Design and operation of a fermenter used for processing plant waste
Authors: Мирошников С.А. , Проскурин Д.А. , Овечкин М.В. , Дускаев Г.К. , Рязанов В.А. , Мирошников И.С. , Тузиков Р.А. , Шейда Е.В. 
Published: January 2024

Проектирование и эксплуатация биореакторов содержат широкий спектр инженерных теорий, методологий и инструментов, основанных на способности биологических систем преобразовывать различные субстраты в готовые продукты. В нашей работе мы приводим основные этапы биотехнологии, которые влияют на проектирование биореактора, требования и элементы концепций для проектирования и эксплуатации биореакторов. Авторским коллективом спроектирована и сконструирована лабораторная модель ферментера для утилизации промышленных отходов, способная поддерживать в течение 20 сут стабильный уровень температуры – 39 °С и рН 6,9–7,0. Целью данного исследования явилось изучение процессов ферментации в биореакторе, предназначенном для утилизации пищевых отходов, с учетом фактора времени. В работе изучено влияние времени ферментации на активность метаболических процессов в рубцовом содержимом биореактора, а также на степень разложения некоторых растительных субстратов (льняного и конопляного жмыха). Было обнаружено, что тип субстрата и продолжительность процесса не оказывали существенного влияния на значения рН в ферментационной жидкости и колебания значений находились в диапазоне 6,9–7,1, в то время как характер ферментации менялся. Ферментацию растительных субстратов осуществляли непрерывно в течение 20 сут (без дополнительного введения), однако было установлено, что активность рубцовых метаболитов нарастала и сохранялась до 9 сут инкубации, далее происходило угнетение данных показателей к 20-м сут эксперимента до значений ниже, чем до загрузки в ферментер. Уровень летучих жирных кислот и азотистых метаболитов в содержимом ферментера сохранял высокие значения до 9 дней ферментации, затем была выявлена тенденция к снижению этих показателей. В ходе 9-дневной ферментации наблюдалось снижение количества сухого вещества на 41,9–48,0 % и других питательных компонентов в исследуемых субстратах, жира на 79,0–88,1 %, клетчатки на 70–30,5 %, сырого протеина на 31,1–13,2 % и золы на 46,9–66,7 % соответственно.

The design and operation of bioreactors contain a wide range of engineering theories, methodologies and tools based on the ability of biological systems to transform various substrates into finished products. In our work, we present the main stages of biotechnology that affect the design of a bioreactor, requirements and elements of concepts for the design and operation of bioreactors. The team of authors designed and constructed a laboratory model of a fermenter for the disposal of industrial waste, capable of maintaining a stable temperature level of 39 °C and a pH of 6.9–7.0 for 20 days. The purpose of this study was to study the fermentation processes in a bioreactor designed for the disposal of food waste, taking into account the time factor. The effect of fermentation time on the activity of metabolic processes in the scar content of the bioreactor, as well as on the degree of decomposition of some plant substrates (linseed and hemp cake) was studied. It was found that the type of substrate and the duration of the process did not significantly affect the pH values in the fermentation fluid and the fluctuations of the values were in the range of 6.9–7.1, while the nature of fermentation changed. Fermentation of plant substrates was carried out continuously for 20 days (without additional administration), however, it was found that the activity of scar metabolites increased and persisted until 9 days of incubation, then these indicators were suppressed by 20 days of the experiment to values lower than before loading into the fermenter. The level of volatile fatty acids and nitrogenous metabolites in the contents of the fermenter maintained high values up to 9 days of fermentation, then a tendency to decrease these indicators was revealed. During the 9–day fermentation, there was a decrease in the amount of dry matter by 41.9–48.0 % and other nutritional components in the studied substrates, fat by 79.0–88.1 %, fiber by 70–30.5 %, crude protein by 31.1–3.2 % and ash by 46.9–66.7 % respectively.