ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
1.1. Биоэнергетика как основное направление биотехнологии 9
1.2. Устройство биогазовой установки и принцип работы 10
1.3. Образование биогаза. Технологические стадии процесса 20
1.3.1. Первая стадия. Ферментативный гидролиз 20
1.3.2. Вторая стадия. Ферментация 22
1.3.3. Третья стадия. Анаэробное окисление 25
1.3.4. Четвёртая стадия. Образование метана 29
1.4. Компоненты, необходимые для жизнедеятельности
микроорганизмов 31
1.4.1. Источники энергии 31
1.4.2. Акцепторы электронов 32
1.4.3. Строительные блоки 34
1.4.4. Микроэлементы и витамины 35
1.5. Факторы, влияющие на микроорганизмы 36
1.5.1. Температура 36
1.5.2. Аэрация 39
1.5.3. Кислотность среды 41
1.5.4. Воздействие солей на жизнь и деятельность
микроорганизмов 42
1.6. Перспективы развития технологии в России 43
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ 45
2.1. Объект исследования 45
2.2. Методы исследования 46
2.2.1. Анализ микрофлоры эффлюента методом разбавления 46
2.2.2. Методы микроскопического исследования
микроорганизмов 50
2.2.3. Методы исследования биологической активности 51
2.2.3.1. Метод сахаролитической активности микроорганизмов... .52
2.2.3.2. Метод определения протеолитической активности
микроорганизмов 54
2.2.4. Метод определения микроорганизмов до вида 55
2.2.5. Статистическая обработка цифровых данных 58
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 61
3.1. Групповой анализ микрофлоры побочного продукта производства
биогаза. Численность микроорганизмов, выросших на питательных средах 61
3.2. Микроскопическое исследование микрофлоры эффлюента 63
3.3. Статистическая обработка цифровых данных 67
3.3.1. Обработка цифровых данных методом дисперсионного
анализа 67
3.3.2. Обработка цифровых данных разностным методом 71
3.4. Видовое определение микроорганизмов выделенных в чистую культуру 78
3.5. Сравнение интенсивности протекания качественной реакции....7 9
3.5.1. Данные полученные в ходе проведения реакции на
сахаролитическую активность 79
3.5.2. Данные полученные в ходе проведения реакции на
протеолитическую активность 82
3.5.3. Данные полученные в ходе проведения реакции на каталазную
активность 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 88
Применение в сельском хозяйстве, в частности животноводстве, технологий интенсифицирующих их производительность, неминуемо привело к образованию и накоплению большого количества различных отходов. На сегодняшний день в нашей стране в зонах интенсивного развития аграрной промышленности, активно внедряются новейшие системы контролируемой переработки отходов - биогазовые станции. (2,3,9)
Современные технологии открывают широкий спектр возможностей переработки в биогаз практически любых видов органического сырья. Наиболее эффективно использование биогазовых технологий для переработки отходов животноводческих и птицеводческих ферм, очистки сточных вод, поскольку характеризуется постоянством потока поступающих отходов, а также простотой их сбора. В этих условиях рентабельно строить биогазовые станции вблизи агропромышленных комплексов. Системный подход в производственной деятельности, когда отходы перерабатываются по технологической цепочке и становятся началом следующего этапа, позволяют минимизировать урон от выброса загрязняющих веществ в окружающую природную среду. (2,19,25)
Обычно под биогазовой станцией понимают систему инженерных сооружений, состоящую из устройств по подготовке сырья, производств биогаза и удобрений, очистки и хранения биогаза, производства электроэнергии и тепла, а также автоматизированной системы управления процессами.(2,21)
Так, в процессе анаэробной переработки сырья животноводческих ферм, в метантенках биогазовых станций образуется горючий газ, состоящий на 60% из метана, и твердый осадок, содержащий в себе практически весь азот и другие питательные вещества, входящие в состав исходного материала. Активный обмен веществ и довольно высокая скорость биохимических обменных реакций в метантенке, достигается за счет поддержания и постоянного обновления величин граничных поверхностей обрабатываемого сырья. (8,16,22)
Одним из достоинств биогазовой технологии, в условиях анаэробной переработки отходов, является обеззараживание твердой фракции - побочного продукта технологии, используемой впоследствии в качестве удобрения, от патогенной микрофлоры и гельминтов. Такие удобрения (далее эффлюент) улучшают оборот макро- и микроэлементов в системе почва-растение, стимулируют деятельность почвенных организмов, вносят вклад в увеличение проницательной способности и гигроскопичности почв, предотвращают их эрозию. (16,21)
Органические вещества, содержащиеся в эффлюенте, являются базой для развития микроорганизмов. Микрофлора твердого остатка складывается преимущественно из микрофлоры желудочно-кишечного тракта животных и внешней среды. (10,30)
Актуальность темы обусловлена отсутствием данных, полученных на основе дифференциальных методик, по результатам которых можно получить представление о видовом составе населяющих субстрат микроорганизмов, что в свою очередь не позволяет контролировать продуктивность работы биогазовой станции.
В рамках работы Международной лаборатории, с которой активно сотрудничает кафедра биотехнологии и микробиологии Института инженерных технологии и микробиологии НИУ «БелГУ», для решения проблем совершенствования технологического процесса выработки биогаза и повышения эффективности работы первой российской промышленной биогазовой станции «Лучки» организованы следующие направления совместных научно-исследовательских работ:
- определение видового и родового состава микрофлоры процесса метаногенеза, соотношение бактерий на каждом технологическом этапе выработки биогаза;
- определение микро- и макроэлементного состава субстрата, анализ промежуточных продуктов метаболизма микроорганизмов на различных стадиях биогазового процесса при различных видах исходного сырья для последующей оценки эффективности процесса метаногенеза на каждом этапе;
- определение параметров среды, влияющих на протекание процесса выработки биогаза и жизнедеятельность различных видов микроорганизмов; поиск и дальнейшее культивирование штаммов микроорганизмов, устойчивых к различным экстремальным условиям.
