Стимулирующее влияние сухой фитомассы амаранта Amaranthus cruentus на биометаногенез в трудноферментируемых субстратах

ТЕХНОЛОГИЯ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 628.336.6; 628.385; 547.211; 662.767

A. З. Миндубаев, С. Т. Минзанова, Е. В. Скворцов,

B. Ф. Миронов, В. В. Зобов, Ф. Ю. Ахмадуллина,

Л. Г. Миронова, Д. Е. Белостоцкий, А. И. Коновалов

СТИМУЛИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ СУХОЙ ФИТОМАССЫ АМАРАНТА AMARANTHUS CRUENTUS НА БИОМЕТАНОГЕНЕЗ

В ТРУДНОФЕРМЕНТИРУЕМЫХ СУБСТРАТАХ

Ключевые слова: биогаз, биометаногенез, амарант, трудноферментируемые субстраты,

метан. words: biogas, biomethanogenesis, amaranth, poor-fermentable substrates, methane.

Перспективным направлением энергетики будущего является выработка биогаза, основанная на продуцировании метана определенными микроорганизмами в бескислородной среде. В данной работе исследовано влияние добавок фитомассы амаранта багряного (Amaranthus cruentus) на процесс метаногенеза при использовании в качестве сырья труд-ноферментируемого субстрата - жома сахарной свеклы. Изучена кинетика выделения метана, показывающая, что амарант является сильным стимулятором метаногенеза. Аналогичным образом был проведен эксперимент с использованием пивной дробины в качестве сырья; при этом также было обнаружено стимулирующее действие фитомассы амаранта. One of perspective directions of energetics of the future is the biogas generation, based on the methane production by definite microorganisms in the anoxic medium. The works in this field have energetic and ecological aspects. The purpose of this work is the evaluation of the effect of the Amaranthus cruentus phytomass additives on the methanogenesis process. So, the amaranth phytomass effect on the methanogenesis process was investigated for the poor-fermentable substrate - sugar beet bagasse - as a raw material. The kinetics of the methane production was found that amaranth is a strong stimulator of methanogenesis. The experiment with the use of the brewing waste as a raw material was similarly performed, the stimulating effect of amaranth phytomass being also detected.

Потребности цивилизации в энергии непрерывно повышаются. Доступная энергия на земле существует в виде возобновляемых и невозобновляемых ресурсов. Большую часть энергии, используемой сегодня, получают из ископаемого невозобновляемого сырья. Невозобновляемые ресурсы энергии являются, безусловно, наиболее эксплуатируемыми формами энергии сегодня. Уголь, нефть и природный газ составляют почти 90 % в структуре мирового потребления коммерческой энергии. Поиск и разработка новых альтернативных источников энергии, которые в будущем обеспечат поддержание устойчивого роста технологии и экономики при сохранении разумного качества жизни, является необходимым и актуальным. Одним из методов решения данной проблемы может стать получение углеводородного топлива в результате биологического процесса, именуемого метановым брожением [1, 2]. Синтез биогаза в природе происходит самопроизвольно в процессе разложения органического вещества в анаэробных условиях на дне озер и рек, в почве, а также пищеварительном тракте животных. Производство биогаза из отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности может стать не только возобновляемым источником топлива, но также способом переработки отходов - мусора, сельскохозяйствен-

ных, бытовых и промышленных стоков, и способствовать сбережению окружающей среды, т.е. является потенциальным решением экологической проблемы [1, 3]. Продукт анаэробного метаногенного сбраживания может служить удобрением. Кроме того, доказана способность анаэробного сбраживания отходов обеззараживать их.

Современные технологии производства биогаза сложны и высокозатратны. Их применение возможно только в высокоразвитых странах. Например, в Швеции еще в 1991 году правительство выделило 120 миллионов крон на исследование, создание и показ биотоплива (технического спирта и биогаза) для транспортных средств [4]. В условиях России подобные затраты неприемлемы. Использование сравнительно дешевой растительной биомассы позволяет интенсифицировать метаногенез и получать целевой продукт -биогаз - с меньшими экономическими затратами. Поэтому разработка технологии, включающей использование стимулирующих добавок растительного происхождения, вызывает практический интерес [5, 6].

Цель данного исследования - разработка способов получения биогаза из отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности и изучение влияния фитомассы багряного амаранта (A. cruentus) на процесс метаногенеза.

