Біотехнологічні основи створення сільськогосподарських біоконверсних комплексів

Проблеми удосконалення процесів біоконверсії вторинної сільськогосподарської сировини, виробництва мікробіологічних препаратів захисту рослин та підвищення врожайності, моделювання нових технологічних засобів для реалізації біотехнологічних процесів.

Рубрика Сельское, лесное хозяйство и землепользование
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 13.08.2015
Размер файла 1,4 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет біоресурсів і природокористування України

УДК 57.086.8: 631.95: 631.86: 632.937

03.00.20 - біотехнологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора сільськогосподарських наук

БІОТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ БІОКОНВЕРСНИХ КОМПЛЕКСІВ

Таргоня Василь Сергійович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті біоресурсів і природокористування України Кабінету Міністрів України

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Дубровін Валерій Олександрович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, директор Навчально-наукового технічного інституту

Офіційні опоненти:

- доктор сільськогосподарських наук, старший науковий співробітник Постоєнко Володимир Олексійович, Державний науково-контрольний інститут біотехнології і штамів мікроорганізмів, заступник директора з наукової роботи

- доктор сільськогосподарських наук, доцент Мельниченко Олександр Миколайович, Білоцерківський національний аграрний університет, завідувач кафедри екології та біотехнології, директор науково-дослідного інституту екології та біотехнології в тваринництві

- доктор сільськогосподарських наук, старший науковий співробітник, член-кореспондент НААН України Тарасюк Сергій Іванович, Інститут рибного господарства НААН України, заступник директора

Захист відбудеться "24" березня 2011 р. о 10.00 годині на засіданні cпеціалізованої вченої ради Д 26.004.15 у Національному університеті біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус 3, ауд. 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 28

Автореферат розісланий "23" лютого 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.В. Коломієць

Анотації

Таргоня В.С. Біотехнологічні основи створення сільськогосподарських біоконверсних комплексів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора сільськогосподарських наук за спеціальністю 03.00.20 - біотехнологія. - Національний університет біоресурсів і природокористування України, Київ, 2011.

У дисертації розвинуті положення біотехнології сільськогосподарського виробництва у вирішенні проблеми удосконалення процесів біоконверсії вторинної сільськогосподарської сировини, виробництва ентомологічних і мікробіологічних препаратів захисту рослин та підвищення врожайності, розроблення методів моделювання біотехнологічних процесів і розроблення нових технологічних засобів для їх реалізації. Розроблено наукову концепцію проектування сільськогосподарських біоконверсних комплексів на основі ценологічного підходу і використання базових біотехнологічних операцій. Розроблено методологію аналізу та синтезу основних параметрів біотехнологічних процесів (метанового зброджування, вермикомпостування, виробництва ентомологічних та мікробіологічних препаратів) та обладнання для їх реалізації на основі математичної моделі критерію оптимізації технологій і обладнання. Удосконалено методи системного підходу до розроблення біотехнологічних процесів і обладнання для їх реалізації у складі біоконверсного комплексу. Удосконалено експертну система багатофакторного аналізу для вибору конструкційного виконання обладнання, яке забезпечує механізацію біотехнологічних альтернатив у сільськогосподарському виробництві, шляхом формування бази знань нечіткої логіки. Розроблено нові технології та пристрої для використання біотехнологічних альтернатив у сільськогосподарському виробництві, визначено їх якісні, енергетичні і економічні показники.

Ключові слова: біоконверсний комплекс, інтегровані біотехнологічні процеси, біоконверсія, біологічний захист рослин, біологічне виробництво.

Таргоня В.С. Биотехнологические основы создания сельскохозяйственных биоконверсных комплексов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора сельскохозяйственных наук по специальности 03.00.20 - биотехнология. - Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, Киев, 2011.

В диссертации развиты положения биотехнологии сельскохозяйственного производства в решении проблемы усовершенствования процессов биоконверсии вторичного сельскохозяйственного сырья, производства энтомологических и микробиологических препаратов защиты растений и повышения урожайности, разработки методов моделирования биотехнологических процессов и новых технологических средств для их реализации. Разработана научная концепция проектирования сельскохозяйственных биоконверсных комплексов на основе ценологического подхода и использования базовых биотехнологических операций. Разработана методология анализа и синтеза основных параметров биотехнологических процессов (метанового сбраживания, вермикомпостирования, производства энтомологических и микробиологических препаратов) и оборудования для их реализации на основе математической модели критерия оптимизации технологий и оборудования.

Усовершенствованы методы системного подхода к разработке биотехнологических процессов и оборудования для их реализации в составе биоконверсного комплекса. Усовершенствована экспертная система многофакторного анализа для выбора конструкционного выполнения оборудования, которое обеспечивает механизацию биотехнологических альтернатив в сельскохозяйственном производстве, путем формирования базы знаний нечеткой логики.

Разработан ряд государственных и отраслевых стандартов, которые регламентируют технологические процессы производства биогумуса, энтомологического препарата трихограммы; требования к конечной продукции биотехнологических процессов (метанового сбраживания, вермикомпостировання, производства препаратов биологической защиты растений) и методов испытания оборудования для их реализации.

Основные положения теоретических и экспериментальных исследований используются для проектирования биоконверсных комплексов, интегрированных биотехнологических процессов, технических средств для использования биотехнологических альтернатив в сельскохозяйственном производстве.

Разработаны варианты механизированных высокоэффективных технологий вермикомпостирования, производства энтомологического препарата трихограммы, выращивания товарного карпа, получения овощной продукции в закрытом грунте.

