Биологические системы в переработке вторичных продуктов и отходов АПК

биологические системы 

в переработке 

вторичных продуктов 

и отходов апк

о.д. сидоренко

практическое руководство

Москва

ИНФРА-М

2021

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по технологическим направлениям 

подготовки (квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 11 от 09.11.2020)

удк [579+63](075.8)
ббк 28.4:4я73
 
с34

сидоренко о.д.
С34 
 
Биологические системы в переработке вторичных продуктов 
и отходов АПК : практическое руководство / О.Д. Сидоренко. — 
Москва : ИНФРА-М, 2021. — 207 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат). — DOI 10.12737/1102076.

ISBN 978-5-16-016346-8 (print)
ISBN 978-5-16-108640-7 (online)

В руководстве изложены технологии переработки вторичных продуктов и отходов сельского хозяйства с использованием макро- и микроорганизмов. Кратко представлены регламенты современных биотехнологий 
микробного синтеза, биоконверсии вторичного сырья, описаны методы 
его переработки и характеристики получаемых целевых продуктов биоконверсии.
Практические занятия знакомят студентов с современными приемами 
повышения качества окружающей среды и производства из отходов коммерческих продуктов (органических удобрений, бактериальных препаратов, кормовых добавок и др.), а также получения дешевого топливно-энергетического ресурса (биогаза, спиртов, кислот, жидкого биотоплива и др.). 
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов вузов технологических специальностей.

УДК [579+63](075.8)
ББК 28.4:4я73

Р е ц е н з е н т:
Яшин И.М., доктор биологических наук, профессор Российского 
государственного аграрного университета — МСХА имени К.А. Тимирязева

ISBN 978-5-16-016346-8 (print)
ISBN 978-5-16-108640-7 (online)
© Сидоренко О.Д., 2021

Предисловие

Решение экологических проблем и получение белка — 
часть приоритетных направлений развития сельскохозяйственной микробиологии как современной науки. Данными 
проблемами занимаются ученые во многих странах мира. Технологии и методы утилизации отходов нестабильны, только 
некоторые из них гармоничны с экоциклом. Поэтому необходимо активное и многостороннее развитие прикладной 
экологии и экологической биотехнологии как научных направлений. Причем решение экологических проблем будет 
изменять подход к обеспечению качества и безопасности пищевой продукции, от которых зависит имидж предприятий. 
Такой подход будет способствовать объединению разрозненных мероприятий в единую систему целенаправленных, 
постоянно осуществляемых действий, связанных со всеми 
стадиями цикла производства пищевой продукции. Это необходимо вследствие усложнения технологических процессов, 
внедрения компьютерной техники, повышения научно-технического уровня работников агропромышленного комплекса 
(АПК). 
Последние научно-практические разработки фокусируются на широкомасштабных реакторных биологических системах с надежным контролем качества. Новые подходы дают 
не только полные гарантии по обеспечению безопасности 
и качества кормовой и пищевой продукции, но и возможность рециркуляции органической части отходов. При этом 
одновременно решаются задачи интенсификации процессов 
переработки отходов и повышения их энергетической эффективности, создания полезных продуктов и материалов из неиспользованного сырья и замкнутости природных циклов превращения веществ. Последнее частично устраняет основную 
экологическую опасность — незамкнутость трофических 
цепей. Где есть культура производства — там нет отходов.

Предисловие

Благодаря широко используемым методам микробиологической химии крупные фрагменты субстратов трансформируются в тонкие молекулы, встраиваются в одну технологическую стадию превращения, а микроорганизмы функционируют в неагрессивных средах при обычных температурах 
и давлениях. 
Энергоемкие технологии по утилизации отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности АПК 
не могут быть использованы в настоящее время, несмотря 
на их технологическое достоинство. Поэтому ставится задача 
разработки экономически рациональной технологии удаления и переработки отходов, а также их вторичного эффективного использования. Прежде всего это касается биотехнологических методов обработки отходов и превращения их в ценное 
сырье для получения кормов, горючих материалов, удобрений 
и сырья для химической и микробиологической промышленности.
Успехи в области генной инженерии микроорганизмов 
позволяют использовать генетически модифицированные 
формы бактерий, способные деструктурировать ксенобиотики и другие трудно разлагаемые поллютанты. Созданные 
биопрепараты комплексного действия активны при биоремедиации нефтезагрязненных почв и грунтов, очистке сточных 
вод и вод водоемов, газовоздушных выбросов, а также переработке и утилизации отходов промышленности и сельского 
хозяйства.
Следует напомнить, что микроорганизмы являются разрушителями и создателями жизни на планете. Различия в биологической организации клетки определяют многообразие 
типов обмена веществ и широкий спектр разнообразных способов добывания энергии. Особенности взаимоотношений 
и тесная связь с окружающей средой позволяют рассматривать микробную клетку как биологическую машину широкого 
профиля действия.

