Синтрофная ассоциация микроорганизмов @ @ @ @ , @ @ n-1002 для переработки навоза крупного рогатого скота в метан

 

Синтрофная ассоциация микроорганизмов Methanosarcina majei, Methanothrix Soehugenii, Methanobacterium formicicum № 1002 (коллекция Отдела литотрофных микроорганизмов Института микробиологии АН СССР) для переработки навоза крупного рогатого скота в метан. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ(УБЛИК (1% (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И m HPblTHA (21) 3543500/30-15 (22) 18.01.83 (46) 23.07.84. Бюл. Р 27 (72) P.À.Måëüíèê, А.Н.Ножевникова, И.И.Евдокименко и Т.Г.Ягодина (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт комплексных проблем машиностроения для животноводства и кормопроизводства и Институт микробиологии АН СССР (53) 636.220.18:547.211.862(088.8) (56) 1. Коломийцев П.А. и др.

Комплексное использование органических отходов для получения высококачественных удобрений и горючего газа (метана). M . 1959, с. 11.

2. Доливо-Добровольский Л.В.

Микробиологические процессы очистки воды. Изд-во Мин. коммун. хоз-ва

РСФСР, 1958 °

3. Production du biogaz. — "Elevage percin", 1982, й-* 118, р. 50-53.

4. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 3460549/30-15, кл. С 12 N 1/00, 1982 (прототип).

ЗШ С 12 N 1/00 ° С 02 F 11 04 (54) СИНТРОФНАЯ АССОЦИАЦИЯ MHKPOOPI ÀНИЗМОВ METHANOSARCINA MAJEI, METHANOTHRIX SOEHUGENII, METHAN0BACTERIUM FORMICICUM 1(1002 ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА

В МЕТАН. (57) Синтрофная ассоциация микроорганизмов Methanosarcina majei, Methanothrix Soehugenii, Methanobacterium formicicum к 1002 (коллекция

Отдела литотрофных микроорганизмов

Института микробиологии AH CCCP) для переработки навоза крупного рогатого скота в метан.

1 11041

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при анаэробной переработке органических отходов с целью получения биогаза как энергетического субстрата.

В настоящее время в зависимости от климатических условий на фермах и комплексах, а также в промышленности используется спонтанное сбраживание навоза и органических остатков 10 в меэофильных условиях (температура сбраживания 28-35 С) с помощью нативной микрофлоры навоза. При этом выход биогаза составляет 0,8—

1,7 м /м реактора в сутки с содержанием метана в нем до 52-597, величина суточной загрузки метантенка достигает 8-12Х, экспозиция сбраживания 10 — 24 и более суток P) .

Известен штамм сапрофитного микро- ур организма Bacillus endorhythmos который в симбиозе с метаногенными микроорганизмами повышает образование метана при сбраживании осадка сточных вод, содержащего органические вещества. При добавлении в сбраживаемую 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 j2) .

Недостатками данных технических решений является низкая величина суточной загрузки и низкий суточный выход биогаза с рабочего объема реак35 тора.

Известен способ спонтанной анаэробной переработки свиного навоза

"фиксированными клетками" микроорга" низмов путем погружения в метантенк анаэробного биофильтра. Выход биогаза увеличивается до 4,5-5 м с м метантенка в сутки при 48Х-ном разложении органического вещества и содержании метана в биогазе до 857 (3).

Недостатком данного способа является введение биофильтров в реактор, что удорожает процесс и требует введения в технологическую схему допол- 0 .нительной технической операции, а также то, что скорость метаногенеза увеличивается не эа счет используемой активной микрофлоры, а за счет уплотненной метаногенной популяции в метантенке, которая оказывает положительное влияние на процесс метаногенеэа до определенной плотности, 52 после чего наступает старение и отмирание клеток, что требует периодического обновления биофильтров.

Наиболее близкой по техническому решению к предлагаемой является термофильная синтрофная ассоциация микроорганизмов Sarcina maxima, Sarcina ventricu1i., Иеghhnosarcina

majei Hethanobacterium thermoautotrophicum N 1001, предназначенная для переработки органических отходов . сельского хозяйства в метан при

50-56 С. Выход биогаза с литра реактора в цепи достигает 7,0-7,5 л при содержании метана в нем 59-727 (4) .

Недостатком известной ассоциации является узкий температурный интервал активности и невысокая тепло,творная способность получаемого газа.

Целью изобретения является синтрофная мезофильная ассоциация микроорганизмов, позволяющая интенсифицировать процесс микробиологической переработки навоза крупного рогатого скота путем расширения температурного интервала активности и увеличения теплотворной способности биогаза.

