Lauksaimniecības un pārtikas atkritumi bieži tiek uzskatīti par problēmu, taču arvien vairāk projektu pierāda, ka, pareizi apsaimniekoti, tie var kļūt par problēmu. pārtikas, enerģijas un mēslošanas līdzekļu avotsViens no interesantākajiem veidiem, kā to panākt, ir sēņu izmantošana, kas spēj pārveidot organiskos atkritumus augstas pievienotās vērtības produktos tā sauktajā aprites bioekonomika.
Pēdējos gados dažādas Eiropas un Amerikas pētniecības komandas un projekti ir pētījuši, kā izmantot sēnīšu spēku, lai lai pievienotu vērtību lauksaimniecības blakusproduktiem, kūtsmēsliem un notekūdeņiemSākot ar ēdamo olbaltumvielu ražošanu un beidzot ar sēnīšu fermentācijaSākot ar granulētu biomēslu ražošanu un beidzot ar ūdens attīrīšanu no termoķīmiskiem procesiem, pamatideja ir viena un tā pati: noslēgt ciklus, samazināt atkritumus un radīt jaunas iespējas lauksaimniecības nozarei.
Viens no daudzsološākajiem pētījumu virzieniem ir sēnīšu izmantošana, lai pārveidotu lauksaimniecības un pārtikas atkritumus par pārtikas produkti, kas bagāti ar olbaltumvielām un citām uzturvielāmizmantojot procesu, kas pazīstams kā sēnīšu fermentācija. Šī pieeja izriet no acīmredzamas realitātes: daudzi lauksaimniecības un pārtikas rūpniecības blakusprodukti joprojām satur daudzas izmantojamas uzturvielas, taču pašlaik tās netiek pietiekami izmantotas vai vienkārši izmestas.
Šajā kontekstā sēnītes, kas spēj kolonizēt atkritumus, piemēram, augļu atgriezumikultūraugu blakusprodukti, pārtikas pārstrādes atkritumi vai pat sarežģītāki maisījumi no dažādām lauksaimniecības un pārtikas ķēdēm. Sēne izmanto šos materiālus kā oglekļa un enerģijas avotu, sadala tos un vienlaikus veido sēnīšu biomasu, kas bagāta ar olbaltumvielām, šķiedrvielām un citiem interesantiem savienojumiem.
Tādējādi sēnīšu fermentācija ļauj atkritumu plūsmu pārvērst par jaunas ilgtspējīgas pārtikas izejvielasTos varētu izmantot gan cilvēku uzturam (piemēram, sastāvdaļu veidā, kas bagātas ar sēnīšu olbaltumvielām), gan augstas kvalitātes dzīvnieku barībai, ja vien tiek ievērotas pārtikas nekaitīguma prasības, piesārņotāju kontrole un procesu standartizācija.
Šī stratēģija lieliski atbilst koncepcijai par aprites bioekonomikakurā vienas sistēmas atkritumi tiek pārveidoti par resursiem citai sistēmai. Tomēr pētnieki norāda, ka joprojām pastāv ievērojamas problēmas: ir jāoptimizē procesi tehniskā līmenī, jānodrošina galaproduktu drošība, jāpaplašina iekārtas rūpnieciskā līmenī un, pats galvenais, jāpadara ražošanas izmaksas konkurētspējīgas ar tradicionālajām alternatīvām.
Vēl viens svarīgs aspekts ir sākuma atlikumu mainīgumsTā sastāvs var mainīties atkarībā no gada laika, audzēšanas veida vai rūpnieciskā procesa, no kura tas iegūts. Šī mainība rada nepieciešamību izstrādāt elastīgas sistēmas, kas spēj pielāgot tādus apstākļus kā temperatūra, pH, aerācija vai fermentācijas laiks, lai sēnes darbotos optimālā diapazonā un saglabātu nemainīgu kvalitāti galaproduktā.