Новизна работы заключается в том, что впервые проанализировано влияние фитомассы багряного амаранта на метаногенез. Амарант является перспективной сельскохозяйственной культурой [7]. Его особенностью является большой прирост биомассы, что позволяет получать до 500-600 ц дешевого зеленого растительного сырья с гектара даже в условиях сурового климата Российского нечерноземья, и до 2000 ц с гектара на Кубани. Известно, что употребление амаранта крупным рогатым скотом ведет к стимуляции активности метаногенной микрофлоры рубца, что связано, вероятно, с высоким содержанием белка в данном растении и с его высокой питательностью. До сих пор это явление рассматривалось исключительно как негативное: крупный рогатый скот не рекомендуется кормить чистым амарантом. Учитывая этот факт, мы в настоящей работе впервые решили применить указанное растение для повышения эффективности выработки биогаза путем стимуляции метаногенной микрофлоры. Процессы, протекающие в рубце жвачных животных, промоделированы в лабораторных условиях.

Результаты исследований и их обсуждение

В ходе исследования проведено несколько сравнительных экспериментов.

В первом эксперименте в качестве субстрата для метаногенеза была применена пивная дробина - один из самых массовых отходов пищевой промышленности. Эксперимент проводился параллельно в двух реакторах (0.25 л). В контроле инкубировалась смесь 30 г пивной дробины (влажность 72 %), 10 г содержимого рубца и 60.0 мл водопроводной воды. В опытном эксперименте инкубировалась смесь 15 г пивной дробины, 4.6 г сухой фитомассы A. cruentus (исходная влажность не более 10 %), 10 г содержимого рубца и 70.4 мл водопроводной воды. И в контроле, и в опыте выход газа был очень низким - за 35 суток инкубации субстрат с амарантом выделил 44 мл газа, а без амаранта - 26 мл. Абсолютное содержание метана в обоих случаях также неприемлемо низкое - на уровне 0.5-2 %. Однако относительное содержание метана в контроле и опыте оказалось резко различным

- на 16 день в контроле 0.2 %, а в опыте 1.6 %, т.е. присутствие амаранта увеличило выход метана в 8 раз. После завершения эксперимента измерено содержание летучих жирных кислот (ЛЖК) в обоих субстратах методом ВЭЖХ. Субстрат без амаранта имел желтоватую окраску и рН 6.3. Содержание ЛЖК: уксусной - 19.0 %, пропионовой - 41.0 %, масляной -34.0 %, валериановой - 3.0 %, изовалериановой - 2.8 %. Кроме того, субстрат без амаранта оказался обогащенным спиртами (их состав и содержание не исследовались). Вероятно, брожение в данном случае протекает очень медленно и останавливается на ацидогенной

стадии, не переходя в метаногенную. Субстрат с амарантом имел рН 7.4, темнокоричневый цвет и более однородную консистенцию, издавал сильный запах сероводорода и аммиака; ВЭЖХ продемонстрировала низкое содержание спиртов и практическое отсутствие ЛЖК.

Исследование элементного состава твердых фракций субстратов показало, что высушенный до воздушно-сухого состояния субстрат без амаранта содержит 47.16 % углерода, 4.95 % водорода, 3.45 % азота и 3.18 % серы, тогда как субстрат с амарантом - 39.48 % углерода, 3.45 % водорода, 4.95 % азота и 3.31 % серы. Образец с амарантом несколько богаче азотом и серой - ценными биогенными элементами. Данный эксперимент показывает, что пивная дробина - трудноусваиваемый пищевой ресурс для метаногенной микрофлоры, а фитомасса амаранта, как и предполагалось, является мощным стимулятором последней. Согласно литературным данным [8] оптимальное для метаногенеза соотношение углерод -азот в субстрате составляет 30 : 1 (более высокое содержание азота ведет к накоплению аммиака, подавляющего рост микрофлоры). Представленные выше величины элементного состава соответствуют соотношениям углерод - азот 14 : 1 и 8 : 1; столь высокое содержание азота в описанных экспериментах не оказывало отрицательного воздействия на микрофлору.

Также была исследована возможность использования в качестве сырья для производства биогаза жома сахарной свеклы. Эксперимент проводился аналогично предыдущему (контроль: 25.00 г свекловичного жома (влажность 81 %), 50.00 г свежего содержимого рубца и 75.00 мл водопроводной воды; опыт: 12.50 г свекловичного жома, 2.75 г сухой фитомассы А. етивЫт, 50.00 г содержимого рубца и 85.00 мл водопроводной воды).

В результате проведенных исследований установлено, что выход газа невелик у обоих субстратов, однако состав газа резко различается. На 22-е сутки инкубации содержание метана в контроле составляло 0.6 %, а в опыте - 9.9 %, т.е. в 17 раз выше. На 58-е сутки этот показатель составлял 4.5 % и 15.7 %, соответственно (рис. 1). Из этого следует, что жом сахарной свеклы представляет собой несколько более благоприятный пищевой ресурс для метаногенной микрофлоры по сравнению с пивной дробиной.

