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 с31 кДж/мольдо 49 кДж/моль(для костры) и до 60 кДж/моль (для опилок), что свидетельствует о превалировании в составе указанных субстратов веществ лигноцеялюлозной природы, менее доступных для мифофлоры. Найденные величины энергетического эквивалента для этих опытов в терминах теории Аррениуса характерны для кинетической области (ЕА~50-200 кДж/моль). Предположение о смене механизма биодеградации подкрепляется увеличением предэкспо-ненциального множителя (Адк) с 104 в базовом опыте до 108-10 , 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%опилокпо сравнению с их использованием в количестве 5 и 10% может быть объяснено тем, что в условиях избытка лигноцеллюлозньк соединений льняная костра и опилки фактически перестают подвергаться деградации, о чем свидетельствует снижение общего количества трансформированной органики (АВУБ).

Верификация модели (рис. 5) проводилась путем сравнения прогнозных содержаний органической фракции (8,9), подвергающейся биодегра-дадии, 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 (Зэи>, 1/ГиАда.

Обе реакционные модели позволили достаточно точно прогнозировать изменение содержания органической фракции в ходе ферментации (рис. 5). 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 наследующих йодных параметр ах :ХП К,

исходная влажность, исходная зольность, исходная масса смеси, рабочий объем ферментера, величина средней температуры.

Время, сут

Нулевой порядок -е- Первый порядок -х- Опытные сведения

Рис. 5 Верификация модели (базовый опыт)

яга, = ВУБ0 - £ (к, * до = (для Д1=1 сут) (8)

я-0 яаО

УЧ /0ч

ВК5, = * е-' = ВК5-0 * <г • (для Дt=1 сут)

В пятой главе «Технологические расчеты, эюло го-экономическая оценка производства и применения продуктов твердофазной ферментации» обосновывается перспективность использования предлагаемой тех-нологичесюй линии, приводятся расчеты материального баланса производства и прогнозной себестоимости получаемых удобрений (с учетом приведенных затрат технологическэго процесса, в ценах 2005 г.), а также расчет эюлого-эюномичесюй эффективности производства и применения получаемых удобрений.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил предложить следующую принципиальную схему (рис. 6) переработки отходов животноводства и различного углерод содержащего сырья в удобрения.

В качестве объекта сравнения выбрано удобрение, получаемое в базовом опыте ферментацией торфо (50%) - навозно (35%) - пометной (15%) смеси.

Расчет приведенных затрат на производство удобрений представлен суммой эксплуатационных расходов и капитальных вложений, приведенных к одному уровню через нормативный коэффициент экономической эффективности:

П=ЭНС*Кн, (10)

где П - приведенные затраты на единицу про и зю детва продукции, руб./г;

Э- эксплуатационные затраты на единицу проду кции, руб Л;

К - удел ьные капитал ьные вло жения, руб Л;

Кн- нормативный коэффициент экономической эффективности.

Стадия 1 - погрузка и транспортировка исходных компонентов смесей (МТЗ-80, ПКУ-0 8) Стадия 2 - выгрузка компонентов смесей на площадку для смешивания (МТЗ-80 ПТС-4) Стадии 3-4 - дозированная погрузка компонентов в разбрасыватель органических удобрений и двукратная перебивка смеси (МТЗ-80 ПКУ-0,8, РОУ-6) Стадия 5 - загрузка ферментера и ферментация (МТЗ-80, ПКУ-0,8 ферментер) Стадия 6 - выгрузка биокомпоста, затаривание, передача на хранение (МТЗ-80, ПКУ-0 8, ПТС-4)

Рис.6 Принципиальная схема технология ее иэй линии переработки органических отходов животноводства и птицеводства в смеси с углерод содфжащи-ми материалами в удобрения и комплекс используемых машин

При производстве биоюмпосгов методом аэробной твердофазной ферментации в состав эксплуатационных затрат включается за^почная стоимость сьрья и отходов (торф, навоз, помет, пивная дробина, льняная мэстра, древесные опилки) в соответствии с их долей в 1 т той или иной исходной смеси. Кроме того,учитываются потфи массы ферментируемых смесей на всех стациях производственно го процесса.