Поставленная цель достигается использованием,синтрофной ассоциации микроорганизмов, Methanosarcina

majei,-Methanothrix Soehugenii, Nethanobacterium formicicum Ф 1002 (коллекция Отдела литотрофных микроорганизмов Института микробиологии

АН СССР) для переработки навоза крупного рогатого скота в метан.

Иеэофильная синтрофная метанообразующая ассоциация микроорганизмов получена путем автоселекции в длительном непрерывном процессе в лабораторных условиях при 32-40 С, рН среды 7,2-7,6 и суточной загрузке метантенка 30-32Х из смеси исходной спонтанной микрофлоры, находящейся в навозе крупного рогатого скота и в иле очистных сооружений бытовых сточных вод.

Микроорганизмы, входящие 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.

Полученная синтрофная метаногенная ассоциация, являющаяся продуцен .

3 110415 том метана, сбраживающая органические отходы сельского хозяйства (навоз крупного рогатого скота, расти- тельные отходы тепличного хозяйства), обладает следующими признаками: — доминирующим метанообразующим микроорганизмом в ассоциации является меэофильный штамм Nethanosarcina ша)е, составляющий в зависимости от условий культивирования до 90 1р численности метаногенной микрофлоры.

Клетки этого организма кокковидные, деление происходит закладыванием перегородки, неравномерное, часто образуются сложные агрегаты шаровид" ной формы, представляющие собой неразошедшиеся при делении клетки.

Наблюдаются макроцисты — крупные агрегаты, одетые общей оболочкой.

При облучении ультрафиолетом клетки светятся голубовато-зеленым цветом. .Строгий анаэроб. Использует с образованием метана смесь водорода с углекислотой, метанол, метиламин, ацетат. Глубинные колонии данного микроорганизма в го11-tub (йо .Хангейту) ярко-желтые, угловатые, зернистые .

- Me thano thr ix Soehugen i i — крупные палочки с прямыми концами делятФ 30 ся закладыванием перегородки, часто образуют нити разной длины, каждая клетка имеет чехол. При облучении ультрафиолетом клетки не светятся.

Строгий анаэроб. Использует ацетат.

Колоний на твердой среде не образует. — Nethanobacterium formicicum— мелкие тонкие слегка изогнутые палоч" ки, делятся перетяжкой, светятся при облучении ультрафиолетом. Строгий аназроб. Использует формиат

40 и смесь Н +СО . Глубинные колонии белые, неплотные.

Оптимальная температура культивирования ассоциации на отходах сель45 ского хозяйства (навозе, растительных остатках) или минеральной среде с экзогенными субстратами (ацетат, метанол, метиламин, смесь водорода с углекислотой) 32-40 С. Предпочтительным рН среды является 7,2-7,6, может развиваться при рН 6,6-8,2.

2 4 тельных отходов с образованием метана (CH ) и углекислоты (СО ) .

Суточная загрузка метантенка составляет 30-32 при 36-40 . — ном разложении органического вещества в нем.

Это позволяет провести полный обмен среды в аппарате эа 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 .

Выделенная ассоциация микроорганизмов в лабораторных условиях хорошо растет на минеральной среде Пфеннинга без органических. добавок следующего состава, г/л воды: NH Cl

КН РО, NgClx38<0, СаС1, KCl по 0,33; NaHCO> — 2; Na

5 мл раствора резезурина 1Х-ного, 1 мл микроэлементов Липерта. Субстратом служит нативный навоз или навоз с добавками растительных остатков. Хранится на агариэованной или жидкой минеральной среде указанного состава. Пересевы ведутся под током

СО или Н . Периодичность пересевов при хранении 1 раз в 2 месяца.

Состав минеральной среды можно использовать при ускоренной наработке закваски для засева ре1 ! ! актора.

Пример 1. Сбраживание прово" дили в,лабораторном метантенке объемом 3 л (рабочий объем 2,2 л). В качестве исходного субстрата исполь-. зовали предварительно измельченный навоз К,P.Ñ. Процесс сбраживания вели отъемно-приточным методом с одноразовой и дробной подачей исходного субстрата, с одновременным перемешиванием и отводом продуктов метаболизма, температуре 3611 С

Э рН среды 7,4-0,2. Загружаемый навоз соответствовал основным требованиям.

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, О.

На стадии метаногенеза засевной микрофлорой служила отселекционированная метаногенная ассоциация.

Предлагаемая мезофильная метано-. обраэующая ассоциация микроорганизмов характеризуется способностью осуществлять разложение навоза круп-1 ного рогатого скота, а также расти55 Результаты переработки навоза

К.P.Ñ. с помощью мезофильной синтрофной ассоциации микроорганизмов даны в табл. 1.

1104152

Таблица!

