Навигация
Біотехнологія культивування спіруліни
36961
знак
47
таблиц
0
изображений
1.3 Біотехнологія культивування спіруліни
1.3.1 Загальна характеристик спіруліни
Спіруліна є мікроскопічною, синьо-зеленою авто-гетеротрофною мікроводоростю, яка культивується в лужному середовищі.
Біологічна маса спіруліни вилучається з живильного рідкого середовища осадженням, згущується і висушується у вигляді порошку, який містить:
· 60–70% засвоюваного протеїну (білка);
· 1,5–12% ліпідів з незамінними жирними ненасиченими кислотами;
· 10–12% засвоєних вуглеводів;
· Вітамін Б12 (у три рази більше, ніж в печінці);
· Бета-каротин (у 15 разів більше, ніж в моркві і обліписі);
· Вітаміни Б1, Б2, Б6, РР;
· Амінокислоти: ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, фенілаланін, треонін, триптофан, валін, аланін, аргінін, чистин, глутамінова кислота, гістидин, тирозин;
· Мінерали: калій, кальцій, магній, цинк, марганець, залізо, фосфор.
Такий «букет» найважливіших поживних і фізіологічно активних речовин, в потрібній пропорції, не міститься ні в якому іншому відомому харчовому продукті.
Біомаса спіруліни застосовується як харчовий продукт, а також лікарський препарат як високоефективний засіб від 80% хвороб.
Засвоюваність протеїну, жирів і вуглеводів спіруліни організмом людини і тварин перевершує 95%, що не зустрічається ні в одному іншому рослинному або тваринному харчовому продукті. Цим і обумовлена її висока цінність.
1.3.2 Живильне середовище для вирощування спіруліни
Спіруліна – вибаглива фототрофна ціанобактерія і для свого росту вимагає збалансованого живильного середовища, до складу якого мають обов'язково входити такі біогенні елементи, як вуглець, азот, фосфор, сірка, магній, натрій, калій, залізо. Особливе значення має концентрація азоту в середовищі.
Вуглець. На відміну від наземних рослин, яким доступна лише атмосферна сполука СО2, водорості можуть вуглецеву кислоту та її іони.
Поряд з вуглецем для синтезу органічної речовини водорості використовують водень, кисень, фосфор та азот.
Азот. Спіруліна може асимілювати азот за рахунок його трьох форм: газоподібний, у вигляді неорганічних сполук та азот біополімерів. Здатність фіксувати газоподібний азот виявлено лише у прокаріот, до яких належить і спіруліна. З мінеральних сполук використовуються іони нітрату, нітриту і амонію.
Фосфор необхідний клітинам спіруліни для синтезу нуклеїнових кислот, фосфоліпідів і складних ефірів фосфорної кислоти. Єдиним природним джерелом неорганічного фосфору для спіруліни є ортофосфати. Синьо-зелені водорості здатні накопичувати надлишок фосфору у вигляді гранул. Оптимумом є співвідношення C:N:P як 106:16:1.
1.3.3 Використання біомаси спіруліни
Біомаса спіруліни застосовується у годівлі тварин як домішка до раціонів птиці, свиней та риб. Позитивний вплив на м'ясну і яєчну продуктивність курей відмічено китайськими дослідниками при введенні сухої біомаси спіруліни в дозі 5% від маси раціону.
Введення спіруліни в раціон курей забезпечувало більш інтенсивне забарвлення яєчного жовтка пігментами спіруліни, що дозволило уникнути використання дорогих хімічно синтезованих сполук.
Спостереження показали, що при згодовуванні поросятам спіруліни повністю вдалося запобігти виникненню шлунково-кишкових захворювань, стимулювалось прискорення активації ферментативних процесів у шлунку і кишечнику, збуджувався апетит поросят до поїдання кормів, в першу чергу рослинних. Як наслідок, краще збереження поголів'я молодняку на 10–14%. Згодовування пасти спіруліни супоросним та підсисним свиноматкам у дозі від 2 до 20 г. на голову на добу сприяє підвищенню їх резистентності та стійкості до стресів.