Предисловие

Эффективность каталитического действия ферментов 
 микроорганизмов не имеет равных при разложении органических субстратов и изменении химической структуры трансформируемого соединения. Например, рассмотрим анти био тики. 
Микроорганизмы, трансформируя их, изменяют структуру, 
состав соединения и используют его как источник энергии, 
тем самым создавая антибиотикоустойчивость клетки (в недалекой перспективе это может привести к эпидемиям, опустошающим города и страны!).
Преимущества микробиологических методов трансформации особенно ярко проявляются при биоконверсии громоздких молекул субстрата вторичных продуктов, сырья и отходов АПК и перерабатывающих производств. В настоящее 
время известны ферментативные реакции превращения практически всех основных классов органических соединений.
В связи с развитием практической деятельности по использованию биологических (живых) систем для сохранения 
качества и улучшения среды обитания человека необходимы 
хорошо подготовленные кадры технологов для исследовательской и творческой производственной деятельности в области 
биоконверсии отходов сельского и лесного хозяйства, пищевой 
промышленности и перерабатывающих производств. Специалисты должны знать не только этапы переработки сырья 
в готовую продукцию, но и основные процессы и механизм 
переработки, хранения и удаления отходов животноводства, 
растениеводства и пищевой промышленности, преимущества 
и недостатки технологий, а также альтернативные системы решения экологических проблем и их перспективность. 
Недостатком биологических методов переработки органического сырья до сих пор являлась относительно низкая производительность по сравнению с химическими реакциями, 
но современные успехи ферментативной химии, использование ряда новых методических подходов (иммобилизованные ферменты, непрерывное культивирование, микрони

Предисловие

зация субстратов и др.) устраняют его. Нередко процесс идет 
только до какой-то определенной стадии и те или иные продукты накапливаются в среде. Иногда эти соединения представляют практическую ценность и не могут быть получены 
химическим путем, особенно это касается специфических 
промежуточных продуктов — интермедиатов, а при модификации субстрата могут накапливаться вещества не вполне 
обычные для живой клетки — ксенобиотики. Последние годы 
показали эффективность микробиологических превращений 
практически всех основных классов органических соединений 
в необходимые продукты с высоким выходом.
Неотъемлемой частью подготовки высококвалифицированных специалистов является практика студентов, которые 
должны владеть процессом накопления необходимых продуктов микробной трансформации органического материала. 
Физиологический механизм биологической системы, приводящий к формированию и накоплению необходимой продукции, заключается в своеобразной регуляции температуры, 
влажности, аэрации, реакции среды, ферментативной активности, ответственных за минерализацию и трансформацию 
(деградацию) исходного органического сырья.
Учебник «Биоконверсия вторичных продуктов агропромышленного комплекса» (М.: ИНФРА-М, 2016) удостоен 
 диплома первой степени VII Всероссийского конкурса «Аграрная учебная книга», состоявшегося в 2016 г., а автор стал 
лауреатом Первого международного конкурса на лучшую научную и учебную публикацию «Академус» в номинации сельское, лесное и рыбное хозяйство и получил много положительных отзывов на данную публикацию и конструктивных 
пожеланий. Одним из пожеланий было написание практикума 
по биоконверсии отходов АПК. Это будет первое подобное 
издание, публикуемое в России.
В настоящем практическом руководстве, предназначенном 
для студентов, специализирующихся на технологии хранения 
и переработки продуктов животноводства, представлены не

Предисловие

которые современные методы утилизации отходов животноводства и перерабатывающей промышленности.
При выполнении студентом каждой работы по спецкурсу 
«Биоконверсия отходов сельского хозяйства» важны знания 
механизма биологической переработки органических отходов 
животноводства и растениеводства. Накануне занятия следует 
обязательно ознакомиться с целью и задачей лабораторнопрактической работы и требованиями техники безопасности 
при ее выполнении. Каждую работу сопровождает краткое 
изложение теоретических представлений, касающихся исследуемой темы и подтверждающих необходимость управления 
процессом культивирования микроорганизмов и повышения 
выхода целевого продукта.
Роль преподавателя заключается в разъяснении цели эксперимента, постановке задачи в общем виде, выборе микроорганизмов для конкретной работы, оказании консультационной помощи студентам при выполнении лабораторной 
работы. Важны анализ и интерпретация полученных экспериментальных данных, а также развернутые выводы по решению 
экологической и биотехнологической проблем. 
Особо следует остановиться на реакциях микробиологического окисления гетероциклических соединений до соответствующих кислот в соокислительных условиях, на биохимической активности микроорганизмов при превращении соединений индольного ряда и т.п.
В практикуме представлены лабораторно-практические занятия по микробиологии навоза, компостов и технологии их 
получения, а также современные технологии производства 
биогаза (метана), кормов и продуктов питания. Для лучшего 
понимания биоразнообразия и участия отдельных представителей микрофлоры в трансформации растительных субстратов 
дается краткая характеристика микробиоты рубца жвачных 
животных как исходного источника микроорганизмов навоза. 
Каждое занятие включает теорию вопроса, цели и задачи, 
постановку опыта, регистрацию результатов и их обсуждение. 

