Биотехнология в животноводстве

важнейшей биотехнологической и генно-инженерной продукции на ми- ровом рынке будет постоянно возрастать, и они вынуждены будут тратить

значительную часть своих валютных средств на покупку этих товаров на мировом рынке.

Причины различного отношения людей, стран к проблеме современ-

ной биоинженерии и генетически модифицированной продовольственной продукции четко определил лауреат Нобелевской премии Norman Borlaug

. «Наука и технология, – по его мнению, – подвергается нападкам в благо- получных странах, где неверно информированные защитники окружаю- щей среды утверждают, что высокопроизводительные сельскохозяйст- венные технологии, в т.ч. технологии производства генетически модифи- цированных растений, отравляют потребителей.

Почему же так получается, что многие, на первый взгляд «образован- ные» люди оказываются столь неграмотными в отношении науки? Судя по всему, существует определенный страх перед наукой, который растет по мере того, как научно-технические преобразования набирают темпы». И далее: «Мы должны найти выход из этого тупика. Мы не должны забы- вать остоящей перед нами задаче – прокормить 10 или 11 млрд. населения Земли. Многие из этих людей, может быть, большинство из нас, начнут свою жизнь в жалкой бедности. Сегодня я говорю, что мы либо уже раз- работали, либо находимся на завершающих стадиях разработки техноло- гий, которые позволят прокормить население, численностью более 10 млрд. человек. Самый актуальный вопрос сейчас – смогут ли фермеры и другие производители использовать эти новые технологии». Имеется в видубиотехнологию и биоинженерию в сельском хозяйстве.

9.5.Пути преодоления отставания биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности в России. Россия, к сожалению, значительно отстала в развитии биотехнологии и биоинженерии. В нашей стране до сих пор не зарегистрировано ни одного генно-инженерно-модифицированного сорта или гибрида сельскохозяйственных культур отечественного производства. Создалась реальная опасность длительного отставания России в XXI в. в развитии биоинженерииот мирового уровня.

В целях быстрейшего преодоления этого отставания Министерство промышленности, науки и технологии РФ разработало «Концепцию раз- вития биотехнологии в России». К сожалению, ее реализация затягивает- ся. Важнейшими задачами поее осуществлению являются:

-создание и реализация утвержденной федеральным законом научной программы по биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности;

141

-признание важнейшим приоритетом XXI в. ядерной биологии, стратегической части биотехнологии;

-приоритетное финансовое обеспечение развития биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности;

-оснащение биоинженерных научных учреждений современным научным оборудованием;

-привлечение для выполнения федеральной программы по биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности молодых, талантливых исследователей, создание им оптимальных производственных, жилищных и финансовых условий;

-обеспечение постоянного объективного информирования всего населения страны о содержании и результатах исследований по биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности;

-совершенствование законодательной и другой нормативноправовой базы по биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности;

-создание в стране специального Федерального совета по биотехно- логии,биоинженерии ибиобезопасности.

Для России самой острой, экономически наиболее важной является проблема вывода из глубокого экономического кризиса продовольствен- ного цеха страны – сельского хозяйства, без чего практическое использо- вание достиженийбиотехнологии невозможно.

Второй проблемой является ускоренное развитие биотехнологии и биоинженерии. В решении этих задач очень важным является развитие

международного сотрудничества на уровне государств, научных органи- заций и ученых. Выполнение совместных международных проектов по-

зволит нашей стране преодолеть отставание и стать в этой области науки и производства в ряд с высокоразвитыми государствами мира.

Контрольные вопросы: 1.Чтотакое безопасность и биобезопасность?

2.В чем состоит сущность генетического риска и возможной опасности в биоинженерии?

3.Какие задачи и основные направления предусматриваются государственным регулированием в области генно-инженерной деятельности?

4.Какие критерии и показатели биобезопасности применяются в биотехнологии и биоинженерии?

142

5.Какие законы, постановления правительства и другие норма- тивно-правовые акты приняты в нашей стране в области биотехнологии, генно-инженерной деятельности и биобезопасности? 6.Какие задачи решают стандартизация и сертификация продукции (услуг) в области генно-инженерной деятельности и биобезопасности?