Одним із напрямів використання біомаси спіруліни є застосування її в аквакультурі: каротиноїди та фікоціаніни впливають на яскравість забарвлення лосося, форелі та ракоподібних, підвищуючи насиченість забарвлення спини та боків. Жирні кислоти з довгим ланцюгом позитивно впливають на продуктивність риби.
Спіруліни має ряд переваг над іншими кормами рослинного походження: це вміст білка в сухій речовині, амінокислотний склад білка, концентрація ненасичених жирних кислот у складі ліпідів біомаси та вітамінний склад.
Спіруліна використовується також у гуманній медицині як профілактичний та лікувальний засіб.
2. Власні дослідження
Добовий вихід біомаси гною з використанням підстилки.
| Qг доб=(МеJ+BJ+MпJ) | nJ | , |
| 1000 |
Qг доб – добовий вихід гною, т;
МеJ – добова маса екскрементів від однієї голови, кг;
BJ – добова кількість води, яка потрапляє в систему гноєвидалення, кг;
nJ – поголів’я тварин на фермі, гол;
MпJ – добова кількість підстилки на 1 гол., кг.
Добова кількість води, яка потрапляє в систему гноєвидалення.
BJ=К МеJ,
К – коефіцієнт (0,15)
BJ(см)=0,15· 6,0=0,90 (кг);
BJ(відг)=0,15· 5,0=0,75 (кг).
| Qг доб(свм)=(6,0+0,9+0,5) | 200 | =1,48 (т) |
| 1000 |
| Qг доб(відг)=(5,0+0,75+0,5) | 1210 | =7,56 (т) |
| 1000 |
Річний вихід гнойової біомаси з використанням підстилки.
Qг річний= Qг доб·t,
Qг річний – річний вихід гною, т;
t – кількість днів у році (365).
Qг річний(свм)=1,48·365=540,20 (т);
Qг річний(відг)=7,56·365=2760,31 (т);
Qг річний(заг)= 540,20+2760,31=3300,51 (т);
Qг доб(заг)=3300,51/365=9,04 (т)
Вологість підстилкового гною
Wг= WE – [0,01·Pп·(WE-Wп)+0,01·Рв·(100-WE)],
Wг – відносна вологість гною, %;
WE – відносна вологість екскрементів (87%);
Wп – вологість підстилки (солома) – 19,6%;
Pп і Рв – співвідношення у гнойовій біомасі підстилки і води (%).
| Pп = | MпJ ·100 | |||
| МеJ+ BJ+MпJ | ||||
| Рв= | BJ·100 | |||
| МеJ+ BJ+MпJ | ||||
| Рв(свм)= | 0,9·100 | =12,16 (%) | ||
| 6,0+0,9+0,5 | ||||
| Рв(відг)= | 0,75·100 | =12,00 (%) | ||
| 5,0+0,75+0,5 | ||||
| Рп(свм)= | 0,5·100 | =6,76 (%) | ||
| 6,0+0,9+0,5 | ||||
| Рп(відг)= | 0,75·100 | =8,00 (%) | ||
| 5,0+0,75+0,5 | ||||
Вологість гнойової біомаси:
Wг(свм)=87 – (0,01·6,76·(87,5–19,6)+0,01·12,16·(100–87))=80,86 (%);
Wг(відг)=87 – (0,01·8,0·(87,5–19,6)+0,01·12,0·(100–87))=80,05 (%).
Вологість гною, який надходить від різних виробничих груп:
| Wг = | 81,05+80,86 | =80,46 (%) |
| 2 |
Вміст сухої речовини у гнойовій біомасі:
| Ра.с.р. = | Qг ·(100-Wг) | |
| 100 |
Ра.с.р. – вміст сухої речовини в гнойовій біомасі, т;
Qг – добовий або річний вихід гною з ферми.
| Ра.с.р.(доб) = | 9,04·(100–80,46) | =1,77 (т); | ||
| 100 | ||||
| Ра.с.р.(рік) = | 3300,51·(100–80,46) | =645,04 (т). | ||
| 100 | ||||
Вміст органічної речовини у гнойовій біомасі:
Ор= Ра.с.р.·0,8
Ор(доб)= 1,77·0,8=1,41 (т); Ор(рік)=645,04·0,8=516,03 (т).