Показано, что в ходе ферментации выход удобрения составляет ~ 60%относительно массы исходных смесей, а приведенные затраты на производство одной тонныудобрений ~ 250 руб.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что внесение в состав исходных смесей 5-15% пиеной дробины, 5-10% льняной костры и 5-10%

опилок (замещением соответствующего юличества торфа в смеси базою го опыта) способно не толыю улучшить качественные свойства получаемого удобрения, но и существенно удешевить его (табл. 1).

Таблица 1

Прогнозная себестоимость удобрений (в ценах 2005 г.)

Состав исходной смеси Себестоимость, рубУт

Т - 50%,Н - 35%, П- 15%(базовый) 718^1

Т - 45%,Н - 35%,П - 15%,ПД- 5% 6940

Т -40%,Н-35%,П — 15%,ПД- 10% 6530

Т -35%,Н-35%,П- 15%,ПД- 15% 6410

Т - 45%,Н - 35%,П - 15%, Ж- 5% 669а

Т -40%,Н-35%,П- 15%, Ж- 10% 633/)

Т -45%,Н-35%,П- 15%,0-5% 6550

Т - 40%, Н - 35%, П - 15%, О - 10% 584,5

Примечание: Т - торф.Н - навоз, П - помет, ПД- пивная дробина, Ж-льняная костра, О-древесные опилки

Суммарная эколого-экономическая эффективность от использования 1 т органических удобрений определяется не только чистым доходом от прибавки урожая, но и величиной предотвращенного экологического ущфбаи вьражается как:

эФ = </д+э5, (11)

где Эф - эколото-экономическая эффективность, руб.Лг;

Чд- чистый доход от прибавки урожая, руб/г;

Э^ - величина предотвращенного экологического ущерба, рубЛ.

Чистый доход (Чд) определяется по формуле:

Чд=Сп-Е, (12)

где Сп - стоимость прибавки урожая, руб.;

Е- затраты на получение прибавки отудобрений,руб.

Стоимость прибавки урожая (Сп), полученной за счет применения органических удобрений,определяется по равенству:

Сп=Уп*Ц, (13)

гдеСп- стоимость прибавки урожая, руб.;

Уп - прибавка урожая от удобрения (на 1 т удобрения), кг, определяющаяся по данным полевых опытов научно-исследовательских учреждений или по усредненным нормативам;

Ц - цена за 1 кг прибавки урожая в ценах реализации, руб.

В том случае, если прибавка урожая выражена в зерновых единицах (з.е.),то1 кг з.е. равен стоимости 1 кг пшеницы(4 руб.).

Предотвращенньй экологический ущерб (Э") земельным ресурсам представляет собой оцен1у в денежной форме компенсации потерь гумуса и элементов минерального питания в расчете на 1 ттого или иного удобрения.

Оценка в денежной форме компенсации потерь гумуса может быть определена по следующей схеме:

Э^СУЮв'К^Ь^Ов'Кг, (14)

где Ээ - стоимость компенсации потерь гумуса, руб./г;

О- - стоимость гул^са, рубУкг;

Ов- содержание органического вещества в удобрении, кгЛ;

Кг - коэффициент гумификации данного вида удобрения (для продуктов аэробной твердофазной ферментации принят равным 0,43);

Епн - аэв01упные затраты на производство и использование стандартного подстилочного (75% влажности) навоза, равные 178 рубЛ;

80 - количество гумуса, образуемого в результате гумификации органического вещества 1 т подстилочного навоза, кг.

Оценка в денежной форме компенсации выноса элементов минерального питания (ЫРК) может быть определена как:

Эдак =С1*ТС+С2*Р+Сз*К, (15)

где Э"тк- стоимость компенсации потерь элементов минерального питания, ру б Л;

Сь Сг, Сз - стоимость 1 кг азота, фосфора и калия минеральных удобрений по оптовым ценам,руб;

Ы, Р, К - содержание азота, фосфора и калия в 1 т органических удобрений, кг.

