Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЛИТЕРАТУРА по дисциплине Биореакторы_СТУДЕНТАМ / Прикладная_экобиотехнология_учебное_пособие_том 1.pdf
Скачиваний:
2770
Добавлен:
13.03.2016
Размер:
21.77 Mб
Скачать

318

Глава 3

 

 

1

2

Резинотехнические

Биологическая девулканизация, активирование вулканиза-

изделия

ции, биомодификация

 

 

Минеральные и древес-

Биомодификация

ные строительные мате-

 

риалы, пластики

 

Пластики

Биодеструкция и биодеградация, получение биопластиков

 

и биоразлагаемых полимерных материалов

 

 

Радиоактивные отходы

Биодеструкция, биовыщелачивание, биосорбция

и материалы

 

 

 

3.2.Микробиологическая переработка органических отходов

Из различных биологических методов переработки отходов наиболее широко используются микробиологические. Способность микроорганизмов и их ферментов потреблять органические вещества различного строения, разлагать или трансформировать природные биополимеры лежит в основе получения многих полезных продуктов микробиологического синтеза и переработки отходов. Методы экобиотехнологии применяют для переработки углевод-, белок- и жиросодержащих жидких отходов, растительной биомассы, твердых бытовых отходов, активного ила и др.

Возможные варианты переработки растительного сырья и целлюлозосодержащих отходов представлены на рис. 3.3.

Наиболее крупномасштабные промышленные микробиологические процессы переработки органических отходов:

получение кормовых продуктов, обогащенных микробным белком, или в общем случае – белком одноклеточных организмов (БОО),

силосование,

компостирование,

анаэробное сбраживание, биоконверсия в топливо (в этанол, получение биогаза – метаногенерация, прямая конверсия в тепло).

3.2.1. Обогащение кормовым белком

Обогащение кормовым белком – один из вариантов переработки биомассы растений и различных органических отходов, в основном углевод- и целлюлозосодержащих.

Растительная биомасса является основным источником кормов для сельскохозяйственных животных. Однако кормовая ценность большинства растений низкая из-за невысокого содержания белка и кормовой несбалансированности. Поэтому используют белковые добавки, которые позволяют балансировать ра-

отходов органических Переработка

Рис. 3.3. Биоконверсия растительного сырья в полезные продукты

319

320

Глава 3

ционы необходимыми кормовыми компонентами. В этих целях в животноводстве обычно используются рыбная и мясокостная мука, зернобобовые культуры, соя, люцерна, клевер, подсолнечник, рапс и др. Извлекая и концентрируя белок из этих растений, получают еще более высокопитательный корм. Мировые цены на кормовые препараты устанавливаются по количеству протеина: ~8 долл. США за 1% протеина в 1 т корма.

Во многих странах в качестве основной белковой добавки используют соевую муку, 80–90% мирового экспорта которой приходится на США. Почвенноклиматические условия России не являются благоприятными для культивирования сои, а потребность в кормовых добавках не обеспечивается за счет других источников.

Таблица 3.11.

Количество белка, которое может быть получено с 1 га сельхозугодий при культивировании и переработке различных сельскохозяйственных растений и их отходов

Наименование

Количество

Содержание в сырье, кг/т

Сырой

сырья

продукта

 

 

протеин,

 

(отхода), т/га

сахара

сырого протеина

кг/га

 

 

 

 

 

Зеленая масса

38,8

27

13

504

кукурузы

 

 

 

 

Кукуруза (початки)

6,1

60

29

177

 

Горох (зерно)

2,0

55

220

440

 

Соя (бобы)

3,5

40

320

1120

 

Свекла (клубни)

 

 

 

 

– сахарная

30,2

120

16

483

 

– полусахарная

38,2

80

16

611

 

– кормовая

40,8

40

13

530

 

Топинамбур

10,9

63

22

240

 

Свекловичный жом

27,6

50

12

331

 

Свекловичный бой

3,0

2,8

16

48

 

Кукурузная мезга

4,8

65

25

120

 

