ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Научная статья

Елизарьев А.Н.¹, Тараканов Д.А.^2, *, Садыков И.В.³, Елизарьева Е.Н.⁴, Михайлов С.А.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-5612-8121;

² ORCID: 0000-0003-0253-8624;

⁴ ORCID: 0000-0001-5297-5561;

⁵ ORCID: 0000-0001-9394-9714;

^{1, 2, 3, 5} Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия;

⁴ Башкирский государственный университет, Уфа, Россия

* Корреспондирующий автор (tarakanov021098[at]gmail.com)

Аннотация

В данной работе исследована эффективность биопереработки отходов пищевой промышленности с получением биогаза и определены оптимальные условия для его производства в больших объемах. С этой целью проведен эксперимент по определению качественного и количественного состава получаемого биогаза и переработанного вещества. Одновременно проанализированы оптимальные параметры работы биореактора. Согласно полученным результатам наиболее эффективной является биопереработка неотработанного масла при средней температуре 34,0 ^oC. При этом увеличение интенсивности образования биогаза обуславливается быстрым ростом численности используемых в ходе эксперимента метанообразующих бактерий. Полученный биогаз на 80% состоит из CH₄, 19% CO₂ и 1% прочих газов.

Ключевые слова: биотопливо, биоэнергетика, биогаз, биогазовая установка, биопереработка, жиросодержащие отходы.

AN INVESTIGATION OF THE EFFICIENCY OF BIO-PROCESSING OF FOOD INDUSTRY WASTE

Research article

Elizaryev A.N.¹, Tarakanov D.A.^2, *, Sadykov I.V.³, Elizaryeva E.N.⁴, Mikhaylov S.A.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-5612-8121;

² ORCID: 0000-0003-0253-8624;

⁴ ORCID: 0000-0001-5297-5561;

⁵ ORCID: 0000-0001-9394-9714;

^{1, 2, 3, 5} Ufa State Aviation Technical University (USATU), Ufa, Russia;

⁴ Bashkir State University, Ufa, Russia

* Corresponding author (tarakanov021098[at]gmail.com)

Abstract

In this study, the efficiency of food industry waste bio-processing with producing biogas is investigated and optimal conditions for its production in large volumes are determined. For this purpose, an experiment to determine the qualitative and quantitative biogas composition and obtained processed substance was conducted. At the same time, the bioreactor operation optimal parameters were analyzed. According to the obtained results, the most effective is the bio-processing of unprocessed oil at an average temperature of 34,0 ^oC. Meanwhile, the increase of biogas production intensity is caused by a rapid growth of methane-forming bacteria amount used during the experiment. The obtained biogas consists of 80% CH₄, 19% CO₂ and 1% other gases.

Keywords: biofuel, bioenergy, biogas, biogas plant, bio-processing, fat-containing waste.

Введение

На сегодняшний день потребность населения от энергии перешла в устойчивую зависимость. С каждым днем человечество расходует колоссальные объемы энергии, что способствует увеличению использования невозобновляемых природных ресурсов. Результатом этого является комплексное воздействие на окружающую среду, что приводит к ее деградации.

В связи с этим в мире набирает тенденцию переход на альтернативные источники энергии и технологии замкнутого цикла. Одним из видов альтернативных источников энергии является биотопливо, получаемое из растительного или животного сырья, а также из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Учитывая современную мировую проблему, связанную с образованием и рациональной утилизацией разного рода отходов, биотопливо, как альтернативный источник энергии, приобретает большую актуальность [1]. Разработка инновационных технологий, способствующих рациональной и эффективной утилизации отходов и выработке на их основе энергии, позволяет достичь решения рассматриваемых проблем.

В частности, одной из разновидностей биотоплива является биогаз, получаемый водородным или метановым брожением биомассы. Работы многих ученых посвящены исследованию биогаза и его получению (выработке) из отходов органического происхождения [2], [3], [9], [10]. В статье [2] авторы приводят обоснование актуальности получения альтернативных видов топлива из возобновляемого сырья растительного происхождения, они также рассматривают возможность совмещения производства биотоплива из рапса с использованием для фиторемедиации почв. Немецкие ученые в своей работе [3] исследуют качественный состав биогаза, согласно результатам исследования основными компонентами биогаза являются метан (60…95%) и углекислый газ (5…40%). В работе [4] рассматриваются источники и виды сырья, используемого для получения биогаза. Согласно результатам работы биогаз вырабатывают из отходов органического происхождения, в большом количестве скапливающихся при ведении приусадебного хозяйства, разведении домашних птиц и животных. В качестве сырья применяют навоз крупного и мелкого скота, силос, отходы бойни, жиры, пищевые отходы, молочную сыворотку, свекольную ботву, солодовый остаток и пр. Большинство перечисленных видов сырья можно смешивать между собой.

При этом преобладание в исходном сырье жиросодержащих отходов повышает содержание метана в образуемом биогазе – при производстве биогаза из отходов неподобранного состава содержание метана составляет 30-40%, при производстве биогаза с соблюдением оптимальных условий (вид используемого сырья, температура, влажность, вид метанобразующих бактерий и др.) содержание метана в нем увеличивается до 90-95% [3], [4]. Кроме того, при несоблюдении оптимального технологического режима в составе производимого биогаза может содержаться значительное количество сероводорода, который в комбинации с диоксидом углерода оказывает коррозионное воздействие на металлические составляющие биогазовой установки [5].