Sēnīšu fermentācija: sēnītes, kas pārvērš atkritumus pārtikā
Viens no daudzsološākajiem pētījumu virzieniem ir sēnīšu izmantošana, lai pārveidotu lauksaimniecības un pārtikas atkritumus par pārtikas produkti, kas bagāti ar olbaltumvielām un citām uzturvielāmizmantojot procesu, kas pazīstams kā sēnīšu fermentācija. Šī pieeja izriet no acīmredzamas realitātes: daudzi lauksaimniecības un pārtikas rūpniecības blakusprodukti joprojām satur daudzas izmantojamas uzturvielas, taču pašlaik tās netiek pietiekami izmantotas vai vienkārši izmestas.
Šajā kontekstā sēnītes, kas spēj kolonizēt atkritumus, piemēram, augļu atgriezumi, kultūraugu blakusprodukti, pārtikas pārstrādes atkritumi vai pat sarežģītāki maisījumi no dažādām lauksaimniecības un pārtikas ķēdēm. Sēne izmanto šos materiālus kā oglekļa un enerģijas avotu, sadala tos un vienlaikus veido sēnīšu biomasu, kas bagāta ar olbaltumvielām, šķiedrvielām un citiem interesantiem savienojumiem.
Tādējādi sēnīšu fermentācija ļauj atkritumu plūsmu pārvērst par jaunas ilgtspējīgas pārtikas izejvielasTos varētu izmantot gan cilvēku uzturam (piemēram, sastāvdaļu veidā, kas bagātas ar sēnīšu olbaltumvielām), gan augstas kvalitātes dzīvnieku barībai, ja vien tiek ievērotas pārtikas nekaitīguma prasības, piesārņotāju kontrole un procesu standartizācija.
Šī stratēģija lieliski atbilst koncepcijai par aprites bioekonomikakurā vienas sistēmas atkritumi tiek pārveidoti par resursiem citai sistēmai. Tomēr pētnieki norāda, ka joprojām pastāv ievērojamas problēmas: ir jāoptimizē procesi tehniskā līmenī, jānodrošina galaproduktu drošība, jāpaplašina iekārtas rūpnieciskā līmenī un, pats galvenais, jāpadara ražošanas izmaksas konkurētspējīgas ar tradicionālajām alternatīvām.
Vēl viens svarīgs aspekts ir sākuma atlikumu mainīgumsTā sastāvs var mainīties atkarībā no gada laika, audzēšanas veida vai rūpnieciskā procesa, no kura tas iegūts. Šī mainība rada nepieciešamību izstrādāt elastīgas sistēmas, kas spēj pielāgot tādus apstākļus kā temperatūra, pH, aerācija vai fermentācijas laiks, lai sēnes darbotos optimālā diapazonā un saglabātu nemainīgu kvalitāti galaproduktā.
Sēņu nozares piemērs: pēckultivēšanas substrāti kā resurss
Ēdamo sēņu, piemēram, šampinjonu, audzēšana pēc katra ražošanas cikla rada materiālu, kas pazīstams kā sēņu pēckultivēšanas substrāts (SPCH)Šis ir substrāts, uz kura auga sēnes, galvenokārt sastāvot no lauksaimniecības un lopkopības izcelsmes organiskām atliekām (kūtsmēsliem, salmiem, augu blakusproduktiem), kas pēc vairākām ražām ir zaudējuši ievērojamu daļu sākotnējo barības vielu.
Šis SPCH ražotājiem rada milzīgu atkritumu apjomu, kura apstrāde un apsaimniekošana ir sarežģīta. dārgi un loģistiski sarežģītiParastā iespēja ir bijusi pārvērst to kompostā izmantošanai kā mēslojums, taču šim materiālam ir būtisks trūkums: tam ir ļoti augsts mitruma saturs, aptuveni 70%, kas padara tā transportēšanu dārgu un apstrādi lielā mērogā sarežģītu.
Līdz šim vienkāršākais veids, kā žāvēt šo substrātu, bija atstāt to ārā un gaidīt, kamēr saule paveiks darbu, metode lēns, grūti kontrolējams un atkarīgs no laika apstākļiemTas sarežģī mēslošanas līdzekļu ražošanas plānošanu no SPCH un samazina tā ekonomisko pievilcību nozares uzņēmumiem.
Saskaroties ar šo problēmu, Eiropas Smartmushroom projekts ir izstrādājis inovatīvu metodi, lai lauksaimniecības atkritumu pārstrāde no sēņu audzēšanas, pārvēršot tos granulētā biomēslojumā, izmantojot videi draudzīgu procesu, kas integrēts aprites bioekonomikas loģikā.
