Біотехнологія отримання біогазу із жировмісної сировини
| dc.contributor.advisor | Голуб, Наталія Борисівна | |
| dc.contributor.author | Шинкарчук, Мальвіна Володимирівна | |
| dc.date.accessioned | 2020-09-02T09:48:53Z | |
| dc.date.available | 2020-09-02T09:48:53Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description.abstracten | Today, the leather industry is one of the most highly polluting and toxic industries due to a wide range of industry waste: organic (mist, fats, wool, blood) and chemical contaminants (chromium, sulfur, chloride, acids, alkalis, antiseptics). The leather industry is one of the oldest industries and its environmental impact has been addressed in Europe since 1998 [5th Framework Program, 1999]. Due to the high environmental standards set by the EU's environment and climate program "Tannet", scientific developments to improve environmental performance (reuse of reagents, reduce the use of toxic compounds in technology) and post-production processes of the leather industry (reduction of wastewater, waste , have contributed to the reduction of anthropogenic load on the environment. However, to date, there is a search and implementation of technologies for "greening" leather production. Also facing the Ukrainian production is the problem of diversification of energy sources [Golub GA, 2015], namely the need to introduce innovative energy-saving technologies focused on the production of renewable fuels. Therefore, the urgent task for the leather industry is the processing of fat waste from energy sources and fertilizers. The problem of utilization of fat-containing waste from leather production for biogas production is that such waste is poorly exposed to methane digestion processes due to the low nitrogen content in the fat and the high concentrations of chemical salts used in leather production technology. In order to reduce the concentration of compounds, increase the nitrogen content and increase the biogas yield, the process of co-fermentation with N-content is used. It is possible to use birds manure and agricultural wastes as a cosubstrate, which share is increasing due to Ukraine's European integration processes. For the implementation of the process of fermentation of a particular substrate, it is important to ensure the rational parameters of the process: the content of dry organic raw materials, pH, ratio inoculum: substrate and cosubstrates, rational fermentation time. The main disadvantage of anaerobic digestion of waste from leather production is the presence of compounds that inhibit the activities of the anaerobic association of microorganisms. In the dissertation the rational parameters for the fermentation of fatty waste are established, the maximum permissible concentrations of chemical compounds and antibiotics are determined, under which the anaerobic digestion process remains stable. To ensure the process of methanogenesis on the basis of fat-containing waste, the origin and composition of raw materials is an important issue, which will ensure a rational C / N ratio due to the selection of cosubstrate. Information on rational cosubstrate for the fermentation of fat-containing raw materials is not available in the scientific literature; the rational ratio of cosubstrate for fermentation, in which the biogas and methane yield is maximum, was investigated. In the dissertation, the different chemical compositions of cosubstrates were investigated, the use of which in the process of co-fermentation with fatty raw materials increases the production of biogas and the content of methane in it. Established a rational ratio of fat-containing raw materials: cosubstrate with a properly selected load on organic matter contributes to the increase of biogas yield and a stable pH value of the fermentation medium. It is established that when using manure as cosubstrate with a rational ratio of fat-containing raw material / manure is 9:1, inoculum / substrate is 1:4; under such conditions the biogas yield is 84.6 ± 3.9 cm3 / g of dry organic matter, the methane content is 56 ± 2.7%. The technological and apparatus schemes of technology of processing of fatty waste of leather production are offered. The biotechnology of waste processing involves the production of gaseous energy - biogas and fertilizers. It is well known that the digested fraction of methanetanks (digestat) can be used as an organic fertilizer for growing agricultural crops. However, there are no literature sources on the use of the fertilizer from the fermented waste of fatty raw materials. The influence of the amount of digestat introduced into the soil on the growth of the most common crops are presented in this thesis. Also, the issue of sewage treatment containing antibiotics