Тема 24. Биотхнологичнские целевые продукты из отходов сельского хозяйства

Биотехнологии обогащения растительных кормов

Обогащение кормов белками. По данным ВАСХНИЛ, из 12% белка пшеницы и 10% белка ячменя эффективно используется в организме животных лишь около 6%, а из 23% белка гороха — 10%. Объясняется это несбалансированностью белков по отдельным аминокислотам. Поэтому в растительные корма необходимо вно­сить высокобелковые добавки: рыбную и мясокостную муку, сухие молочные продукты, шроты, жмыхи, люцерну, клевер, сою. Однако в нашей стране ресурсы таких кормов ограничены.

Биотрансформация растительного сырья и отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности с помощью микроорганизмов создает возможность получения в специальных цехах значительных (возможно, намного больших, чем в микробиологической промышленности) количеств кормовых продуктов, обогащенных микробным белком. Основное отличие таких продуктов — большая вариабельность их химического состава, зави­сящая от характера перерабатываемого сырья, вида используемого микроба-продуцента, способа его культивирования.

Препараты, полученные путем глубинного культивирования мицелиальных грибов и дрожжей, содержат больше белка, чем препараты, полученные поверхностным методом. Например, на сточных водах пищевых предприятий при культивировании дрожжей получены препараты, содержащие 30—45%, на безбелковом коричневом соке зеленых растений — около 30% сырого протеина от сухой массы. Крахмалсодержащие жидкие среды даже с нерастворимыми включениями обеспечивают значительно большее содержание сырого протеина в конечном продукте (30—40%), чем среда с измельченным целлюлозосодержашим субстратом (10— 15% сырого протеина).

Примером зависимости эффекта протеинизации от способа культивирования (при прочих равных условиях) является выращивание термофильных грибов на свекловичном жоме в глубинной и твердофазной культурах. Максимальный прирост белка в первом случае — 402%, во втором — 264%. И тем не менее у твер­дофазной ферментации имеются большие перспективы для широкого внедрения в самых различных хозяйствах, занятых производством и переработкой сельскохозяйственной продукции, ввиду ее преимуществ, уже изложенных ранее, а также ввиду низкой себестоимости получаемых с ее помощью протеинизированных продуктов.

Грубые растительные корма могут быть обогащены грибным белком до 20—25%, иногда получают и более высокие результаты - 25-30%.

Эффектность протеинизации у мицелиальных грибов может быть заметно выше (3—10 раз), чем у дрожжей (2—3,5 раза), но, как правило, это сопровождается заметным удлинением процесса ферментации, значительно более эффективными (а значит, и дорогостоящими) должны быть меры по поддержанию стерильности процесса. Содержащийся в клетках мицелиальных грибов хитин снижает качество получаемого с их помощью корма, так как ряд грибов весьма устойчив к воздействию желудочного сока животных. Все это говорит о том, что выбор микроорганизма-продуцента в каждом конкретном случае будет зависеть от условий и возможностей предприятия, ведущего биотрансформацию растительного сырья.

В ходе этого процесса может происходить не только количественное нарастание белка в продукте, но и повышение его качества (соотношения незаменимых и заменимых аминокислот), что зависит прежде всего от используемой микробной культуры. По содержанию некоторых незаменимых аминокислот микробные белковые препараты превосходят соевый шрот и рыбную муку, например по лизину, метионину, гистидину, треонину и триптофану.

В любом случае полученный конечный продукт будет комплексным, т.е. он будет содержать наряду с наросшей микробной биомассой остатки трансформируемой плотной питательной среды. В процессе твердофазной ферментации потребляется лишь часть содержащихся в исходном сырье крахмала, пектина, гемицеллюлозы, целлюлозы, т.е. получаемый комплексный препарат весьма богат углеводами, состав которых зависит как от вида мик­роорганизма, так и от химического состава перерабатываемого сырья.

Наряду с накоплением белка в процессе трансформации может быть в несколько раз повышено содержание липидов. Известно, что корма для животных должны быть сбалансированы не только по аминокислотам, но и по липидам, так как известно их значение как источников незаменимых полиненасыщенных жирных кислот, играющих определенную роль в процессах регуляции обмена веществ. В комплексном препарате, полученном, например, с помощью микромицетов рода Fusarium, преобладающими жирными кислотами являются пальмитиновая, стеариновая и олеиновая. Отмечено наличие очень важной, незаменимой ненасыщенной кислоты — линолевой, которая не синтезируется в организме животных. Арахидоновая кислота может образовываться в организме из линолевой. Эти кислоты играют большую роль в синтезе простагландинов, представляющих собой гормоноподобные вещества, принимающие участие в регуляции многих процессов, в том числе и стимуляции роста животных.