Таблица 2

Эколого-эюномическая эффективность производства и применения

продуктов твердофазной ферментации

Состав исходной смеси Эколого-эюномическая эффективность, рубУт

Т - 50%,Н - 35%, П - 15% (базовый) 763,0

Т - 45%,Н - 35%,П- 15%,ПД- 5% 903})

Т - 40%,Н - 35%,П- 15%,ПД— 10% 11060

Т - 35%,Н - 35%,П- 15%,ПД— 15% 11710

Т - 45 %, Н - 35%, П - 15%, Ж - 5% 8610

Т -40%,Н -35%,П- 15%, Ж- 10% 7710

Т -45%,Н -35%,П- 15%, О —5% 9860

Т - 40%, Н - 35%, П - 15%, О - 10% 954,5

Примечание: Т- торф, Н - навоз, П - помет, ПД- пивная дробина, Ж-льняная костра, О-древесные опилки

Величина прибавки урожая в севообороте в расчете на 1 тудобрения (базовый опыт) принята по результатам полевых опытов ВНИИМЗ равной 300 кг. По сравниваемым опытам величина прибавки урожая определялась из величины прибавки для базового опыта с учетом рассчитанных рейтинговых коэффициентов их удобрительной ценности (нормализованные све-

дения о содержании в удобрениях №К и общего углерода гумусовых кислот).

Предварительные расчеты (табл. 2) показали, что удобрения, получаемые внесением в исходную смесь определенных количеств углерод содержащих отходов, значительно превосходят по энолого-экономичесной эффективное™ удобрение, получаемое в базовом опыте, т.е. способны более полно, нежели типовые юмпосты, компенсировать снижение почвенного плодородия и экономически более эффективны.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработаны полезные модели на полупроизводственную установку для проведения аэробной твердофазной ферментации органического ецрья и устройство пробоподготовки (патенты РФ №№ 39599, 38396), обеспечившие проведение цикла залланированных экспериментов. Выявлены оптимальные параметры и режимы функционирования ферментера: уровень кислородообеспечения - 5-12% об., длительность аэрирования -20 сек, интервал аэрирования- 10 мин.

2. В ходе комплексного мониторинга процесса аэробной твердофазной ферментации выявлены антибатность динамики содержания кислорода и температуры (И^, ~ -0,84); активная биотрансформация труднощдроли-зуемых высоко мол екул^ных веществ - клетчатки и жиров; накопление физиологически активных веществ - фульвокислот и триптофана, придающих продуктам ферментации удобрительную ценность.

3. Установлено, что наилучшими разогревом смесей и поглощением кислорода микрофлорой, наибольшей длительностью термофильного периода и минимальными коэффициентами остывания, наивысшей степенью о золения ферментируемых смесей по сравнению с базовым опытом отличались опыты с внесением в состав исходньк смесей 10-20% пивной дробины, свидетельствуя о благоприятном воздействии данного субстрата на микроорганизмы.

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

5. Установлено максимальное накопление фульво кислот 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.

6. На основании модели линейного роста (1пМ-ц^|-1пМо) построены кинетические зависимости, характеризующие развитие популяции аэроб-

ных целлюлоэолитических мифоорганизмов на начальной стадии процесса ффментации. Сравнение величин удельных скоростей их роста (ц, сут1) позволило определить пределы концентраций исследуемых субстратов, при которых наблюдается наилучшее развитие микроорганизмов этой фуппы: для опыта с пивной дробиной - 5-15%; для опыта с льняной кострой - 5-10%; дляопыта с древесными опилками - 5-10%.

7. Разработана многопараметрическая кинетическая модель биоде-фадации органической фракции при использовании комплекса параметров ферментации (темпфатуры, влажности, зольности, кислородообеспечения, пористости, порозности, изменения массово-объемных соотношений), позволяющая оптимизировать ее течение и получать высокоэффективные удобрения с заданными свойствами.

По результатам моделирования получеты следующие зависимости: константа скорости биодефадации

биодефэдация 1-го порядка

У-*,

вп. = т0 »<?•■" = т0 *е- (для а 1=1 сут).