Ключевые слова: биоконверсный комплекс, интегрированые биотехнологические процессы, биоконверсия, биологическая защита растений, биологическое производство.

Targonya V.S. Biotechnological backgrounds of agricultural bioconversion complexes development. - Manuscript.

Dissertation for the degree of Doctor of agricultural sciences in speciality 03.00.20 - biotechnology. - National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyiv, 2011.

In the dissertation the agricultural production biotechnology provisions in solving the problem of secondary agricultural raw materials bioconversion processes improvement, plant protection entomological and microbiological products production and yields increase, biotechnological processes modeling methods and new technological means for their realization developing are elaborated. New conception of agricultural bioconversion complexes designing on the basis of cenology approach and basic biotechnological processes use is developed. Biotechnological processes (methane fermentation, worm composting, entomological and microbiological products production) and equipment for their realization main parameters analysis and synthesis methodology on the basis of technologies and equipment optimization criteria mathematic model is developed. System approach methods for biotechnology processes and equipment for their realization within the bioconversion complex are improved. Expert system of multivariable analysis for chose of constructional performance of equipment, which provides mechanization of biotechnological alternatives in agricultural production by way of fuzzy logic knowledge base forming, is improved. New technologies and devices for biotechnological alternatives use in agricultural production are developed, their quality, energetic and economic indices are determined.

Key words: bioconversion complex, integrated biotechnological processes, bioconversion, biological plant protection, biological production.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У сільськогосподарському виробництві останнім часом простежуються окремі негативні тенденції. Енергетичні витрати на виробництво аграрної продукції в Україні в 2-3 рази вищі ніж у економічно розвинених країнах. Від 36 до 60 % з них у рослинництві складають витрати на удобрення ґрунтів і захист рослин, а внесення традиційних органічних добрив не перевищує 20 % від технологічної потреби. Еколого-економічні збитки лише через ерозію ґрунтів в Україні перевищують 9,1 млрд грн на рік.

Порушення екологічної рівноваги агробіоценозів внаслідок часткового розмикання малого біологічного кругообігу речовин призводить до зниження родючості ґрунту. Питання подальшого розроблення та вдосконалення науково обґрунтованих технологічних методів отримання якісної, біологічної сільськогосподарської продукції з одночасним зменшенням матеріальних і енергетичних витрат, а також усунення деградації ґрунтів і забруднення довкілля є вельми актуальними.

Одним з перспективних напрямів виходу з ситуації, що склалася, є інтегроване використання в сільськогосподарському виробництві альтернативних біотехнологічних операцій як складових сільськогосподарських біоконверсних комплексів. Біоконверсний комплекс - це система ведення біологізованого сільськогосподарського виробництва в умовах конкретного агробіоценозу багатогалузевого аграрного підприємства або цілого агроландшафту. Він базується на використанні інтегрованих у виробничі процеси спеціалізованих техноценозів для максимально можливої з еколого-економічної точки зору біотехнологічної переробки всіх органічних відходів (нетоварної біомаси) для подальшого повного або часткового повернення перетвореної сировини у виробничі процеси з метою зменшення енергетичних витрат виробництва, повного або часткового усунення негативної дії виробництва на довкілля, санації та відновлення родючості ґрунтів, можливості отримання біологічної продукції.

Питання інтегрованого ведення сільськогосподарського виробництва з використанням біоконверсних комплексів або їх складових розглянуто у роботах М.М. Городнього (1996), Л.В. Погорілого (1995, 2003), Ю.О. Тараріки (2007), А.І Чміля (1994, 1995), М.К. Шикули (1998, 2000), R. Diercks (1994) та ін.

Технології мікробіологічної ферментації та вермикомпостування біомаси докладно висвітлені у наукових працях М.Е. Бекера (1990), В.Г. Герасименка (1989, 1991, 2006), Г.А. Голуба (2005), В.О. Дубровіна (2003, 2004), М.К. Лінника (1992, 1994), О.М. Мельниченка (2009), В.А. Слободяна (1992), В.О. Постоєнка (2010), С.І. Тарасюка (2005), К.Ф. Форстера (1990), S. Klinski (2006) та ін.

Перспективним напрямом досліджень біотехнологічних альтернатив постають біологічний захист рослин і використання мікробіопрепаратів для відновлення родючості ґрунтів, що викладено у працях В.М. Бровдія (2003), В.В. Гармашова (2002, 2008), М.Д. Мельничука (2003), В.П. Патики (2003, 2004), О.О. Созінова (2001), О.Г. Тараріки (1997), В.С. Шелестової (2003, 2005) та ін.

Проте невивченими лишаються питання наукового обґрунтування інтегрованого використання біотехнологічних операцій в аграрному виробництві, розробки методологічних прийомів створення сільськогосподарських біоконверсних комплексів.

Для наукової формалізації нового напряму необхідно дослідити комплекс проблем, починаючи з визначення основних закономірностей функціонування біоконверсних комплексів, обґрунтування принципів і алгоритмів їх створення та завершуючи розробкою проектно-технологічних і конструкційних рішень новітніх біоконверсних комплексів.