6.Какой порядок предусмотрен законами и постановлениями правительства при государственной регистрации генно - инженерно - модифицированных организмов и получаемых из них новых пищевых продуктов в Российской Федерации?

7.В чем состоят особенности системы государственного регулирования и обеспечения биобезопасности при генно-инженерной деятельности в США.

8.В чем причины и каково содержание общественного протеста против биоинженерии в мире и России?

9.Каковы пути преодоления отставания биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности в России?

ГЛАВА 10. БИОКОНВЕРСИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

10.1.Технология производства газа. Обострение экологических про-

блем, истощение запасов, не возобновляемых энергоресурсов, рост цен на них, обусловили глобальный интерес к разработке и использованию тех-

нологии биоконверсии органических отходов для получения тепловой и других видов энергии.

Известно, что животные плохо усваивают энергию растительных кор- мов и более половины ее уходит в навоз, который, прежде всего, является ценнейшим видом органических удобрений. Вместе с тем, он может быть использован в качестве источника энергии. Концентрация животных на

крупных фермах и комплексах обусловила увеличение объемов навоза и навозных стоков, которые должны утилизироваться, не загрязняя окру- жающую среду. Одним из путей рациональной утилизации навоза и на- возных стоков является их анаэробное сбраживание, которое обеспечивает

обезвреживание навоза и сохранение его как важнейшего органического удобрения при одновременном получении биогаза.

Анаэробный метод обработки отходов долгое время применялся для стабилизации осадков водоочистных станций и отходов животноводства. Однако с началом энергетического кризиса 70-х годов этот метод привлек

143

особое внимание в связи с идеей получения биогаза в основном из навоза сельскохозяйственных животных.

Анаэробное сбраживание навоза с получением биогаза осуществляет- ся в специальных биогазовых установках, основными элементами кото- рых являются герметические емкости. Технологический процесс обработ- ки навоза осуществляется следующим образом. Из животноводческого по- мещения навоз поступает в накопительную емкость, далее фекальным насосом его загружают в метантенк (емкость для анаэробного сбражива- ния навоза). Биогаз, образующийся в процессе брожения, поступает в газ- гольдер и далее к потребителю. Для нагрева навоза до температуры бро- жения и поддержания теплового режима в метантенке установлен тепло- обменник, через который протекает горячая вода, нагреваемая в котле. Сброженный навоз выгружают в навозохранилище.

В метантенке обеспечиваются все необходимые параметры процесса (t0, концентрация органических веществ, кислотность и др.). Метантенк име- ет тепловую изоляцию, позволяющую обеспечивать и поддерживать на заданном уровне температурные режимы сбраживания, в нем также име- ется устройство для постоянного перемешивания навоза. Поступление навоза в метантенк регулируется так, чтобы процесс сбраживания проте- кал равномерно. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а

последние под действием метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты – метан и углекислоту. Степень разложения орга- нического вещества при анаэробном сбраживании навоза составляет 2545%.

Согласно современным воззрениям, анаэробное превращение практи-

чески любого сложного органического вещества в биогаз проходит через четыре последовательных стадии:

-гидролиз сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.) на более простые мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.

-ферментация (брожение) образовавшихся мономеров до еще более простых веществ – низших кислот и спиртов, при этом образу- ютсятак-же углекислота и водород;

-ацетогенная стадия, на которой образуются непосредственные предшественники метана: ацетат, водород, углекислота;

-метаногенная стадия, которая ведет к конечному продукту расщепления сложных органических веществ – метану.

144

Метанообразующие бактерии предъявляют к условиям своего суще- ствования значительно более высокие требования, чем кислотообразую- щие – они нуждаются в абсолютно анаэробной среде и требуют более дли- тельноговремени для воспроизводства.

Биогаз успешно применяется как топливо. Его можно сжигать в горел- ках отопительных установок, водогрейных котлов, газовых плит, в холо- дильныхустановках абсорбционного типа, в инфракрасных излучателях, в автотракторных двигателях. Карбюраторные двигатели легко переводятся на газ: достаточно заменить карбюратор на смеситель. При производстве электроэнергии из биогаза в электрический ток преобразуется всего 30% его энергоресурса, остальная часть – отбросная теплота. Ее можно исполь- зовать при нагревании воды для бытовых нужд и содержания скота, ото- пления жилых помещений и теплиц, подогрева воздуха для сушилок, а также при регулировании микроклимата в животноводческих помещени- ях и нагрева навоза до нужной t0 брожения в биогазовых реакторах.