8. Выявлено снижение себестоимости продуктов аэробной твфдо-фазной ффментации органического сырья за счет использования у глфод-содфжащих компонентов исходных смесей, частично замещающих торф: пивной дробины в количестве Ю-15%- до 77 рубУт, льняной юстрыв ко-лич естве 5-10%-до85 руб Л, др евесн ых опилок- до 134 рубУт.

9. Сравнительный анализ величин прогнозной эколого-экономиче-ской эффективности получаемьк удобрений показал преимущестю продуктов ффментации, получаемых при использовании дешевых углфодоо-дфжащих компонентов. Максимальный эколого-эшномический эффект по отношению к базовой технологии может быть получен при использовании 15%пивной дробины и составит - 408 рубУт.

1. Рабинович P.M., Рабиношч Г.Ю. Тестирование продуктов ффментации // Международная юнффенция молодых ученых «От фундаментальной нфки к новым технологиям. Химия и биотехнология биологически активных воцеств, пищевых продуктов и добавок. Экологически безопасные технологии». Тверь,2001,- С. 137-138.

2. Рабинович Г.Ю., Рабинович P.M. Синтез аминокислот - предшественников физиологически активных соединений - в процессе биоюнвф-сии вторичных ресурсов в удобрения // Международная научно-практи-

биодарадацияО-го порядка

BVS, = BVS0 - * ДО = BVS0 - (для At=l сут);

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

ческая конференция «Использование органических удобрений и биоресурсов в современномземледепии». 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 «На/чно-технические проблемы механизации и автоматизации животноводства и концепция развития механизации и автоматизации животноводетва в21-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», выпуск4,2003.- С. 188-191.

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

6 Рабинович P.M., Рабинович Г.Ю., Сульман Э.М. Трансформация гумусоподобных соединений в процессе производства продуктов твердофазной 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-fa-mentation and creation of bio active substances for agriculture /Rabinovich G.Yu., Kovalev N.G., Rabinovich R.M., Pobzova 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 abasis of agricultural ores preservation. /Nicolay

G. Kovalev, Galina Yu. Rabinovich (P), Roman M. Rabmovich, Valentina G. Pobzova // б"1 Inter-Regional Conference on Environment-Water "Land and Water UsePlannkig and Management", Albacete, Spam,2003.- P. 300.

9. Рабинович P.M., Фомичева H.В., Рабинович Г.Ю. Использование пивной дробины в производстве компоста многоцелевого назначения (КМН) // 2-ая н^чно-праюическая конференция «Ночные 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 P.M. - 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 P.M. //Бюлл.№ 119 ВНИИПА им. Прянишникова «Задачи научных учреждений Геосети опытов с удобрениями и др. атрохим. фея-

ствами 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 P.M., Полозова В.Г. Удобрения для осушаемых почв с эффектом пролонгирующего гуму(»накопления // Межрегиональная конференция «Производство продовольствия и вода: социально-экономические проблемы ирригации и дренажа», Москва, 2004,- С. 141-142.

13. Рабинович P.M. Новые технологические решения и разрИзотки в создании высокоэффективных удобрений для мелиорированных земель // Сборник научных докладов Всероссийской конференции молодьк ученых «Энергию молодых - мелиорации», Москва, 2004.- С. 52-56.

14. Рабинович P.M., Рабинович Г.Ю. Новые удобрения и рейтинговая оценка их качества // Международная н^чно-пракшческая конференция «Технологические основы экономического развития сельского социума», Москва,2005,- С.377-380.

15. Патент на полезную модель № 39599 РФ. Установка для приготовления компоста в / Рабинович Р.М, Ковалев НГ., Сульман Э.М., Суль-ман М.Г., Рабинович Г.Ю. (13.042004).

16.Патентнаполезную модель№38396 РФ. Устройство подготовки пробыдля газоанализаторов /Буробин ВА., Рабинович P.M., Ковалев Н.Г. (03.022004).

17. Патент № 2249581 РФ. Способ приготовления компоста с использованием пивной дробины / Ковалев Н.Г., Рабинович P.M., Сульман Э.М., Рабинович Г.Ю., ФомичеваН.В. (31.122003).

