Способ переработки целлюлозосодержащих отходов
METHOD FOR PROCESSING CELLULOSE-CONTAINING WASTE

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к переработке отходов промышленного птицеводства.
Известен способ, в соответствии с которым птичий помет смешивают с целлюлозосодержащими отходами в соотношении 1:1-1:0,7 по массе, прогревают без контакта с теплоносителем и подвергают пиролизу при температуре 500-550°С с получением твердого углеродоминерального остатка и парогазовой смеси [1]. Парогазовую смесь подвергают обработке с отделением твердых механических примесей и последующей конденсацией с образованием жидкого топлива и пиролизной воды. Несконденсированную часть парогазовой смеси подвергают осушке и используют в качестве обратного газового топлива. Топливные газы от сжигания обратного газового топлива и жидкого топлива, полученных в процессе, используют в качестве исходного теплоносителя для поддержания температуры пиролиза, а отработанный в процессе пиролиза теплоноситель используют в качестве теплоносителя для прогрева смеси птичьего помета с целлюлозосодержащими отходами. Установка содержит реактор пиролиза, состоящий из горизонтального цилиндрического корпуса камеры термообработки с рубашкой, двумя торцевыми крышками, одна из которых снабжена фильерой, узлами отвода парогазовой смеси и твердого углеродоминерального остатка, содержащего разгрузочный патрубок, соединенный со шнековым транспортером, перемешивающим устройством, выполненным в виде приводного вала с установленными на нем лопастями со скребками, и питателем, выполненным из корпуса с теплообменной рубашкой, бункером для загрузки исходного сырья и шнеком с приводом с переменным шагом и ножом на его торце, дымосос, соединенный с патрубком отвода парогазовой смеси, циклон, конденсатор воздушного охлаждения, осушитель несконденсированной части парогазовой смеси, устройство для отделения жидкого топлива от воды, фильтр жидкого топлива, топку для сжигания топлива и получения топливных газов и смеситель топливных газов с воздухом после конденсатора воздушного охлаждения, соединенный со входом рубашки реактора пиролиза, выход которой соединен со входом теплообменной рубашки питателя, при этом питатель соединен с камерой термообработки реактора пиролиза через фильеру. Недостатком указанного способа являются высокие энергетические затраты на нагрев перерабатываемого материала, а также потребность в особом, сложном и дорогостоящем аппаратном оснащении. Кроме того, использование данного подхода решает только проблему утилизации отходов без получения дополнительного продукта, а именно сырья для переработки в белковый концентрат.
Известен способ комплексной переработки жидких органических отходов в биогаз и твердых органических удобрений в биогумус. Способ включает подготовку основания из гидроизолирующего материала, монтаж газодренажной конструкции, сортировку и измельчение отходов по агрегатному состоянию. Жидкие органические отходы помещают в биореактор, где осуществляется процесс их анаэробного брожения с выделением биогаза. Твердые органические отходы располагаются в вермитехнологическом бурте, расположенном над биореактором и разделенном с ним теплопроводной перегородкой. Твердые органические отходы перерабатываются в высокопродуктивное удобрение - биогумус - с использованием дождевых компостных червей породы Eisenia foetida. Избыток биогаза обеспечивает постоянный нагрев вермитехнологического бурта до температуры не ниже +2°С. Также биогаз отводят через газодренажную конструкцию, фильтрат - гидродренажной системой, вмонтированной в основание. Полученный биогумус используется непосредственно из бурта. Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание и устранение патогенных микроорганизмов. Способ позволяет получить биогаз и качественное сырье для рекультивации техногенных земель [2]. Недостатком указанного способа можно считать сложные конструкционные решения и тот факт, что использование культуры Eisenia foetida не решает проблему деструкции лигноцеллюлозных субстратов.
Известен способ переработки городских отходов и отходов органического происхождения промышленных предприятий с одновременным получением экологически чистого высокоэффективного удобрения, биогаза и белкового корма [3]. Отходы подвергают первичной сортировке и сепарации, затем измельчают в шаровой мельнице в водяной среде до образования пульпы. Пульпу закачивают в биогазогенератор непрерывного действия. Образовавшийся биогаз и шлам отделяют, а затем шлам заселяют вермикультурой. Способ позволяет обеспечить полную утилизацию твердых органосодержащих отходов с наименьшими энергетическими и эксплуатационными затратами. Недостатком способа можно считать ограниченность его использования в отношении целлюлозосодержащих отходов, а также дополнительные действия с отходами в виде сепарации, истирания в шаровой мельнице и насыщение водой до состояния пульпы. Кроме того, способ предполагает затраты на изготовление для включения в технологическую схему такого аппарата, как биогазогенератор.