Выход навоза от сельскохозяйственных животных и птицы и количе- ство получаемогоиз него биогаза приведены в таблице .

Показатели выходабиогазаизнавоза

Показатели	Молочные	Птица	Свиньи
	коровы
Выход навоза, кг (гол) сутки	55.0	0.2	3.5
Выход биогаза, м3 (гол) сутки	1.62	0.02	0.32
Объем биогаза, м3 на 1 т сухого вещества	300	600	500
навоза

Кроме того, метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодо- рацию, дегельминтизацию, уничтожение способности семян сорных расте- ний к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую рас- тениями минеральную форму. При этом питательные (для растений) ве- щества – азот, фосфор и калий – практически не теряются. Потери азота, которые при других методах обработки навоза составляют до 30%, в про- цессе метаногенеза не превышают 5%. При этом значительная часть азота, присутствующего в свежем навозе в форме органических соединений, в сброженном – содержится в аммиачной форме, которая быстро усваивает- ся растениями.

Навоз после анаэробной обработки не привлекает насекомых, в нем значительно уменьшается содержание пахнущих веществ. При анаэроб-

145

ной обработке наличие поливирусов снижается на 98.5% и зародышей паразитов на 90-100%.

При высоких ценах на энергию перспективной становится малоэнер-

гоемкая анаэробная биологическая очистка с положительным выходом энергии в виде биогаза. Анаэробную очистку навоза следует рассматри- вать не только как дополнительный источник энергии, но и как энергосбе- регающую технологию.

10.2.Биогазовые установки. Главным звеном биогазовой установки является реактор для сбраживания навоза. Различные конструктивные и

технологические решения относятся к так называемым ректорам первого поколения – традиционным метантенкам. Эти метантенки иногда имеют две или более секций, в которых осуществляется частичное разделения стадий анаэробногосбраживания.

Конструкции метантенков достаточно разнообразны, отличаются гла- вным образом гидравлическим режимом (проточные или периодического наполнения) и способами загрузки (непрерывный или периодический). При непрерывной (проточной) схеме навоз загружают через определен- ные промежутки времени (до 10 раз в сутки), удаляя такое же количество сброженной массы. При соблюдении всех условий сбраживания такая схе- ма позволяет получить максимальный выход биогаза.

При периодической схеме метантенки (их обычно два) загружают по очереди. При этом свежий навоз смешивают с остатками сброженного на- воза. Газ начинает образовываться по истечении 5-10 суток и при дости- жении максимального количества постепенно снижается до минимума.. Затем сброженный навоз выгружают, и метантенки снова загружают све- жим навозом.

В анаэробных навозохранилищах предусматривается применение син- тетических покрытий для сбора биогаза, поддержание температуры и рН, осторожное перемешивание, рециркуляция находящегося в них навоза. Преимуществом анаэробных навозохранилищ является простота их уст- ройства, а также низкая чувствительность к содержанию взвешенных ве- ществ; недостатком – потребность в больших площадях, а также большие потери тепла в зимнее время.

Большинство биогазовых установок имеют одноступенчатый реактор проточного типа с полным перемешиванием (68% от всех типов реакто- ров, находящихся в эксплуатации). Вместе с этим опыт эксплуатации оте-

чественных и зарубежных установок для анаэробного сбраживания навоза показывает, что при использовании одноступенчатых реакторов бывают

146

«проскоки» необработанного навоза, что снижает их эффективность при производстве биогаза.

Проточные метантенки считаются наиболее приемлемыми для полу- чения биогаза из жидкого или полужидкого навоза влажностью 91-95%. Однако, для анаэробной обработки навозных стоков, избыточного актив- ного ила и осадков очистных сооружений такие реакторы неэффективны. Указанные отходы содержат незначительное количество органических ве- ществ (менее 2%), из которых образуется активная анаэробная биомасса, и в метантенках происходит постоянное ее вытеснение. Поэтому для обра- ботки таких стоков применяются конструкции реакторов, использующих принцип удержания биомассы. В таких реакторах создают плавающие или фиксированныенасадки, производят рециркуляцию биомассы или де- лают реактор из нескольких секций. Реакторы с такими устройствами обычно относят к группе реакторов под названием биофильтры.

