Розробка технології виробництва суспензії мікроводоростей як екологічно чистого джерела мікронутрієнтів та для екологічного забезпечення потреб птахівництва

Abstract

Дисертація присвячена розв'язанню проблем екологізації шляхом впровадження аквакультури нижчих рослин в агроекосистеми, зокрема розробці способу культивування та ремедіації та його інтеграції в структуру сучасного виробництва продукції птахівництва. За результатами аналізу опублікованих наукових досліджень визначено, що актуальним лишається питання забезпечення світлом та підвищення рівнів енергетичної конверсії у системах культивування. Процеси світлозалежного зростання культур мікроводоростей зводяться до залежності лімітуючого фактору (світлової енергії) від концентрації культури, індивідуальних характеристик суспензії мікроводоростей і швидкості росту біомаси, яка у свою чергу, близька до максимальної при постійній питомій забезпеченості світловою енергією в рамках оптимуму на одиницю маси. Проаналізовано основні напрацювання у напрямі математичного моделювання ремедіації біогенів при культивуванні мікроводоростей на стічних водах тваринницьких комплексів. Щодо можливості використання органо-мінеральної частини стоків тваринництва у якості основи для культурального середовища та використання процесу культивування Chlorella spp., не вирішеним лишається питання оптимізації та узгодження процесу ремедіації мінеральної та органічної складової середовища із рівнем конверсії світла, що є у системі культивування обмежуючим фактором, саме ефективність використання сонячної енергії і потреба у площі, відповідно, обмежує масштабне впровадження систем. Було визначено найбільш продуктивні способи культивування із використанням середовищ на основі стоку тваринницьких комплексів, які в природно-кліматичних умовах України могли б забезпечити достатньо інтенсивний процес біоремедіації. Експериментально випробувано два способи вводу біогенів за умов, що імітують умови освітленості на поверхні ставку, «фед-бетч», інтенсивний спосіб за якого усі біогенні елементи та забезпеченість клітин світловою енергією, підтримуються на стабільному рівні впродовж всього періоду ремедіації, та накопичувальне культивування, стандартний ставковий екстенсивний спосіб ремедіації, що дозволяє підтримувати стабільний ріст чисельності клітин в об’ємі та усереднений коефіцієнт швидкості росту чисельності клітин на рівні 0,044 (R–0,94). У накопичувальній культурі середній коефіцієнт швидкості поділу клітин складав 0,019 (R–0,90). Результати експерименту наявно демонструють, що зазначений метод культивування є більш ефективним для отримання високих рівнів біопродуктивності на площу. Досліджено склад поживних середовищ на основі мінеральних солей та органо-мінеральної частини залишку біогазового зброджування курячого посліду та рідкої частини стоку та вивчено оптимальні параметри освітлення, щільності культури та швидкості розведення поживного середовища, запропонована математична модель для розрахунку оптимальних режимів біоремедіації при культивуванні Chlorella spp. Досліджено рівні конверсії, які можуть бути досягнені за умови стабілізації оптичної густини та підтримання вводу біогенів на стабільному рівні показали можливість значного підвищення у порівнянні зі стандартним способом при відповідності щільності культури рівню освітлення – при низькій щільності культури (0,05–0,1 г/л) та освітленості (213,5 Вт/м2) та при високій щільності (0,1–1 г/л) і високому рівні освітленості (427 Вт/м2). Доведено, що конверсія світлової енергії та просторова продуктивність є значно вищими за високої щільності культури та освітленості. На базі емпіричних даних отриманих у ході експериментальних досліджень враховані рівні біопродуктивності для інтенсивностей сонячного освітлення 231,5 Вт/м2 при температурі 20–23 °С при середньому значенні ефективності фотосинтетичної конверсії 23,4 % на рівні 20–121 г/м2 на день. Виконане експериментальне дослідження для визначення ефективності ремедіації основних біогенів при використанні органічно та біогенно навантаженого стоку у якості середовища для культивування при постійному складі штучно підготованої стічної води, що за основними показниками наближена до сільськогосподарських стічних вод у сприятливих межах температури, сонячного освітлення при природній тривалості світлового дня (7,5–25 °C; 130 – 560 Вт/м2). Визначено, що об’ємна біопродуктивність біомаси Chlorella vulgaris та середні інтегральні коефіцієнти швидкості приросту були вищі для циклів культивування за яких рівні забезпеченості сонячною енергією та середні значення діапазону температур були вищими. Концентрація біомаси стабільно збільшувалась впродовж всіх циклів культивування, максимальна концентрація біомаси була