Smartmushroom pamatideja ir pārveidot svaigu SPCH par vērtīgu resursu, izmantojot tā pašas sastāvdaļas enerģijas ražošanai un vienlaikus radot augstas agronomiskās vērtības mēslojums ko var pārdot jebkurā Eiropas reģionā. Tādā veidā problemātisks atkritumu produkts kļūst par divkāršu ieguvumu avotu: izmaksu samazinājumu un jaunu ieņēmumu plūsmu.
Smartmushroom: biogāze, efektīva žāvēšana un biomēslojuma granulas
Smartmushroom piedāvātā tehnoloģija sākas ar svaigu SPCH, kas vispirms tiek pakļauts šādam procesam: hidrolīze, kam seko anaerobā sadalīšanāsŠajā gremošanas procesā mikroorganismi bez skābekļa sadala organiskās vielas, radot metānam bagātu biogāzi un barības vielām bagātu digestātu.
Saražotā biogāze tiek izmantota, lai darbinātu žāvēšanas sistēmu, kas īpaši paredzēta digestāta un SPCH maisījuma apstrādei. Šis process samazina materiāla mitruma saturu līdz aptuveni vienam procentam. 28% ūdens saturs, daudz piemērotāks skaitlis tā transportēšanai un sekojošai pārveidošanai granulās.
Žāvēšanu paātrina mitruma kondensācijas apvienojums ar adsorbcija uz sepiolīta filtriemMinerāls ar augstu ūdens saglabāšanas spēju. Šī kombinācija ļauj ātrāk un kontrolētāk noņemt lieko mitrumu nekā vienkārša gaisa žāvēšana, kā arī padara procesu neatkarīgu no laika apstākļiem.
Kad SPCH ir nožuvis, to var bagātināt ar dabīgiem mēslošanas līdzekļiem, kas nodrošina slāpeklis, fosfors un kālijsFormula tiek pielāgota dažādu kultūraugu īpašajām vajadzībām. Pēc šīs bagātināšanas materiāls tiek granulēts, tas ir, sapresēts mazos, cietos cilindros, kurus ir viegli uzglabāt, transportēt un lietot laukā, izmantojot parasto lauksaimniecības tehniku.
Lai pārbaudītu procesa dzīvotspēju, Smartmushroom komanda veica izmēģinājumus trīs galvenajās jomās: anaerobās pārstrādes optimizācija, žāvēšanas sistēmas pielāgošana un granulētā biomēslojuma agronomiskā novērtēšana. dažādas kultūras un lauka apstākļi.
Biogāzes optimizācija un pilotiekārtas projektēšana
Laboratorijas fāzē SPCH tika izmantots kā galvenā izejviela anaerobajai pārstrādeitestējot dažādus maisījumus ar citiem lauksaimniecības atlikumu substrātiem. Mērķis bija maksimāli palielināt biogāzes ražošanu un jo īpaši palielināt metāna saturu, kas ir komponents ar visaugstāko enerģijas potenciālu.
Pēc daudziem izmēģinājumiem tika secināts, ka labākā kombinācija ir maisījums, kas sastāv no septiņas daļas SPCH, divas daļas notekūdeņu no ievārījuma gatavošanas un viena daļa glicerīnaŠī attiecība ļāva noteikt optimālus barošanas parametrus pilotiekārtai, nodrošinot atbilstošu viegli noārdāmo organisko vielu līdzsvaru un bioloģiskā procesa stabilitāti.
Paralēli tika pielāgoti žāvētāja galvenie mainīgie lielumi, piemēram, darba temperatūra, materiāla uzturēšanās laiks un konveijera lentes ātrumsŠie parametri tika optimizēti, lai maksimāli izmantotu biogāzē esošo enerģiju, vienlaikus pielāgojoties iespējamām ievades materiāla sastāva svārstībām.
Rezultātā tika izstrādāta žāvēšanas sistēma ar automātiska regulēšanaTā spēj pielāgoties izmaiņām digestāta un SPCH maisījumā, nezaudējot efektivitāti. Šī automatizācija samazina nepieciešamību pēc pastāvīgas cilvēka iejaukšanās un uzlabo procesa noturību, kas ir būtiski, apsverot iespējamo industrializāciju.