Производимые на сельскохозяйственном сырье продукты микробного синтеза в ходе роста микроорганизмов обогащаются целым комплексом ростовых веществ — каротином, витаминами группы В, аскорбиновой кислотой, витамином Е и т.д. При 5%-ной добавке дрожжей в корм степень покрытия потребности свиней в витаминах составляет в процентах: В₁ — 10—50, В₂ — 100, В₆ — 40, РР — 100. Помимо этого в таких препаратах могут содержаться комплексы гидролитических ферментов, оказывающих немаловажное влияние на перевариваемость кормов.

Использование микробных препаратов в питании. Микробные препараты весьма перспективны при использовании их в качестве компонентов кормов. Известно, что 10—20% белка в рационах сельскохозяйственных животных может быть заменено белком одноклеточных. Конечно, этот процент может варьировать в зависимости от штамма-продуцента, сырья, на котором он культивируется, способа культивирования. Например, скармливание животным препаратов, полученных с помощью дрожжей, дает заметный разброс по величине добавок, оптимальных для рациона: Candida tropicalis А—11 при глубинном культивировании на виноградных выжимках — 7% по протеину; Endomycopsis fibuliger С— 4 при твердофазной ферментации виноградных выжимок и отрубей (1:1) — 10—15% по протеину; Еndomycupsis fibuliger С-4 при глубинной ферментации на комплексных плодоовощных отходах — 21,5% по протеину. Превышение этих оптимальных доз нежелательно, так как, с одной стороны, иногда оно может приводить к снижению продуктивности животных, а с другой стороны, просто невыгодно экономически.

Введение микробных кормовых препаратов в рационы сель­скохозяйственных животных и птицы повышает их продуктивность, создает возможность обеспечивать длительное оптимальное течение обменных процессов в организме животного, полную и правильную реализацию его генетического потенциала (так называемые жизнеподдерживаюшие свойства). Естественно, что использование таких кормовых добавок может заметно улучшить экономические показатели, повысить прибыль предприятий, применяющих эту технологию. При этом качество животноводческой продукции, получаемой с применением микробных препаратов, не уступает таковому на обычных кормах.

Ограничивает широкое использование биомассы одноклеточных в рационах животных, а тем более в пище человека, высокое содержание в ней нуклеиновых кислот. Предлагаемые химические методы денуклеинизации микробных препаратов приводят в то же время и к потерям белка, что весьма нежелательно. Препараты, получаемые на растительном сельскохозяйственном сырье с помощью мицелиальных грибов, содержат около 1% нуклеино­вых кислот. Несколько больше содержание нуклеиновых кислот в дрожжевых препаратах, полученных на растительном сырье,- 3-4%.

Дрожжи как продуценты функциональных продуктов. В настоящее время для создания биологически активных добавок и продуктов используется ограниченный спектр микроорганизмов — в основном бифидо- и лактобактерий. Однако многие авторы отмечают перспективы использования микроорганизмов других таксономических групп, положительно влияющих на нормофлору животных и человека.

Дрожжи традиционно широко используются как источник белка и витаминов. Однако имеется много свидетельств о наличии у них парафармацевтических свойств.

Дрожжи достаточно давно и широко применяются в сельском хозяйстве именно как пробиотические добавки к корму. В развитых странах такие добавки вызывают повышенный интерес из-за законодательных ограничений использования кормовых антибиотиков. Животным скармливается растительный силос содержащий, значительные количества живых дрожжей, живые дрожжевые культуры вводят в рационы как эффективный стимулятор продуктивности.

В нашей стране дрожжеванные корма готовят на различном сырье: это фуражная мука, патока, виноградная, яблочная мука, опилки, солома, шелуха зерновых и другое сырье, которым располагают хозяйства. Из этих продуктов готовят жидкие питательные среды, засевают пекарские или кормовые дрожжи в чистом виде или в смеси с молочнокислыми бактериями, культивируют 6—9 ч, затем культуру убивают или скармливают в нативном виде. При такой ферментации применяются малоинтенсивные режимы перемешивания и аэрации, следствием чего является довольно низкое со­держание дрожжей в культурах ((1,0— 1,5) • 10⁶ клеток/см³). Тем не менее даже в таких концентрациях дрожжи дают бесспорный положительный эффект в животноводстве и птицеводстве.

Кормовые добавки, содержащие культуру Saccharomyces serevisiae, выращенную на среде из побочных продуктов зернопе-реработки, улучшают перевариваемость гемицеллюлозы и белков, стабильность рубцовой ферментации у молочных коров, постстрессовое потребление пищи у телят, а также производительность свиней в стадии финального откорма на рационе с низким содержанием фосфора.