Важливість і актуальність проблеми вдосконалення та адаптації до сучасних умов інтегрованих біотехнологічних процесів, а також недостатність наукових розробок і практичного досвіду з цих проблем визначили вибір теми дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати, що наведені в дисертації, отримані в 2002-2010 рр. в Національному університеті біоресурсів і природокористування України із залученням інших науково-дослідних установ у ході виконання державних програм з розроблення технологій виробництва сільськогосподарської продукції, використання поновлюваних джерел енергії й біотехнологічних альтернатив, зокрема, за темами: "Розробка технічних та біологічних характеристик для масового отримання лабораторних культур ентомофагів та мікроорганізмів для потреб захисту рослин" (номер держреєстрації - 0104U005243), "Розробка наукових основ забезпечення процесів комплексного виробництва біогазу та органічних добрив в АПК" (0107U004379), "Дослідження ефективності впровадження нових технічних засобів в технології вирощування риби" (0108U002436), "Розробити комплексну ресурсозберігаючу екологічно безпечну технологію і обґрунтувати основні технічні вимоги до обладнання для виробництва і використання високоякісних біологічно активних органічних та органо-мінеральних добрив, отриманих на основі біотехнологічної переробки відходів тваринництва" (0108U002437), "Провести дослідження та екологічну експертизу перспективної технології виробництва екологічно чистої продукції рослинництва на основі створення агроекосистеми та застосування механізованих біотехнологічних альтернатив" (0107U008428); "Розробити нові технології виробництва екологічно чистого товарного коропа на основі використання природної і культивованої кормової бази та вторинної сільськогосподарської сировини" (0108U006161) й "Розроблення методологічних основ екологічної експертизи сільськогосподарської техніки та технологій" (0108U008501).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - розробка біотехнологічних основ та формалізованих алгоритмів створення сільськогосподарських біоконверсних комплексів для різних агробіоценозів за рахунок інтегрованого використання процесів біоконверсії вторинної сировини ентомологічних та мікробіологічних препаратів захисту рослин та шляхом з'ясування ценологічних особливостей їх інтеграційного функціонування. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

- провести аналіз та теоретично обґрунтувати основні закономірності створення біоконверсних комплексів для виробництва біологічної продукції рослинництва, тваринництва та рибництва;

- обґрунтувати і розробити принципи та алгоритми створення біоконверсних комплексів;

- розробити біотехнологічний процес метанового зброджування безпідстилкового гною в реакторах проточного типу з іммобілізацією активної біомаси метаногенеруючих бактерій;

- вдосконалити біотехнологічний процес вермикомпостування підстилкового гною;

- обґрунтувати основні параметри біотехнологічного процесу виробництва ентомологічного препарату трихограми, а також мікробіопрепаратів при періодичному культивуванні;

- розробити проектно-технологічні і конструкційні рішення нових біоконверсних комплексів утилізації відходів тваринництва, виробництва біологічної овочевої продукції у закритому ґрунті та вирощування товарного коропа;

- провести науково-виробничу перевірку інтегрованих біотехнологічних процесів і технічних засобів й оцінити їх ефективність в технологіях біологічного землеробства.

Об'єкт дослідження - комплекс взаємодій біологічних об'єктів та агентів з технологічними об'єктами як складових окремих біотехнологічних операцій і елементів штучних утворень ценологічного рівня (біоконверсних комплексів).

Предмет дослідження - закономірності, параметри і режими здійснення біотехнологічних прийомів виробництва та комплексного застосування біологічних агентів (біогумусу, ентомологічних і мікробіологічних препаратів) в якості компонентів сільськогосподарських біоконверсних комплексів.

Методи дослідження - біотехнологічне і біоенергетичне обґрунтування параметрів технологічних процесів та обладнання; системний аналіз біотехнічних об'єктів; метод синтезу регресивних моделей оптимальної складності з використанням принципів самоорганізації систем та побудови рівнянь за натуральними квадратами; методи нечіткої логіки та експертної системи багатофакторного аналізу; метод побудови компартментальних моделей енергетичних потоків в агробіоценозах; комплексні експериментальні лабораторні та науково-виробничі дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримали подальший розвиток положення біотехнології сільськогосподарського виробництва у вирішенні проблеми удосконалення процесів біоконверсії вторинної сільськогосподарської сировини, виробництва ентомологічних і мікробіологічних препаратів захисту рослин та підвищення врожайності сільськогосподарських культур, розроблення методів моделювання біотехнологічних процесів та їх реалізації в нових технологічних засобах.

Науково обґрунтовано концепцію проектування сільськогосподарських біоконверсних комплексів на основі ценологічного підходу і використання базових біотехнологічних операцій.

Запропоновано методологію аналізу та синтезу основних параметрів і режимів виконання біотехнологічних процесів (метанового зброджування, вермикомпостування, виробництва ентомологічних та мікробіологічних препаратів) та обладнання для їх реалізації на основі розроблених математичних моделей й запропонованих критеріїв оптимізації біотехнологій і обладнання.

Удосконалено методи системної розробки біотехнологічних процесів і обладнання для їх реалізації у складі біоконверсних комплексів.

Розроблено систему експертного багатофакторного аналізу для вибору конструкційних параметрів обладнання, яке технічно забезпечує біотехнологічні альтернативи у сільськогосподарському виробництві, засновану на формуванні бази знань нечіткої логіки.

Запропоновано нові технології та технічні засоби для використання біотехнологічних альтернатив у сільськогосподарському виробництві, а також визначено їх якісні, енергетичні та економічні характеристики.

Практичне значення одержаних результатів. Обґрунтовано конструкційно-технологічні режими виконання біотехнологічних процесів і розроблено спеціалізоване обладнання для метанового зброджування, вермикомпостування біосировини, виробництва трихограми й мікробіологічних препаратів для захисту рослин. Рекомендовано до серійного виробництва модульний комплект технологічного обладнання для промислового розведення фіто- та ентомофагів.

