Сравнительная оценка эффективности работы биореактора в теплице и на улице (стр. 4 )

График 1

Изменения температуры воздуха в лаборатории и в биореакторе

Плесенью называют микроскопические грибы, которые образуют характерные налеты на поверхности органических тел, вызывающие порчу продуктов. Плесневение начинается сразу после гибели растительного и животного организма. Изначально образуется плесень, затем бактерии. Плесень, как правило, появляется там, где имеются благоприятные для нее условия – споры плесневых грибов начинают прорастать, и размножаются они очень быстро.

График 2

Прирост температуры, °С

Вывод: При плесени температура растет мало, плесень развивается при пониженной температуре (см. приложение).

Поэтому в дальнейшем было решено использовать микрофлору с участков, где наблюдалась повышенное выделение тепла.

В мезофильно-сброженном осадке погибает до 70% патогенных бактерий и гельминтов, в термофильно-сброженном осадке погибают почти полностью как патогенные бактерии (99,4%), так и гельминты (100%). Сброженные осадки представляют собой суспензию темного, почти черного цвета, пахнущую разогретым сургучом, асфальтом или каучуком. Эти формы бактерий, как указывалось выше, широко распространены в природе. Многие мезофильные виды бацилл имеют своих аналогов среди термофилов. Поэтому, вероятно, термофильный процесс используют лишь на какой-то стадии всего процесса образования компоста. Некоторые очевидные признаки указывают на то, что процесс может протекать более эффективно в нижнем термофильном пределе, а именно от 50 до 55°С.

Любой биореактор служит для создания оптимальных условий в нем для жизнедеятельности культивируемых клеток и микроорганизмов, обеспечения дыхания, подвода питания и отвода метаболитов. После проведения исследования по измерению температуры в лабораторном биореакторе, решили исследовать температурные изменения в условиях теплицы, и в уличном биореакторе. Для этого сделали два биореактора с немного изменённым внутренним устройством: внешний слой геотекстильный нетканый материал (геотекстиль), полистирольный пенопласт, решетчатый пластиковый каркас, стенки выкладывались акриловой тканью (акрил). На дно укладывался геотекстиль. Данная конструкция позволила уменьшить «краевой» эффект, и обеспечить аэробную микрофлору воздухом за счет естественной конвекции. В биореакторы загрузили свежей пивной дробины, в каждый по 15кг., и досыпали слой земли с микрофлорой с прошлогоднего участка, где наблюдалось интенсивное прогревание. Биореактор погрузили в опилки и сверху засыпали опилками, для уменьшения теплопотерь. Были проведены исследования утилизации ячменного солода в биореакторе на улице и в теплице. В теплице, так как это замкнутое пространство, отслеживалась температура воздуха. Для того чтобы определиться с температурой внутри теплицы, мы измеряли температуру снаружи.

График 3

Температурные показания биореакторов и окружающей среды

Термокартирование проводились с помощью логгеров серии «175-Т». Нагрев органических отходов в тепличном биореакторе ярко выражен пиковым повышением температуры до 49ᵒС и постепенным спадом до 23ᵒС, в уличном биореакторе так же наблюдались температурные подъемы и спады, зависящие от температуры окружающей среды, что хорошо просматривается в графике. Термокартирование показало, что для пивной дробины это термофильный процесс, когда погибают все патогенные микроорганизмы (см. график 3).

Солодовая дробина образуется как остаток после отделения жидкой фазы – пивного сусла – в процессе фильтрации затора. Дробина состоит из жидкой (45%) и твердой фаз (55%). Твердая фаза дробины содержит оболочку и нерастворимую часть зерна. Состав дробины зависит от качества солода, количества несоложенного сырья, а также сорта изготовляемого пива. Известен способ комплексной переработки отходов пивоварения: пивной дробины, солодовых ростков, сплава, зерновых отходов, отработанных пивных дрожжей, с использованием термической обработки в вакуумном котле в течение часа при температуре 100°С с последующей сушкой в этом же котле до содержания влаги 8-10%. Все основные отходы, образующиеся в процессе производства, в соотношении согласно нормативам их образования подвергали комплексной переработке. Усредненный химический состав перерабатываемых отходов приведен в таблице 2.