remains unresolved and urgent. The efficiency of anaerobic method of water purification using the antibioticadapted association of microorganisms is substantiated and experimentally proved in the work. It was determined that the tetracycline-adapted and norfloxacin-adapted microorganisms of Methanobacterium formicicum and Methanosaeta spp. The theme of the dissertation corresponds to the directions of science and technology development «Rational Use of Nature» and innovation activity strategic priority directions in Ukraine for 2009 – 2020, namely: «Improvement of chemical technologies, new materials, development of biotechnologies"; "Protection and rehabilitation of man and the environment». The purpose of the work is to substantiate and develop the technological basis of biotechnological solutions for the processing of fat-containing waste products of leather production into biogas. To achieve this goal it was necessary to solve the following problems: - to establish rational parameters of the process of anaerobic digestion of fatcontaining waste of leather production in laboratory conditions (composition of the substrate (including setting the limit level of inhibitory compounds in the substrate), the ratio of the substrate: inoculum, pH, load on dry organic matter; - to determine the rational ratio of fat-containing raw materials: cosubstrate for the process of biogas production and the content of methane in it for different types of cosubstrates (waste, corn, potatoes and apple pulp); - adapt the anaerobic association of microorganisms to antibiotics and identify the types of methanogens that survive under such conditions; - to investigate the process of biogas production with the use of an antibioticadapted microorganism association; - to determine rational concentrations of the liquid and solid fraction of the degenerate substrate for introduction into the soil during cultivation of agricultural plants; - to develop technological and apparatus schemes for processing of fat-containing production wastes, which are received in the process of preparation of raw materials for tanning; and to develop recommendations on the feasibility of using biogas from fatcontaining raw materials for processing of non-tanning waste of the enterprise. The object of the research is biotechnology for the production of biogas from fatcontaining waste from leather production. The subject of research is the parameters of biogas production in the cofermentation of fatty waste production of leather. Research methods. To accomplish the tasks in the research process was used: physicochemical methods (pH-metry, etc.) were applied to determine the process characteristics; gravimetric method was used to determine the amount of dry organic matter and ash content; gas chromatography was used to determine the qualitative composition of biogas; molecular biology methods (DNA isolation, polymerase chain reaction (PCR), sequencing) were used to determine species diversity; to determine the content of microorganisms, DNA concentrations were used methods of spectrophotometry; bioinformatic methods were used to process sequencing results. The methods of graph theory were used with the use of MSExcel and AutoCAD software. The following scientific results were obtained for the first time in the dissertation: - determined the dependence of methane formation on the component composition of the fat-containing waste of leather production; - determined the dependence of biogas production on the component composition of cosubstrates (litter, corn waste, apple pulp) during the co-fermentation of fatty waste; - identified the types of methanogens present in the anaerobic association, adapted to high concentrations of norfloxacin and tetracycline, by DNA sequencing of microorganisms, enabling the enrichment of the microbial association with these species to increase biogas output and methane content; -substantiated the rational conditions of the process of fermentation of fatty raw materials at high concentrations of salts and antibiotics, which makes it possible to create technology for the processing of fatty waste products of the leather industry; -shown the possibility of using solid and liquid waste of digested fatty raw materials as fertilizer. The practical significance of dissertation is to solve the problem of utilization of fatty waste of leather production with the biogas production. Сosubstrates that can be used to provide a process for the digestion of fatty raw materials by nitrogen and trace elements to enhance biogas yield have been identified. Established rational technological parameters of digestion of fat-containing waste allow obtaining biogas with a concentration of methane up to 72%, which allows