Добова продуктивність реактора, або його пропускна спроможність відносно вихідного гною
| Gдоб = | Qг річн | , |
| tрічн-tз |
tрічн – кількість днів у році (365);
tз – тривалість випуску й обслуговування реактора, діб (30).
| Gдоб = | 3300,51 | =9,85 (т/добу). |
| 365–30 |
Добовий обсяг завантаження метантенка (м3)
| Qдоб = | W2г·Q г доб | , |
| W1г·qг |
W1г – відносна вологість гною, який надходить з ферми, %;
W2г – відносна оптимальна вологість гною (89%);
qг – питома вага 1м3 при оптимальній вологості (1070 кг).
| Qдоб = | 91·9,04 | =10,74 (м3). |
| 80,46·1,05 |
Об’єм бродильної камери БГУ (м3).
| Vк = | Qдоб ·100 | , |
| p·q |
p – добова доза завантаження (для мезофільного процесу 7%);
q – коефіцієнт заповнення камери (0,9).
| Vк = | 10,74 ·100 | =170,46 (м3) |
| 7·0,9 |
Обсяг газогенерації вираховується за вмістом сухої та органічної речовини:
| Vг(с.р.) = | Qг· | 100-W | ·Z | , |
| 100 | ||||
| 100·K·V | ||||
Z – стан розкладання органіки (30%);
K – коефіцієнт розчинності біогазу (1,2);
V – питома вага біогазу (0,00117 т/м3).
| Vг(с.р.) доб. = | 9,04· | 100–80,46 | ·30 | =377,61263 (м3) |
| 100 | ||||
| 100·1,2·0,00117 | ||||
| Vг(с.р.) річ. = | 3300,51· | 100–80,46 | ·30 | =137828,60908 (м3) |
| 100 | ||||
| 100·1,2·0,00117 | ||||
За органічною речовиною:
| Vг(о.р.) = | Qг | 100- W | · | L | К·р | , |
| 100 | 100 |
К – коефіцієнт зброджування органічної речовини (0,3);
р – вихід біогазу при зброджуванні 1 кг органічної речовини (0,7);
L – вміст органічної речовини (80%).
| Vг(о.р.) доб. = | 9040 | 100 – 80,46 | · | 80 | 0,3·0,7 | =296,89 (м3); | |||||
| 100 | 100 | ||||||||||
| Vг(о.р.) річ. = | 3300510 | 100 – 80,46 | · | 80 | 0,3·0,7 | =108366,37 (м3). | |||||
| 100 | 100 | ||||||||||
Вихід твердої фракції (шламу):
| Мш. річн. = | Qг річн. | Wq·Wг | , |
| Wq·Wш |
Wq – вологість рідкої фракції (99%);
Wг – вологість гною, що завантажується (91%);
Wш – вологість шламу (68%).
| Мш. річн. = | 3300,51 | 99 · 91 | =851,75 (т). |
| 99 · 68 |
Добовий вихід шламу: Мш. доб. =851,75/365=2,33 (т).
Вихід рідкої фракції:
| Мq. річн. = | Qг річн. | Wг·Wш | т. | |||
| Wq·Wг | ||||||
| Мq. річн. = | 3300,51 | 91 · 68 | =2448,77 (т). | |||
| 99 · 68 | ||||||
Добовий вихід рідкої фракції: Мq. доб. =2448,77/365=6,71 (т).
Визначення кількості субстрату для вермикультивування та його підготовка.
Визначення кількості добавки природних мінералів до субстрату (шламу):
| Км = | Мш · Мм | , |
| 100 |
Мш – річна маса шламу, яка може бути субстратом для черв’яків, т;
Мм – кількість мінеральної добавки (4%).
| Км = | 851,75·4 | =34,07 (т). |
| 100 |
Визначення маси субстрату разом з природними мінералами:
Qсм= Мм+Мш.
Qсм= 851,75+34,07=885,82 (т).