Розроблено актуальні державні і галузеві стандарти, які регламентують технологічні процеси виробництва (метаногенезу, вермикомпостування, приготування препаратів біологічного захисту рослин), вимоги до кінцевої продукції (біогазу, біогумусу, ентомологічних та мікробіологічних препаратів тощо), а також методи випробування обладнання. Основні положення теоретичних і експериментальних досліджень використовуються при проектуванні біоконверсних комплексів, інтегрованих біотехнологічних процесів, технічних засобів для реалізації біотехнологічних альтернатив у сільськогосподарському виробництві, а також у навчальному процесі вищих навчальних закладів IV рівня акредитації.

Запропоновано алгоритм розробки біотехнологічної складової біоконверсного комплексу, в основу якого покладено ценологічний підхід до визначення переліку базових біотехнологічних операцій та їх основних параметрів і режимів виконання, а також підбір чи розробку необхідного технологічного обладнання.

Сільськогосподарському виробництву запропоновано принципові технологічні схеми біоконверсних комплексів для утилізації відходів тваринництва, вирощування біологічної продукції у закритому ґрунті та рибництві.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі особисто здобувачем обґрунтовано напрям і розроблено програму досліджень, проведено аналітичні та експериментальні дослідження, узагальнено результати НДР, проведено їх апробацію, сформульовано висновки та пропозиції виробництву. Зі спільних експериментальних досліджень і публікацій здобувачем використано, за згодою співавторів, лише власну частину результатів. При побудові та аналізі моделей технологічного процесу виробництва трихограми частково використано дані Н.П. Дем'янчук (2007), які отримані за спільним виконанням науково-дослідної роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень дисертаційної роботи доповідались та отримали позитивну оцінку в Україні й за її межами на міжнародних науково-практичних конференціях: "Універсальна мобільна енергетика, модульно-блочна техніка і прогресивні механізовані технології в сільськогосподарському виробництві ХХІ століття" (Дослідницьке, 2001 р.); "Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки і технологій" (Дослідницьке, 2003, 2005, 2008, 2009 рр.); "Нетрадиційне рослинництво. Еніологія. Екологія і здоров'я" (Алушта, 2005, 2007, 2008 рр.); "Екотрофологія - міст у майбутнє харчування людини" (Біла Церква, 2007 р.); "Екологічна безпека сільськогосподарського виробництва" (Київ, 2010 р.); "Проблеми інтенсифікації виробництва продукції тваринництва з урахуванням охорони довкілля та вимог ЄС" (Варшава, 2001р.); "Елемінювання сільськогосподарської небезпеки здоров'ю та довкіллю - напрями подальших досліджень" (Познань, 2003 р.); Інститутів сільськогосподарської техніки країн Центральної та Східної Європи (Москва, 2005 р.); "Екологія і сільськогосподарська техніка" (Санкт-Петербург, 2007, 2009 рр.); "Біосистемний інжиніринг і процеси в сільськогосподарському виробництві" (Каунас, 2008 р.); "Енергозабезпечення та енергозбереження у сільському господарстві " (Москва, 2010 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано у 56 наукових працях, серед яких: окремих видань - 4, статей у фахових виданнях - 24, патентів України - 11.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, загальних висновків, рекомендацій виробництву, списку використаних джерел із 435 найменувань та 7 додатків. Загальний обсяг дисертації - 384 сторінки, з яких основна частина містить 271 сторінку тексту і включає 43 таблиці та 81 рисунок.

Основний зміст роботи

Наукові передумови розробки біотехнологічних основ створення сільськогосподарських біоконверсних комплексів

Наведено аналіз передумов розроблення біотехнологічних основ сільськогосподарських біоконверсних комплексів, опис загального екологічного стану агропромислового виробництва України та огляд технологій вирощування біологічної продукції рослинництва, розробок біоконверсних агрокомплексів, біотехнологічних процесів переробки вторинної сировини, виробництва ентомологічних та мікробіологічних препаратів захисту рослин. Запропоновано визначення сільськогосподарського біоконверсного комплексу.

На основі здійсненого аналізу обґрунтовані актуальність і перспективність проведення наукових досліджень.

Програма і методика проведення досліджень

Представлені в дисертації наукові дослідження проведені відповідно до концептуальної схеми (рис. 1).

Рис. 1. Концептуальна схема проведення наукових досліджень.

Визначено програму аналітичних досліджень, яка передбачала:

- побудову компартментальних моделей технологічних процесів виробництва сільськогосподарської продукції в різних агробіоценозах з урахуванням результатів інтегрованого використання біотехнологічних альтернатив;

- обґрунтування формалізованих вимог та алгоритмів розробки біоконверсних комплексів;

- розробку експертної системи багатофакторного аналізу для вибору та оптимізації технологій і обладнання для використання біотехнологічних альтернатив у сільськогосподарському виробництві, що базується на результатах випробувань в реальних виробничих умовах біотехнологій та відповідного обладнання;

Програмою експериментальних досліджень обумовлено:

- дослідження технологічного процесу метанового зброджування, режимів роботи і параметрів обладнання ферментації гною та гноївки;

- обґрунтування технологічного процесу вермикомпостування і параметрів обладнання для виробництва біогумусу;

— дослідження процесів виробництва ентомологічного препарату трихограми і параметрів обладнання для вирощування ентомофагів;

- визначення параметрів технологічного процесу та обладнання для виробництва мікробіопрепапратів для захисту рослин в умовах періодичного культивування.

Для дослідження основних параметрів процесів біоконверсії органічної сировини розроблено і виготовлено лабораторно-дослідний зразок біоконверсного комплексу (рис. 2).

Рис. 2. Принципова схема лабораторно-дослідного зразка біоконверсного комплексу.

Для дослідження основних параметрів біотехнологічних процесів виробництва мікробіологічних препаратів розроблено і виготовлено лабораторно-виробничу біоустановку для продукування мікробіопрепаратів ЛВБУ-70 (рис. 3).