to increase the energy efficiency of tanneries, to reduce anthropogenic impact on the environment and to reduce the cost of production. Developed technological solutions for anaerobic processing of fat-containing waste were introduced into the project documentation in the section "Production Technology" of SE "State Building Combine of Management of Affairs of the Apparatus of the Verkhovna Rada of Ukraine" and recommendations for the enterprise of "Slava" LLC were given. The established doses of introduction of the digested solid and liquid fraction of fat waste for cultivation of agricultural plants, which creates an additional source of profit when receiving biogas, increases the efficiency of using such fertilizers. The results of the research have been implemented into the specialists educational process in specialty 162 «Biotechnologies and bioengineering». Personal contribution of the competitor. All the results of dissertation were received personally by the competitor or with his direct participation. The work planning and discussion of the results were carried out together with the scientific supervisor. The author personally worked out the development and design of a laboratory installation, the determination of the rational parameters of biogas production during the fermentation of fat-containing raw materials, the co-fermentation of fat-containing waste with different types of cosubstrates, researched the effect of digestate on plant growth, adaptation of anaerobic association of microorganisms, creation of apparatus and technological schemes for biogas obtaining. 23 scientific works were published on the topic of the dissertation, including: 6 scientific articles, of which 3 are articles in scientific professional editions of Ukraine, which are part of scientometric bases, 1 article in the periodic scientific professional edition of the state, which is a member of the Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) (Hungary), 2 articles in other editions; 1 patent of Ukraine for utility model; 16 theses reports at national and international conferences. | uk |
| dc.description.abstractuk | На сьогодні підприємства шкіряної промисловості є одними із найбільш високозабруднювальних та токсичних виробництв за рахунок широкого спектру відходів галузі: органічних (міздря, жири, вовна, кров) та хімічних забруднювачів (сполуки хрому, сульфуру, хлориди, кислоти, луги, антисептики). Шкіряна промисловість є однією із найбільш старих галузей виробництва і питаннями її впливу на навколишнє середовище в Європі займаються ще з 1998 року [5th Framework Programme, 1999]. Завдяки високим екологічним стандартам, які закладено в програмі ЄС з навколишнього середовища та клімату Tannet, наукові розробки щодо покращення екологічних показників виробничих (повторне використання реагентів, зменшення використання токсичних сполук у технології) та поствиробничих процесів шкіряної галузі (зменшення обсягів стічних вод, відходів, викидів у атмосферу) сприяли зниженню антропогенного навантаження на довкілля. Однак до теперішнього часу відбувається пошук та реалізація технологій «екологізації» шкіряного виробництва. Також перед виробництвом України постає проблема диверсифікації енергетичних джерел [Голуб Г.А., 2015], а саме необхідність впровадження інноваційних енергозберігаючих технологій, орієнтованих на виробництво відновлювального палива. Тому актуальним завданням для шкіряної промисловості є переробка жирових відходів з отримання джерел енергії та добрива. Проблема утилізації жировмісних відходів шкіряного виробництва з метою одержання біогазу полягає в тому, що такі відходи погано піддаються процесам метанового зброджування внаслідок незначного вмісту азоту в жирі та високих концентрацій хімічних солей, які використовуються у технології виробництва шкіри. Для зниження концентрації хімічних сполук, підвищення вмісту азоту та збільшення виходу біогазу застосовують процес коферментації з N-вмісною сировиною. Як косубстрат можливо використовувати послід птахів та відходи сільськогосподарських рослин, частка яких збільшується у зв’язку з процесами євроінтеграції України. Для здійснення процесу зброджування конкретного субстрату важливо забезпечити раціональні параметри процесу: вміст сухої органічної сировини, рН, співвідношення інокулят:субстрат та косубстратів, раціональний час перебігу ферментації. Основним недоліком анаеробного зброджування відходів шкіряного виробництва є наявність сполук, які пригнічують діяльність анаеробної асоціації мікроорганізмів. В дисертаційній роботі встановлено раціональні параметри для зброджування жировмісних відходів, визначено гранично допустимі концентрації хімічних сполук та антибіотиків, за яких процес анаеробного зброджування залишається