Подписано к печати 27.02.2006 г. Заказ № 38 Объем 1,4 печ.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе ООО «Ай Пи тек», г. Тверь

i

4307

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. 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. 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 полупроизводственной установки.

2.3. Схема экспериментов на полупроизводственной установке.

2.4. Физико-химическое тестирование процесса.

2.4Л. 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.

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.

2.6.1. 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.

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

3.2.1. Оценка физико-химических показателей.

3.2.2. Оценка биохимических показателей.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОБНОЙ ТВЕРДОФАЗНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ.

4.1. Кинетика развития целлюлозолитических аэробов при использовании различных лигноцеллюлозных субстратов. Ингибирующая способность лигнина.

4.2. Кинетическая модель биодеградации органической фракции.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ, ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ

ОЦЕНКА ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ПРОДУКТОВ ТВЕРДОФАЗНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ.

5.1. Проектирование технологической линии. Материальный баланс производства и себестоимость получаемых удобрений.

5.1.1. Расчет расхода компонентов на цикл.

5.1.2. Расчет материального баланса производства и стоимости продуктов ферментации.

5.2. Эколого-экономическая эффективность получаемых удобрений.

Актуальность проблемы и общая характеристика работы. На сегодняшний день не существует отходов, которые нельзя было бы переработать тем или иным способом. Правда при этом велики расходы энергии и себестоимость единицы массы переработанных отходов. Именно это сдерживает применение традиционных способов переработки и одновременно стимулирует разработку новых экологически и экономически эффективных технологий.

К так называемым технологиям «нового поколения» следует отнести биотехнологические способы утилизации отходов. Продукты, получаемые биотехнологическими способами, выгодно отличаются от традиционных химических тем, что сырьем для их получения служат возобновляемые материалы животного и растительного происхождения, а также отходы различных производств.

Большая часть биотехнологий представлена различного рода ферментационными процессами. Занимаясь их разработкой, исследователи руководствуются следующими основными соображениями: получаемые продукты не должны представлять опасности для окружающей среды, а их себестоимость должна быть возможно ниже.

Фактически, создание и отладка новой технологии сводятся к поиску оптимальных величин параметров технологического процесса. Решать задачи такого рода позволяет математическое моделирование, в связи с тем, что лишь с использованием математической модели возможна объективная оценка хода процесса на любом этапе.

Среди многочисленных технологий биопереработки органического сырья, (анаэробное и аэробное компостирование, анаэробное сбраживание, гидролиз с последующим выращиванием кормовых дрожжей и др.), наиболее активно разрабатываемых на базе научно-исследовательских институтов РАСХН (ВНИПТИОУ, ВНИПТИХИМ, ВНИИСХМ, СЗНИИМЭСХ и др.), одной из наиболее перспективных является технология аэробной твердофазной ферментации 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. Регуляция процесса осуществляется варьированием физико-химических и биохимических параметров, что приводит к активации микрофлоры, присущей трансформируемым субстратам, и ее ферментного аппарата.

В 1987-2000 гг. во Всероссийском НИИ сельскохозяйственного использования мелиорированных земель (ВНИИМЗ) проводились фундаментальные и прикладные исследования, направленные на изучение биологических аспектов аэробной твердофазной ферментации и разработку технологии получения высокоэффективных, экологически чистых удобрений. Фундаментальные исследования были проведены при тесном сотрудничестве с кафедрой биотехнологии и химии Тверского государственного технического университета (ТГТУ).

В то же время, в этой области оставался нерешенным ряд проблем. Среди них недостаточно проработанным оказался вопрос использования в качестве компонентов смесей для ферментации различных углеродсодержащих отходов сельскохозяйственного производства, пищевой и деревоперерабатывающей промышленности. Кроме того, должное внимание не уделялось и поиску математических зависимостей параметров ферментации от состава и свойств исходных смесей.

