Обеспечение экологической безопасности и устойчивого развития Республики Казахстан. Усовершенствование конструкций биореакторов, работающих на основе сельскохозяйственных отходов. Использование полимерных композиций на основе производных полакрилонитрила.
Аннотация к работе
В последнее время непрерывное развитие различных биогазовых технологий привело к необходимости усовершенствования конструкций биореакторов для увеличения выхода метана из расширяющихся ассортиментов сырья. Проведение исследований по оптимизации получения биогаза путем анаэробного сбраживания отходов производства поможет решить проблемы управления бытовыми и промышленными отходами в свете приоритетных направлений в Концепции экологической безопасности Республики Казахстан [1, 2]. Это позволит обеспечить экологическую безопасность и устойчивое развитие страны, и то, что по привычке называется отходами, при разумном использовании способно дать значительную прибыль и освободить занимаемые свалками земли. Поэтому в данной работе проводились исследования по изучению условий культивирования метанобразующих бактерий, а также различных полимерных композиций для обоснования их применения в качестве носителей для иммобилизации микроорганизмов, кроме того возможность использования отходов производства биогаза в виде биоудобрений. Так как состав перерабатываемых отходов определяет течение метанового брожения, в настоящей работе анализу были подвергнуты различные смеси отходов, такие как птичий помет, коровий навоз, свиной навоз, а также соломы и травы, с целью выбора оптимальных вариантов прохождения процесса сбраживания, при этом были проведены расчет выхода биогаза с предварительным определением влажности сырья [4].
Введение
В последнее время непрерывное развитие различных биогазовых технологий привело к необходимости усовершенствования конструкций биореакторов для увеличения выхода метана из расширяющихся ассортиментов сырья. Очевидным способом повышения производительности реакторов и снижения ВГУ является увеличение плотности, т.е. иммобилизация микроорганизмов.
Проведение исследований по оптимизации получения биогаза путем анаэробного сбраживания отходов производства поможет решить проблемы управления бытовыми и промышленными отходами в свете приоритетных направлений в Концепции экологической безопасности Республики Казахстан [1, 2].
Это позволит обеспечить экологическую безопасность и устойчивое развитие страны, и то, что по привычке называется отходами, при разумном использовании способно дать значительную прибыль и освободить занимаемые свалками земли. Приоритет утилизации отходов над их ликвидацией очевиден, и исследования в области повторного использования отходов перспективны и актуальны.
Материалы и методы
Известно, что применение анаэробного метода при переработке отходов животноводства имеет существенный эффект по сравнению со многими другими методами, что выражается в значительном снижении загрязнения почвы, воды, воздуха химическими веществами и патогенной микрофлорой. Эффективность анаэробного процесса в существенной мере зависит от правильной подготовки сырья к переработке и от конструкции биореактора. биореактор полимерный экологический казахстан
Большое значение для повышения эффективности работы биореакторов имеет использование методов иммобилизации микроорганизмов с тем, чтобы повысить выход биогаза при анаэробной переработке отходов. Основная задача таких биореакторов - интенсификация теплообмена и гомогенизация ферментационной среды, что способствует ускорению метаногенеза за счет закрепления метаногенной микрофлоры в аппарате. Поэтому в данной работе проводились исследования по изучению условий культивирования метанобразующих бактерий, а также различных полимерных композиций для обоснования их применения в качестве носителей для иммобилизации микроорганизмов, кроме того возможность использования отходов производства биогаза в виде биоудобрений.
Метанобразующие бактерии - строгие анаэробы и имеют температурный оптимум для роста в области 30-40°, поэтому в данной научной работе используется температурный предел 30-500С, оптимальный PH в области 6,5-7,5 [3, 4].
В настоящей работе для получения микробной суспензии использовали около 10 г предварительно измельченного образца. Навеску образца переносили в колбу емкостью 250 мл с 90 мл стерильной водопроводной воды, взбалтывали в течение 10 минут на механической качалке и давали отстояться грубым частицам. Затем методом разведения готовили суспензии, содержащие разные количества отходов. Одновременно из пробы отбирали 20 г отходов для определения влажности, и проводили пересчет на 1 г абсолютно сухих отходов. Из полученных разведений проводили посевы микроорганизмов на плотные питательные элективные среды [3].
Питательная среда для метанобразующих бактерий включала основные растворы солей калия гидрофосфата, хлоридов калия, магния, кальция, натрия ацетата, дрожжи, витамины В1, В2, В6, В12 , С, РР, агар-агар. На питательную среду было помещено небольшое количество разведенного дистиллированной водой навоза, в составе которого находились метаногенные бактерии. Колбу с питательной средой плотно закрыть пробкой, создав анаэробные условия и поместить в термостат при температуре 30°С на 2 недели. По истечению срока на питательной среде можно обнаружить колонии бактерий, природу которых проверяют окраской по Грамму [5].
Так как состав перерабатываемых отходов определяет течение метанового брожения, в настоящей работе анализу были подвергнуты различные смеси отходов, такие как птичий помет, коровий навоз, свиной навоз, а также соломы и травы, с целью выбора оптимальных вариантов прохождения процесса сбраживания, при этом были проведены расчет выхода биогаза с предварительным определением влажности сырья [4].