Рис. 3. Загальний вигляд лабораторно-виробничої біоустановки для продукування мікробіопрепаратів ЛВБУ-70.

Експериментальні дослідження технологічного процесу виробництва ентомологічного препарату трихограми і обґрунтування прийнятних параметрів обладнання для вирощування ентомофагів проведені на дослідному зразку модульного комплекту технологічного обладнання для промислового розведення трихограми.

Методи визначення основних показників біотехнологічних процесів переробки вторинної сільськогосподарської сировини та біотехнологічних процесів виробництва ентомологічних і мікробіологічних препаратів захисту рослин вибрано з наявної в галузі методологічної нормативної бази та доповнено відповідно до вимог ДСТУ 1.2: 2003.

Наведені в розділі методи апробовані, пройшли метрологічну експертизу та впроваджені у виробництво як державні та галузеві стандарти.

У процесі аналітичних досліджень застосовано методи системного аналізу з використанням методологічних підходів оцінки оточуючого середовища (Петл Р., 1979); аналізу біотехнічних систем (Погорілий Л.В., 1999, 2001); побудову компартментальних моделей енергетичних потоків в агробіоценозах (Одум Е., 1968)); біоенергетичної оцінки технологій (Медведовський О.К., 1988; Кім А.А., 1990; Тараріко Ю.О., 2001); побудови оптимальних техноценозів (Кудрін Б.І., 1998; Гнатюк В.І. 2005); теорії вирішення винахідницьких завдань (Альтшуллер Г.С., 1989, 1991); аналізу властивостей самозбереження біосистем (Новосєльцев В.М., 1978); нечіткої логіки та експертної системи багатофакторного аналізу; (Заде Л.А., 1976, 2001; Ротштейн О.П., 1999); синтезу регресивних моделей оптимальної складності з використанням прийомів самоорганізації та побудови рівнянь за натуральними квадратами (Івахненко А.Г., 1975) тощо.

Визначення показників, що характеризують біосировину, продукти ферментації, біогаз і біогумус, проводились за СОУ 74.3-37-268: 2005 та СОУ 40.21-37-560: 2007. Оцінка біотехнологічного процесу і якості ентомологічного препарату трихограми здійснена за ДСТУ 5017: 2008 і СОУ

74.3-37-727: 2009, щодо мікробіопрепаратів захисту рослин за СОУ 74.3-37-269: 2005.

Статистичну обробку даних експериментальних досліджень проведено за ДСТУ ГОСТ 8.207: 2008.

Теоретичне обґрунтування та аналітичні дослідження біотехнологічних основ створення біоконверсних комплексів

Наведено принципові положення і результати системного аналізу і синтезу інтегрованих біотехнологічних процесів, математичні та компартментальні моделі сільськогосподарського виробництва з використанням біотехнологічних альтернатив, експертну систему багатофакторного аналізу, а також алгоритм розробки біотехнологічної складової біоконверсного комплексу.

Системний підхід до розроблення біотехнологічних процесів і обладнання для їх реалізації у складі біоконверсного комплексу

Системний підхід до розробки біотехнологічних процесів і засобів їх реалізації (рис. 4) базується на використанні, в першу чергу, результатів аналітичних і лабораторно-виробничих досліджень, а також гносеологічних прийомів інженерно синтезу при конструюванні, проектуванні і випробуванні технологічного обладнання. Для побудови ідеальної моделі біотехнологічного процесу на основі експериментальних даних використано метод синтезу регресійних моделей, які не потребують апріорного знання структури моделі.

Рис. 4. Структурна схема системної розробки біотехнологічних процесів і обладнання для їх реалізації у складі сільськогосподарського біоконверсного комплексу.

Для побудови логістичних і компартментальних моделей енергетичних потоків використано ценологічний підхід, застосування якого дозволило обґрунтувати основні вимоги до побудови агротехноценозів та алгоритм розроблення біотехнологічної складової біоконверсного комплексу.

Такий же підхід використано і для вирішення винахідницьких завдань для усунення біотехнологічних і технічних протиріч при проектуванні біотехнологічних процесів.

Побудова та аналіз компартментальних моделей біоконверсних комплексів

Як базу для побудови компартментальної моделі біоконверсного комплексу (рис. 5) використано гіпотетичний агровиробничий модуль, а саме: 1-го га чорнозему в Лісостеповій зоні України, на якому вирощують озиму пшеницю, а частину отриманого врожаю використовують для утримання 1-ї умовної голови худоби. Порівнювали існуючу індустріальну хімізовану технологію і нову - інтегровану агробіотехнологічну, як варіант повномасштабного біоконверсного комплексу.

Основним споживачем і перетворювачем енергії фітомаси є система редуцентів (мікробіота ґрунту), яка споживає 58,4 % всієї фітомаси. Система консументів у такому контрольованому агробіоценозі споживає лише 19,2 % фітомаси, а товарна частина врожаю зерна, яка покидає межі поля агробіоценозу становить 22,4 %. Тваринництво отримує 15,0 % енергії фітомаси, повертаючи її на поле у вигляді органічних добрив на рівні 7,5 %.