В этой связи целью настоящей работы являлся поиск путей оптимизации аэробной твердофазной ферментации на основании результатов комплексного мониторинга процесса с учетом новых технологических решений и в зависимости от природы и количеств углеродсодержащих субстратов в составе исходных смесей.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. разработка полезной модели устройства (ферментера) для приготовления удобрений (биокомпостов) и усовершенствование устройства пробопод-готовки для используемого в процессе ферментации анализатора кислорода. Выявление оптимальных параметров и режимов работы ферментера, обеспечивающих благоприятное течение процесса ферментации;

2. комплексное исследование базового процесса аэробной твердофазной ферментации и процессов при использовании различных количеств углеродсодержащих субстратов - ранее наиболее активно применяемых в аналогичных процессах (опилки) и впервые предлагаемых к использованию в таком качестве (пивная дробина, льняная костра);

3. выявление связей между величинами, характеризующими течение исследуемых процессов;

4. разработка кинетической модели процесса ферментации, позволяющей оценить степень биодеградации органической фракции ферментируемых смесей, с целью его дальнейшей оптимизации для получения удобрений с заданными свойствами;

5. сравнительная оценка эколого-экономической эффективности производства и применения удобрений, получаемых по базовой технологии и при использовании углеродсодержащих субстратов.

Научная новизна работы и практическая значимость.

Разработана полезная модель установки для экспрессного приготовления биокомпостов. Усовершенствован анализатор кислорода посредством устройства пробоподготовки и получен патент на полезную модель.

Проведен экспресс-анализ базового процесса ферментации и доказана целесообразность 20-секундной продувки ферментируемой смеси через каждые 10 минут. 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 - 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.

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).

Выявлены оптимальные параметры и режимы работы ферментера, предложены подходы к расчету составов исходных смесей для получения удобрений с заданными свойствами.

Технологические приемы, представленные в диссертационной работе, могут использоваться сельскохозяйственными предприятиями различных форм собственности, обладающими разнообразной сырьевой базой, практически во всех регионах РФ и в настоящее время применяются при реализации процессов аэробной твердофазной ферментации на лабораторном, полупроизводственном и производственном уровнях во ВНИИМЗ.

Полученные данные и сделанные выводы использованы во ВНИИМЗ при выполнении Программы прикладных и фундаментальных исследований Россельхо-закадемии в 2001-2005 гг.: 12.05.05 «Разработать научные основы и технологии получения новых видов и форм органических удобрений, мелиорантов и кормовых добавок на основе биоферментации разнообразного растительного сырья, органических отходов и природных агроруд», а также проектов научных отраслевых программ Министерства образования и науки РФ, реализованных в ТГТУ: «Создание научных основ биосорбции и биодеструкции органических отходов» (программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»), «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»).

Материалы диссертации могут оказаться полезными при подготовке курсов по математическому моделированию в сельскохозяйственной биотехнологии и других смежных дисциплинах.

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), конференции молодых ученых «Энергию молодых - мелиорации» (Москва, 2004), Международной научно-практической конференции «Научно-производственное обеспечение развития сельского социума» (Астрахань, 2005).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, получены патенты РФ на полезные модели №39599, № 38396 и патент РФ на изобретение № 2249581.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, содержит 151 страницу печатного текста, 29 рисунков, 26 таблиц в основном тексте и 8 в приложениях. В списке литературы 139 наименований, в том числе 79 на иностранном языке.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработаны полезные модели на полупроизводственную установку для проведения аэробной твердофазной ферментации органического сырья и устройство пробоподготовки (патенты РФ №№ 39599, 38396), обеспечившие проведение цикла запланированных экспериментов. Выявлены оптимальные параметры и режимы функционирования ферментера: уровень кислородообеспечения - 5-12% об., длительность аэрирования - 20 сек, интервал аэрирования - 10 мин.

2. В ходе комплексного мониторинга процесса аэробной твердофазной ферментации выявлены антибатность динамики содержания кислорода и температуры (RcP —0,84); активная биотрансформация трудногидролизуемых высокомолекулярных веществ - клетчатки и жиров; накопление физиологически активных веществ - фульвокислот и триптофана, придающих продуктам ферментации удобрительную ценность.

3. 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 данного субстрата на микроорганизмы.

4. 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.

5. 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.