В бывшем СССР для удовлетворения потребностей животноводства было налажено крупнотоннажное микробиологическое производство по выпуску белка одноклеточных организмов, который по полноценности не уступает белку животного происхождения и соевому. Считалось, что поскольку для получения растительного белка требуются большие площади посевов (табл. 3.11), а конверсия растительного сырья в микробный белок в несколько раз выше по сравнению с таковой в белок птицы, свиней или крупного рогатого скота (табл. 3.12), производство кормового микробного белка на относительно дешевых по тому времени органических субстратах (древесина, продукты нефтепереработки, спирты, природный газ) обеспечит потребность страны в кормовом белке при значительной экономии в площадях посевов и удешевлении кормов (табл. 3.13).

Переработка органических отходов

321

Таблица 3.12.

Cравнительные показатели конверсии растительного корма в белок коров, свиней, кур и дрожжей р. Candida

 

Исходный продукт

 

Продукция

 

 

белок, г

 

 

общая, г

Корова

1 кг корма

14

 

68 говядины

Свинья

то же

41

 

200

свинины

Курица

то же

49

 

240

мяса

Дрожжи

1 кг углеводов +

до 250

 

до 2000 (сырая клеточ-

р. Candida

неорганический азот

 

 

ная масса)

Таблица 3.13.

Сравнительная экономическая эффективность сельскохозяйственного и промышленного микробного белка (в бывшем СССР в ценах 1989 г.)

Белоксодержащие продукты

Содержание

Оптовая цена

Цена 1 т белка,

 

белка, %

1 т, руб.

руб.

 

 

 

 

Гаприн (микробная масса на газе)

70

780

1114

Горох

22

179/286*

814/1300

Рапс

25

400/534

1600/2136

Соя

33

450/521

1364/1579

Рыбная мука

59

1100

1864

Мясокостная мука

46

258

561

Цена белка в среднем по стране

54

703

1302

 

 

 

 

* Приведены минимальная и максимальные цены.

В США опыт производства кормового микробного белка показывал его боqльшую стоимость по сравнению с соевым и другими источниками белка (табл. 3.14).

Основной стадией производства кормового микробного белка (белкововитаминного концентрата, БВК), налаженного в СССР, являлась переработка органического сырья (н-алканов, природного газа, этанола, метанола, гидролизатов древесины и др.) в биомассу дрожжей (товарные продукты «паприн», «эприн», «гиприн») или бактерий (продукты «гаприн», «меприн») путем непрерывного аэробного культивирования микроорганизмов на водно-минеральной среде с органическим субстратом. Выращенная биомасса микроорганизмов концентрировалась и высушивалась.

Таблица 3.14.

Сравнение отпускной цены белковых продуктов в США, получаемых из некоторых одноклеточных организмов, растительных и животных источников

Продукт, субстрат и качество продукта

Содержание

Цена, долл.

 

белка в про-

США за 1 кг,

 

дукте, %

в ценах 1979 г.

 

 

 

1

2

3

 

 

 

Белок одноклеточных организмов

 

 

Candida utilis, этанол (пищевой)

52

1,32–1,35

 

 

 

322 Глава 3

Окончание таблицы 3.14.

1

2

3

Kluyveromyces fragilis, молочная сыворотка (пище-

54

1,32

вой продукт)

 

 

Saccharomyces cerevisiae, отходы пивоваренного

52

1,0–1,2

производства, лишенные горьких примесей (пи-

 

 

щевой продукт)

 

 

Saccharomyces cerevisiae, кормовой продукт

52

0,39–0,50

Растительные белки

 

 

– люцерна обезвоженная

17

0,12–0,13

– соевая мука

49

0,20–0,22

– концентрат соевого белка

70–72

0,90–1,14

– чистый соевый белок

90–92

1,96–2,20

Животные белки

 

 

– рыбная мука (перуанская)

65

0,41–0,45

– костная мука и мука из мясных отходов

50

0,24–0,25

– сухое обезжиренное молоко

37

0,88–1,00

Таблица 3.15.