В связи с этим актуальным является исследование эффективности биопереработки отходов пищевой промышленности с получением биогаза и определение оптимальных условий его производства.

Методы и принципы исследования

Для исследования эффективности переработки различных видов отходов пищевой промышленности и определения оптимальных условий в биореакторе, при которых наблюдается высокая динамика образования биогаза, проводится эксперимент, состоящий из определения качественного и количественного состава получаемого биогаза и состава получаемого переработанного вещества, а также определения оптимальных параметров в биореакторе.

Методика проведения эксперимента предполагает:

• подготовку и настройку оборудования;
• загрузку органического сырья и штаммов метанобразующих бактерий в биореактор;
• ежедневный контроль параметров производства и выделения биогаза.

По окончании эксперимента определяется расход биогаза в зависимости от времени, а также содержание метана в биогазе в зависимости от используемого исходного органического сырья и времени.

Для проведения эксперимента использовались метанобразующие бактерии вида «Methanobacteriales», представители рода Methanosarcina.

На рис. 1 представлена схема экспериментальной модели лабораторной биогазовой установки.

Рис. 1 – Схема экспериментальной модели лабораторной биогазовой установки

 

В качестве исходного сырья были использованы неотработанное растительное масло (в двух различных температурных режимах) и отработанный кулинарный жир, подвергавшийся температурной обработке – нагрев до 120 ^oC, температурная обработка 15 минут и постепенное охлаждение до исходной температуры.

Выбор температурных режимов осуществлялся на основании данных из литературных источников [3]. Наиболее благоприятные условия для существования метанобразующих бактерий создаются, по разным данным, при температурах 29 ^oC и 34 ^oC.

В ходе эксперимента исследуемые образцы исходного сырья помещались в биореактор и подвергались биопереработке с различными температурными режимами в биореакторе, соответствующим 29 ^oC и 34 ^oC

• образец I – неотработанное растительное масло, средняя температура в биореакторе t₁ = 29,0 ^oC;
• образец II – неотработанное растительное масло, средняя температура в биореакторе t₂₃ = 34,0 ^oC;
• образец III – отработанный кулинарный жир, средняя температура в биореакторе t₂₃ = 34,0 ^oC.

Продолжительность эксперимент составила 40 дней. Перемешивания субстрата осуществлялось 1 раз в день после каждого замера.

Основные результаты и обсуждение

Результаты эксперимента графически интерпретированы на рис. 2.

Рис. 2 – Динамика образования биогаза:

заштрихованные области – периоды, соответствующие наибольшей интенсивности образования биогаза

 

Из результатов анализа рис. 2 видно, что период наибольшей интенсивности образования биогаза соответствует 15 дням, начиная со второй декады периода проведения эксперимента. Это обуславливается быстрым ростом численности метанобразующих бактерий в биореакторе и степенью доступности сырья для микроорганизмов. При этом наибольшая интенсивность образования биогаза соответствует образцам II и III, которые подвергались биопереработке при t₂₃ = 34,0 ^oC, из которых наиболее эффективным для производства биогаза является неотработанное растительное масло – 448 л образовавшегося биогаза (на 21,0% и 16,4% больше объемов биогаза, полученных в ходе переработки II и III образцов соответственно).

Согласно результатам лабораторной оценки количественного и качественного состава образованного биогаза в результате переработки образца II полученный продукт состоит из 80% CH₄, 19% CO₂ и 1% прочих газов.