6. На основании модели линейного роста (lnN=pt+lnN0) построены кинетические зависимости, характеризующие развитие популяции аэробных целлюлозолитических микроорганизмов на начальной стадии процесса ферментации. Сравнение величин удельных скоростей их роста (ц, сут*1) позволило 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%.

7. Разработана многопараметрическая кинетическая модель биодеградации органической фракции при использовании комплекса параметров ферментации (температуры, влажности, зольности, кислородообеспечения, пористости, порозно-сти, изменения массово-объемных соотношений), позволяющая оптимизировать ее течение и получать высокоэффективные удобрения с заданными свойствами.

По результатам моделирования получены следующие зависимости: константа скорости биодеградации Q„J 1Л k - А *Р R wJ • биодеградация 0-го порядка

BVS, = £ (*,. *Д0 = £ К (для At=l сут); л=0 л=0 биодеградация 1-го порядка

BVS, = BVS0 *е"-° =BVS0* е~" (для At=l сут).

8. Выявлено снижение себестоимости продуктов аэробной твердофазной ферментации органического сырья за счет использования углеродсодержащих компонентов исходных смесей, частично замещающих торф: пивной дробины в количестве 10-15% - до 77 руб./т, льняной костры в количестве 5-10% - до 85 руб./т, древесных опилок - до 134 руб./т.

9. Сравнительный анализ величин прогнозной эколого-экономической эффективности получаемых удобрений показал преимущество продуктов ферментации, получаемых при использовании дешевых углеродсодержащих компонентов. Максимальный эколого-экономический эффект по отношению к базовой технологии может быть получен при использовании 15% пивной дробины и составит ~ 408 руб./т.

1. Gross R.A., Kalra В. Biodegradable Polymers for the Environment. // 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.ll.Subler S., Edwards C., Metzger J. Comparing vermicomposts and compost. // BioCy-cle. 1998. -P.63-66.

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

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

12. 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.

13. Утилизация отходов животноводческих комплексов с помощью микроорганизмов / И.М. Грачева, В.М. Кантере, Е.Г. Борисенко и др. // Тез. докл. Сов.-Чех. науч.-произ. симпозиума, 2-4 окт. 1985 г., Ужгород. С.45.

14. Raimbault М. General and microbiological aspects of solid substrate fermentation. -EJB Electronic Journal of Biotechnology, 1998. Vol. 1. - No.3 -P.174-188

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

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

17. 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.

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

19. 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.

20. 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

31. 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.

32. 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

42. 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.

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

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

45. 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.

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

47. 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 genie des biosystemes au Canada, 1998. Vol.45. - P. 619-625.

48. Работнова И.Л., Позмогова И.Н. Хемостатное культивирование и ингибирова-ние роста микроорганизмов. М.:Наука, 1979. - 207 с.

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

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

51. 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.

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

53. 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.

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

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

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

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

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

59. 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.

60. 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.

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

62. 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.

63. 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.

64. 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.

65. 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.

66. 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.

67. 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.

68. 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.

69. 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.

70. 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.

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

72. 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.

73. 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.

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

75. 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.

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

77. 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.

78. 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.

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

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

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

82. 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

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

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

85. 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.

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

87. 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.

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

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

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

91. 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.

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

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

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

95. Варфоломеев С.Д., Калюжный С.В. Биотехнология: Кинетические основы микробиологических процессов. М.: Высшая школа, 1990.- 296 с.

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

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

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

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

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

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

102. 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.

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

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

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

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

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

108. 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.

109. Овчаров K.E. Физиологические основы всхожести семян М.: Наука, 1969. -280 с.

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

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

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

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

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

115. 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.

116. Biodegradation 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.

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

118. 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.

119. 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.

120. 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.

121. 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.

122. 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.

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

124. Емельянов С.В., Ларичев О.И. Многокритериальные методы принятия решений. М.: Знание, 1985.

125. Справочная книга по производству и применению органических удобрений. Владимир, 2001. - 495 с.

126. Методика определения предотвращения экологического ущерба. М., 2000. -59 с.

127. Ковалев Н.Г., Малинин Б.М., Барановский И.Н. Традиционные органические удобрения и КМН на мелиорированных почвах Нечерноземья. Тверь, 2002. -158 с.