Структура затрат по стадиям технологического процесса для производства БВК на парафинах в условиях бывшего СССР

(в ценах 1970-х гг.)

Стадия техно-

Сырье

Топливо

Эксплу-

Зар-

Прочие

Итого

 

логического

и мате-

и энергия

атация

плата

расходы

 

 

 

процесса

риалы

 

оборудо-

 

 

 

 

 

 

 

 

вания

 

 

руб./т

 

%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ферментация

129,2

49,8

5,5

1,0

16,2

201,7

 

78,2

Сепарация

7,6

1,4

1,3

0,9

11,2

 

4,2

Выпарка

6,1

1,4

0,4

0,8

8,6

 

3,3

Сушка

24,7

3,8

1,8

2,4

32,7

 

12,7

Упаковка

2,0

0,3

0,4

0,6

0,6

3,7

 

1,5

Итого руб./т

132,2

88,4

12,4

5,0

20,9

258,0

 

%

51,1

34,0

4,8

2,0

8,1

 

100

Развитие крупнотоннажных производств стимулировалось относительно низкой стоимостью сырьевых и энергетических ресурсов: н-парафинов нефти, природного газа, спиртов, растительного сырья, электроэнергии, нефти и нефтепродуктов. В бывшем СССР при высокой доле сырья и энергоресурсов в себестоимости продукции, расходах на стадию ферментации около 60–90% от всех затрат на технологический процесс (табл. 3.15, 3.16) и невысокой доле затрат на заработную плату (в 2–5 раз ниже, чем на аналогичных зарубежных производствах, табл. 3.17) это приводило в целом к меньшим затратам на производство микробного белка по сравнению с растительным.

Переработка органических отходов

323

Таблица 3.16.

Расходы на производство паприна (в бывшем СССР на 1 т в ценах конца 1970-х гг.)

Стадия технологического

Без учета сырья

С учетом сырья (цена пара-

процесса

 

 

фина 129 руб./т)

 

руб./т

%

руб./т

%

 

 

 

 

 

Ферментация

70,6

56

201,7

78,2

Сепарация

11,1

8,8

11,1

4,3

Выпарка

8,6

6,8

8,6

3,3

Сушка

32,7

25,6

32,7

2,7

Упаковка

3,7

2,8

3,7

1,5

 

 

 

 

 

Таблица 3.17.

Структура затрат (в %) для производства БВК на различных субстратах в бывшем СССР и ее сравнение с зарубежными аналогами (в ценах 1970-х гг., руб.)

Статьи расхода

Парафины, СССР/Италия

Метан СССР

Сульфатно-спирто- вая барда, Финлянд.

Метанол, СССР/Англ.

Этанол, СССР/Чехословак.

Гидролизаты древесины , СССР

Багасса, США

Молочная сыворотка (1000 т/год по сыворотке), СССР

Стандартный биопроцесс в США

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сырье и

39

35

55,1

47

77

38–42

43,6

15–25

37

вспомог.

58,5

 

 

73,8

77,1

 

 

 

 

мат-лы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Топливо

32

41

24,8

29

13

15–22

36,6

23–25

22

и энерг.

23,8

 

 

14,2

12,0

 

 

 

 

Аморти-

18

14

 

14

6

17–26

 

12–15

17

зация и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содерж.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оборуд.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Трудо-

3

4

11,0

3

2

3–4

8,3

14–17

15

вые зат-

8,4

 

 

6,2

5,1

 

 

 

 

раты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прочие

8

6

9,1

7

2

8–25

11,5

26–29

9

расходы

9,3

 

 

5,8

5,8

 

 

 

 

С переходом России к новым экономическим условиям и ростом цен на невозобновляемое сырье крупнотоннажное производство кормового белка одноклеточных организмов стало нерентабельным, что привело к остановке и ликвидации большинства отечественных производств. В ныне существующих условиях цена возобновляемого растительного сырья, различных углеводсодержащих отходов и вторичных сырьевых ресурсов остается невысокой, что при одновременном решении экологических задач создает основу для увеличения