Известен способ переработки органических отходов с помощью личинок мух, включающий выращивание личинок мух Hermetia illucens на питательном субстрате с отделением биомассы личинок от биогумуса, причем яйца Hermetia illucens размещают в субстрат вспученного вермикулита [4]. Вылупившиеся личинки вместе с вермикулитом размещают в емкость с предварительно замоченным комбикормом 60-70% влажности в объеме 10 кг, на 9 сутки полученные личинки вместе с переработанным комбикормом делят на равные 50 частей, добавляют 1000 г предварительно подготовленного субстрата органических отходов. К недостаткам указанного способа можно отнести его сложность, связанную с большим количеством манипуляций, а также необходимость применения вермикулита, что связано с дополнительными затратами.
Наиболее близким по технологической сущности является способ получения кормового белково-липидного концентрата из отходов органического происхождения, заключающийся в том, что выращивают биомассу личинок Hermetia illucens на отходах органического происхождения и осуществляют их ферментацию [5]. В качестве отходов используют измельченные целлюлозосодержащие отходы влажностью 50-70%, а ферментацию согласно которому качестве перерабатываемого материала используют измельченные целлюлозосодержащие отходы влажностью 50-70%, а ферментацию отходов осуществляют комплексом микроорганизмов, культивированным из кишечной микрофлоры личинок жука-дровосека одновременно с выращиванием биомассы личинок. При этом указанный комплекс микроорганизмов вносят в виде суспензии со значением КОЕ не ниже 107 в количестве 3-5% от массы отходов в начале периода выращивания и повторно не менее двух раз в течение периода выращивания. По истечении 7-15 суток с начала выращивания личинки отделяют, высушивают и измельчают. Изобретение позволяет повысить эффективность биоконверсии целлюлозосодержащих нестерилизуемых отходов в биомассу личинок Hermetia illucens. В качестве недостатка у указанного способа можно считать непостоянство состава кишечной микрофлоры жука-дровосека используемой в процессе, а соответственно колебания получаемых результатов. Кроме того, отсутствие адгезирующего агента неизбежно увеличивает скорость транзита микроорганизмов через пищеварительный тракт насекомого и, как следствие сокращает временную экспозицию их позитивного воздействия на целлюлозные материалы отходов.
Задачей настоящего изобретения является создание эффективного безотходного способа биоконверсии целлюлозосодержащих отходов в продукты высокой востребованности (кормового белка).
8
Поставленная задача решается путем использования культур микроорганизмов видов Myceliophthora thermophila, Thielavia terrestris, Thermoactinomyces vulgaris, а также Ceilulomonas sp., предварительно обогащенных натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ-Na). Выбор и сочетание видов проводились в ходе предварительных модельных экспериментов и, по полученным результатам, были признаны как наиболее эффективные. Используемые культуры микроорганизмов депонируются в коллекции Пензенского государственного аграрного университета. Указанные виды предварительно выращиваются на жидких питательных средах в виде индивидуальных культур методом глубинного культивирования. Реализация процесса выращивания осуществляется с помощью круговой качалки со скоростью вращения 180 об/мин и эксцентриситетом 25 мм в колбах Эрленмейера общим объемом 1000 мл, где на долю питательной среды приходится 1/10 часть, т.е. 100 мл. Температурный режим культивирования предполагает поддержание данного параметра в диапазоне 35-40°С. Продолжительность культивирования 96-120 часов до достижения величины КОЕ на уровне 1*10. В качестве жидкой питательной среды используется среда Гетчинсона следующего состава (г/л):
Целлюлоза (в форме КМЦ) - 6…12
Нитрат натрия - 2,5
Магния сульфат - 0,3
Калия хлорид - 0,1
Кальция хлорид - 0,1
Аммония сульфат - 0,2
Калий фосфорнокислый двузамещенный - 1
Вода водопроводная - до 1 литра
рН среды 6,8-7,2
Достаточно высокое содержание в питательной среде обусловлено тем, что в процессе культивирования микроорганизмов величина утилизации составляет только около половины ее первоначального содержания. Таким образом, к моменту окончания культивирования ее остаточные количества составляют в культуральной жидкости 5-6%. Именно эта часть неизрасходованного КМЦ-Na, благодаря своим адгезивным свойствам играет позитивную роль во взаимодействии микроорганизмов, субстрата и личинок Hermetia illucens при переработке целлюлозосодержащих отходов.