Лечебно-профилактические дрожжевые добавки на основе ржаных отрубей способны обеспечить у поросят первого месяца жизни, подверженных различным желудочно-кишечным заболеваниям, профилактический эффект до 90%. Отмечается также высокий лечебный эффект (выздоровление до 75% заболевших животных и сокращение продолжительности болезни) при диарее телят, которым давали ферментированный дрожжами пшеничный шрот.

Исследование влияния пробиотической добавки, полученной путем гидролиза клеточной стенки лактозоутилизирующих дрожжей, на микробиоценоз кишечника цыплят на фоне антибиотикоассоциированного дисбактериоза показало выраженный эффект при введении в корм птицы 1 % пробиотика. Положительные изменения в микрофлоре происходили за счет быстрого восстановления популяционного уровня бифидобактерий и лактобацилл.

Эффективно зарекомендовал себя препарат Рекицен РД на основе дрожжей-сахаромицетов. При дозировке Рекицена РД телятам по 60—100 г в сутки отмечена профилактическая и лечебная эффективность до 80% по сравнению с контрольными группами животных; бактериологические исследования фекалий про­демонстрировали положительную динамику микрофлоры: снижение содержания протеев, клебсиелл, цитробактера, токсигенных эшерихий и нарастание концентрации бифидо- и лактобактерий до 10⁹—10¹⁰ клеток/г. Испытания антипатогенной кормовой добавки американского производства БИО-МОС из клеточных стенок дрожжей на свиньях показали, что этот продукт улучшает иммунный статус животных, повышает привес как у поросят-отъемышей, так и у взрослых свиней даже при параллельном добавлении других мощных стимуляторов роста.

Установлена нейтрализация токсичности белковых токсинов ботулинического типа А, шигеллезного и термолабильного энтеротоксина кишечной палочки с помощью высушенных культур винных дрожжей. На белых мышах показано, что 1 г дрожжевого препарата способен нейтрализовать около 900 мышиных ЛД₅₀ ботулинического, 9000 ЛД₅₀ шигеллезного токсина и 8600 ЕД₅₀ термолабильного эшерихиозного токсина.

Существует несколько механизмов, посредством которых осу­ществляются парафармацевтические свойства дрожжей. Дрожжи и продукты дрожжевой ферментации зернового сырья представляют собой уникальную субстанцию, обладающую способностью связывать токсигенные микроорганизмы и их метаболиты и нормализовать биоценозы ЖКТ высших животных. Главную роль в абсорбции патогенных бактерий играют содержащиеся в клеточных стенках дрожжей маннанолигосахариды (МОС). Известно, что патогены для прикрепления к эпителиальным клеткам кишеч­ника используют лектиновые рецепторы, которые обладают способностью распознавать углеводы, находящиеся на поверхности этих клеток. Частицы МОС устилают стенки кишечника, а так как они похожи на упомянутые выше углеводы, патогены прикрепляются к ним. Не обладая способностью ассимилировать МОС, токсигенные микроорганизмы погибают. При этом стимулируется лакто- и бифидофлора, обладающая необходимыми энзимати-ческими комплексами для ассимиляции МОС.

Токсиннейтрализующие свойства дрожжевых клеточных стенок используются при изготовлении биосорбента на основе винных дрожжей. Наряду с традиционными природными и синтетическими сорбентами дрожжевой биосорбент эффективно применяется для детоксикации пестицидов, содержащихся в виноградных соках и винах.

Дрожжевые экстракты являются достаточно эффективными радиопротекторами, т.е. они уменьшают повреждающее действие радиации на живые организмы и снимают радионуклидное заражение растительных субстратов. Имеются сообщения о противоопухолевой активности дрожжей Saccharomyces cerevisiae, Candida tropicalis, Cryptococcus albidus, Candida guilliermondii, Candida pseudotropicalis, Candida parakrusaee.

В Московском государственном университете пищевых производств и в ООО «ПИК 111» разработана технология универсального биологически активного полуфабриката пищи и кормов на базе сельскохозяйственного сырья и дрожжей. Предложено выделять дрожжевые культуры, перспективные для биоконверсии растительного сырья, из природных микробиоценозов растительного и животного происхождения. Наиболее перспективными продуцентами биомассы признаны термотолерантные дрожжевые и дрожжеподобные грибы родов Pichia, Rhodotortila, Candida и др., интенсивно растущие на твердофазных растительных субстратах.

