ВВЕДЕНИЕ 3
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 5
Особенности работы биогазовой станции «Лучки» 5
Принципы и технический регламент работы станции 5
Параметры, характеризующие технологический 6 процесс метаногенеза
Субстраты метаногенеза и пути оптимизации их 8 использования
Теоретические основы синтеза и применения 11 ферментов
Принципы биосинтеза и структурной организации 11 молекулы фермента
Свойства протеиногенных аминокислот как 23 химическая основа структуры фермента
Создание штаммов-продуцентов и промышленное 29 производство ферментов
Проблема гидролиза высокомолекулярных соединений 30 в переработке органических отходов
Потенциальный эффект применения ферментных 32 препаратов в биогазовом производстве
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 35
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 40
Определение оптимального количества энзимов. 40
Влияние энзимов различных классов на 41
эффективность разложнения субстрата
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 49
ПРИЛОЖЕНИЕ
Проблема переработки органических отходов агропромышленного комплека является актуальной проблемой для нашего региона ввиду интенсивного роста сельхозпроизводства и необходимости обеспечить максимально эффективную утилизацию всех побочных продуктов для повышения окупаемости сельхозпредприятий и повышения тем самым их экономической устойчивости. Биогазовые производства продемонстрировали способность решать эту проблему, перерабатывая более 80 % органического вещества отходов в метан в составе биогаза, который может быть в дальнейшем использован для выработки электроэнергии или для отопления помещений. Технология анаэробного сбраживания, применяемая для производства метана из органических отходов, основывается на поэтапном разложении сложных органических веществ до более простых, их сбраживаниии до летучих жирных кислот и переработке этих кислот в метан и углекислый газ, являющиеся основными компонентами биогаза. Различными путями полученный биогаз обогащается метаном за счёт частичного удаления углекислого газа, при этом повышается его теплотворность и эффективность использования запасённой в нём химической энергии (Khan, 2017).
Технология анаэробного сбраживания продолжает развиваться, для интенсификации работы используемого микробного сообщества применяются различные подходы. Одним из таких подходов является использование ферментных препаратов, обеспечивающих ускоренное расщепление исходных органических веществ, поступающих в реактор в виде субстратов (Christy, 2014).
В целом, основным подходам к интенсификации процесса метаногенного брожения можно отнести:
- ускорение сбраживания сырья;
- увеличение степени биологического разложения сырья в ходе процесса брожения;
- увеличения содержания метана в биогазе и т.д.;
Одним из способов, позволяющих интенсифицировать процесс брожения, является введение дополнительных энзимов, направленных на деструктуризацию определенных органических составляющих, входящих в состав загружаемой биомассы.
Цель работы: Провести исследование влияния ферментных добавок на протекание процесса анаэробного брожения в условиях действующей биогазовой станции.
Задачи:
1. Определить оптимальные соотношения количества энзимов и разлагаемого субстрата в лабораторных условиях
2. Изучить влияние энзимов классов протеаз, пектиназ и целлюлаз на эффективность разложнения субстрата и выход биогаза.
В рамках данной работы, в условиях лабораторной биогазовой установки было проведено испытание трех видов ферментов, производства компании Novozymes (Дания), испытанных на кукурузном силосе (как источнике целлюлозы), боенских отходах (как источнике белка) и жоме сахарной свеклы (как источнике пектина).
Нами было проведено два эксперимента по выявлению влияния энзимов на процесс получения биогаза.
Первый эксперимент проводился с целью определения оптимального количества вносимых в бродильный субстрат энзимов, в ходе второго эксперименто проведен анализ влияния энзимов классов протеаз, пектиназ и целлюлаз на эффективность разложнения субстрата, посуточный и суммарный выход биогаза.
Нами было выявлено, что Повышенная концентрация целлюлозоразрушающих ферментов приводит к угнетению активности метанообразующих микроорганизмов. Это может быть связано с предполагаемым увеличением концентрации промежуточных продуктов метанового брожения, таких как летучие жирные кислоты, образующихся на первых этапах брожения (гидролиз, кислотообразование). В связи с внесением в ферментер больших концентраций целлюлозоразрушающих ферментов при загрузке основного субстрата (кукурузного силоса) скорость разрушения целлюлозы с образованием промежуточных продуктов могла быть больше скорости, с которой метаногенные микроорганизмы могли утилизировать данные промежуточные продукты, образовывая метан. В результате, повышенные концентрации промежуточных продуктов, таких как летучие жирные кислоты, и могли ингибировать метаногенные микроорганизмы. При внесении частями однократной нормы целлюлозоразрушающих ферментов незначительное угнетение метаногенеза наблюдалось в первую неделю эксперимента, при расходе энзимов после 6 дня эксперимента отмечен рост выработки биогаза, что указывало на оптимальное развитие метанообразующей микрофлоры.
Использование энзимов различных классов на таких субстратах как жом сахарной свеклы, кукурузный силос и боенские отходы показало наибольшую эффективность в эксперименте со свекловичным жомом и добавлением энзима SB2 уже на 5 сутки эксперимента. Протеолитический фермент SH3 не оказал положительного влияния на выход биогаза с применением боенских отходов в каченстве субстрата, напротив, наблюдалось незначительное снижение выхода биогаза по сравнению с контролем, также не обнаружено достоврного влияния фермента С1 при добавлении его к кукурузному силосу.
Исходя из результатов проведенных экспериментов, можно
сформулировать следующие выводы:
1. Наибольшее возрастание активности метанообразующих бактерий в субстрате наблюдается при единоразовом внесении однократной нормы комплекса целлюлозоразрушающих ферментов.
2. При добавлении фермента SB2 при использовании жома в качестве бродильного субстрата наблюдается значительное увеличение выработки бирогаза по сравнению с контролем с начала процесса ферментации.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