Визначення кількості базового субстрату для вермикультивування за сезон:
| Мбср = | Qсм ·Кб | , |
| 100 |
Мбср = | 885,82 ·30 | =265,74 (т). |
| 100 |
Кб – кількість базового субстрату від загальної маси субстрату (30%).
| Бс = | Мбср | , |
| n |
Визначення кількості базового субстрату для закладки перших лож:
n – коефіцієнт, який враховує кратність розділення одного ложа (3).
| Бс = | 265,74 | =88,58 (т). |
| 3 |
Розрахунок кількості лож для початку роботи (Кл1) та кількості лож за сезон (Кл):
| Кл1= | Бс | = | 88,58 | =261 (шт.); | ||||||
| МБс | 0,34 | |||||||||
| Кл= | Бс | ·к | = | 88,58 | ·3 | =782 (шт.); | ||||
| МБс | 0,34 | |||||||||
Розрахунок кількості підкормки, яку вносять на всі ложа за сезон.
Qп=(Кл·Кп)·Мп,
Кп – кількість підкормок (9 шт.);
Мп – маса підкормки (0,114 т).
Qп=(782·9)·0,114=801,92 (т).
Кількість черв’яків для заселення усіх лож:
Кч=Кл·Нз,
Нз – норма заселення одного ложе черв’яками (15 тис).
Кч=782·15000=11730000 (шт.).
Визначення наявної кількості живильного середовища:
Qж.с. за рік=Мq. річн·1000=2448,77·1000=2448770,0 (л).
Визначення площі необхідної під фотореактори:
| Sф = | Qж.с. | ·П | , |
| Qф |
Qф – кількість рідини у лотках (500 л);
П – площа одного лотка (3,5м2).
| Sф = | 2448770 | ·3,5 | =17141,40 (м2). |
| 500 |
Визначення річної потреби в маточній культурі спіруліни (при нормі заселення 0,37 г./л):
Мк за рік= 2448770·0,37=906043,9 (г).
Визначення виходу товарного біогазу.
Розрахуємо максимальну кількість теплової енергії, необхідної для підігріву біомаси при роботі БГУ в мезофільному режимі:
εбгу тепл. період=С· (Qг.доб·245)·Δt, МДж,
εбгу хол. період=С· (Qг.доб·120)·Δt, МДж,
εбгу за рік= εбгу тепл. період + εбгу хол. період, МДж.
Δt – різниця температури зброджування і температури вихідного гною (при температурі зброджування 40˚С Δt взимку=30˚С, влітку=20˚С);
С – питома теплоємність рідкого гною (419 КДж/кг·град).
εбгу тепл. період=4,19· (9,04·245)·20=185651,57 (МДж),
εбгу хол. період=4,19· (9,04·120)·30=136397,07 (МДж),
εбгу за рік= 185651,57+136397,07=322048,64 (МДж).
Визначення кількості біогазу для підігріву біомаси:
| Qбгу= | εбгу за рік | , |
| q |
q – теплотворна здатність біогазу (22 МДж /м3).
| Qбгу= | 322048,64 | =14638,57 | (м3) |
| 22 |
Частку біогазу необхідна для підігріву біомаси:
| ηн= | Qбгу | = | 14638,57 | =0,11 |
| Vг річ | 137828,60 |
Максимально теоретичний коефіцієнт виходу товарного біогазу:
Ктб= 1-ηн=1–0,11=0,89
Визначення виходу товарного біогазу:
Vтг= Vг річ· Ктб=137828,60·0,89=123190,03 (м3).
Добовий вихід товарного біогазу:
Vтг доб.= Vг доб· Ктб=377,61·0,93=337,51 (м3).
Вихід товарного біогазу на 1 голову:
на добу 337,51 /(200+1210)=0,24 (м3);
за рік 123190,03 /(200+1210)=87,37 (м3).
Вихід товарного біогазу на 1 кг сухої речовини:
337,51/1770=0,19 (м3); 123190,03/645040=0,19 (м3).
Вихід товарного біогазу на 1 кг органічної речовини:
337,51/1410=0,24 (м3); 123190,03/516030=0,24 (м3).
Вихід товарного біогазу на 1 кг гнойової біомаси:
337,51/9040=0,04 (м3); 123190,03/3300510=0,04 (м3).