Реальными субстратами биоконверсии являются вторичные продукты агропромышленных предприятий (послеспиртовая барда, отходы хранения и переработки плодоовощного сырья, навозные стоки животноводческих и птицеводческих хозяйств и т.п.). В качестве углеводистого сырья для дрожжевой биоконверсии предложены растительные субстраты с реакцией среды, близкой к нейтральной: зерно и продукты его переработки, клубни и корнеплоды. В их состав наряду с легкоусвояемыми продуктами входят целлюлозосодержащие формообразующие компоненты: отруби, соломенная или травяная мука, солодовые ростки и т.п. При твердофазной ферментации установлена более высокая удельная продуктивность биомассы дрожжей на единицу массы углеводистого субстрата, чем при глубинной ферментации. Культивирование дрожжей на твердофазных субстратах рекомендовано вести при перемешивании не чаще 1 раза за 2 часа, температуре 28—30°С в течение 24—48 часов. Установлена возможность сухого и жидкого фракционирования твердофазной дрожжевой биомассы, которая может быть рекомендована в качестве компонента пищевых продуктов, кормов или удобрений.

Организация линий, перерабатывающих агропромышленное сырье по предлагаемой технологии, весьма реальна на базе функционирующих предприятий агропромышленного комплекса с использованием сырья и отходов этих предприятий. Принципы конструирования модулей твердофазной биоконверсии этого сырья различных типоразмеров уже сформулированы.

Биотехнологии утилизации отходов сельского хозяйства

Старые технологии утилизации отходов стали убыточными. Возросла стоимость энергоносителей, а для хранения навоза или помета приходится выводить из оборота тысячи гектаров сельскохозяйственных угодий. Кроме того, размещение вблизи больших городов крупных животноводческих комплексов и птицефабрик приводит к загрязнению водных бассейнов и в целом окружающей среды.

Использование навоза в качестве только удобрения (традиционный способ) уже не может считаться универсальным и эффективным. Необходимы современные энергосберегающие эффективные технологии.

Технологии переработки помета, навоза путем обезвоживания и дальнейшей стерилизации весьма энергоемки. Термическая обработка жидкой или твердой фракции высокими температурами приводит не только к потерям элементов питания для растений, но и образованию канцерогенов. К тому же основными требованиями к технологиям переработки отходов животноводства и получения из них органических удобрений являются сохранение их биологической активности и максимальное содержание соединений азота, фосфора и других элементов.

Одним из возможных способов утилизации отходов животноводства является биологическая переработка с использованием микро- и макроорганизмов, позволяющая быстро и эффективно перерабатывать значительное количество навоза и помета.

Перспективным способом биологической утилизации отходов животноводства является культивирование на них микроорганизмов. Для ферментации навоза используют главным образом мицелиальные грибы (твердофазное культивирование), а на навозных стоках осуществляют глубинное культивирование бактерий, дрожжей и грибов. Выращивание бактериальных культур на отходах животноводческих комплексов не получило широкого распространения из-за ограниченного применения бактерий на кормовые нужды. Выращивание дрожжей позволяет произвести «облагораживание» стоков (свиноферм и ферм крупного рогатого скота) и получить дешевые кормовые добавки и бактериальные препараты.

Микробная биотехнология способна вовлечь в производство кормовых препаратов и добавок огромные массы жидких и плотных отходов агропромышленного комплекса растительного и животного происхождения.

Существует широкий круг микроорганизмов, способных потреблять вторичные продукты сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности с образованием микробной биомассы. Самыми перспективными являются быстрорастущие микроорганизмы, способные усваивать не гидролизованные сельскохозяйственные отходы. В наибольшей степени этим требованиям соответствуют мицелиальные грибы и дрожжи. Жидкие и плотные отходы могут быть трансформированы в кормовые препараты, обогащенные микробным белком. Известно, что концентрирован­ные стоки являются, по существу, готовой питательной средой для этих микроорганизмов, так как содержат все необходимые компоненты, включая витамины и микроэлементы.

Компостирование органических отходов с добавлением мик­роорганизмов, биоферментация помета и навоза при 70—85°С позволяют получать ценное органическое удобрение, необходимое для повышения плодородия почвы и получения экологически чистой сельскохозяйственной продукции.

Кроме того, рациональное использование животноводческих стоков позволяет получить дополнительный урожай, в денежном выражении оценивающийся эквивалентно использованию 650 тыс. т азотных, 300 тыс. т фосфорных и 600 тыс. т калийных удобрений на всей пашне Российской Федерации.

В целом же наилучшим способом удаления отходов по экономическим и экологическим соображениям является их использование в качестве вторичного сырья. Указанные выше способы биоконверсии отходов могут дать, иногда неожиданно, весьма существенный результат с благоприятными последствиями для развития биотехнологии и энергетики. К сожалению, большинство из них реализуется очень плохо.