досягнута в останньому циклі – 0,93 г/л, лише після досягнення такої концентрації спостерігалося лімітування за основними біогенами (азот, фосфор). Визначено, що в процесі біоремедіації з використанням Chlorella spp., на стічних водах із високим вмістом органічної речовини та біогенних елементів може бути забезпечення ступінь очищення, який забезпечує стандартний процес біологічної очистки. Співвідношення рівню усунення органічного забруднення до приросту біомаси, мгХСК/мг біомаси на день коливалось від 0,2 до 0,5, що характерно для систем біологічної очистки з подовженим циклом аерації (0,05–0,15). В ході процесу біоремедіації біогенно навантаженого стоку культурою Chlorella spp. за оптимальної температури 18–23 °С та оптимальної щільності ефективність поглинання азоту амонійного – 67,9–99,1 %, ефективність поглинання фосфатів неорганічних склала 87–99,5 %. Згідно з проведеними розрахунками, в основу яких покладені емпіричні дані отриманні в ході модельних експериментів, розраховані показники ефективності запропонованого процесу напівінтенсивного культивування із граничною денною продуктивністю 27–234 г/м2 на день. Запропонована модель для трьох основних біогенів (вуглецю, азоту та фосфору), яка враховує реальний рівень поглинання або валову потребу у певний проміжок часу. Процес розрахований відповідно до запропонованої моделі продемонстрував ефективність трансформації, тобто фіксації біогенів культурою на рівні 87–92 %, було досягнуто повну відповідність експериментального керованого процесу нарощування біомаси прогнозованим показникам продуктивності за умов періодичного додавання біогенів у кількостях розрахованих за допомогою запропонованої системи рівнянь із високою достовірністю (R–0,99). Було проведено оцінку впливу на матеріально-енергетичні, економічні й екологічні процеси виробництва ефектів утилізації надлишку біогенів та вуглецю, що генерується великотоварними та малими підприємствами, у першу чергу птахокомплексами які оснащені установками метанового збродження посліду, була запропонована спрощена модель трансформації біогенів, емісія яких, з одного боку, створює найбільше навантаження на довкілля, згідно з проведеними оцінками, а з іншого боку, саме ефективність їх трансформації зумовлює продуктивність ланки культивування мікроводоростей. За результатами аналізу визначено, що близько 55–60 % органічного вуглецю піддається анаеробної деградації, а частка азоту і фосфору, що переходить у рідку фазу сягає 90 %, отже спираючись на дані отриманні у ході дослідження рівнів фіксації біогенів у процесі культивування Chlorella spp., можна прогнозувати, відповідно до запропонованої моделі, трансформацію основних біогенів на рівні щонайменше 49–51 %. При цьому забезпечується відтворення природного ресурсного потенціалу та суттєво більш ефективне використання антропогенних субсидій енергії. Було проведено оцінку запропонованого способу культивування хлорели, як ланки утилізації посліду в умовах господарства (фазанарію) та встановлено можливість ремедіації біогенів з посліду шляхом отримання водної витяжки при аеробній стабілізації посліду та використання у якості основи органо-мінерального середовища для культивування мікроводоростей. Відповідно до запропонованої схеми розрахунку рівнів трансформації основних біогенів встановлені коефіцієнти трансформації азоту 0,51 – 0,58, для фосфору – 0,73–0,75. Для азоту коефіцієнт засвоєння мінеральних сполук культурою хлорели склав 0,83–0,95 (83–95 % валового азоту було успішно засвоєно культурою), для фосфору коефіцієнт склав 0,72–0,83 (ефективно було засвоєно 72–83 %). В ході аналізу розрахованих прогнозних економічних показників виявлено, що за наявних умов для виробників, окремий біогазовий комплекс для забезпечення птахоферми не є доцільним, адже окупність інвестицій є низькою, система лише у поєднанні з альгокомплексом для птахоферм з пропускною здатністю вище 100 000 голів має задовільну для інвестиційних умов України окупність. В умовах малого чи присадибного господарства впровадження культивування хлорели є економічно доцільним з огляду на підвищення якості та стандартів вигодовування у першу чергу. The dissertation is devoted to solving ecologization problems by introducing aquaculture of lower plants in the agrarian sector, in particular the development of a method of cultivation and remediation and its integration into the structure of modern production of poultry production. According to the results of the analysis of published scientific research, it is determined that the issue of providing light and raising the levels of energy conversion in cultivation systems remains an urgent issue. The processes of light-dependent growth of algae cultures are reduced to the dependence of