В биофильтре навозные стоки обтекают поверхность загрузочного ма- териала, покрытого биологической пленкой, образуемой микроорганизма- ми, которые при контакте с навозными стоками разлагают находящиеся в них органические вещества с образованием биогаза.

Биофильтр с восходящим потоком, предложенный в 1967 г. Янгом и Маккарти, является первым анаэробным реактором с прикрепленной био- массой. В этом сооружении сточная вода подается через донную распре- делительную систему, проходит через слой загрузочного материала и от- водится из верхней части реактора. В современных анаэробных биофиль- трах в качестве загрузочного материала применяют плоскостные пласт- массовые изделия, а также такие объемные материалы, как гравий, ще- бень, шлак и др.

Биомасса в анаэробных биофильтрах удерживается в виде флокул и гранул, расположенных в пустотах загрузочного материала, а также в виде биопленки, прикрепленной к его поверхности. Опыт применения подоб-

ных устройств для получения биогаза в системах очистки навозных стоков незначителен и не позволяет пока создать эффективные установки.

Контактный реактор состоит из непрерывно загружаемого резервуара с перемешивающим устройством и наружного устройства для отделения биомассы (отстойника). Бактерии, находящиеся в контактном реакторе в виде флокул (хлопьев ила), поддерживаются во взвешенном состоянии за счет перемешивания. Иловая смесь разделяется в отстойнике, удержанная биомасса возвращается в реактор, где вновь смешивается с поступающим

147

субстратом. В результатепроисходит интенсивноеанаэробное разложение органических веществ сполучением биогаза.

Для сбраживания подстилочного и полужидкого навоза влажностью < 90% наибольшее распространение получили установки с рециркуляцией жидкой фракции сброженного навоза после его разделения.

Жидкая фракция возвращается в реакторы для поддержания в них нужного гидравлического режима, что обеспечивает возможность обра- ботки высококонцентрированного навоза, к которому относится как под- стилочный, так и полужидкий навоз.

Рассмотренные биогазовые установки обеспечивают производство биогаза при сбраживании навоза с различными физико-механическими свойствами. Подавляющая часть биогазовых установок, действующая в за- падноевропейских странах, работает в мезофильном режиме, т.е. сбражи- вание осуществляется при 30-370С. В Японии, Германии и Швейцарии намечается тенденция к использованию психрофильных процессов бро- жения, протекающих при температурах окружающей среды. По мнению западных экспертов, это направление, как более экономичное, может по- лучить дальнейшее развитие в ближайшей перспективе. Использование термофильных процессов для сбраживания навоза при 50-550С редко встречается в практике указанных стран.

Из представленных данных следует, что до сих пор нет единого мне- ния о наиболее экономичном температурном режиме анаэробного сбра- живания. Это же относится и к режимам работы установок, построенных в нашей стране, в которых навоз обрабатывается при t0 – 350С (Истра), 400С (КОБОС) и 550С (БФ –500). По продолжительности обработки навоза и

дозе суточной загрузки использующиеся в практике биогазовые установки значительно отличаются (от 5 до 30 суток – время обработки и соответст- венно от 3.3 до 20% - доза суточной загрузки).

Необходимо отметить, что метаногенез требует значительных затрат тепловой энергии на осуществление процесса. Чем выше t0, тем выше за- траты дополнительного тепла. Поэтому повышение скорости метаногене- за за счет t0-го эффекта имеет некоторые негативные стороны. Экономиче- ская эффективность биогазовых установок зависит от конкретных усло- вий региона и хозяйства, где планируется их использование. В северных районах в целях экономии топлива предпочтительнее использовать мезо- фильный режим, при котором увеличивается время удержания и рабочий объем реакторов. Примером могут служить конструкции биогазовых ус-

148

тановок, разработанных фирмой «АВ Eniom» (Финляндия), работающих в условиях Лапландии, при температурном режиме ферментации330С.