По мере развития животноводства количество и качество отходов будет существенно увеличиваться и изменяться, и острота проблемы их утилизации усугубится. Усилия специалистов должны быть направлены на сохранение отходов, переработку и использование для увеличения продуктивности дешевого топливно-энергетического ресурса (жидкого или газового биотоплива).

Энергоемкие технологии по переработке навоза и помета не могут быть использованы в настоящее время, несмотря на их достоинство (технологическое). Ставится вопрос о разработке особой дешевой системы обработки и удаления отходов, их эффективного использования. Прежде всего это касается биотехнологических методов переработки отходов и превращения их в ценное сырье для получения кормов, горючих материалов, удобрений и сырья для химической промышленности.

Разработаны технологии утилизации отходов сельского хозяйства в специальных установках — биореакторах, биоферментерах (биоферментаторах), модулях, метантенках и т.д. В них, как правило, микробиологическая трансформация отходов осуществляется за счет аэробно-анаэробных процессов. Биотехнологии имеют существенные преимущества перед компостированием за счет снижения потерь питательных веществ в перерабатываемом исходном сырье, значительного повышения экологической чистоты конечных (вторичных) продуктов и сокращения времени переработки сырья.

Управление процессом биоферментации отходов позволяет интенсифицировать минерализацию исходного субстрата, активизировать биосинтез новых соединений и улучшить питательные свойства конечных целевых продуктов. «Сгорание» органической массы можно регулировать физическими, химическими и биологическими воздействиями. В последнем случае активизируются микроорганизмы исходного субстрата или внесенные смешанные микробоценозы, а их ферментные системы преобразуют субстрат в необходимом направлении, ускоряя процессы распада органического материала и микробного синтеза. Получаются продукты заданного качества, будь то органические удобрения или кормовые добавки, субстраты для микробиологической промышленности или почвогрунты для теплиц.

Получение водорода микробиологическим путем — биотехно­логическое решение XXI в. Водород является идеальным химическим носителем энергии. Сжигание его при высоких температурах дает большое количество полезной энергии с высоким КПД.

Микробиологическое получение водорода в настоящее время развивается, хотя прямое биотехнологическое получение водорода на основе процесса, аналогичного фотосинтезу, или анаэробного сбраживания дискутируется. Уже сейчас кажется, принципиально возможным путем комбинации техники фиксированных биокатализаторов и генной технологии на основе фотосинтезируюших биосистем достичь результатов, аналогичных результатам с фотоклетками. Для получения водорода из органических отходов путем анаэробной ферментации селекционируются новые виды микроорганизмов, способные производить водород вместо метана.

В Японии исследован процесс образования водорода из метана при сбраживании рисовой соломы, кухонных отходов, лошадиного навоза и метанового ила. Исследователи Великобритании изучили процесс образования водорода с помощью использующих метан бактерий Methylomonas alvus, Methylosinus trichosporium.

Производство биогаза в процессе метанового брожения широко распространено в мире. За счет конверсии отходов системой метаногенеза может быть получено условное топливо, измеряемое миллиардами тонн. Оставшуюся в результате метановой ферментации биомассу можно использовать как удобрение. Переработка отходов за счет метанового брожения — наиболее экономичный и эффективный метод очистки территорий, прилегающих к животноводческому комплексу. Конверсия биомассы животноводческих комплексов в газообразное топливо служит дополнительным энергоносителем в сельском хозяйстве. Переработка отходов метановым брожением — наиболее экономичный и эффективный метод очистки сточных вод, утилизации твердых отходов промышленности, сельского хозяйства, коммунально-бытовых отходов. Более 30 лет работают биореакторы на получение очищенного метана. Разрабатываются в основном методы очистки биогаза от примесей.

Для получения газа во Франции городские отходы подвергают ферментации в смеси с водорослями. Производительность таких установок составляет 421 л газа на 1 кг органического вещества. Газ содержит 60% СН₄ и 40% СО₂.

Большой производительностью по метану обладают разработанные в США биореакторы, использующие магнитотаксисные бактерии. В конструкцию биореактора включают устройство для создания внутреннего локального магнитного поля, привлекающего магнитотаксисные бактерии. Бактериальные продуценты биогаза мигрируют в область магнитного поля, концентрируются в окружающей зоне биореактора и не вымываются из него при вводе свежих порций органических отходов и удалении остатков.

Показана целесообразность добавок целлюлозосодержащих материалов в качестве косубстрата при осуществлении анаэробной ферментации свиного навоза в биогаз. Оптимальная концентрация целлюлозы в составе субстрата (навоз с содержанием сухих веществ 2,8—3,0%) — 40 г/л, выход биогаза — 0,6 л на 1г целлюлозы.