По завершению процесса выращивания, полученные культуральные жидкости объединяются и используются как инокуляты для внесения в перерабатываемый субстрат.
2
Подготовка целлюлозосодержащего субстрата (например, отработанная пометная подстилка сельскохозяйственной птицы) предполагает его механическое измельченные до дисперсности 10-12 мм, увлажнение до 55-65% (с учетом вносимого жидкого инокулята культур микроорганизмов) и последующее распределение в подходящие емкости слоем 150 мм. После проведенных подготовительных процедур субстрат инокулируется культуральной жидкостью. Ее количество берется из расчета соотношения: 1 массовая доля объединенной культуральной жидкости на 10 массовых долей субстрата (сухого). Одновременно с микроорганизмами субстрат заселяется личинками Hermetia illucens трехсуточного возраста в из расчета 4 особи на 1 см. Время биодеградации субстрата составляет 12-14 суток. По завершению указанного периода личинки отделяются от субстрата с помощью вибросита, высушиваются вакуумной или инфракрасной сушкой до 5% влажности и, при необходимости, измельчаются. В процессе переработки субстрат приобретает тонкодисперсную структуру с размером частиц 0,5-1 мм и теряет значительную долю своей исходной массы. Данный материал, может в непосредственном виде использоваться как почвенный мелиорант или служить сырьем для получения органо-минеральных удобрений.
Технический результат достигается биодеградацией
целлюлозосодержащих отходов личинками двукрылого насекомого Hermetia illucens в присутствии искусственно внесенных культур микроорганизмов Myceliophthora thermophi/a, Thielavia terrestris, Thermoactinomyces vulgaris, a также Cellulomonas sp.и многофункционального компонента - КМЦ-Na. Данный фактор обеспечивает рост микроорганизмов в культуре, инициирует и них выработку ферментов - целлюлаз, способствует адаптации указанных микробов к конечному субстрату и, за счет адгезивных свойств выступает в качестве связующего звена между ними и организмом личинок. В итоге достигается высокая степень деградации целлюлозосодержащих материалов в течение регламентированного технологией времени. В качестве продукта биоконверсии образуется биомасса личинок Hermetia illucens, пригодная для получения кормового белка.
Пример 1
2
2
Для проведения испытаний в контейнеры площадью 2244 см помещали целлюлозосодержащие отходы, а именно отработанную пометную подстилку индейки слоем 15,0 см. В качестве целлюлозного компонента присутствовала древесная стружка в количестве 40% (по сухому весу) и, таким образом, в пересчете на индивидуальное вещество, доля целлюлозы в данном материале оценивалось на уровне 23,5% (1175 г на 5000 г сухого субстрата). Субстрат заселяли личинками Hermetia illucens в возрасте 2-3 суток. Плотность заселения субстрата личинками составляла 4 особи на 1 см, т.е. 8976 особей на контейнер. Масса субстрата влажностью 60% составляла 12500 г на ящик.
8
8
Одновременно в контейнеры вносилась объединенная культуральная жидкость, содержащая целлюлозолитические микроорганизмы, выращенные глубинным методом на среде Гетчинсона с содержанием КМЦ-Na 12 г/л. Содержание микроорганизмов в культуральной жидкости находилось на уровне от 1,0*10 до 5,0*10 КОЕ/мл. Контролем служили варианты без внесения комплекса микроорганизмов и, соответственно без КМЦ-Na.
Конверсию осуществляли в течение 12-14 суток.
В варианте, предусматривающем внесение микроорганизмов, конечная масса остатков субстрата (сухое вещество) составила 1794,0 г, из которых на долю целлюлозы приходилось 373,5 г. Таким образом, общая убыль субстрата достигает 64,08%, а убыль целлюлозы 68,21%. В варианте без внесения комплекса микроорганизмов аналогичные величины были на уровне 2520 г. (остаточная масса субстрата), 787 г. (остаточное содержание целлюлозы). В процентном выражение эти величины составляли 49,6% и 33,02% соответственно.
Также по итогам культивирования проводили оценку накопления сырой биомассы личинок Hermetia illucens. Суммарная биомасса сырых личинок в варианте с комплексом микроорганизмов и КМЦ-Na составляла 1055 г, в варианте без внесения вышеприведенных факторов 724 г. В процентном выражении по данному показателю опытный варианты превосходят контрольные на 45,7%.