Вихід товарного біогазу на 1 м3 корисного об’єму реактора:
на добу 337,51 /170,5=1,98 (м3);
за рік 123190,03 /170,5=722,70 (м3).
Заміна біогазом традиційних носіїв енергії
Заміна енергоносіїв біогазом отриманим за рік
Теплота, МДж; ............................... 123190,03∙22=2710180,76
Електроенергія квт/год; ................. 123190,03∙2=234061,07
Природний газ, м3; ........................ 123190,03∙0,65=80073,52
Нафта, л;......................................... 123190,03∙0,7=86233,02
Дизельне пальне, л; ....................... 123190,03∙0,65=80073,52
Бензин, л;........................................ 123190,03∙0,64=78841,62
Керосин, л;...................................... 123190,03∙0,6=73914,02
Дрова, кг;........................................ 123190,03∙3,5=431165,12
Кам’яне вугілля, кг; ....................... 123190,03∙1,5=184785,05
Заміна енергоносіїв біогазом отриманим за добу
Теплота, МДж;.................................. 337,51∙22=7425,15
Електроенергія квт/год; ................... 337,51∙2=641,26
Природний газ, м3; .......................... 337,51∙0,65=219,38
Нафта, л;............................................ 337,51∙0,7=236,25
Дизельне пальне, л;........................... 337,51∙0,65=219,38
Бензин, л;........................................... 337,51∙0,64=216,00
Керосин, л;........................................ 337,51∙0,6=202,50
Дрова, кг;.......................................... 337,51∙3,5=1181,27
Кам’яне вугілля, кг;.......................... 337,51∙1,5=506,26
Визначення кількості біогумусу за сезон.
| Біг= | (Qп+Мбср)·(100-Wш) | ·Кт | , |
| 100 |
Кт – коефіцієнт транформації (0,55);
Wш – вологість шламу (68%).
| Біг= | (801,92+265,74)·(100–68) | ·0,55 | =187,91 (т). |
| 100 |
Кількість черв’ячної біомаси одержана за сезон.
| Мчб= | (Кч·Пч·mч)·(100-Wш) | ·Кт | , |
| 100 |
Пч – кількість потомства від одного черв’яка за сезон (300 шт.);
mч – маса одного черв’яка (0,0004 кг);
Кт – коефіцієнт трансформації (0,1).
| Мчб= | (11730000·300·0,0004)·(100–68) | ·0,1 | =45020,24 (кг). |
| 100 |
Визначення виходу білкового борошна з черв’ячної біомаси:
ЧБ= Мчб·кб,
кб – коефіцієнт виходу черв’ячного борошна (0,18).
ЧБ=45020,24·0,18=8103,64 (кг).
Визначення виходу повноцінних білків із черв’ячної біомаси:
| ПБч= | ЧБ·ВБ | , |
| 100 |
ВБ – вміст білка у черв’ячному борошні (55%).
| ПБч= | 8103,64 ·60 | =4457,00 (кг). |
| 100 |
Визначення поголів’я свиней, яким можна згодовувати черв’ячну біомасу при нормі згодовування 9 кг/гол. на рік
45020,24/9 =5002 (гол.)
Розрахунок річного виходу біомаси спіруліни.
| Бс= | Qж.с. за рік ·П | , |
| 1000 |
П – вихід біомаси спіруліни (1,4 г/л).
| Бс= | 2448770·1,4 | =3428,27 (кг). |
| 1000 |
Визначення виходу сухої маси спіруліни
| Бсвм= | Бс·Ср | , |
| 100 |
Ср – вміст сухої речовини у спіруліні (17%).
| Бсвм= | 3428,27·17 | =582,81 (кг). |
| 100 |
Висновки та рекомендації
Безвідходна біотехнологія на базі метанового анаеробного зброджування з залученням технологій вермикультивування та вирощування мікроводоростей надає змоги повною мірою вирішити питання ефективного використання та знешкодженя гнойової біомаси та відходів рослинництва. Окрім цього ми отримуємо низку високорентабельних біотехнологічних продуктів, а саме: біогаз – високоцінний енергоносій, червячну та водоростеву біомасу – прекрасний високопоживний та біологічно повноцінний корм, біогумус – біодобриво, цінність якого неможливо переоцінити та очищену збагачену киснем воду.