Выбор данных направлений работы кафедры обусловлен в том числе активной работой правительства Белгородской области в области экологического законодательства, которое постановлением от 30 октября 2010 г. №364-пп утвердило долгосрочную целевую программу «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности белгородской области на 2010-2015 годы и целевые показатели на период до 2020 года», один из приоритетов программы - развитие энергетики на базе возобновляемых источников - биогазовой технологии.
Одним из целевых направлений, имеющих огромное значение для промышленного и экологического развития России, является проект, связанный с решением задач по использованию отходов переработки всех видов веществ растительного и животного происхождения, а так же продуктов жизнедеятельности организмов и органических отходов, при получении эффективных экологически безопасных органических удобрений и биогаза.
В настоящей магистерской диссертации впервые был адаптирован метод исследования ферментативной активности для исследования видового состава макрофлоры на биогазовой станции «Лучки».
Практическая значимость и интерес работы не вызывают сомнения, поскольку на основе материалов данного исследования возможно приступить к разработке практических рекомендаций по корректировке видового состава «переработчиков», либо соотношения компонентов субстрата с целью повышения продуктивности биогазовой установки. Кроме того, результаты исследования можно использовать в разработке методических пособий по направлениям подготовки «биотехнология» и «микробиология». Считаем, что данное исследование является весьма актуальным и значимым в области биотехнологии.
Таким образом, целью данного исследования стала оценка активности микроорганизмов на стадии дображивания субстрата при производстве биогаза и выявление продуктивных видов бактерий.
В качестве объекта исследования был взят образец эффлюента, сразу после процесса сепарации «Дображиватель», предметом стал количественный и качественный состав активной микрофлоры взятого нами образца.
В связи с этим решались следующие задачи:
1) Определить микроорганизмы населяющие субстрат;
2) Изучить признаки полученных видов;
3) Выявить продуктивность ферментативной активность бактерий;
4) Оценить перспективы использования повышенной концентрации исследуемых видов микроорганизмов.
Магистерская диссертация по традиции состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов и выводов.
За время выполнения магистерской диссертации, была изучена и проанализирована научная и методическая литература, публицистика по заданной теме: иностранные и отечественные источники, глубоко изучена технология переработки сырья в биогазовых установках, условия получения целевых и побочных продуктов.
Способ утилизации отходов сельскохозяйственной промышленности с помощью биогазовых станций характеризуется экологичностью и безотходностью производственного процесса, высокой рентабельностью с точки зрения потребления и выработки тепло- и электроэнергии; газа, попутного производства органоминеральных удобрений, характеризующихся высоким содержанием питательных элементов, легко усвояемых растениями.
Помимо этого, достоверно известно, что такие удобрения отличаются отсутствием семян сорняков, приводящих не только к потерям урожайности, но и дополнительной обработке пестицидами; отсутствием патогенной микрофлоры. Применяя такое удобрение, можно достигнуть хороших показателей по снижению фитопатогенной нагрузки на почву, уменьшить объемы потребляемых минеральных удобрений за счёт стойкости внесенного эффлюента к вымыванию из почвы питательных элементов, а также максимального сохранения и накопления азота.
Поскольку зарубежный опыт применения данной технологии показал высокую эффективность, то и на территории нашей страны ведется ее активное внедрение, строятся и уже функционируют десятки станций, однако потребность в биогазовых станциях оценивается в 20 тысяч предприятий. В связи с интенсификацией производства сельскохозяйственной промышленности, очевидно, вырастет и отход. При использовании анаэробного сбраживания, применяемого в биогазовых установках, удастся достигнуть и значительных объемов сброженных продуктов, что в свою очередь даст необходимость изучать влияние эффлюента на свойства почвы, качество возделываемых культур и урожайность.
В процессе работы, удалось собрать материалы, которые можно использовать при разработке практических рекомендаций по корректировке видового состава «переработчиков», либо соотношения компонентов субстрата с целью повышения продуктивности биогазовой установки, что повысит эффективность производственного процесса. Кроме того, результаты исследования планируется использовать в разработке методических пособий по направлениям подготовки «биотехнология» и «микробиология», что несомненно, могло бы стать частью подготовки высококвалифицированных специалистов для работы на данных предприятиях.
Таким образом, в ходе проделанной работы сделаны следующие выводы:
1. С помощью микроскопического и микробиологического метода анализа мы определили состав микрофлоры в эффлюенте взятом в качестве пробы с биогазовой станции.
2. В результате серии экспериментов в эффлюенте были обнаружены микроорганизмы таких видов, как Escherichia coliи Proteus vulgaris.
3. Сахаролитическая активность исследованных микроорганизмов отличается значительной разнородностью, максимальная активность Escherichia coliбыла зарегистрирована в опыте с такими сахарами как глюкоза, лактоза и частично мальтоза, а у Proteus vulgarisс сахарозой, глюкозой и слабая - с мальтозой.
4. Протеолитическая активность исследованных микроорганизмов не значительно отличается разнородностью, из-за практически отсутствующего потребления казеина в жизнедеятельности Escherichia coliи Proteus vulgaris.
5. Каталазная активность исследованных микроорганизмов не отличается
ни у Escherichia coli,ни у Proteus vulgaris,поскольку вступая в реакцию с разной концентрацией Н2О2, проявляет признаки наличия фермента каталазы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