Як свідчать результати аналітичних досліджень, впровадження інтегрованої агробіотехнології потребує додаткових затрат антропогенної енергії (356 МДж/га), яка втілена в оригінальному обладнанні для виробництва біогумусу, ентомологічних і мікробіологічних препаратів. Витрати електроенергії зростають на 71 МДж/га, а праці людини - на 308 МДж/га. Це зумовлене тим, що у виробничий процес і в агробіоценоз включені альтернативні біотехнологічні операції. Разом з тим, відмова від застосування агрохімікатів дозволяє зменшити енерговитрати на 19068 МДж/га, а від інтенсивного обробітку ґрунту та малоефективних перевезень соломи і компостів - на 4013 МДж/га. В цілому, коефіцієнт енергетичної ефективності нової агробіотехнології становить 3,82 проти 2,66, тобто в 1,4 раза більший. Такого підвищення енергетичної ефективності виробництва сільськогосподарської продукції досягають за рахунок відновлення малого кругообігу речовин в агробіоценозі, результатом якого є збільшення біомаси редуцентів з 1,22 до 18,80 т/га на фоні запропонованого комплексного використання біотехнологічних операцій.

Рис. 5. Компартментальна модель перенесення енергії в агроценозах вирощування озимої пшениці на 1 га ріллі за інтегрованою агробіологізованою (а) та за індустріальною хімізованою (б) технологіями: І - надходження енергії; R - втрати енергії на дихання; N - невикористана та неасимільована енергія; NX - втрати енергії за рахунок знищення мікробіоти ґрунту та його ерозії.

Компартментальна енергетична модель гідробіоценозу вирощування коропа і біоенергетичний аналіз варіантів технологій

За базу для побудови такої моделі використано гіпотетичний нагульний став площею 1 га та складові гідробіоценозу прісноводних водойм Лісостепової зони України. Наведено результати порівняльної біоененергетичної оцінки трьох варіантів вирощування коропа: з використанням природної кормової бази; інтенсивної технології із додаванням мінеральних добрив і комбінованих кормів; а також запропонованої аквабіотехнологічної - із застосуванням біотехнологічних операцій за принципами біоконверсного комплексу.

Доведено, що найменш енерговитратною є технологія з використанням природної кормової бази, коефіцієнт енергетичної ефективності якої становить 2,88. Тобто витрата однієї одиниці енергії дозволяє отримати 2,88 одиниці енергетичного еквівалента кінцевої товарної продукції. Проте цей технологічний варіант дає найнижчу рибопродуктивність (4,5 ц/га в зоні Лісостепу). Застосування інтенсивних технологій рибництва дозволяє отримувати значно вищу рибопродуктивність (на рівні 15 ц/га), але коефіцієнт енергетичної ефективності такого технологічного варіанта становить лише 0,23, при цьому значних енергетичних витрат потребують мінеральні добрива та комбіновані корми (27844,8 і 46600 МДж/га відповідно). Сумарні витрати за інтенсивною технологією становлять 100543,8 МДж/га, що майже в 42 рази більше ніж за технологією із використанням природної кормової бази.

Запропонована аквабіотехнологія у варіанті біоконверсного комплексу дозволяє досягти рівня рибопродуктивності не менше 10 ц/га, без використання мінеральних добрив і комбінованих кормів, за рахунок заходів нарощування кормової бази на основі біоконверсії органічної маси гідробіоценозу ставу та використання поновлюваних джерел енергії. Коєфіцієнт енергетичної ефективності такої аквабіотехнології становить 1,90, а сумарні енергетичні витрати у 12,4 раза менші ніж за інтенсивного варіанта вирощування коропа. Включення до аквабіотехнології додаткових операцій дозволяє підвищити обсяг кормової бази, знизити енергомісткість процесу, але потребує подвоєння витрат за енергетичним еквівалентом на оригінальне технологічне обладнання і додатковий обслуговуючий персонал.

Експертна система багатофакторного аналізу для вибору технологій і обладнання для використання біотехнологічних альтернатив у сільськогосподарському виробництві

Розроблення експертної системи багатофакторного аналізу для вибору технологій і обладнання щодо використання біотехнологічних альтернатив сільськогосподарського виробництва на основі прогнозування показників якості кінцевих продуктів стало можливим завдяки розробці та стандартизації в Україні номенклатури цих показників та методів їх визначення. Задачу прогнозування означених показників якості розв'язано на основі оцінювання впливових чинників і розглянуто як пошук відображення:

Х = (х1, х2…, хn) kjK = (k1, k2 …, km), (1)

де Х - множина впливових чинників; К - множина прогнозів якості кінцевого продукту.

Основні складності розв'язання задач прогнозування обумовлені:

— необхідністю дослідження значної кількості впливових факторів, кількість яких постійно збільшується через інтенсивний розвиток агроекології та біотехнології;

— відсутністю достовірних аналітичних залежностей між показниками якості кінцевого продуктів і впливовими чинниками;

— різнорідністю характеристик впливових факторів.

В основу побудови експертної системи для прогнозування рівня показників якості кінцевого продукту покладено теорію нечітких множин і лінгвістичних змінних, які підібрані у дисертаційній роботі, для наступних біотехнологічних процесів: метанового анаеробного зброджування субстратів, прискореного вермикомпостування, виробництва ентомологічних і мікробіопрепаратів для захисту рослин.

Особливість розробки нечіткої системи множин полягає у тому, що є можливість організувати управління біотехнологічними процесами у формі діалогу з експертом, оскільки ці правила записуються у вигляді виразів "ЯКЩО - ТО". Подальша адаптація математичної моделі багатофакторного аналізу обраної біотехнології здійснюється шляхом підбору таких правил, які забезпечують мінімальну різницю між модельованими та експериментальними значеннями показників якості кінцевого продукту (препарату). Відповідну задачу оптимізації розв'язують градієнтним методом. Наступним етапом побудови моделі біотехнології є формування бази правил системи нечіткого логічного висновку. Знання про взаємодію нечіткої системи з процесом управління біотехнологічними процесами подають у формі правил вигляду: "ЯКЩО - ТО". У блоці формування логічного рішення на основі матриці знань записують лінгвістичні правила вигляду ЯКЩО (початкова ситуація), ТО (реакція у відповідь), які разом зазвичай називають робочим правилом. Частина ЯКЩО (передумова) означає поєднання логічних операцій, а частина ТО (рішення, висновок) звичайно є простою вказівкою лінгвістичної величини для вихідної дії (управляючої дії на об'єкт управління) нечіткої системи, тобто біотехнології.