Технология получения молочной кислоты разрабатывается в Санкт-Петербургском государственном университете. Используются нетрадиционные источники углерода или отходы и побочные продукты пищевой и перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства. Эффективные штаммы бактерий рубца животного ферментируют различные крахмалсодержащие субстраты с выходом молочной кислоты.

Рекомбинантный штамм дрожжей, содержащий ген лактатде-гидрогеназы (ldh), в больших количествах может продуцировать молочную кислоту. При производстве молочных продуктов (сыра, творога) в процессе получения белкового сгустка из молока выделяется молочная сыворотка, которая содержит 50% сухих веществ молока. Молочная сыворотка — нестойкое сырье, которое необходимо либо немедленно использовать, либо законсервировать. Используют ее для добавления в корма, получения напит­ков и лактозы, обогащения пищевых продуктов и полуфабрикатов, а также в качестве питательной среды для микроорганизмов при получении молочной кислоты, спирта, кормовых дрожжей и др. По статистическим данным. 48—88% получаемой во всем мире сыворотки идет на корм скоту, 0,5—4,0% — на технические и 7—52% — на пищевые цели.

Состав молочной сыворотки заметно варьирует в зависимости от качества исходного сырья, характера готового продукта, способа отделения белка (сквашивание, ферментный способ). Наличие в сыворотке легкоусвояемых источников углерода (лактоза — молочный сахар, в меньших количествах — глюкоза, галактоза и др.) и ростовых веществ позволяет считать ее перспективным сырьем в биотехнологических процессах.

На молочной сыворотке можно выращивать поверхностным и глубинным способами микроскопические грибы (Penicillium rogueforti, Rhizopus oligosporus, Morchella и др.). В Канаде разработан способ выращивания культуры сморчков с выходом биомассы гриба около 25—26 г/л. Известны способы получения кормовых биомасс на основе смешанной культуры микроскопических грибов и бактерий (Lactobacterium, Pseudomonas, E. coli, Candida utilis, Brettanomyces anomalis и др.). При культивировании дрожжевых микроорганизмов на сыворотке необходимо внесение дополнительных источников азота в виде мочевины, сернокислого аммония и аммиака в количестве до 1%, что способствует повышению содержания белка в дрожжах в 2-4 раза.

Главное достоинство перспективных биотехнологий переработки отходов — экономичность и экологичность. Снижение количества загрязнений при внедрении новых технологических приемов и процессов должно достигаться за счет использования отработанных продуктов, автоматизированного управления процессами, использования быстрорастущих суперактивных штаммов микроорганизмов, адаптированных к деградации определенных субстратов, или полученных методом генной инженерии новых микроорганизмов или их сообществ.

В любом случае по теории стабильного развития органические отходы должны рассматриваться как источник питательных веществ, как носитель энергии. Существующие отходы должны утилизироваться, когда это технически возможно и когда стоимость этого является разумной. Только в исключительных случаях отходы отправляются на свалку или длительное хранение.

Получение спирта-сырца из муниципальных отходов. Просеянные и измельченные отходы в количестве 6—8% сухого вещества от рабочего объема вместе с питательными солями и водой стерилизуют, что позволяет одновременно запарить сырье и деаэрировать питательную среду. Подают засевной материал из инокулятора в количестве 15—20% от рабочего объема. Ферментацию продолжают семь суток при периодическом перемешивании и рН 5,0. В ходе ферментации периодически создают вакуум (46,1 кПа) для отделения и конденсации паров этанола (спирта-сырца). В зависимости от степени конверсии углеводных фракций субстрата предусматривается замкнутый цикл непереработанного сырья. По окончании ферментации твердый осадок отделяют от жидкости и используют в качестве удобрения или структуратора почвы. Культуральную жидкость направляют в инокулятор для дальнейшего наращивания биомассы бактерий. Спирт-сырец отправляют на дальнейшую очистку ректификацией.

Биоконверсия теоретически позволяет получать спирт при рентабельности 65—70%. При ферментации древесных опилок с содержанием лигнина 22% с учетом 86%-ной (минимальной) степени конверсии углеводной части сырья выход этанола составляет 28,7% от исходного количества сырья. Для ферментации соломы теоретический выход этанола — 32,6% от исходного сырья; для пшеничных отрубей — 15,2%. Продолжительность ферментации при этом 7—10 суток (для опилок и древесных отходов).

В ФРГ получают этанол из растительных, сельскохозяйственных и пищевых отходов с помощью катализаторов, потребляя менее 1% энергии. Микроорганизмы полностью перерабатывают исходное сырье, побочные продукты (витамины, белки, биологические удобрения) разделяют на ионообменниках. При переработке домашних отходов получают спирт и метан, используемые в качестве энергоносителей.