Runājot par infrastruktūru, Smartmushroom uzbūvēja izmēģinājuma SPCH žāvēšanas rūpnīcu Sustratos de La Rioja, kas ir pilnvarots atkritumu apsaimniekošanas uzņēmums sēņu audzēšanai reģionā. Anaerobās digestores tika uzstādītas konteineru tipa moduļosTā vietā, lai izmantotu betona ēkas, tas ļauj vieglāk pielāgot attīrīšanas jaudu mainīgam SPCH apjomam atkarībā no sezonas un pieprasījuma.
Iekārta ietver arī žāvētāju, kas aprīkots ar degli, ko darbina saražotā biogāze un kas spēj nodrošināt SPCH mitruma līmeni, kas nepieciešams biomēslojuma granulu ražošanas līnijai. Tas rada relatīvi kompaktu un integrētu sistēmu, kurā Enerģija un mēslojums tiek ražoti no vienas un tās pašas atkritumu plūsmas.
Biomēslojuma agronomiskie rezultāti un ražošanas jauda
Iegūtās SPCH granulas tika testētas kā biomēslojums plašam kultūraugu klāstamIzmēģinājumi tika veikti gan siltumnīcās, gan atklātā laukā Spānijā un Serbijā. Testēto sugu vidū bija salāti, ziedkāposti, paprika, tomāti, brokoļi, vīna dārzi un dažādas graudaugi, kas ļāva novērtēt mēslošanas līdzekļu veiktspēju dārzkopības, mežaino un ekstensīvās lauksaimniecības sistēmās.
Izmēģinājumi uzrādīja tik pārliecinošus rezultātus, ka daudzi no iesaistītajiem lauksaimniekiem Viņi pauda interesi turpināt lietot granulas. pēc testu pabeigšanas. Šis pieņemšanas līmenis laukā ir galvenais rādītājs, ka produkts darbojas ne tikai uz papīra, bet arī reālos lauksaimniecības apstākļos.
Runājot par jaudu, Smartmushroom pilotrūpnīca spēj pārveidot aptuveni 36 000 tonnas svaiga SPCH gadā aptuveni 8500 tonnās biomēslojuma granulu. Šis apjoma pieaugums skaidri parāda sākotnējā substrāta augsto ūdens saturu un žāvēšanas nozīmi, lai barības vielas koncentrētu kompaktā formā.
No ekonomiskā viedokļa inovācija sēņu ražotājiem sniedz divkāršu labumu. No vienas puses, tā ļauj viņiem ietaupīt uz atkritumu apsaimniekošanas izmaksāmtiek lēsts aptuveni 29,2 miljonu eiro apmērā visā Eiropas nozarē. Turklāt tas atver jaunu uzņēmējdarbības virzienu, kura pamatā ir biomēslojuma pārdošana citām lauksaimniecības nozarēm.
Papildus tam visam sistēmai ir pozitīva ietekme uz vidi. Tā kā tas ir process, kas iekļauj organiskās vielas augsnē un noņem CO₂ no atmosfēras, biomēslojums darbojas kā sava veida oglekļa sekvestrācija un līdzeklis pret augsnes degradāciju, jo tas nodrošina augsnei līdz pat 50% organisko vielu, uzlabojot tās struktūru un ūdens saglabāšanas spēju.
Projektā jau ir izstrādātas industrializācijas simulācijas, un tajā tiek uzskatīts, ka Pilotrūpnīca ir gatava paplašināšanai Ja tirgus un loģistikas apstākļi to atļaus. Turklāt konsorcijs plāno organizēt tehniskās vizītes objektā, lai citas lauksaimniecības nozares ieinteresētās personas varētu paši iepazīties ar tehnoloģiju, ja vien nebūs mobilitātes ierobežojumu, kādi bija COVID-19 pandēmijas laikā.
