Биоконверсия вторичного сырья и отходов агропромышленного комплекса

БИОКОНВЕРСИЯ  

ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ 

И ОТХОДОВ  

АГРОПРОМЫШЛЕННОГО 

КОМПЛЕКСА

О.Д. СИДОРЕНКО

Москва 

ИНФРА-М 

2024

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Серия основана в 2001 году

УДК 631+636/639(075.32) 
ББК 41:45я723 
 
С34

Сидоренко О.Д. 

С34 
 
Биоконверсия вторичного сырья и отходов агропромышлен
ного комплекса : учебное пособие / О.Д. Сидоренко. — Москва : 
ИНФРА-М, 2024. — 171 с. — (Среднее профессиональное образование). — DOI 10.12737/1896453.

ISBN 978-5-16-017906-3 (print) 
ISBN 978-5-16-110916-8 (online)

Впервые обобщены перспективные биологические технологии переработки вто
ричного сырья и отходов растениеводства, животноводства и перерабатывающей 
промышленности агропромышленного комплекса (АПК). Основное внимание уделено биоконверсии сельскохозяйственного сырья и отходов, а также продуктам их 
переработки. Рассматриваемые технологии обладают несомненным преимуществом — они безопасны, экономичны и экологичны. Продукты трансформации отходов находят практическое применение в сельском хозяйстве, промышленности 
и медицине. Отходы из опасного источника загрязнения превращаются в ценные 
товары: органические удобрения, корма, кормовые добавки, пробиотики и горючие 
материалы.

Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных 

стандартов среднего профессионального образования последнего поколения.

Предназначено для учащихся средних и высших учебных сельскохозяйственных 

заведений, специалистов агропромышленного комплекса, технологов-переработчиков среднего и высшего звена. 

УДК 631+636/639(075.32)

ББК 41:45я723

Р е ц е н з е н т:

Буряков Н.П., доктор сельскохозяйствен ных наук, профессор, 

заведующий кафедрой кормления сельскохозяйственных животных 
Российского государственного аграрного университета — МСХА 
им. К.А. Тимирязева

ISBN 978-5-16-017906-3 (print) 
ISBN 978-5-16-110916-8 (online)
© Сидоренко О.Д., 2023

От автора

Отходы — одно из тех направлений в науке, слухи о ко
торых намного опередили дату опубликования учебника для 
сельскохозяйственных вузов. Еще в XVII—XX вв. начали появляться сообщения о болезнях, гигиене, которые прочно 
вошли в жизнь человека. Многие поколения восторженно оценивали труд ученых в области медицины. Санитария как-то 
отставала, не оценивалась, мало знали о микробах. Сочетание 
движения человека к совершенству и культуре стало основанием для изучения причин болезней. Невежество отступило. 
Привычка швырять где попало отходы, несущие непредсказуемую угрозу, стала исчезать, «метафизические миазмы», 
источающие смерть и стихийные бедствия, расшифрованы. 
Последующие столетия человечество станови лось цивилизованным, научилось управлять мик робами и стало задумываться об устойчивости мироустройства, здоровье и чистоте 
окружающей среды — природе.  Отходы стали собирать, перерабатывать и использовать. Утилизация отходов сельского 
хозяйства, их эффективное вторичное использование становятся актуальнейшей проблемой современности. Так называемые отходы — это энергонесущие субстанции, которые можно 
повторно и целенаправленно использовать в промышленности 
и сельскохозяйственном производстве. Наиболее перспективны биологические способы утилизации отходов с использованием макро- и микроорганизмов. Известно, что мик робная 
клетка представляет собой, по сути, мощную биологическую 
систему широкого спектра действия с высокой активностью 
ферментативных реакций и производительностью. Эффективность каталитического действия энзимов клетки не имеет себе 
равных. В результате изменяется молекулярная структура 
трансформируемого субстрата, в неравновесных системах 
ферментируемых отходов появляются структуры нового типа, 
новые динамические состояния материи.

Предисловие

В настоящем учебном пособии рассматриваются пути 

снижения негативного влияния техногенных загрязнений 
на агроэкосистемы и эффективного использования энергии, 
заложенной в органических отходах. Показан механизм преобразования отходов в энергоемкие носители и необходимые 
человеку продукты, в частности в санированные, высокоактивные, мультиэнзимные биоудобрения, повышающие плодородие почвы, что снижает потребность в пестицидах и химических удобрениях. Переработка термофильными бактериями хотя бы только 30% навоза, производимого в сельском 
хозяйстве Российской Федерации, позволит дополнительно 
иметь для земледелия более 5 млн т азота, фосфора и калия 
(т.е. действующего вещества — д.в.).

Инновационные технологии биоконверсии отходов в XXI в. 

основаны на использовании микробной переработки отходов 
и водорослевых систем очистки и осветления сточных вод. 
Они позволяют получать биокомпосты, кормовой белок, биогаз, топливные элементы, биотопливо и т.д. Читателю предлагается обширная информация о современном состоянии биоконверсии отходов животноводства в частности и сельского 
хозяйства в целом, которая раскрывает микробиологические 
основы деградации органического материала, его трансформацию и синтез вторично используемых органических субстратов. Значительную часть этой информации представляют 
экспериментальные данные, полученные автором, а также 
материалы лекций, прочитанные студентам-агротехнологам 
РГАУ — МСХА им. К.А. Тимирязева.