Главным преимуществом биоконверсии является экологическая чистота, связанная с сокращением или полным отсутствием фенола, фурфурола, формальдегида, неорганических кислот и других токсичных веществ, накапливающихся в местах размещения целлюлозно-бумажных комбинатов и мусорных свалок. Технология переработки является безотходной, так как все продукты могут реализоваться (этанол, этанол-ацетатная смесь, незакисленный лигнин для адсорбирующих препаратов, диоксид углерода). При этом используется широкий список потребляемых (перерабатываемых) субстратов и смешанные и монокулътуры бактерий, способные конвертировать целлюлозосодержащие материалы.

Для обеспечения стабильности accоциаций микроорганизмов разработаны различные комбинации (например, одна из них: Clostridium, Thermoanaerobium и Thermonaerobacter) и методы их хранения, выбор рабочей смешанной культуры бактерий в зависимости от вида целлюлозосодержащего сырья и типа целевого продукта.

Кроме того, для ферментации отработаны режимы аэрации, способствующие суспендированию твердой фазы и активизации процесса, а дробная подача исходного субстрата в ферментационный объем повышает степень конверсии сырья на 50%. Предлагаются возможные схемы процессов утилизации различных промышленных, сельскохозяйственных и муниципальных целлюлозосодержащих отходов.

Продукты вермикультивирования. В животноводстве биомасса червей — эффективный корм для кур, уток, индеек, морской и пресноводной рыбы. Она содержит 60-80% протеина, 9% липидов и 7—16% азотистых веществ. Высокое содержание сбалансированных аминокислот, в том числе и незаменимых, провитаминов D, водорастворимых витаминов свидетельствует о том, что биомасса червей является ценной кормовой добавкой. Черви пригодны для скармливания свиньям, бычкам в сыром и вареном виде. Биомассу красного червя можно использовать в виде пасты для кормления аквариумных рыб. Обезвоженная биомасса червей также представляет собой весьма ценный материал, полезные минеральные вещества. В их состав входят макро- и микроэлементы.

В фармакологии могут использоваться экстракты из биомассы червей для обработки лишаев как противораковые препараты, как лечебное средство при заболеваниях глаз, в косметической промышленности — как биодобавки в шампуни, защитные кремы, лосьоны и др. Дождевые черви в китайской медицине используются около двух тысячелетий. В настоящее время в Китае изго­товлена антивирусная и антиопухолевая сыворотка Е76.

В питании человека используются черви, выращенные определенным способом. При подборе способа разведения червей для приготовления блюд важным является не только размер особей, но и субстрат, на котором их разводят, так как он определяет окраску и вкус дождевых червей. Нельзя использовать для пищевых целей дождевых червей, питавшихся навозными компостами. Дождевые черви содержат 60—70% белка, дешевого и полезного. Приготовление блюд из дождевых червей требует специальных знаний по отбору, чистке, хранению и использованию исходного материала. Готовят червей с крабами, омлет с червями, паштеты и др. В зависимости от применяемых специй рецептура блюд меняется.

В земледелии вермикультура и «биогумус» положительно влияют на плодородие почвы. В процессе переваривания органического вещества в кишечнике червей формируются гумусовые вещества, в том числе высокомолекулярные органические кислоты. Концентрация их в копролитах червей, питающихся навозом, в несколько раз выше, чем в исходном субстрате. При переработке дождевыми червями 1 т навоза в перерасчете на сухое вещество получается 600 кг сухого удобрения с содержанием органического вещества 25—40% и более. В этом удобрении содержится азот, фосфор, калий, а также многие микроэлементы. При удобрении почвы биогумусом повышается ее биологическая активность, а выращенная продукция практически не содержит нитратов и тяжелых металлов.

Из микрофлоры, выращенной на стоках свинокомплексов, получают новые виды микробных удобрений. Микробная ассоциация их на почвах всех типов проявляет фосфатмобилизующую активность. Содержание доступного фосфора увеличивается на 15—29% при внесении одной дозы. Введение в компостируемую массу муниципальных отходов микробных удобрений (БАМИЛ) положительно влияет на интенсивность процесса компостирования, главным образом за счет изменений в микробном сообще­стве, ответственном за биоферментацию.

Продукты утилизации отходов синантропными мухами. Наряду с биоперегноем и биомассой насекомых технология выращивания опарышей позволяет получить из органических отходов витамин В₁₂, незаменимые аминокислоты, высокоценный жир, биостимуляторы роста и развития растений и животных, биологически активные и экологически безвредные дезинфектанты, антисептики и ряд других высокоценных веществ и соединений.

Продукты термофильной переработки отходов животноводства кроме биокомпоста или органического удобрения могут быть использованы как бактериальные препараты защитного действия от фитопатогенов, кормовые добавки (премиксы) для пушных зверей, птицы, рыбы и др.