Таким образом, по результатам исследований наибольший выход биогаза наблюдался при использовании птичьего помета с влажностью 80% в качестве субстрата для экспериментов.
С целью выделения из окружающей природной среды биоценоза метанобразующих бактерий были взяты навоз в количестве 50 г, которые были загружены в конические колбы емкостью 200 мл. Контролировали объем выделившегося газа.
Газ - метан свидетельствовал об интенсивности процесса метанового брожения и, следовательно, о накоплении смешанной культуры метанобразующих бактерий. Полученные данные приведены на рисунках 2 и 3, из них видно, что выход газа увеличивается при использовании иммобилизованной культуры метанобразующих бактерий.
Таким образом, был проконтролирован объем выделившегося газа, которые свидетельствуют об интенсификации процесса метанового брожения и соответственно, о накоплении смешанной культуры метанобразующих бактерий.
Результаты представлены в таблице 1.
На рисунке 2 показана кинетика микробиологических процессов при созревании метанового биоценоза, происходящих в реакционной смеси без иммобилизации. Из полученных данных видно, что газ - метан, свидетельствующий о начале третьей, метанобразующей фазы начинает интенсивно образовываться на 14 - 16 сутки от начала процесса, а на 22 - 24 сутки наступает торможение процесса.
В процессе анаэробного сбраживания снижается количество метанобразующих бактерий. Как показано в работе [6], причиной, тормозящей процесс, является образование кислых продуктов бактериального гидролиза. Экспериментальные данные по измерению РН среды подтверждают это предположение. В ходе созревания метанового биоценоза РН изменилось от 7,5 в начале процесса до 5,7 в конце (Рисунок 3). Таким образом, РН среды в ферментере является чувствительным параметром, используемым для определения стабильности брожения.
Адсорбционные методы иммобилизации относятся к числу наиболее простых и "естественных". В природе почти всегда микроорганизмы и их ассоциаты существуют не в изолированной (свободной) форме, а в адсорбированном состоянии.
Примером этому являются микробные популяции почвы, кишечника, рубца, некоторые азотфиксирующие микроорганизмы растений и т.д.
В случае адсорбционной иммобилизации используется естественная способность многих микроорганизмов закрепляться на разнообразных твердых или гелеобразных носителях и продолжать свою жизнедеятельность в таком обездвиженном состоянии. [7].
Разнообразие свойств поверхности клеток и адсорбентов обусловливает различные механизмы адсорбционного взаимодействия и различные виды сил адгезии. Адгезия клеток на адсорбенте определяется следующими причинами: · Образование химических связей между поверхностями клетки и адсорбента (хемосорбция);
· Ион - ионные взаимодействия, образование ионных пар и триплетов, например, NH3 .. .~ -ООС- и -СОО-~... Са2 ... ~ -ООС-;
· Электростатические (неионные) взаимодействия заряженных поверхностей клеток и адсорбента;
· Силы Ван-дер-Ваальса (взаимодействие диполь-диполь, диполь-наведенный диполь, ион - диполь);
· Влияние электролитов, гидратационных эффектов, капиллярных свойств;
· Флокуляция и коагуляция;
· Гидрофобное взаимодействие;
При адсорбционной иммобилизации клеток, которая обусловлена электростатическими силами, одновременно реализуется несколько типов адгезионного взаимодействия, поэтому трудно выделить роль каждого из них по отдельности. Наибольшее влияние на связывание микроорганизма с носителем оказывают ковалентные и ионные взаимодействия [7].
Вывод
Полимерные композиции на основе производных полакрилонитрила вызывают интерес тем, что поверхность полимера является заряженной, что предполагает взаимодействие между поверхностью полимерного носителя и поверхностью микроорганизмов
Список литературы
1. Новый Казахстан в новом мире//Казахстанская Правда от 2 марта 2007 г. - С. 2-3
2. Концепция экологической безопасности республики Казахстан на 2004-2005 годы // Казахстанская правда от 10.12.2003. - С. 7-8.
3. Michael J. Franklin, William J. Wiebe, and William B. Whitman. 1988. Populations of Methanogenic Bacteria in Georgia Salt Marsh. Appl. Environ. Microbiol. 54:1151-1157.
4. Deublein D. Steinhauser A. Biogas from Waste and Renewable Resources. - Wiley, 2008, isbn: 3527318410, 472 р.
5. Bergey David H. Bergey"s Manual of Determinative Bacteriology. - 9th ed.. - Lippincott Williams & Wilkins, 6. Панцхава Е.С., Давиденко Е.В. Метангенерация твердых органических отходов городов // Биотехнология, 1990, № 4. - С. 49 -52.
7. Alatriste-Mondragon, F., Samar, P., Cox, H.H.J., Ahring, B.K., Iranpour, R., Anaerobic codigestion of municipal, farm, and industrial organic wastes: A survey of recent literature. Water Environment Research, 78, 607-636.