Предисловие

После экспериментального выполнения лабораторно-практических работ студенты должны приобрести следующие компетенции:
знать:
 
• технологии переработки сырья и отходов АПК;
 
• этапы получения готовой переработанной продукции;
 
• механизмы переработки, методы хранения и удаления отходов АПК;
 
• альтернативные системы биоконверсии вторичного сырья 
и отходов растениеводства и животноводства;
владеть:
 
• навыками управления процессами накопления необходимых продуктов биоконверсии органических субстратови 
получения необходимых коммерческих продуктов;
 
• механизмами биологической трансформации органиче ских 
субстратов (вторичного сырья, отходов) животно водства, 
растениеводства и перерабатывающих предпри ятий АПК;
 
• альтернативами перспективных технологий удаления, хранения, захоронения и переработки отходов АПК;
уметь:
 
• подготавливать лабораторию микробиологии к работе;
 
• составлять питательные среды для микроорганизмов и исходное сырье для экспериментов и производства целевых 
продуктов.
Автор выражает надежду, что это издание будет полезно 
студентам технологического профиля и специалистам агропромышленного комплекса. С благодарностью будут приняты 
пожелания и замечания читателей.
Неоценима помощь Е.О. Горбуновой при подготовке рукописи данного издания к публикации. 

Введение

И кто скажет человеку, что будет 
после него под Солнцем. 
Экклезиаст, 6, 12 

На протяжении многих лет ведутся научные исследования 
и поиски методов переработки и конверсии отходов (вторичного сырья растениеводства, животноводства и перерабатывающих производств) АПК.
Современная биотехнология предполагает разнообразные 
приемы перевода отходов в категорию вторичного сырья 
и конверсии целлюлозолигниновых и крахмалосодержащих 
материалов в различные целевые продукты: белок, биогаз, 
биоэтанол, сахар, органические удобрения, биопрепараты и др.
Основное количество белковых препаратов микробного 
происхождения производится в виде микробных масс, получаемых путем выращивания микроорганизмов на самом разнообразном дешевом сырье и отходах, содержащих источники 
углерода и другие соединения, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов. Только в технологии получения 
микробных препаратов имеют место небольшие различия 
на первой стадии технологического процесса при подготовке 
сырья к последующему выращиванию микроорганизмов. 
Остальные стадии переработки любого вида сырья почти 
не различаются. Это касается только углеводсодержащего 
сырья, предназначенного для получения кормовых белковых 
препаратов. Биоконверсия навоза, помета, осадков сточных 
вод и других материалов благодаря химическому составу проводится по индивидуальной схеме, предназначенной для каждого из этих субстратов.
Одна из острейших современных проблем многих стран 
мира — утилизация отходов сельского хозяйства, особенно 

Введение

животноводства и перерабатывающих производств. Их переработка с помощью микро- и макроорганизмов (биоконверсия) или биологических систем составляет комплекс наиболее перспективных технологий, используемых для решения 
проблем охраны окружающей среды и предотвращения серьезной угрозы будущему человечеству. 
Требуется дальнейшая работа, направленная на глубокое 
понимание структурных и функциональных особенностей 
сложных микробных сообществ отходов и вторичного сырья 
перерабатывающих предприятий АПК. Успехи в этом направлении позволят понять фундаментальные основы поведения 
и развития микробных популяций, их метаболическую последовательность в трансформации органических соединений, 
что в свою очередь приведет к предсказанию природных изменений, связанных с биологическими активностями. Однако 
не следует забывать, что в ряде случаев результатом реакции 
может стать образование веществ более токсичных, чем исходный субстрат. 
Способность модифицировать органические соединения 
широко распространена в мире микробов и является обычной 
и естественной функцией нормально развивающихся культур 
микроорганизмов. Биологический смысл модификаций заключается, видимо, в способности микроорганизмов атаковать 
самые разнообразные по химической структуре органические 
вещества среды независимо от конечного результата. Это как 
бы одна из основных предпосылок их адаптации.
Скорость накопления отходов, к сожалению, во много раз 
превышает скорость их утилизации. Ощущается острая необходимость в ускоренном развитии методов, позволяющих 
лучше понимать характер изменений в микроокружениях 
сложных микробных сообществ при смене субстрата, физикохимических условий.
Ученые всего мира решают одновременно две проблемы: 
переработка сельскохозяйственных отходов и их последующее