Для конкретної реалізації цієї задачі розроблено 243 нечітких правила, сформовано математичну модель, в якій критерієм оцінювання слугує якість кінцевого продукту біотехнології (препарату). Змінюючи хоча б один із вхідних параметрів мікробіологічного реактора, культиваційного боксу чи віварію, можемо отримати відповідні значення показників біопродукції. Звідси простежено вплив параметрів (якість біореактора або культиваційної камери, біосировини або субстрату, технологічного процесу та апаратно-схемного оформлення) на характеристики кінцевих продуктів (препарату) (рис. 6 - 9).

На основі аналізу математичних і компартментальних моделей сформульоване правило побудови оптимального агротехноценозу біоконверсного комплексу, яке полягає у такому. Оптимальним є агротехноценоз, в якому наявний такий комплекс технологій, машин і обладнання, що, з одного боку, за своїми сукупними функціональними показниками забезпечує виконання поставлених завдань (отримання біологічної продукції, збереження та відтворення родючості ґрунту, більш повне використання його біологічного потенціалу), а з іншого - характеризується енергетичним еквівалентом антропогенної енергії (втіленої в машинах і обладнанні для відновлення родючості ґрунту тощо), який є рівним або більшим ніж енергетичний еквівалент антропогенної енергії, котра уречевлена в машинах і обладнанні для отримання врожаю, і який прямо залежить від співвідношення коефіцієнтів дегуміфікації та гуміфікації характеризуючого агротехнологію за її впливом на вміст гумусу в ґрунті, за умови

Е1 (k2 / k1) · Е2,

де Е1 і Е2 - енергетичні еквіваленти антропогенної енергії, яка уречевлена в машинах і обладнанні для відновлення родючості ґрунту та отримання врожаю, відповідно; а k1 і k2 - коефіцієнти дегуміфікації та гуміфікації ґрунту.

Алгоритм розробки біотехнологічної складової біоконверсного комплексу (рис. 10)

В основу запропонованого алгоритму розробки біотехнологічної складової біоконверсного комплексу покладено ценологічний підхід до визначення переліку базових біотехнологічних операцій та їх основних параметрів, а також підбору чи розробки необхідного технологічного обладнання.

Обумовлюючи загальні вимоги до створення біоконверсних комплексів слід враховувати, що:

- необхідно дотримуватись екологічних законів існування агроланшафтів як категорії екосистем;

- збільшення структурованості виробничої системи біоконверсного комплексу призводить до підвищення її стійкості;

- виробничою системою біоконверсного комплексу є не окреме сільськогосподарське господарство, а цілий агроландшафт, який включає комплекс виробництв;

- у виробничу частину біоконверсного комплексу мають бути включені, як додаткові ланки агробіоценозу, біотехнічні системи з високою концентрацією біосировини (ферментативні установки переробки біомаси на біогумус, культиваційні бокси для вермикомпостування, обладнання для виробництва ентомологічних і мікробіологічних препаратів тощо);

- агробіоценоз біоконверсного комплексу повинен мати у своєму складі відповідні автотрофні і гетеротрофні ланки для локалізації і виведення з малого кругообігу речовин метаболітів, токсинів та зовнішніх полютантів.

Рис. 10. Алгоритм розроблення біотехнологічної складової біоконверсного комплексу.

Загальний алгоритм розроблення біотехнологічної складової біоконверсного комплексу включає:

Етап 1. Збір і аналіз початкових характеристик:

— існуючі технології виробництва сільськогосподарської продукції;

— стан ґрунтів, передісторія їх використання;

— реальний потенціал органовмісних відходів (вторинної сировини, придатної для біоконверсної переробки);

— визначення реально можливих розмірів та напряму виробництва біоконверсного комплексу, що розробляється.

Етап 2. Розроблення технологічного проекту біоконверсного комплексу:

— побудова й аналіз ценологічних, компартментальних та біоенергетичних моделей конкретного біоконверсного комплексу;

— вибір базових біотехнологічних операцій;

— визначення об'ємів виробництва та основних параметрів базових біотехнологічних операцій;

— розроблення варіанта техноценозу біотехнологічної складової з використанням експертної системи багатофакторного аналізу для вибору технологій і обладнання для використання біотехнологічних альтернатив у сільськогосподарському виробництві.

Етап 3. Аналіз результатів впровадження біоконверсного комплексу в початковий перехідний період та внесення коректив у базові біотехнологічні процеси:

— визначення реальних показників функціонування біоконверсного комплексу;

— визначення реальних виробничих показників реалізації біотехнологічних процесів;

— внесення технологічних і технічних коректив у біотехнологічні процеси (за необхідністю).

У процесі аналітичних досліджень встановлено параметри та залежності, які контролюють в процесі розробки біоконверсного комплексу:

1. Відповідність основному екологічному закону переходу енергії з однієї ланки трофічного ланцюга у наступну, що має бути не більше 10 %.

Параметр відносної оцінки () переходу енергії розраховують за формулою:

= Ен / Еп ? 0,1, (2)

де Ен - енерговміст біомаси попередньої ланки трофічного ланцюга, ГДЖ/га;

Ен - енерговміст біомаси наступної ланки трофічного ланцюга, ГДЖ/га.