18

,16

«

*14

Ьт

£

Э2

я

¡310

<и

2 8

<и

В

В 6

а 4

<и

§ 2 и

0

11 16 23 30 37 44 51 58 65 72 78

Продолжительность процесса, дни

98

105 113

2

Без амаранта  С амарантом

Рис. 1 - Кинетика выделения метана в эксперименте с жомом сахарной свеклы

В предыдущих экспериментах исследовалось влияние фитомассы амаранта на труд-ноферментируемые субстраты. Следовало установить, проявляется ли стимуляция амарантом при использовании традиционного биогазового сырья - навоза. Эксперимент с навозом проводился следующим образом.

Контроль. В 1.5 л пластиковом сосуде приготовлена смесь 50 г коровьего навоза, 275 мл содержимого рубца и 275 мл водопроводной воды. Ежедневно в течение 11 дней в реактор вносились по 30 г навоза и по 30 мл водопроводной воды. Выход газа и содержание метана в первые дни падали (микрофлора адаптировалась к новым условиям). Так, за первые сутки инкубации выделилось 460 мл газа (рис. 2). На вторые сутки содержание метана в газе составляло 11.1 %. Однако до пятнадцатых суток выход газа и содержание метана в нем снижались, а в последующие дни показатели стали увеличиваться. Спустя 51 день от начала брожения субстрат выделил 150 мл газа с содержанием метана - 60.9 %, что оказалось наилучшим результатом с начала исследования. Начиная с 52 дня, продуктивность газообразования выросла. На 60 день выход газа достиг 550 мл в сутки, после чего стал плавно снижаться.

ТОО

600

Е 500 й

¡400 §

^ 300

І I

200 100

О

1 б 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 31 36 91 96 101 106 111

Продалш тагьность процесса, дни

Рис. 2 - Кинетика выделения газа в эксперименте с коровьим навозом без добавления амаранта

Опыт. В 900 мл субстрата, оставшегося после контроля, внесли 96 г предварительно измельченного сухого амаранта. Для данного эксперимента установлено полное отсутствие лаг-фазы, наблюдаемой в большинстве экспериментов. В первый день эксперимента газообразование носило “взрывной” характер: интенсивное выделение газа привело к выбросу субстрата из реактора. На третьи сутки выход газа составлял 470 мл за 8 ч. После этого газообразование стало плавно затухать (рис. 3). Однако содержание метана в газе для фазы максимальной активности реактора оказалось низким: на четвертые сутки оно составляло 13.5 %. На двенадцатые сутки содержание метана достигло 47.0 % при выходе

газа 550 мл в сутки. Максимальное содержание метана (55.2 %) при выходе газа 120 мл в сутки наблюдалось на 44-й день эксперимента, после которого оно стало медленно снижаться. Данный эксперимент подтвердил обнаруженное в этой работе общее правило: содержание метана в газе растет на фоне затухания газообразования. Показано, что добавление амаранта в навоз не увеличивает содержание метана в газе, но позволяет сократить лаг-фазу до полного исчезновения.

2500

р 2000 ¡5

1-і

-и

£

1000

500

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67

Продопжіігельносгь процесса* дні

Рис. 3 - Кинетика выделения газа в эксперименте с коровьим навозом с добавлением амаранта

Нами была предпринята попытка установить, каким образом фитомасса амаранта влияет на метаногенез. Эксперимент проводился на гидролизованной пивной дробине без добавления содержимого рубца (контроль: 0.25 л реактор, 60 г сырой пивной дробины, гидролизованной 1 % серной кислотой; опыт: 30 г пивной дробины, гидролизованной 1 % серной кислотой, 9.2 г сухой фитомассы А. стпвМш). Готовые субстраты были нейтрализованы титрованием водным аммиаком. Метан в данном эксперименте не выделялся, поскольку субстраты не содержали специфичной микрофлоры. Однако содержание углекислого газа в опыте оказалось в 4 раза выше по сравнению с контролем (рис. 4). Таким образом, присутствие амаранта увеличивает выход СО2, доказывая стимулирующее влияние этой добавки на ацидогенную стадию метаногенеза. Амарант оказался универсальным активатором брожения - не только метанового, но также спиртового и уксуснокислого.

Рис. 4 - Кинетика выделения углекислого газа в контрольном эксперименте

Экспериментальная часть

Материалы и методы исследований

Объектами исследования являлись коровий навоз, пивная дробина и жом сахарной свеклы. Фитомасса амаранта (А. егиеШш) использована в качестве стимулятора процесса метаногенеза. Анаэробная переработка сырья осуществлялась в реакторах лабораторного масштаба. Объем выделяющегося газа измерялся в газометре, а его состав анализировался методом газовой хроматографии (колонка Порапак длиной 2.4 м, температура 70/110 °С, газ-носитель - гелий, детектор - по теплопроводности).