the limiting factor (light energy) on the concentration of culture, the individual optical characteristics of the microalgae suspension and the rate of growth of biomass, which in turn is close to maximum with a constant specific supply of light energy within the optimum per unit mass. The main developments in the direction of mathematical modeling of remediation of biogenes in the cultivation of microalgae on waste water of livestock complexes are analyzed. Regarding the possibility of using the organo-mineral part of livestock effluent as the basis for the culture medium and the use of the cultivation process of Chlorella spp., The problem of optimization and harmonization of the process of remediation of the mineral and organic component of the environment with the level of light conversion, which is a limiting factor in the cultivation system, remains unresolved. it is precisely the efficiency of using solar energy and the need for space, therefore, limits the large-scale implementation of systems. The composition of nutrient media on the basis of mineral salts and organo-mineral part of the residue of biogas digestion of chicken litter and liquid part of the drain was studied, and optimal parameters of lighting, culture density and growth rate of nutrient medium were studied, a mathematical model for calculating optimal regimes of bioremediation in the cultivation of Chlorella spp .The most productive methods of cultivation using the medium based on the stock of livestock complexes were determined, which in the latitudinal regions of Ukraine could provide a sufficiently intensive process of bioremediation. Two methods of introducing biogenes under conditions that mimic the conditions of illumination on the floor stack, "fedbetch", an intensive way in which all the biogenic elements and the provision of cells with light energy are maintained at a stable level during the whole period of remediation, and the accumulation of cultivation, is standard, has been experimentally tested. A staggering extensive method of remedy that allows maintaining a stable increase in cell volume in volume and an average coefficient of cell growth rate at the level of 0,044 (R–0,94). In the accumulation culture, the average rate of cell division rate was 0,019 (R–0,90). The experimental results demonstrate that the indicated cultivation method is more effective in obtaining high levels of bioproductivity on the area. Studies of the levels of conversion that can be achieved by stabilizing the optical density and maintaining the nutrient input at a stable level have shown a significant increase compared with the standard method, when the density of the culture corresponds to the level of illumination – at a low culture density (0,05–0,1 g/l) the efficiency was higher than the low levels of illumination (213,5 W/m2), at high density (0,1–1 g/l) and a high level of illumination (427 W/m2). The conversion of light energy and spatial productivity were significantly higher than the high density of culture and illumination. Based on empirical data obtained during experimental studies included biological productivity levels for the intensity of sunlight 231,5–427 W/m2 at 20–23 ° C with an average efficiency of photosynthetic conversion of 23,4 % at 20–120 g/m2 per day. Experimental study to determine the effectiveness of remediation of the main nutrients using organic and biogenically loaded runoff as a cultivation medium. The experiment was conducted under varying weather conditions with a constant composition of artificially prepared sewage, which according to the main parameters corresponds to the existing range in favorable temperatures, sunlight with a natural light day (7,5–25 °; 130–560 W/m2). The volumetric productivity of Chlorella vulgaris biomass and the average integral growth rate were higher for cultivating cycles where the solar radiation conditions and the mean values of the temperature range were higher. Biomass concentration increased steadily during all cycles of cultivation, the maximum concentration of biomass was achieved in the last cycle – 0,93 g/l when the culture was selected only after the conditions limiting for the main nutrients (nitrogen, phosphorus). It has been determined that in the process of bioremediation using Chlorella spp., In waste waters with high content of organic matter and biogenic elements, a degree of purification can be provided that provides a standard biological treatment process. The ratio of the level of elimination of organic pollution to the increase of biomass, mgHCK mg of the cellular substance per day achieved during the cultivation was varied from cycle to cycle and in comparison with the typical