В отдельных случаях с целью снижения тепловых затрат и для увели-

чения выхода товарного биогаза процесс метаногенерации разделяют на две фазы: кислотогенную и метаногенную. Первую осуществляют при 30350С, вторую – при 550С. Показатели выхода биогаза на этих реакторах находятся в полном соответствии с удельной нагрузкой на единицу объе- ма реакторов и составляют от 0.67 до 2.55 м3/сут.

Установка КОБОС-1 предназначена для переработки жидкого навоза влажностью 89-96% в качественное, частично обеззараженное и дезодори- рованное удобрение с одновременным улучшением санитарного состо- яния зоны животноводческих комплексов и получением биогаза. Приме- няется в составе технологических линий переработки навоза на комплек- сах и фермах с механическим и гидравлическим способами удаления на- воза.

Биофильтр БФ-500 предназначен для анаэробной очистки жидкого свиного навоза после его предварительного разделения на фракции с по- лучением биогаза.

Биогазовые установки БГУ-25,БГУ-50, БГУ-100 разработаны для фер- мерских хозяйств, например, для свиноферм на 100, 250 и 500 голов, для санитарной обработки навоза и получения биогаза, который используется для приготовления кормов.

Экономичность биогазовых установок изменяется в широких преде- лах, поскольку она зависит от природно-климатических условий, эксплуа- тации, вида, состава и состояния исходных материалов для сбраживания, технологических и технических параметров установки и режима ее рабо- ты. Чем выше цена энергоносителя, с которым ведется сравнение (жидкое топливо), тем более эффективными будут биогазовые установки. На осно- вании проведенных в Германии экономических расчетов было установле- но, что можно гарантировать экономичность биогазовых установок, если удельные первоначальные капитальные вложения на 1 условную голову не превышают 1000-2000 немецких марок, а удельный выход полезно ис- пользуемого газа не менее 0.4 м3 с 1 кг сухого органического вещества.

По данным американских исследователей себестоимость производст- ва биогаза составляет для биогазовых установок, работающих в непре- рывном режиме – 0.27-0.52 долл./м3. При этом биогазовая установка должна удовлетворять энергетические потребности производства при t0

149

окружающего воздуха не ниже 20 С. В условиях более холодного климата необходим внешний приток энергии.

С учетом эффекта от дезодорации и использования высококачествен- ного удобрения себестоимость производства 1м3 биогаза снижается на 1520% по сравнению с затратами только на получение биогаза.

Экономически наиболее целесообразно производить биогаз на сред- них (от 1 до 10 тыс.гол. и крупных (свыше 10 тыс.гол.) откормочных пло- щадках. Себестоимость производства биогаза чрезвычайно высока и в от- дельных случаях может быть на порядок выше, чем себестоимость тради- ционного вида топлива. Это связано с тем, что этот показатель рассчиты- вается без учета других экономических эффектов, связанных с использо- ванием биогазовых установок. Так, в расчетах не учтены стоимость полу- чаемого удобрения или белково-витаминных концентратов, а также эко- логический эффект. Эти составляющие могут быть весьма существенны- ми. По данным специалистов Непала, стоимость переработанного навоза как удобрения в семь раз превышает стоимость биогаза, получаемого из этой же биомассы.

Надо учитывать также и природоохранный эффект биогазовых сис- тем, который может быть весьма значительным. Обеззараживание навоза

вбиогазовых установках (по сравнению с термическим способом) позво- ляет экономить нефтяное топливо. По расчетам специалистов энергопро- ма, сжигание биогаза в котлах приводит к уменьшению вредных выбросов

ватмосферу.

Себестоимость производства биогаза может быть значительно сниже- на, если биогазовые установки будут применяться в технологических ли- ниях утилизации навоза на фермах. В этом случае анаэробное сбражива- ние навоза с получением биогаза может рассматриваться как альтернатив- ный или дополнительный метод его обработки.

Из вышеизложенного следует, что для объективной оценки эффектив- ности производства биогаза необходимо учитывать все преимущества, которые дает анаэробная обработка навоза.

Имеющийся опыт по внедрению процесса метаногенеза в сельскохо- зяйственную практику показывает, что первое место пока занимает его экологический аспект, затем следует эффект от получения высококачест-

венных удобрений и только третье место занимает недооцениваемая или изолированно оцениваемая энергетическая составляющая процесса. Од- нако, при отсутствии или недостатке других источников энергии, особен-

150