Библиографический список

1. Госманов Р.Г. Практикум по ветеринарной микробиологии и иммунологии. /Госманов Р.Г., Н.М. Колычев, А.А. Барсков//. Второе издание, переработанное и дополненное. Омск. Издательский дом «ЛЕО», 2008,312 с.

2. Госманов Р.Г. Ветеринарная вирусология/ Госманов Р.Г., Н.М. Колычев, В.И.Плешакова//. СПб: Издательство «Лань», 2010, 480 с.

3. Госманов Р.Г. Основы противовирусного иммунитета /Р.Г.Госманов, Н.М.Колычев //. Омск. Изд-во ОмГАУ, 2002, 124 с.

4. Госманов Р.Г. Санитарная микробиология /Госманов Р.Г., А.Х.Волков, А.К.Галиуллин, А.И.Ибрагимова//. СПб: Издательство «Лань», 2010, 240 с.

5. Госманов Р.Г. Микробиология. /Госманов Р.Г., А.Х.Волков. А.К.Галиуллин, А.И.Ибранимова//. СПб: Издательство «Лань», 2011, 496 с.

6. Колычев Н.М., Кисленко В.Н., Госманов Р.Г. Руководство по микробиологии и иммунологии. /В.И.Плещакова, Колесникова О.П., Зыкин П.Ф., Белов Л.Г. //. Новосибирск. Арта, 2010, 356 с.

7. Колычев Н.М. Основы учения об инфекции и противомикробном иммунитете /Н.А.Колычев, А.А.Новицкий, Р.Г.Госманов, Т.Г.Попова//. Омск. Изд-во ОмГАУ, 2012, 279 с.

8. Колычев Н.М. Ветеринарная микробиология и иммунология. Третье издание, переработанное и дополненное. /Колычев Н.М., Р.Г.Госманов//. Москва. КолосС, 2006, 432 с.

9. Микробная биотехнология. Издание второе, переработанное и дополненное. /Под редакцией О.Н. Ильинской, И.Б. Лещенской, М.Б. Куренко, В.И. Вершинина и др.//. Казань. Казанский государственный университет им. В.И.Ульянова-Ленина, 2007, 426 с.

10. Сельскохозяйственная биотехнология. Под редакцией академика РАСХН В .С.Шевелухи. Издание второе, переработанное и дополненное. /В.С. Шевелуха, Е.А. Калашникова, Е.С. Воронин и др.//. Москва, «Высшая школа», 2003, 469 с.

11.Тихонов И.В. Биотехнология. /Тихонов И.В., Е.А.Рубан, Т.Н. Грязнева, А.Я. Самуйленко, В.И. Гаврилов//. Санкт-Перербург, ГИОРД, 2005, 375 п.л.

Оглавление

стр.

Тема 1. Характеристика производства основных ветеринарных

препаратов………………………………………………………………..3

Тема 2. Требования к оборудованию процессов в биотехнологии

и методы их совершенствования………………………………………..5

Тема 3. Стадия приготовления посевного материала…………………………11

Тема 4. Стадия приготовления питательных сред…………………………….12

Тема 5. Характеристика основных питательных сред………………………..16

Тема 6. Аппаратурное оформление процессов приготовления

питательных сред……………………………………………………….21

Тема 7. Термическая периодическая стерилизация питательных сред……...21

Тема 8. Непрерывная термическая стерилизация питательных сред………..23

Тема 9. Холодная стерилизация. Стерилизация, фильтрация………………..23

Тема 10. Механизмы фильтрации газов………………………………………..24

Тема 11. Конструкция воздушных фильтров………………………………….26

Тема 12 .Промышленная система очистки и стерилизации воздуха………...30

Тема 13 .Стерилизация воздуха, выходящего из биореактора ………………32

Тема 14. Производство бактериальных антигенов-диагностикумов………...33

Тема 15. Производство аллергенов ……………………………………………36

Тема 16. Производство субъединичных вирусных вакцин…………………...39

Тема 17. Производство молекулярных и химических вакцин………………..40

Тема 18 .Приготовление вирусных антигенов-диагностикумов……………..42

Тема 19. Методы высушивания биопрепаратов………………………………43

Тема 20. Консервация клеточных культур…………………………………….45

Тема 21. Биоконверсия отходов сельского хозяйства………………………...50

Тема 22. Растительные, животные и твердые отходы. Сточные воды………58

Тема 23 .Культивирование микроорганизмов на отходах

сельскохозяйственного производства………………………………..64

Тема 24. Биотехнологические целевые продукты из отходов сельского

хозяйства………………………………………………………………76

Библиографический словарь……………………………………………………91

Оглавление……………………………………………………………………….92

92