Заключение

Таким образом, объем биогаза, производимого при биопереработке органических отходов (биомассы), зависит от качественного состава используемого субстрата, а также технологических условий, при которых происходит процесс биопереработки. Согласно результатам эксперимента среди исследуемых образцов наиболее эффективна биопереработка неотработанного масла при средней температуре в биореакторе равной 34,0 ^oC. При этом увеличение интенсивности образования биогаза обуславливается быстрым ростом численности используемых в ходе эксперимента метанобразующих бактерий и степенью доступности субстрата для микроорганизмов. Полученный биогаз на 80% состоит из CH₄, 19% CO₂ и 1% прочих газов.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Файзуллина А. А. Динамика образования отходов производства и потребления в 2018 г. на территории Республики Башкортостан / А. А. Файзуллина, А. Н. Елизарьев, Э. С. Насырова // Экологический мониторинг опасных промышленных объектов: современные достижения, перспективы и обеспечение экологической безопасности населения: сборник научных трудов по материалам Всероссийской научно-практической конференции. – 2019. –С.182–184.
2. Elizareva E. Combining Phytoremediation Technologies of Soil Cleanup and Biofuel Production / E. Elizareva, Yanbaev, N. Redkina et al. // International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies EMMFT 2018. – 2018. – P. 257–266.
3. Эдер Б. Биогазовые установки. Практическое пособие / Б. Эдер, Х. Шульц // Берлин: Zorg Biogas. – 2008. – 268 c.
4. Fargione J. Land Clearing and the Biofuel Carbon Debt / J. Fargione, J. Hill, D. Tilman et al. // Environmental Science, Medicine. – 2008. – P. 1235–
5. Тихонравов В. С. Ресурсосберегающие биотехнологии производства альтернативных видов топлива в животноводстве / В. С. Тихонравов // Научно-аналитический обзор. – М: ФГБНУ «Росинформагротех». – 2011. – 52 с.
6. Suslov D. Y. Experimental studies of obtaining biogas from waste of meat processing enterprises / D. Y. Suslov, S. Sedyh // International Scientific Conference BUILDINTECH BIT 2020: Innovations and Technologies in Construction. – 2020. – Vol. 945. – Vol. 1. – 8 p.
7. Karim K. Anaerobic digestion of animal waste: Effect of mixing / K. Karim, K. T. Klasson, R. Hoffmann, S. R. Drescher, D. W. DePaoli, M. H. Al-Dahhan // Bioresource Technology. – 2005. – Vol. 96. – Vol. 14. – P. 1607-1612.
8. Malollari I. Anaerobic codigestion of organic substrate for energetic biogas obtaining and review / I. Malollari, P. Kotori, P. Hoxha, L. Lici at el. // Journal of Environmental Protection and Ecology. – 2016. – Vol. 1. – P. 323-330.
9. Sikora J. The effect of the addition of a fat emulsifier on the amount and quality of the obtained biogas / J. Sikora, Niemiec, A. Szelag-Sikora, M. Komorowska at el. // Energies. – 2020. – Vol. 13. – Vol. 7. – 12 p.
10. Otero A. Biogas production from slaughterhouse waste: Effect of blood content and fat saponification / A. Otero, Mendoza, R. Carreras, B. Fernandez // Waste Management. – 2021. – Vol. 133. – P. 119-126.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Fayzullina A. A. Dinamika obrazovaniya othodov proizvodstva i potrebleniya v 2018 g. na territorii Respubliki Bashkortostan [Dynamics of production and consumption waste generation in 2018 on the territory of the Republic of Bashkortostan] / A. A. Fajzullina, A. N. Elizaryev, E. S. Nasyrova // Ekologicheskij monitoring opasnyh promyshlennyh ob"ektov: sovremennye dostizheniya, perspektivy i obespechenie ekologicheskoj bezopasnosti naseleniya: sbornik nauchnyh trudov po materialam Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Environmental monitoring of hazardous industrial facilities: modern achievements, prospects and ensuring environmental safety of the population: collection of scientific papers based on the materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference]. – 2019. – P. 182–184. [in Russian]
2. Elizareva E. Combining Phytoremediation Technologies of Soil Cleanup and Biofuel Production / E. Elizareva, Yanbaev, N. Redkina et al. // International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies EMMFT 2018. – 2018. – P. 257–266.
3. Eder B. Biogazovye ustanovki. Prakticheskoe posobie [Biogas plants. Practical guide] / B. Eder, H. SHul'c // Berlin: Zorg Biogas. – 2008. – 268 p. [in Russian]
4. Fargione J. Land Clearing and the Biofuel Carbon Debt / J. Fargione, J. Hill, D. Tilman et al. // Environmental Science, Medicine. – 2008. – P. 1235–
5. Tihonravov V. S. Resursosberegayushchie biotekhnologii proizvodstva alternativnyh vidov topliva v zhivotnovodstve [Resource-saving biotechnologies to produce alternative fuels in animal husbandry] / V. S. Tihonravov // Nauchno-analiticheskij obzor [Scientific and analytical review]. – M: FSBSI «Rosinformagrotekh». – 2011. – 52 p. [in Russian]
6. Suslov D. Y. Experimental studies of obtaining biogas from waste of meat processing enterprises / D. Y. Suslov, S. Sedyh // International Scientific Conference BUILDINTECH BIT 2020: Innovations and Technologies in Construction. – 2020. – Vol. 945. – Vol. 1. – 8 p.
7. Karim K. Anaerobic digestion of animal waste: Effect of mixing / K. Karim, K. T. Klasson, R. Hoffmann, S. R. Drescher, D. W. DePaoli, M. H. Al-Dahhan // Bioresource Technology. – 2005. – Vol. 96. – Vol. 14. – P. 1607-1612.
8. Malollari I. Anaerobic codigestion of organic substrate for energetic biogas obtaining and review / I. Malollari, P. Kotori, P. Hoxha, L. Lici at el. // Journal of Environmental Protection and Ecology. – 2016. – Vol. 1. – P. 323-330.
9. Sikora J. The effect of the addition of a fat emulsifier on the amount and quality of the obtained biogas / J. Sikora, Niemiec, A. Szelag-Sikora, M. Komorowska at el. // Energies. – 2020. – Vol. 13. – Vol. 7. – 12 p.
10. Otero A. Biogas production from slaughterhouse waste: Effect of blood content and fat saponification / A. Otero, Mendoza, R. Carreras, B. Fernandez // Waste Management. – 2021. – Vol. 133. – P. 119-126.