SU1104152A1 - Синтрофна ассоциаци микроорганизмов @ @ @ @ , @ @ N-1002 дл переработки навоза крупного рогатого скота в метан - Google Patents

Abstract

Синтрофна  ассоциаци  микроорганизмов Methanosarcina majei, Methanothrix Soehugenii, Methanobacterium formicicum № 1002 (коллекци  Отдела литотрофных микроорганизмов Института микробиологии АН СССР) дл  переработки навоза крупного рогатого скота в метан. (Л

Description

11 Изобретение относитс  к сельскому хоз йству и может быть использовано при анаэробной переработке органических отходов с целью получени  би газа как энергетического субстрата. В насто щее врем  в зависимости от климатических условий на фермах и комплексах, а также в промьшшеннос ти используетс  спонтанное сбраживание навоза и органических остатков в мезофильных услови х (температура сбраживани  28-35 С) с помощью нативной микрофлоры навоза. При этом выход биогаза составл ет 0,8 1 ,7 м/м реактора в сутки с содержанием метана в нем до 52-59%, величина суточной загрузки метантенка достигает 8-12%, экспозици  сбражива ни  10 - 24 и более суток ij . Известен штамм сапрофитного микро организма Bacillus endorhythmos, который в симбиозе с метаногенными микроорганизмами повышает образовани метана при сбраживании осадка сточных вод, содержащего органические вещества. При добавлении в сбраживае мую массу этого штамма в виде засевного материала выход биогаза повышают до 1,7-1,8 литра с литра реактора при влажности сбраживаемой массы 90-92% 2 . Heдocтaткa п данных технических решений  вл етс  низка  величина суточной загрузки и низкий суточный выход биогаза с рабочего объема реак тора. Известен способ спонтанной анаэробной переработки свиного навоза фиксированными клетками микроорганизмов путем погружени  в метантанк анаэробного биофильтра. Выход биогаза увеличиваетс  до 4,5-5 м с м метантенка в сутки при 48%-ном разложении органического вещества и содержании метана в биогазе до 85% З .Недостатком данного способа  вл етс  введение биофильтров в реактор что удорожает процесс и требует введени  в технологическую схему допол-нительной технической операции, а также то, что скорость метаногенеза увеличиваетс  не за счет используемой активной микрофлоры, а за счет уплотненной метаногенной попул ции в метантанке, котора  оказьгоает поло жительное вли ние на процесс метаногенеза до определенной плотности. после чего наступает старение и отмирание клеток, что требует периодического обновлени  биофильтров. Наиболее близкой по техническому решению к предлагаемой  вл етс  термофильна  синтрофна  ассоциаци  микроорганизмов Sarcina maxima, Sarcina ventriculi, MethAnosarcina majei, Methanobacter-ium thermoauto- trophicum № 1001, предназначенна  дл  переработки органических отходов сельского хоз йства в метан при 50-56°С. Выход биогаза с литра реактора в цепи достигает 7,0-7,5 л при содержаний метана в нем 59-72% 4. Недостатком известной ассоциации  вл етс  узкий температурный интервал активности и невысока  тепло .творна  способность получаемого газа . Целью изобретени   вл етс  синтрофна  мезофильна  ассоциаци  микроорганизмов , позвол юща  интенсифицировать процесс микробиологической переработки навоза крупного рогатого скота путем расширени  температурного интервала активности и увеличени  теплотворной способности биогаза. Поставленна  цель достигаетс  использованием , синтрофной ассоциации микроорганизмов Methanosarcina majei,-Methanothrix Soehugenii, lyiethanobacterium formic icum N 1002 (коллекци  Отдела литотрофных микроорганизмов Института микробиологии АН СССР) дл  переработки навоза крупного рогатого скота в метан. Мезофильна  синтрофна  метанообразующа  ассоциаци  микроорганизмов получена путем автоселекции в длительном непрерьгоном процессе в лабораторных услови х при 32-40°С, рН среды 7,2-7,6 и суточной загрузке метантенка 30-32% из смеси исходной спонтанной микрофлоры, наход щейс  в навозе крупного рогатого скота и в иле очистных сооружений бытовых сточных вод. Микроорганизмы, вход щие в состав отселекционированной мезофильной метаногенной ассоциации, идентифицированны по определителю бактерий Берджи, по новым литературным источникам и по сравнению с музейными культурами Отдела литотрофных микроорганизмов Института микробиологии АН СССР. Полученна  синтрофна  метаногенна  ассоциаци ,  вл юща с  продуцен ; том метана, сбраживающа  органические отходы сельского хоз йства (навоз крупного рогатого скота, растительные отходу тепличного хоз йства) обладает следующими признаками: -доминирующим метанообразующим микроорганизмом в ассоциации  вл етс  мезофильный штамм Methanosarcina raajei, составл ющий в зависимости от условий культивировани  до 90% численности метаногенной микрофлоры Клетки этого организма кокковидные, деление происходит закладыванием перегородки, неравномерное, часто образуютс  сложные агрегаты шаровид ной формы, представл ющие собой неразошедшиес  при делении клетки. Наблюдаютс  макроцисты - крупные агрегаты, одетые общей оболочкой. При облучении ультрафиолетом клетки свет тс  голубовато-зеленым цветом. Строгий анаэроб. Использует с образованием метана смесь водорода с углекислотой, метанол, метиламин, ацетат. Глубинные колонии данного микроорганизма в roll-tub (fio .Ханге ту)  рко-желтые, угловатые, зернистые . -Methanothrix Soehugenii - круп ные палочки с пр мыми концами, дел  с  закладыванием перегородки, часто образуют нити разной длины, кажда  кле.тка имеет чехол. При облучении ультрафиолетом клетки не свет тс . Строгий анаэроб. Использует ацетат. Колоний на твердой среде не образуе -Methanobacterium formicicum мелкие тонкие слегка изогнутые пало ки, дел тс  перет жкой, свет тс  при облучении ультрафиолетом. Строгий анаэроб. Использует формиат и смесь . Глубинные колонии белые, неплотные. Оптимальна  температура культиви ровани  ассоциации на отходах сельского хоз йства (навозе, растительн остатках) или минеральной среде с экзогенными субстратами (ацетат, метанол, метиламин, смесь водорода с углекислотой) 32-40°С. Предпочтительным рН среды  вл етс  7,2-7,6, может развиватьс  при рН 6,6-8,2. Предлагаема  мезофильна  метанообразующа  ассоциаци  микроорганизмов характеризуетс  способностью осуществл ть разложение навоза круп ного рогатого скота, а также растительных отходов с образованием метана (СН) и угле1 ислоты (СО) . Суточна  загрузка метантенка составл ет 30-32% при 36-40%-ном разложении органического вещества в нем. Это позвол ет провести полньй обмен среды в аппарате за 3-3,5 суток. При этом съем биогаза с литра реактора в сутки достигает 5,3-6,2 л при содержании метана в нем 69-86%. Вьщеленна  ассоциаци  микроорганизмов в лабораторных услови х хорошо растет на минеральной среде Пфеннинга без органических-добавок следующего состава, г/л воды: NHjCl, KHjPO., MgClx3H20, CaCl, KCl no 0,33; NaHCO - 2; - 0,5; 5 МЛ раствора резезурина 1%-ного, 1 мл микроэлементов Липерта. Субстратом служит нативный навоз или навоз с добавками растительных остатков . Хранитс  на агаризованной или жидкой минеральной среде указанного состава. Пересевы ведутс  под током С02 или N2. Периодичность пересевов при хранении 1 раз в 2 мес ца. Состав ьшнерапьной среды можно использовать при ускоренной наработке закваски дл  засева ре1 актора. Пример 1. Сбраживание проводили в, лабораторном метантенке объемом 3 л (рабочий объем 2,2 л). В качестве исходного субстрата исполь- зовали предварительно измельченный навоз К.Р.С. Процесс сбраживани  вели отъемно-притоЧньм методом с одноразовой и дробной подачей исходного субстрата, с одновременным перемешиванием, и отводом продуктов метаболизма, температуре 36±l-c, рН среды 7,4iO,2. Загружаемый навоз соответствовал основным требовани м. Содержание основных компонентов в нем поддерживали, %: влажность 8992; сухое вещество 8-11; летучие кислоты 3,4-5,0; общие органические кислоты 7,0-9,3; сахара 2,5-5,0. На стадии метаногенеза засевной микрофлорой служила отселекционированна  метаногенна  ассоциаци . Результаты переработки навоза К.Р.С. с помощью мезофильной синтрофной ассоциации микроорганизмов даны в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