Заключение

Исследовано влияние фитомассы амаранта (А. етиеШт) на процесс метаногенеза и показано, что она является достаточно сильным его стимулятором. Это особенно важно в случае трудноферментируемых субстратов, таких как пивная дробина и свекловичный жом. При этом в его присутствии выработка метана в биогазе возрастает, иногда - на порядок. В случае питательных субстратов (навоз) в присутствии амаранта отмечается заметное ускорение газообразования. Показано также, что высокое содержание органического азота, которое вносит амарант в субстрат, не вызывает подавление жизнедеятельности метаногенов.

В результате исследования был разработан лабораторный метод анаэробной переработки сырья для получения биогаза. Установлено, что лучшим из исследованных нами видов сырья для этой цели является навоз с добавкой амаранта. Рост же метаногенной микрофлоры на более трудноферментируемых субстратах - жоме свеклы и пивной дробине - находится на пределе толерантности.

Выводы

1. Установлено, что лучшим из исследованных нами видов сырья для получения биогаза является смесь навоза и содержимого рубца крупного рогатого скота (отхода мясной промышленности), затем идет жом сахарной свеклы, а пивная дробина оказалась наиболее трудноферментируемым сырьем.

2. Показано, что фитомасса Amaranthus cruentus является стимулятором метаноге-неза трудноферментируемых субстратов, таких как пивная дробина и свекловичный жом. В присутствии амаранта образование метана в биогазе может возрастать на порядок. В случае навоза отмечается ускорение процесса.

3. Исследование динамики газообразования показало несовпадение максимумов общего выхода газа и содержания метана: максимальный выход метана наблюдается при затухании газообразования, что, по-видимому, связано с экологическими особенностями метаногенных бактерий.

Работа выполнена при поддержке программы № 19 ОХНМ РАН и ИВФ РТ Идея

1000.

Литература

1. Huber, G.W. Synthesis of Transportation Fuels from Biomass: Chemistry, Catalysts, and Engineering / G.W. Huber, S.Iborra, A.Corma // Chem. Rev. - 2006. - Vol. 106. - № 9. - P. 4044-4098.

2. Kosaric, N. Liquid and gaseous fuels from biotechnology: challenge and opportunities. / N.Kosaric, J. Velikonja // FEMS Microbiology Reviews. - 1995. - Vol. 16. - № 2-3. - P. 111-142.

3. Filidei, S. Anaerobic digestion of olive oil mill effluents: evaluation of wastewaterorganic load and phytotoxicity reduction / S.Filidei, G.Masciandaro, B. Ceccanti // Water, Air, and Soil Pollution. - 2003.

- Vol. 145. - № 1-4. - P. - 79-94.

4. Bucksch, S. The Swedish program for investigations concerning biofuels / S.Bucksch, K.-E. Egeback // The Science of the Total Environment. - 1999. - Vol. 235. - № 1. - P. 293-303.

5. Sambo, A.S. Effect of some operating parameters on biogas production rate / A.S.Sambo, B. Garba, B.G. Danshehu // Renewable Energy. - 1995. - Vol. 6. - № 3. - P. 343-344.

6. Kivaisi, A.K. Production of biogas from water hyacinthin (Eichhornia crassipes) (Mart) (Solms) a two-stage bioreactor / A.K. Kivaisi, M. Mtila // World Journal of Microbiology and Biotechnology. -1998 - Vol. 14. - № 1. - P. 125-131.

7. Кононков, П.Ф. Aмарант - перспективная культура 21 века / П.Ф.Кононков, В. К. .Гинс, М. С. Гинс -М.: Изд-во Российского ун-та дружбы народов, 1999. - 296 с.

8. Сассон, А. Биотехнология: свершения и надежды. / А. Сассон. - М.: Мир, 1987. - 411 с.

A. З. Миндубаев - канд. хим.наук, ст. науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; С. Т. Минзанова - канд. хим.наук, ст. науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; Е. В. Скворцов - канд. биол. наук, науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН;

B. Ф. Миронов - д-р хим. наук, проф., зав. лаб. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; В. В. Зобов - д-р биол. наук, вед. науч. сотр. ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; Ф. Ю. Ахмадуллина - ст. препод. каф. биотехнологии КГТУ; Л. Г. Миронова - инж. исследователь ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; Д. Е. Белостоцкий - студ. КГУ; А. И. Коновалов - акад. РАН, д-р хим. наук, зав. отделом ИОФХ имени А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.

Е-тай: minzanova@iopc.knc.ru, mindubaev@iopc.knc.ru