стабільним. Для забезпечення процесу метаногенезу на основі жировмісних відходів важливими питанням є походження та склад сировини, що дозволить забезпечити раціональне співвідношення С/N завдяки підбору косубстрату. В науковій літературі відсутня інформація щодо раціонального косубстрату для ферментації жировмісної сировини, не досліджено раціональне співвідношення косубстратів для ферментації, за яких вихід біогазу та метану є максимальним. В дисертаційній роботі досліджено різні за хімічним складом косубстрати, за використання яких в процесі коферментації з жировмісною сировиною збільшується продукування біогазу та вміст метану в ньому. Встановлення раціонального співвідношення жировмісна сировина : косубстрат за правильно підібраного навантаження за органічною речовиною сприяє підвищенню виходу біогазу, сталому значенню рН середовища зброджування. Встановлено, що за використання посліду як косубстрату раціональним співвідношенням жировмісна сировина/послід є 9:1, інокулят/субстрат – 1:4; за таких умов вихід біогазу – 84,6±3,9 см3 /г СОР, вміст метану 56±2,7 %. Запропоновано технологічну та апаратурну схеми технології переробки жировмісних відходів шкіряного виробництва. Біотехнологія переробки відходів передбачає одержання газоподібного енергоносія – біогазу та добрива. Відомо, що переброджена фракція з метантенків (дігестат), може застосовуватись як органічне добриво для вирощування с/г культур. Але в літературних джерелах відсутні дані щодо використання добрива з ферментованих відходів жировмісної сировини. В роботі наведено результати дослідження впливу кількості внесеного в грунт дігестату на ріст найбільш поширених сільськогосподарських культур. Також не вирішеним та актуальним лишається питання очищення стічної води, що містить антибіотики. В роботі обґрунтовано та експериментально доведено ефективність анаеробного способу очищення води з використанням адаптованої до антибіотиків асоціації мікроорганізмів. Визначено, що до складу адаптованої до тетрацикліну та норфлоксацину асоціації входять мікроорганізми видів Methanobacterium formicicum та Methanosaeta spp.. Тема дисертаційної роботи відповідає напрямам розвитку науки і техніки «Раціональне природокористування» та стратегічним пріоритетним напрямам інноваційної діяльності в Україні на 2009 – 2020 роки, а саме: «Вдосконалення хімічних технологій, нові матеріали, розвиток біотехнологій»; «Охорона і оздоровлення людини та навколишнього середовища». Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є обґрунтування та розробка технологічних основ біотехнологічних рішень переробки жировмісних відходів виробництва шкіри у біогаз. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі: - встановити раціональні параметри процесу анаеробного зброджування жировмісних відходів шкіряного виробництва в лабораторних умовах (склад субстрату (в т. ч. встановити граничний рівень інгібуючих сполук у субстраті), співвідношення субстрат : інокулят, рН, навантаження за СОР в реакторі); - визначити раціональне співвідношення жировмісна сировина : косубстрат на процес одержання біогазу та вміст метану в ньому для різних типів косубстратів (послід, відходи кукурудзи, картоплі та яблучного жому); - провести адаптацію анаеробної асоціації мікроорганізмів до антибіотиків та встановити види метаногенів, які виживають за таких умов; - дослідити процес отримання біогазу при застосуванні адаптованої до антибіотиків асоціації мікроорганізмів; - визначити раціональні концентрації рідкої та твердої фракції переродженого субстрату для внесення в ґрунт при вирощуванні сільськогосподарських рослин; - розробити технологічну та апаратурну схеми переробки жировмісних відходів виробництва, які отримують в процесі підготовки сировини до дублення; та розробити рекомендації щодо можливості застосування технології отримання біогазу з жировмісної сировини для переробки недублених відходів підприємства. Об’єктом досліджень є біотехнологія отримання біогазу із жировмісних відходів виробництва шкіри. Предметом досліджень є параметри одержання біогазу при коферментації жировмісних відходів виробництва шкіри. Методи дослідження. Для виконання поставлених завдань у процесі дослідження використано: для визначення характеристик процесу застосовано фізико-хімічні методи (pH-метрія, тощо); для визначення кількості сухої органічної речовини та зольності застосовували гравіметричний метод; для визначення якісного складу біогазу використовували метод газової хроматографії; для визначення видового різноманіття використовували методи молекулярної біології (виділення ДНК, полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР), секвенування); для визначення вмісту мікроорганізмів, концентрації ДНК використовували методи спектрофотометрії; для обробки результатів секвенування