Навіть за умови найменшого теоретичного виходу біогазу дане господарство матиме змогу щорічно отримувати еквівалент 80000 м3 природного газу або ж понад 230000 кВт електроенергії. А біомаси черв’яків культивованої на шламі від метанового анаеробного зброджування вистачить аби забезпечити потреби в білкових кормах понад трьох таких господарств як дане. А є ще також біомаса спіруліни!
Отже даному господарству я рекомендую змонтувати БГУ з об’ємом реактора 170–200 м3. Обладнати вирівняну затишну площадку для вермикультури та зимівник для маточного поголів’я черв’яків. Виготовити лотки для культивування спіруліни, і для інтенсифікації процесу при можливості обладнати тепличні приміщення.
Використання даних технологій матиме позитивний економічний ефект, що можливо стане поштовхом для збільшення поголів’я тварин. В цьому випадку я б рекомендував не поспішати купувати другу БГУ, а при можливості перевести першу в термофільний режим роботи, що може майже на половину збільшити пропускну спроможність реактора з незначним падінням коефіцієнту виходу товарного біогазу.
Список використаної літератури
1. Біотехнологія: Підручник / В.Г. Герасименко, М.О. Герасименко, М.І. Цвіліховський та ін.; За заг. ред. В.Г. Герасименка. – К: Фірма «ІНКОС», 2006. – 647 с.
2. Герасименко В.Г. Биотехнология. – К.: Вища школа, 1989. – 342 с.
3. Герасименко В.Г. Біотехнологічний словник. – К.: Вища школа, 1991. – 167 с.
4. Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни «Екологічні основи безвідходних технологій» для студентів зі спеціальності 7.070.801 – екологія і охорона навколишнього природного середовища / В.Г. Герасименко, М.О. Герасименко, С.В. Мерзлов, В.М. Хар-чишин та ін.~ Біла Церква, 2006. – 22 с.
5. Екологічні основи безвідходних технологій: Методичні вказівки та робочий зошит до виконання лабораторно-практичних робіт для студентів зі спеціальності 7.070.801 – екологія та ожорона навколишнього природного середовища / В.Г. Герасименко, С.В. Мерзлов та ін. – Біла Церква, 2006.36 с.
6. http://www.galaxy.com.ua/svit/ipa/jornal/zhurnal23.htm
7. http://www.ecobusness.ru/ru/selhoz/biohumus/index.html
8. http://bio.1september.ru/articlef.php? ID=200002408
9. http://esco-ecosys.narod.ru/2004_7/art154/page1.htm
10. http://www.ifc.ru/vermi/vermi.html
11. http://akclub.narod.ru/06_Tematicheskie_Napravlenija/01_Poselenija_iz_Rodovyh_pomestij/02_Eco_Dom/01_Teplo/biogaz.htm
12. http://www.sumtech.ru/bank/investproject/p5.htm
13. http://www.usuft.kiev.ua/Sci_F042.htm
14. http://www.vardane.ru/index.php? id=excurs&excode=18
15. http://st-yak.narod.ru/index4–13–1.html
Похожие работы
... 1959 р. у Запорізькій філії Всесоюзного науково-дослідного інституту електрифікації сільського господарства установки, розрахованої на переробку гною від 150 дійних корів і 20 свиноматок. З 1984 р. в галузі технології метанового зброджування працює Українське науково-проектне об’єднання “УкрНДІагропроект”, а також Інститут мікробіології і вірусології АН України (Київ). На основі їхніх робіт було ...
... прямого споживання нафтового палива і збільшення споживання ефективніших та екологічно чистих паливно-енергетично ресурсів електроенергії та природного газу. Шляхи енергозбереження Значне економії енергії у сільському господарстві можна досягти за рахунок: - впровадження нових конструктивних рішень при проектуванні сільськогосподарської техніки та енергетичного обладнання, які передбачають ...
0 комментариев