biological treatment using active sludge for which the index varies from 0,2 to 0,5 and systems with elongate the aeration cycle (0,05–0,15) were satisfactory and indicated that the purification process was in accordance with generally accepted standards. During the process of cleaning the biologically loaded runoff during the cultivation of Chlorella spp. At an optimum temperature of 18–23 ° С and the optimal integral value set in previous experiments, the absorption efficiency of ammonia nitrogen is 67,9–99,1%, and the absorption efficiency of inorganic phosphates is 87–99,5%. According to the calculations, which are based on the empirical data obtained during the model experiments, the efficiency indicators of the proposed semi-intensive cultivation process are calculated. Limit day productivity is 27–234 g/m2 per day. To calculate the material balance of the process controlled high-performance culture and the necessary input levels of nutrients, including wastewater composed of the poultry constructed equations that allow cells to calculate gross need for each factor. A model was proposed for three main nutrients (carbon, nitrogen and phosphorus) that takes into account the actual level of absorption or gross demand for a certain period of time. The process calculated according to the proposed model of calculation showed the efficiency of transformation, ie fixation of nutrients by culture at the level of 87–92 %, full compliance of the experimental controlled process of biomass increase with the predicted performance indicators in the conditions of periodic addition of the substrate in the quantities calculated with the help of the proposed system of equations with high reliability (R–0.99). To assess the impact on the material and energy, economic and environmental processes of the production of the effects of utilizing the excess of nutrients and carbon produced by large-scale and small-scale enterprises, primarily pest control units equipped with methane fusion plants, a simplified model for the transformation of biogens was proposed, from one hand, creates the greatest load on the environment, according to the estimates, and on the other hand, it is the efficiency of their transformation determines the performance of the links of the coils Microfiber licking. According to the results of the analysis it is estimated that about 55–60 % of organic carbon is exposed to anaerobic degradation, and the proportion of nitrogen and phosphorus passing to the liquid phase reaches 90 %, thus relying on the data obtained during the study of the levels of fixation of nutrients in the process of cultivation of Chlorella spp. it is possible to predict, according to the proposed model, the transformation of the main nutrients at a level of at least 49–51 %. At the same time, the reproduction of natural resource potential and substantially more effective use of anthropogenic energy subsidies are ensured. An estimation of the proposed method for cultivating chlorella as a part of the utilization of the litter under the conditions of the farm (pheasant) was established and the possibility of remediation of nutrients from the litter was obtained by obtaining an aqueous extract for aerobic stabilization of the litter and use as the basis of the organo-mineral medium for the cultivation of microalgae. According to the proposed scheme for calculating the levels of transformation of basic biogenes, it is established that the coefficient of transformation of nitrogen K1 corresponds to a value of 0,51–0,58, and for phosphorus it is 0,73–0,75, which means that phosphorus is better dissolved in water in the process of phosphate stabilization. Such distribution factors may also be explained by the partial restoration of nitrogen compounds, since nitrogen compounds are known to partially recover to gaseous products due to the activity of bacteria in an aqueous medium. For nitrogen, the coefficient of assimilation of mineral compounds by chlorella was 0,83–0,95 (83–95 % of gross nitrogen was successfully absorbed by culture). For phosphorus the coefficient was 0,72–0,83. In the course of the analysis of calculated predicted economic indicators, it was found that, under the existing conditions for producers, a separate biogas complex for the provision of poultry farms is not feasible, since the return on investment is low, the system only in combination with the algo complex for poultry farms with a throughput higher than 70 000 heads is satisfactory for investment conditions of Ukraine payback. In a small or private household, the introduction of chlorella cultivation is economically feasible in view of improving quality and feeding standards in the first place.