Sēnītes notekūdeņu attīrīšanai un mēslošanas līdzekļu ražošanai
Papildus SPCH gadījumam sēnīšu izmantošana tiek pētīta arī citā ārkārtīgi interesantā jomā: ārstēšanā notekūdeņi no hidrotermālās sašķidrināšanas (HTL) procesiem, tehnoloģija, kas, izmantojot augstu temperatūru un spiedienu, pārveido mitru biomasu biojēlnaftā.
HTL tiek piemērots tādām izejvielām kā cūku mēsli, pārtikas atkritumi vai citi organiski blakusproduktiŠajā procesā tiek ģenerēta biojēlnafta, ko var izmantot kā kurināmo, un ūdens fāze, kas pazīstama kā HTL-AP (hidrotermālās sašķidrināšanas ūdens fāze), kas satur daudzas barības vielas, īpaši slāpekli organiskās formās, kā arī iespējamus smagos metālus un toksiskus savienojumus atkarībā no biomasas izcelsmes.
Līdz šim šī ūdens fāze lielākoties tika uzskatīta par problemātiskie atkritumijo tā uzturvērtību nevarēja tieši izmantot lauksaimniecībā: liela daļa slāpekļa ir atrodama sarežģītās organiskās molekulās, ko augi nespēj absorbēt, un tā iespējamā piesārņojuma slodze radīja vides riskus.
Divos Ilinoisas Universitātes Urbana-Šampeinā pētījumos ir analizēts baltās puves sēnītes potenciāls, Versicolor trameteslai pārveidotu šos notekūdeņus par noderīgu šķīdumu kā mēslojumu, vienlaikus samazinot maisījumā esošos potenciāli toksiskos savienojumus.
Trametes versicolor loma HTL-AP uzlabošanā
Pirmajā pētījumā, ko vadīja pētniece Vitória Leme, tika izstrādātas īpašas metodes, lai kultivēt Trametes versicolor un uzklāt to šķīdumos, kas satur 5% HTL-APApstrāde ilga trīs dienas, kas ir pietiekami ilgs laiks, lai novērotu būtiskas izmaiņas notekūdeņu ķīmiskajā sastāvā.
Rezultāti parādīja, ka sēnītes darbība ievērojami palielināja nitrātu un amonjaka koncentrācijaCitiem vārdiem sakot, tas pārveidoja daļu no ūdens fāzē esošā organiskā slāpekļa minerālu formās, ko augi var tieši absorbēt. Tādā veidā grūti pārvaldāms atkritumu produkts kļūst par potenciālu šķidra mēslojuma avotu.
Turklāt Trametes versicolor ir pazīstama ar savu spēju ražot oksidatīvus enzīmus, kas noārda sarežģītas un bieži vien toksiskas molekulas, piemēram, daži noturīgi organiskie piesārņotāji. Augstas piesārņojuma līmeņa (HTL-AP) kontekstā tas paver iespējas samazināt toksīnu un saistīto metālu slodzi, lai gan šis aspekts prasa ļoti rūpīgu uzraudzību atkarībā no sākotnējiem atkritumiem.
Kad Leme pabeidza savu darbu, pētījums turpinājās kopā ar Karlu Lopesu, Lauksaimniecības sistēmu tehnoloģiju un vadības studenti, kura koncentrējās uz sēnīšu apstrādes apvienošanu ar baktēriju nitrifikācijas processŠajā otrajā pētījumā T. versicolor un nitrificējošās baktērijas HTL-AP.
Šī kombinācija izrādījās īpaši efektīva: pieaugums līdz pat 17 reizes lielāka nitrātu koncentrācija apstrādātajā ūdens fāzē. Nitrificējošās baktērijas oksidē radīto (vai jau esošo) amonjaku par nitrātu, savukārt sēne veicina organiskā slāpekļa sākotnējo izdalīšanos un palīdz noārdīt savienojumus, kas varētu kavēt citus mikroorganismus.
Pētījumā tika analizēti arī dažādi faktori, kas ietekmēja sistēmas veiktspēju, piemēram, šķīduma pHVislabākie rezultāti gan nitrātiem, gan amonjakam tika iegūti, kad mikroorganismi darbojās pH diapazonā no 6 līdz 7,5, kas ir diezgan izplatīts diapazons daudzos bioloģiskajos procesos un ko ir relatīvi viegli uzturēt ar pamata pielāgojumiem.