використовували біоінформаційні методи. Методи теорії графів використано із застосуванням програмного забезпечення MSExcel та AutoCAD. У дисертації вперше одержані такі наукові результати: - встановлено залежність утворення метану від компонентного складу жировмісних відходів виробництва шкіри; - визначено залежність продукування біогазу від компонентного складу косубстратів (послід, відходи кукурудзи, яблучний жом) при коферментації жировмісних відходів; - вперше встановлено види метаногенів, які присутні в анаеробній асоціації, що адаптована до високих концентрацій норфлоксацину і тетрацикліну, методом секвенування ДНК мікроорганізмів, що дає можливість збагачення мікробної асоціації цими видами для підвищення виходу біогазу та вмісту метану в ньому; - обгрунтовано раціональні умови процесу зброджування жировмісної сировини за високих концентрацій солей та антибіотиків, що дає можливість створення технології переробки жировмісних відходів шкіряної промисловості; - показана можливість використання твердих та рідких відходів збродженої жировмісної сировини як добрива. Практичне значення дисертаційної роботи полягає у вирішенні проблеми утилізації жировмісних відходів шкіряного виробництва з одержанням біогазу. Визначено косубстрати, які можна використовувати для забезпечення процесу зброджування жировмісної сировини нітрогеном та мікроелементами для підвищення виходу біогазу. Встановлені раціональні технологічні параметри зброджування жировмісних відходів дозволяють отримати біогаз з концентрацією метану до 72 %, що дозволяє підвищити енергоефективність заводів з виробництва шкіри, зменшити антропогенний вплив на навколишнє середовище та знизити собівартість продукції. Розроблені технологічні рішення анаеробної переробки жировмісних відходів впроваджено у проектну документацію в розділі «Технологія виробництва» ДП «Державний будівельний комбінат управління справами Апарату Верховної Ради України» та надано рекомендації для підприємства ТОВ «Слава». Встановлені дози внесення перебродженої твердої та рідкої фракції жирових відходів для вирощування сільськогосподарських рослин, що створює додаткове джерело прибутку при одержанні біогазу, підвищує економічність використання таких добрив. Результати досліджень впроваджено у навчальний процес підготовки фахівців спеціальності 162 «Біотехнології та біоінженерія». Особистий внесок здобувача. Результати роботи, які викладено в дисертації, одержані автором особисто або за його безпосередньої участі. Планування роботи та обговорення результатів проводили спільно із науковим керівником. Автором особисто проведено розробку та конструювання лабораторної установки, визначення раціональних параметрів отримання біогазу при ферментації жировмісної сировини, проведення коферментації жировмісних відходів з різними видами косубстратів, проведення дослідження впливу дігестату на ріст рослин, адаптація анаеробної асоціації мікроорганізмів, створення апаратурних та технологічних схем отримання біогазу. За темою дисертації опубліковано 23 наукові праці, у тому числі: 6 наукових статей, з яких 3 статі у наукових фахових виданнях України, які входять до наукометричних баз, 1 стаття у періодичному науковому фаховому виданні держави, яка входить до Організації економічного співробітництва та розвитку та Європейського Союзу (Угорщина), 2 – у інших виданнях; 1 патент України на корисну модель; 16 тез на всеукраїнських та міжнародних конференціях. | uk |
| dc.format.pagerange | 238 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Шинкарчук, М. В. Біотехнологія отримання біогазу із жировмісної сировини : дис. … д-ра філософії : 162 – біотехнології та біоінженерія / Шинкарчук Мальвіна Володимирівна. – Київ, 2020. – 238 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/35946 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | біогаз | uk |
| dc.subject | метан | uk |
| dc.subject | анаеробне зброджування | uk |
| dc.subject | жировмісні відходи | uk |
| dc.subject | коферментація | uk |
| dc.subject | послід | uk |
| dc.subject | антибіотики | uk |
| dc.subject | норфлоксацин | uk |
| dc.subject | тетрациклін | uk |
| dc.subject | дігестат | uk |
| dc.subject | biogas | uk |
| dc.subject | methane | uk |
| dc.subject | anaerobic digestion | uk |
| dc.subject | fat-containing waste | uk |
| dc.subject | cofermentation | uk |
| dc.subject | litter | uk |
| dc.subject | antibiotics | uk |
| dc.subject | norfloxacin | uk |
| dc.subject | tetracycline | uk |
| dc.subject | digestat | uk |
| dc.title | Біотехнологія отримання біогазу із жировмісної сировини | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Shynkarchuk_diss.pdf
- Розмір:
- 5.46 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.06 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: