Ключевым фактором эффективности разработанной технологии является оптимизация процесса предварительной обработки соломы перед ферментацией.
Ильнур Гайфуллин, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры машин и оборудования в агробизнесе Казанского ГАУ, рассказал: "Выбор метода предварительной обработки зависит от ряда условий и параметров процесса, таких как тип биомассы, доступность оборудования и энергетические затраты. Эффективная предварительная обработка позволяет максимально использовать потенциал растительных отходов для производства биоводорода и снизить негативное воздействие на окружающую среду. На сегодняшний день не существует универсальной оптимальной технологии предварительной обработки субстрата. Ее целью служит создание таких условий состава среды, при которых происходит подавление штаммов-потребителей водорода и стимулирование штаммов-продуцентов. Однако некоторые водород-потребители могут выживать в субстратах после предварительной обработки, а некоторые водород-продуценты, напротив, могут быть ингибированы. Это в большей степени зависит от состава питательной среды субстрата, наличия в ней антипитательных веществ и метаболических процессов, происходящих при ферментации."
Исследователи Казанского ГАУ провели серию экспериментов, в ходе которых изучили влияние различных методов предварительной обработки соломы на эффективность последующей ферментации и выход биоводорода. В результате была разработана двухстадийная технология, включающая паровзрывную обработку соломы при температурах 165-210°C с последующим кислотным или ферментативным гидролизом.
Паровзрывная обработка позволяет разрушить структуру лигноцеллюлозного комплекса соломы, повышая доступность целлюлозы и гемицеллюлоз для ферментативного гидролиза. В ходе гидролиза происходит расщепление полисахаридов на простые сахара, которые затем могут быть использованы бактериями для синтеза молекулярного водорода.
Для ферментации гидролизатов соломы исследователи использовали два штамма бактерий - Clostridium butyricum и Enterobacter cloacae, известных своей способностью продуцировать водород. Экспериментальным путем были определены оптимальные параметры ферментации для каждого штамма, обеспечивающие максимальный выход целевого продукта:
- Для Clostridium butyricum наибольший выход водорода (73 мл/г субстрата) был достигнут на кислотных гидролизатах соломы, обработанной при 165°C, при концентрации субстрата 2%, температуре ферментации 37°C и pH 6.
- Для Enterobacter cloacae максимальная продукция водорода (50 мл/г субстрата) наблюдалась на ферментативных гидролизатах соломы, полученных после паровзрывной обработки при 210°C, при концентрации субстрата 2%, температуре ферментации 36°C и pH 6.
Теоретический выход биоводорода при использовании разработанной технологии составляет до 73 кубометров из 1 тонны соломы для штамма Clostridium butyricum и до 50 кубометров для штамма Enterobacter cloacae. При этом себестоимость производства биоводорода из соломы может быть значительно ниже по сравнению с использованием традиционного пищевого сырья, такого как глюкоза или сахароза.
Промышленное внедрение разработанной технологии позволит не только снизить зависимость от ископаемых видов топлива, но и решить проблему утилизации сельскохозяйственных отходов, уменьшив негативное воздействие на окружающую среду. Результаты исследования опубликованы в научном журнале "Вестник Казанского государственного аграрного университета". Дальнейшие исследования будут направлены на масштабирование технологии и оптимизацию процессов предварительной обработки и ферментации с целью повышения экономической эффективности производства биоводорода из растительных отходов.