2. Забезпечення оптимального (близького до природного) співідношення біомас різних груп організмів агробіоценозу, що передбачає наявність мікроорганізмів - 90 %, безхребетних - 9 %, хребетних - 1 %.

3. Відповідність вимогам створення оптимального техноценозу біоконверсного комплексу:

Е1 (k2 / k1) Е2 . (3).

4. Забезпечення відповідного ступеня гомеостазу за рахунок використання біотехнологічних операцій:

(4)

де G - ступінь гомеостазу біоконверсного комплексу; V - вміст гумусу в ґрунті, %; V - зміна вмісту гумусу в ґрунті під впливом використання біотехнологічних операцій, %; Y - витрати непоновлюваної енергії (енергія палива; енергія, яка уречевлена у засобах механізації, мінеральних добривах, пестицидах тощо), ГДж/га; Y - зміна витрат непоновлюваної енергії за рахунок використання біотехнологічних операцій, ГДж/га.

Результати експериментальних досліджень

Наведено результати експериментальних досліджень й обґрунтування раціональних значень основних показників біотехнологічних процесів переробки вторинної сільськогосподарської сировини та біотехнологічних процесів виробництва ентомологічних і мікробіологічних препаратів захисту рослин. Наведено дані дослідження біотехнологічних процесів, здійснених на лабораторно-виробничому обладнанні. Представлено математичні регресійні моделі процесів за критеріями їх оптимізації. З'ясовано доцільність застосування методу синтезу регресивних моделей оптимальної складності до біотехнологічних процесів.

Обґрунтування основних параметрів процесу метанового зброджування безпідстилкового гною

Визначено вплив витримки біомаси безпідстилкового гною на вміст летких жирних кислот (рис. 11).

Рис. 11. Залежність зміни вмісту ЛЖК у безпілстилковій гнойовій біомасі від виду тварин і експозиції витримки перед ферментацією.

З теорії біотехнологічного процесу метанового зброджування та практики експлуатування біогазових установок відомо, що оптимальний вміст летких жирних кислот (ЛЖК) для процесу метаногенезу становить 600-500 мг/л, а за умови перевищення вмісту ЛЖК до 1800 мг/л у більшості випадків вірогідне інгібування метаногенеруючих бактерій.

Математичні моделі процесів:

Для безпідстілкового гною великоїї рогатої худоби:

Y=0,158 • 10-1 / Х12 + 245 • Х1 - 1,22 • Х13 + 362, (5)

де Y - вміст летких жирних кислот, мг/л; Х 1 - експозиція витримки, діб.

Середньоквадратична похибка на перевіреній множині становила 0,29 %, а на контрольованій - 0,28 %.

Для безпідстилкового гною свиней:

Y= 1505 • Х10.265 + 0,85 • 10-1 / Х11,296+1,71•Х12,50. (6)

Середньоквадратична похибка на перевіреній множині становила 0,51 %, а на контрольованій - 0,82 %.

Для безпідстилкового посліду курей:

Y= - 50,75 • Х12 + 752 • Х1 + 709 (7)

Середньоквадратична похибка на перевіреній множині становила 1,64 %, а на контрольованій множині - 1,25 %.

Прийнятні значення вмісту ЛЖК в гнойовій біомасі ВРХ знаходяться в межах часу витримки від 1 до 5 діб, свиней - до 2 діб, курей - до 1 доби.

Обґрунтовано раціональні параметри інтенсифікації процесу метанового зброджування шляхом іммобілізації активної біомаси метаногенеруючих бактерій (рис. 12 і 13)

Математична модель процесу:

Y=24663 • X20,98 + 1182 / X1 - 38552 • X21,83, (8)

де Y - вихід біогазу, л/кг абсолютно сухої речовини (АСР) за добу; X1 - коефіцієнт іммобілізації активної біомаси метаногенеруючих бактерій, м-1; Х2 - добова доза завантаження мікробіологічного реактора, %. Середньоквадратична похибка на перевіреній множині становила 0,34 %, а на контрольованій - 0,45 %. Раціональні параметри коефіцієнта іммобілізації активної біомаси метаногенеруючих бактерій - 0,04±0,006. м-1.

Визначено залежності виходу біогазу від типу зброджування і часу ферментації з використанням свіжих іммобілізаторів активної біомаси метаногенеруючих бактерій (рис. 14)

Математичні моделі процесів:

Термофільний режим:

Y=1,70 • Х1 + 1009 / Х12 - 860 / Х1 + 299, (9)

де Y - вихід біогазу, л/кг АСР за добу; X1 - експозиція зброджування (час ферментації), діб. Середньоквадратична похибка на перевіреній множині становила 0,13 %, а на контрольованій - 0,10 %.

Мезофільний режим:

Y=22,5• Х1 + 0,39 • 10-2 • Х13 + 165 / Х1 - 0,51 • Х12, (10)

де Y - вихід біогазу, л/кг АСР за добу; X1 - експозиція зброджування (час ферментації), діб. Середньоквадратична похибка на перевіреній множині становила 0,12 %, а на контрольованій - 0,21 %.

Таким чином, використання іммобілізаторів активної біомаси метаногенеруючих бактерій в термофільних процесах метанового зброджування є недоцільним. Використання іммобілізаторів у мезофільному режимі дозволяє значно інтенсифікувати процес метаногенезу і досягти значень виходу біогазу до рівня термофільного процесу. А це, в свою чергу, в нашому випадку дозволило на 23,8 % знизити витрати біогазу на підтримання необхідного температурного режиму процесу метанового зброджування.

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.