Дослідження анаеробної переробки мелясної барди

Abstract

Виробництво етилового спирту в Україні є ключовою галуззю, однак стикається з проблемами економічної неефективності та значним екологічним навантаженням через утворення великих обсягів після спиртової мелясної барди. Цей висококонцентрований техногенний відхід (ХСК 50-100 тис. мг/дм?) становить суттєву загрозу для довкілля. Одним із перспективних напрямів утилізації та очищення є застосування метанового бродіння (анаеробного зброджування), що дозволяє не лише знизити забруднення (ХСК на 70-80%), але й отримати біогаз як відновлюване джерело енергії. Проте ефективність анаеробного процесу залежить від багатьох факторів і потребує наукового обґрунтування та визначення оптимальних умов, особливо для такого складного субстрату, як мелясна барда, що характеризується високим вмістом органічних сполук, мінеральних солей та сульфатів. Для інтенсифікації та оптимізації процесу анаеробної переробки мелясної барди було проведено дослідження впливу ключових факторів. Зокрема, вивчали вплив температурного режиму (мезофільний та термофільний діапазони), початкової активної кислотності (pH) середовища та ефективність різних нейтралізуючих агентів (сода, вапно, попіл) для доведення pH до оптимальних значень (близько 6.4-7.1). Також порівнювали ефективність різних мікробних культур як інокулятів (комерційний препарат ЕМ-1 та адаптована культура мікроорганізмів з гною) та їх концентрації. Додатково досліджували доцільність та оптимальну дозу внесення ферментного препарату (ФП "Оксизим") для покращення стадії гідролізу складних органічних речовин, присутніх у барді. Ефективність процесу оцінювали за динамікою виділення газів та ступенем зниження хімічного споживання кисню (ХСК) протягом 10-14 діб ферментації в лабораторних умовах. 5 За результатами досліджень встановлено оптимальні умови для анаеробної переробки мелясної барди. Оптимальною температурою визначено 45°C. Підтверджено необхідність нейтралізації вихідної кислої реакції барди, причому найкращі результати показали використання соди для досягнення початкового pH ? 6.4. Адаптована культура мікроорганізмів з гною виявилася ефективнішою за препарат ЕМ-1, а оптимальна її кількість склала 8 г (в умовах експерименту). Внесення ферментного препарату в дозі 6 мл суттєво покращило ступінь очищення, дозволивши досягти зниження ХСК на ~59.3% за 14 діб при використанні 8 г гною. Таким чином, запропоновано комплексний підхід до оптимізації процесу, що включає контроль температури, pH, вибір та дозування інокуляту та ферментного препарату. Впровадження анаеробного зброджування за визначеними оптимальними параметрами дозволить значно зменшити екологічне навантаження від спиртових заводів та отримати цінний енергетичний ресурс, однак при проектуванні установок необхідно враховувати потребу в очищенні біогазу від сірководню, що утворюється через високий вміст сульфатів у мелясній барді. За результатами технологічних розрахунків виконано економічну частину роботи. У економічній частині розраховано економічний ефект, який забезпечить впровадження запропонованих вдосконалень процесу, а також розглянуто стан ринку збуту продукції, виконано аналіз ринку ресурсів та розрахунок витрат на виробництво, розроблено план виробництва та збуту продукції та план маркетингу і організаційний план. В економічній частині також розраховано економічну ефективність виробництва.Extended Abstract Ethanol production in Ukraine is a key industry, but it faces challenges of economic inefficiency and significant environmental impact due to the generation of large volumes of molasses stillage. This highly concentrated industrial waste (COD 50,000-100,000 mg/L) poses a significant threat to the environment. One promising approach for its utilization and treatment is the use of anaerobic digestion (methane fermentation), which allows not only for pollution reduction (COD reduction by 70-80%) but also for the production of biogas, a valuable renewable energy source. However, the efficiency of the anaerobic process depends on many factors and requires scientific substantiation and determination of optimal conditions, especially for a complex substrate like molasses stillage, characterized by high concentrations of organic compounds, mineral salts, and sulfates. To intensify and optimize the anaerobic treatment process of molasses stillage, studies were conducted on the influence of key factors. Specifically, the effects of the temperature regime (mesophilic and thermophilic ranges), initial active acidity (pH) of the medium, and the effectiveness of different neutralizing agents (soda, lime, ash) to bring the pH to optimal values (around 6.4-7.1) were investigated. The efficiency of different microbial cultures as inocula (commercial preparation EM-1 and an adapted culture of microorganisms from manure) and their concentration were also compared. Additionally, the feasibility and optimal dosage of adding an enzyme preparation (EP "Oxyzym") to enhance the hydrolysis stage of complex organic substances present in the stillage were explored. The process efficiency was evaluated based on the dynamics of gas evolution and the degree of Chemical Oxygen Demand (COD) reduction over 10-14 days of fermentation under laboratory conditions. 8 Based on the research results, optimal conditions for the anaerobic treatment of molasses stillage were established. The optimal process temperature was determined to be 45°C. The necessity of neutralizing the initial acidic reaction of the stillage was confirmed, with the best results obtained using soda to achieve an initial pH ? 6.4. The adapted culture of microorganisms from manure proved more effective than the EM-1 preparation, and its optimal quantity was found to be 8 g (under experimental conditions). The addition of the enzyme preparation at a dose of 6 mL significantly improved the degree of purification, achieving a COD reduction of ~59.3% over 14 days when using 8 g of manure. Thus, a comprehensive approach to process optimization is proposed, including control of temperature, pH, selection and dosage of inoculum, and enzyme preparation. Implementing anaerobic digestion under the determined optimal parameters will significantly reduce the environmental load from distilleries and produce a valuable energy resource. However, when designing facilities, the need for biogas purification from hydrogen sulfide, formed due to the high sulfate content in molasses stillage, must be considered.