Доза суточной загрузки, %

Расчетный

Рабочий объем реактора, л

Фактический распад орг., в-ва, Ж

Съем биогаза

Опыт распад орг. в-ва, % с литра реактора в сутки, л/л

30

2,2

56,0

2,7

12

56,0

2,2

3,7

49,2

3,7

2,2

41,6

4,0

20

2,2

4,2

40,0

22

2,2

38,9

4,8

30

2,2

5,3

38,9

28

2,2

5,6

40,0

30

2,2

6,2

36,2

32

2,2

5 6

29,0

35

2,2

10.

27,0

5,0

2,2

Т а б л и ц а 2

Доза суточной загрузки, %

Рабочий объем

Съем биогаза с

Опыт распад распад орг. орг. в-ва, в-ва, %

% реактора, л (л) литра реактора в сутки, л/л

0,40

28,4

2,2

0,48

29,2

2,2

0,5

29,8

2,2

0,55

30,2

2,2

29,7

0,76

7,5

2,2

Параллельно в аналогичных условиях проводили процесс метанового сбражнвания исходного измельченного наво- З5 за К.P.Ñ. без использования закваски.

В течение 19 сут был проведен периодический процесс сбраживания исходного навоза с целью накопления спонтанной метаногенной микрофлоры, 4р

1 после чего перешли на непрерывный режим, постепенно увеличивая суточную загрузку.

Результаты переработки навоза

К.P,Ñ. без внесения синтрофной ассоциации микроорганизмов даны в табл. 2.

Расчетный Фактический

1104152

Продолжение табл. 2

Отпат Рабочий объем реактора, л

Доза суточно загрузки, Х (л) асчетный аспад

pr. в-ва, Х фактический распад орг ° в«ва, Х ем биоза с итра реакра в сут, л/л

7,5

31,0

0,80

2,2

0,94

28,6

2,2

7 °

29,8

1,23

2,2

30

30

26,7

1,48

2,2

12,5

26,4

2,2

1,56

10.

12,5

22,4

1,96

2,2

12,5

22,0

2,2

15,0

1,90

12.

Т а б л и ц а 3

Опыт Рабочий объем

Расчетный реактора, л распад

opr.в-ва, Х распад орг. в-ва, Х газа с литра реактора в сутки, л/л

5,0

2,2

1 °

61,5

2,2

2,2

34,6

31,6

5,8

6,6

30 6

30,0

2,2

2,2

38,5

40,0

4.

7,2

7,8

2,2

46,0

50 0

29,0

26,0

8,0

7,0

2,2

Таким образом, при использовании отселекционированной мезофильной закваски процесс сбраживания начинается сразу с суточной загрузки 10%, а при спонтанном сбраживании необходим период накопления спонтанной метаногенной микрофлоры.

При использовании отселекционированной закваски величина загрузки метантенка в мезофильных условиях

35 увеличивается почти в 3 раза, достигает 30-32%, значительно повышается производительность аппарата, соответственно увеличивается съем биогаза и достигает 5,3-6,2 л с литра реак- 40

Доза суточной загрузки, % (л)

20,0

30,0

36,0

I тора в сутки при содержании метана в нем 79-86Х.

Пример 2. Сбраживание навоза проводили в лабораторном метантенке объемом 3 л в условиях, аналогичных примеру 1. Засевной микрофлорой служила термофильная метаногенная ассоциация микроорганизмов Sarcina

maxima, Sarcina ven.triculi, Nethanosarcina majei, Methanobacterium

thermoautotrophicum.

Результаты переработки навоза

К.P.Ñ. с помощью термофильной ассоциации микроорганизмов представлены в табл. 3.

Фактический Съем био1104152

Составитель В.Романова

Редактор Н.Егорова ТехредМ.Гергель Корректор О.Билак

Заказ 5165/ 1 7 Тираж 522 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

Из табч. 3 видно, что скорость метаногенеза в термофильных условиях незначительно увеличивается по сравнению сп скоростью сбраживания с помощью мезофильной ассоциации. 5

Недостатком термофильного процесса является требование подцержания строго заданного температурного режима, что экономически удорожает этот процесс. Меньшее содержание метана в биогазе уменьшает теплотворную способность газа, из-за чего увеличивается era расход на поддержание технологического режима и со" ответственно уменьшается объем товар- 15 ного газа.

Кроме того, бопее стабильно идет процесс в мезофильных условиях, что позволяет применить предлагаемую ассоциацию микроорганизмов в любых климатических условиях. В данных ус-ловиях требуется меньше энергии на поддержание технологического режима.

Благодаря этому значительно увеличивается объем товарного газа. Биогаз, полученный в меэофильном процессе, содержит больший процент метана (до 867), что значительно увеличивает теплотворную способность биогаза.

Таким образом, предлагаемая мезофильная метаногенная ассоциация представляет четко сбалансированное сообщество микроорганизмов, применение которой в промьпнленности составит значительный экономический эффект.