Таблица 2

Нормативы образования и химический состав отходов пивоварения

Отходы	Норматив образова-ния	Состав (усредненные показатели), % к абсолютно сухому веществу	Питательная ценность, к. е.
Влажность	Протеин	Клетчатка	Жиры	Зола	БЭВ
Зерновые отходы	0,6% к массе ячменя	12	12-20	18-20	2,3	6,6-7,0	45-46	0,82
Солодовые ростки	1% к массе солода	6	22-24	14	1,5-2	7,0	32-44	0,77
Сплав	0,8% к массе замоч. ячменя	30	10	12		3,5	1,5	0,6
Остаточные пивные дрожжи	0,75% от обьема пива	88	54-56	2	До 20	5-10	32-40	1,12
Дробина	2т/тыс дал горячего сусла	75	22-24	20	7,2	6,0	40	0,8
Белковый отстой	1% от обьема сусла	78	31,8	5,45		5,45	35	0,63

С другой стороны, отходы пивоварения обращают на себя внимание как источник комплекса веществ с биологической активностью и питательной ценностью.

При определении оптимальной продолжительности сбраживания пользуются термином "время оборота реактора". Время оборота реактора - это то время, в течение которого свежее сырье, загруженное в реактор, перерабатывается, и его выгружают из реактора. Для нашей системы время оборота биореактора составило около двух недель.

Кислотно-щелочной баланс - метанопродуцирующие бактерии лучше всего приспособлены для существования в нейтральных или слегка щелочных условиях. В процессе метанового брожения второй этап производства является фазой активного действия кислотных бактерий. В это время уровень рН снижается, то есть среда становится более кислой. Однако при нормальном ходе процесса жизнедеятельность разных групп бактерий в реакторе проходит одинаково эффективно и кислоты перерабатываются метановыми бактериями. Оптимальное значение pH колеблется в зависимости от сырья от 6,5 до 8,5. Измерить уровень кислотно-щелочного баланса можно с помощью лакмусовой бумаги. Значения кислотно-щелочного баланса будут соответствовать цвету: приобретаемому бумагой при её погружении в сбраживаемое сырье. В нашей работе при измерениях лакмусовые бумажки были одинакового цвета, поэтому решили провести анализ кислотности на более точном оборудовании. Измерение кислотности почв проводили в лаборатории водной токсикологии НИИ биологии при ИГУ. Пивная дробина уже содержит уксусную кислоту и сопутствующую микрофлору, при этом кислота вызывает подкисление дробины. В нашем опыте кислотность в биореакторе изменилась на 1,08 единицы, что считается незначительным отклонением от нормы, и входит в пограничные зоны от 6,5 до 8,5.

Содержание углерода и азота является одним из наиболее важных факторов, влияющих на метановое брожение (выделение биогаза), а так как микроорганизмы нуждаются как в азоте, так и в углероде для ассимиляции в их клеточную структуру (табл. 3). Различные эксперименты показали: выход биогаза наибольший при уровне соотношения углерода и азота от 10 до 20 [3], где оптимум колеблется в зависимости от типа сырья. Для достижения высокой продукции биогаза практикуется смешивание сырья для достижения оптимального соотношения C/N (табл.4).

Таблица 3

Элементный состав и энергии сгорания различных видов топлива

	лигнин	зерно
C	65,9	43-60
H	4,9	6,4-7,2
O	213,0	24-46
N	0,7	1,7-3,9
Зола, вес, %	5,1	2,0-4,6
, МДж/кг	20,6	17,0-26,5

Таблица 4

Соотношение содержания углерода и азота в различных материалах для компостирования

Биоферментируемый материал	Соотношение углерода и азота C/N.
моча	0,8:1
навоз (свежий)	30:1
трава	12:1
бобовые растения (солома)	15:1
люцерна	20:1
зерновые	20:1
кухонные остатки	23:1
листья	50:1
овсяная солома	50:1
ржаная солома	65:1
пшеничная солома	125:1

Ингибиторы процесса - сбраживаемая органическая масса, не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов, они замедляют, а иногда и прекращают процесс выделения биогаза. Существует также тесная взаимозависимость между параметрами (например, выбор времени сбраживания зависит от температурного режима), поэтому сложно определить точное влияние каждого фактора на количество образующегося биогаза.