Пример 2
2
2
Для проведения испытаний в контейнеры площадью 2244 см помещали целлюлозосодержащие отходы, а именно отработанную пометную подстилку индейки слоем 15,0 см. В качестве целлюлозного компонента присутствовала древесная стружка в количестве 40% (по сухому весу) и, таким образом, в пересчете на индивидуальное вещество, доля целлюлозы в данном материале оценивалось на уровне 23,5% (1175 г на 5000 г сухого субстрата). Субстрат заселяли личинками Hermetia illucens в возрасте 2-3 суток. Плотность заселения субстрата личинками составляла 4 особи на 1 см, т.е. 8976 особей на контейнер. Масса субстрата влажностью 60% составляла 12500 г на ящик.
8
8
Одновременно в контейнеры вносилась объединенная культуральная жидкость, содержащая целлюлозолитические микроорганизмы, выращенные глубинным методом на среде Гетчинсона с содержанием КМЦ-Na 12 г/л. Содержание микроорганизмов в культуральной жидкости находилось на уровне от 1,0*10 до 5,0*10 КОЕ/мл. Контролем служили варианты без внесения комплекса микроорганизмов и, соответственно без КМЦ-Na. Конверсию осуществляли в течение 12-14 суток.
Контролем служили варианты с внесением того же комплекса микроорганизмов в тех же пропорциях, но выращенных на среде Гетчинсона, в составе которой вместо КМЦ-Na вносилась обычная целлюлоза в той же массе.
В варианте, предусматривающем внесение микроорганизмов, конечная масса остатков субстрата (сухое вещество) составила 1794,0 г, из которых на долю целлюлозы приходилось 373,5 г. Таким образом, общая убыль субстрата достигает 64,08%, а убыль целлюлозы 68,21%. В варианте, где комплекс микроорганизмов выращивался на среде Гетчинсона с обычной целлюлозой общая остаточная масса сухого субстрата составляла 2218 г, а остаток целлюлозы 548 г. В процентном выражении эти величины составляли 55,64% и 53,36% соответственно.
Одновременно, по итогам культивирования проводили оценку накопления сырой биомассы личинок Hermetia illucens. Суммарная биомасса сырых личинок в варианте с комплексом микроорганизмов и КМЦ-Na составляла 1055 г, в варианте без внесения вышеприведенных факторов 822 г. В процентном выражении по данному показателю опытный варианты превосходят контрольные на 28,35%.
Источники информации
1. Патент №2447045 Российская Федерация, МПК C05F 3/00(2006.01), C05F 3/06(2006.01), В09В 3/00(2006.01).Способ и установка для утилизации птичьего помета: №2010143469: заявл. 26.10.2010: опубл. 10.04.2012/Шаповалов Ю.Н, Ульянов А.Н., Корчагин В.И., Протасов А.В.; заявитель Ульянов А.Н. - 10 с.
2. Патент №2441720 Российская Федерация, МПК В09В 3/00(2006.01). Способ комплексной переработки органических отходов: №2010132505: заявл. 02.08.2010: опубл. 10.02.2012 /Смирнов Ю.Д., Ковшов СВ., Никулин А.Н., Седова А.А.; заявитель ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет). - 6 с.
3. Патент №2119902 Российская Федерация, МПК C05F C05F 9/04(2006.01) В09В 3/00(2006.01). Способ переработки твердых органосодержащих отходов: №96114310: заявл. 11.07.1996: опубл. 10.10.1998/Андросов А.Г.; заявитель Акционерное общество открытого типа "Горняк". - 4 с.
4. Патент №2734522 Российская Федерация, МПК А01K 67/00 C05F3/00 C05D 5/00. Способ выращивания личинок мух и переработки органических отходов: №2020110097: заявл. 10.03.2020: опубл. 19.10.2020/Максимов А.Н., Зорин Г.В.; заявитель Общество с ограниченной ответственностью "Энтопротеин" -6 с.
5. Патент №2673749 Российская Федерация, МПК А23K 10/12 (2018.08); А23K 10/20 (2018.08) Способполучениякормовогобелково-липидногоконцентратаизотходоврастительного и животного происхождения: №2018110877: заявл. 27.03.2018: опубл. 29.11.2018/ Бабаев Н.А., Соколов И.В., Ильин Д.Ю., Бастраков А.И.; заявитель Общество с ограниченной ответственностью "Биогенезис" - 6 с.