Vēl viens būtisks atklājums bija a enzīms, kas spēj noārdīt toksīnusTas atbalsta sēnītes attīrošo funkciju attiecībā uz noteiktiem bioatkritumos esošajiem savienojumiem. Tas liecina, ka apstrāde ar sēnītēm varētu ne tikai uzlabot HTL-AP mēslošanas vērtību, bet arī padarīt to drošāku lauksaimnieciskai izmantošanai.
No attīrīta ūdens līdz kultūraugu apūdeņošanai: aprites ekonomika praksē
Pamatojoties uz šiem rezultātiem, profesora Pola Deividsona komanda pašlaik strādā pie tā izmantošanas. attīrīti notekūdeņi augu audzēšanai hidroponiskās sistēmāsIdeja ir pārbaudīt, cik lielā mērā iegūtais šķidrums var kalpot kā barības vielu šķīdums, pilnībā noslēdzot ciklu starp organiskajiem atkritumiem, sēnīšu un baktēriju apstrādi un augu ražošanu.
Ideālā gadījumā visa ārstēšana notiktu pēc iespējas tuvāk vietai, kur vieta, kur notiek hidrotermālā sašķidrināšanāsPiemēram, ja cūku mēsli tiek izmantoti kā mitra izejviela, būtu lietderīgi novietot HTL rūpnīcu un bioloģiskās attīrīšanas sistēmu blakus fermai ar tūkstošiem cūku, kur mēslu plūsma ir pastāvīga un bagātīga.
Tādā veidā varētu savākt lopkopības atkritumus, apstrādāt tos, izmantojot HTL, lai iegūtu biojēlnaftu un HTL-AP, un pēc tam šo ūdens fāzi varētu pakļaut apstrāde ar Trametes versicolor un nitrificējošām baktērijām speciāli tam paredzētā iekārtā. Attīrīto ūdeni, kas ir bagāts ar nitrātiem un ar mazāku problemātisko savienojumu daudzumu, varētu izmantot kā mēslojumu tuvumā esošajām kultūrām.
Šī pieeja ievērojami samazina nepieciešamību transportēt smagu, mitru biomasu lielos attālumos, kas nozīmē ietaupījumi loģistikas izmaksās un transporta emisijāsTurklāt tā tieši savieno lopkopības atkritumu apsaimniekošanu ar kultūraugu mēslošanu, izveidojot teritoriālas aprites ekonomikas sistēmas, kurās barības vielas tiek pārstrādātas lokāli.
Praksē, ja cūku audzēšanas fermu ieskauj lauksaimniecības zeme, sistēma varētu ražot šķidro mēslojumu, kas pielāgots vietējo kultūraugu vajadzībām, samazinot no fosilā kurināmā iegūtu sintētisko mēslošanas līdzekļu patēriņu. Tas viss veicinātu ilgtspējīgāku lauksaimniecisko ražošanu, kas būtu mazāk atkarīga no ārējiem resursiem un ar mazāks vides pēdas nospiedums.
Vienlaikus šo tehnoloģiju attīstība pastiprina domu, ka sēnītes, vai nu fermentācijas veidā uz cietajiem atkritumiem, vai kā attīrīšanas līdzekļi sarežģītos notekūdeņos, var kļūt par jaunu vērtību ķēžu galvenajām sastāvdaļām. lauksaimniecības aprites bioekonomikaGan darbs ar SPCH, gan pētījumi par HTL-AP norāda vienā virzienā: atkritumu problēmu pārveidošana produktīvos risinājumos.
Visi šie pētījumi un projekti pierāda, ka sēnēm piemīt milzīgs potenciāls lai pievienotu vērtību lauksaimniecības, lopkopības un pārtikas atkritumiem izmantojot relatīvi efektīvus procesus, kas apvieno enerģijas ražošanu, mēslošanas līdzekļu ražošanu un barības vielām bagātas biomasas ražošanu. Lai gan joprojām pastāv tehniskas, regulējošas un ekonomiskas problēmas, virziens ir skaidrs: labāk izmantot iepriekš izmesto un radīt aprites lauksaimniecības sistēmas, kurās viena cilvēka atkritumi kļūst par cita cilvēka resursu.
