Синтрофная ассоциация микроорганизмов @ @ @ @ , @ @ N-1002 для переработки навоза крупного рогатого скота в метан Советский патент 1984 года по МПК C12N1/00 C02F11/04 C02F103/20 

11 Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при анаэробной переработке органических отходов с целью получения би газа как энергетического субстрата. В настоящее время в зависимости от климатических условий на фермах и комплексах, а также в промьшшеннос ти используется спонтанное сбраживание навоза и органических остатков в мезофильных 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 52-59%, величина суточной загрузки метантенка достигает 8-12%, экспозиция сбражива ния 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 является низкая величина суточной загрузки и низкий суточный выход биогаза с рабочего объема реак тора. Известен способ спонтанной анаэробной переработки свиного навоза фиксированными клетками микроорганизмов путем погружения в метантанк анаэробного биофильтра. Выход биогаза увеличивается 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 является введение биофильтров в реактор что удорожает процесс и требует введения в технологическую схему допол-нительной технической операции, а также то, что скорость метаногенеза увеличивается не за счет используемой активной микрофлоры, а за счет уплотненной метаногенной популяции в метантанке, которая оказьгоает поло жительное влияние на процесс метаногенеза до определенной плотности. 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 ventriculi, MethAnosarcina majei, Methanobacter-ium thermoauto- trophicum № 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 содержаний метана в нем 59-72% 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, lyiethanobacterium formic icum N 1002 (коллекция Отдела литотрофных микроорганизмов Института микробиологии АН СССР) для переработки навоза крупного рогатого скота в метан. Мезофильная синтрофная метанообразующая ассоциация микроорганизмов получена путем автоселекции в длительном непрерьгоном процессе в лабораторных условиях при 32-40°С, рН среды 7,2-7,6 и суточной загрузке метантенка 30-32% 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 ; том метана, сбраживающая органические отходы сельского хозяйства (навоз крупного рогатого скота, растительные отходу тепличного хозяйства) обладает следующими признаками: -доминирующим метанообразующим микроорганизмом в ассоциации является мезофильный штамм Methanosarcina raajei, составляющий в зависимости от условий культивирования до 90% 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 roll-tub (fio .Ханге ту) ярко-желтые, угловатые, зернистые . -Methanothrix Soehugenii - круп ные палочки с прямыми концами, деля ся закладыванием перегородки, часто образуют нити разной длины, каждая кле.тка имеет чехол. При облучении ультрафиолетом клетки не светятся. Строгий анаэроб. Использует ацетат. Колоний на твердой среде не образуе -Methanobacterium formicicum мелкие тонкие слегка изогнутые пало ки, делятся перетяжкой, светятся при облучении ультрафиолетом. Строгий анаэроб. Использует формиат и смесь . Глубинные колонии белые, неплотные. Оптимальная температура культиви рования ассоциации на отходах сельского хозяйства (навозе, растительн 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. Предлагаемая мезофильная метанообразующая ассоциация микроорганизмов характеризуется способностью осуществлять разложение навоза круп ного рогатого скота, а также растительных отходов с образованием метана (СН) и угле1 ислоты (СО) . Суточная загрузка метантенка составляет 30-32% при 36-40%-ном разложении органического вещества в нем. Это позволяет 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%. Вьщеленная ассоциация микроорганизмов в лабораторных условиях 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 . Хранится на агаризованной или жидкой минеральной среде указанного состава. Пересевы ведутся под током С02 или N2. Периодичность пересевов при хранении 1 раз в 2 месяца. Состав ьшнерапьной среды можно использовать при ускоренной наработке закваски для 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 сбраживания 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 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 2,5-5,0. На стадии метаногенеза засевной микрофлорой служила отселекционированная метаногенная ассоциация. Результаты переработки навоза К.Р.С. с помощью мезофильной синтрофной ассоциации микроорганизмов даны в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

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

Параллельно в аналогичных-условиях проводили процесс метанового сбраживания исходного измельченного наво-35 за К.Р.С. без использования закваски. В течение 19 сут был проведен периодический процесс сбраживания исходного навоза с целью накопления спонтанной метаногенной микрофлоры, до

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

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

Таблица2 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 увеличивается почти в 3 раза, достигает 30-32%, значительно повьшается производительность аппарата, соответ ственно увеличивается съем биогаза и достигает 5,3-6,2 л с литра реак2,2

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 условиях, аналогичных примеру 1. Засевной микрофлорой служила термофильная метаногенная ассоциация 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 условиях незначительно увеличивается по сравнению со скоростью сбраживания с помощью мезофильной ассоциации. Недостатком термофильного процесса является требование поддержания строго заданного температурного режима, что экономически удорожает этот процесс. Меньшее содержание метана в био.газе уменьшает теплотворную способность газа, из-за чего увеличивается его расход на поддержание технологического режима и .соответственно уменьшается объем товар ного газа. Кроме того, более стабильно идет процесс в мезофильных условиях, что 2 позволяет применить предлагаемую ассоциацию микроорганизмов в любых климатических условиях, В данных условиях требуется меньше энергии на поддержание технологического режима. Благодаря этому значительно увеличивается объем товарного газа. Биогаз, полученный в мезофильном процессе, содержит больший процент метана (до 86%)-, что значительно увеличивает теплотворную способность биогаза. Таким образом, предлагаемая мезофштьная метаногенная ассоциация представляет четко сбалансированное сообщество микроорганизмов, применение которой в промьппленности составит значительный экономический эффект.