Параллельно в аналогичных-услови х проводили процесс метанового сбраживани  исходного измельченного наво-35 за К.Р.С. без использовани  закваски. В течение 19 сут был проведен периодический процесс сбраживани  исходного навоза с целью накоплени  спонтанной метаногенной микрофлоры, до

после чего перешли на непрерывный режим, постепенно увеличива  суточную загрузку.

Результаты переработки навоза К.Р.С. без внесени  синтрофной ассоциации микроорганизмов даны в табл. 2.

Таблица2 Таким образом, при использовании отселекционированной мезофильной закваски процесс сбраживани  начинаетс  сразу с суточной загрузки 10% а при спонтанном сбраживании необхоДИМ период накоплени  спонтанной метаногенной микрофлоры. При использовании отселекционированной закваски величина загрузки метантенка в мезофильных услови х увеличиваетс  почти в 3 раза, достигает 30-32%, значительно повьшаетс  производительность аппарата, соответ ственно увеличиваетс  съем биогаза и достигает 5,3-6,2 л с литра реак2 ,2

1.

20,0

Продолжение табл. 2

61,5

30

5,0 тора в сутки при содержании метана в нем 79-86%. П р и м е р 2. Сбраживание навоза проводили в лабораторном метантанке объемом 3 л в услови х, аналогичных примеру 1. Засевной микрофлорой служила термофильна  метаногенна  ассоциаци  микроорганизмов Sarcina maxima, Sarcina ven-triculi, Methanosarcina majei, Methanobacterium thermoautotrophicum. Результаты переработки навоза К.P.С. с помощью термофильной ассоциации микроорганизмов представлены в табл. 3. ТаблицаЗ 911 Из табл. 3 видно, что скорость метаногенеза в термофильных услови х незначительно увеличиваетс  по сравнению со скоростью сбраживани  с помощью мезофильной ассоциации. Недостатком термофильного процесса  вл етс  требование поддержани  строго заданного температурного режима , что экономически удорожает этот процесс. Меньшее содержание метана в био.газе уменьшает теплотворную способность газа, из-за чего увеличиваетс  его расход на поддержание технологического режима и .соответственно уменьшаетс  объем товар ного газа. Кроме того, более стабильно идет процесс в мезофильных услови х, что 2 позвол ет применить предлагаемую ассоциацию микроорганизмов в любых климатических услови х, В данных услови х требуетс  меньше энергии на поддержание технологического режима. Благодар  этому значительно увеличиваетс  объем товарного газа. Биогаз, полученный в мезофильном процессе, содержит больший процент метана (до 86%)-, что значительно увеличивает теплотворную способность биогаза. Таким образом, предлагаема  мезофштьна  метаногенна  ассоциаци  представл ет четко сбалансированное сообщество микроорганизмов, применение которой в промьппленности составит значительный экономический эффект .