После изучения материалов учебного пособия «Биокон
версия вторичного сырья и отходов агропромышленного комплекса» учащийся должен обладать следующими компетенциями:

Предисловие

знать

 
• основы биоконверсии вторичных продуктов и характерные 

их составляющие;

 
• микробиоценозы, участвующие в переработке отходов агро
промышленного комплекса;
уметь

 
• различать специфику перерабатываемого органического 

субстрата;

 
• предлагать соответствующую технологию получения ко
нечных целевых продуктов, набор биореакторов или оборудования;
владеть

 
• навыками управления режимами биоконверсии вторичного 

сырья и отходов;

 
• методами подготовки сырья для проведения безопасных 

(экологичных) и экономичных технологий. Предвидеть 
качество ферментированного продукта и направленность 
сбыта.
Приношу глубокую благодарность моему рецензенту про
фессору Н.П. Бурякову, заведующему кафедрой кормления 
животных РГАУ — МСХА им. К.А. Тимирязева, кандидату 
биологических наук Е.О. Горбуновой за помощь и советы при 
подготовке рукописи.

Автор надеется, что публикуемый труд будет полезен спе
циалистам и позволит более эффективно использовать микроорганизмы для решения проблем рационального природопользования и увеличения продуктивности сельского хозяйства.

Учебное пособие предназначено для студентов средних 

сельскохозяйственных учебных заведений, студентов биологических специальностей и специалистов агропромышленного комплекса (АПК).

Введение

Сельское хозяйство считается отходообразующим пред
приятием. В процессе производства и переработки сельскохозяйственных продуктов образуются разнообразные отходы. 
Часть из них может быть непосредственно использована 
на корм скоту, для удобрения и мульчирования посевов, выпуска рыночных субпродуктов. Однако основная масса отходов для эффективной утилизации требует глубокой и дорогостоящей переработки.

Проблема утилизации отходов АПК актуальна во многих 

странах мира. В России только на животноводческих фермах 
органические отходы ежегодно составляют: от крупного рогатого скота — до 350 млн т, свиноводства — 31–32 млн т 
и птицеводства — до 15 млн т. В то же время как окружающая 
среда страдает от животноводческих комплексов и создаются 
крупные очаги загрязнения, пахотные земли недополучают 
традиционно ценное для России органическое удобрение — 
навоз. Ежегодные потери органического вещества пахотных 
земель в Нечерноземной зоне составляют 0,5–0,7 т/га, в Центрально-Черноземном районе — 1,0–1,5, в Западной и Восточной Сибири — 0,3–0,7, на Дальнем Востоке — 0,6–1,0 т/га. 
Для воспроизводства гумуса в пахотных почвах необходимо 
ежегодно вносить 840 млн т органических удобрений, или 
в среднем свыше 6 т/га. 

Утилизация отходов должна преследовать две главные 

цели: эффективное вторичное использование продуктов переработки в земледелии и животноводстве и предотвращение 
и исключение загрязнения окружающей среды. Альтернативой сжиганию и захоронению отходов может и должна 
стать их биоконверсия с использованием макро- и микроорганизмов. Микробиологические превращения не знают преград, 
практически все основные классы органических соединений 

Введение

подвергаются трансформации и деградации с последующим 
получением вторичных продуктов, используемых человеком. 
Многолетние исследования автора показали, что различные 
органические субстраты (навоз, помет, торф, опилки и т.д.) 
в оптимальных условиях минерализуются в течение двух — 
четырех дней.

Основная роль в трансформации высокомолекулярных по
лимерных соединений принадлежит разнообразным микроорганизмам. Однако микробная технология переработки органических отходов АПК практически не разработана, а микроорганизмы, участвующие в трансформации или минерализации 
органических соединений, нечетко определены и систематизированы.

Если промышленные отходы подробно изучены, разрабо
таны способы и технологии их переработки в полезные продукты, то отходы сельского хозяйства не удостоились достаточного внимания ученых и технологов. Попытки использовать отходы, накопленные в хранилищах различного вида, 
наталкиваются на большие сложности технологического, технического и экономического характера.

В России нет специалистов-технологов по биоконверсии 

отходов. Как правило, переработкой отходов занимаются непрофессионалы. Технолог должен рассматривать этот процесс в химическом, физическом, биологическом, микробиологическом, биохимическом и других аспектах. Это вполне 
самостоятельная наука, непрерывно расширяющаяся и совершенствующаяся за счет как применения соответствующих 
методов физики и химии, так и разработки собственных оригинальных методов исследования. К сожалению, только некоторые из используемых методов гармоничны с экоциклом. 
Самые последние разработки фокусируются на реакторных 
биологических системах с надежным контролем качества.

Экологическая безопасность зависит от профессионализма 

кадров, допущенных к обращению с опасными отходами. 
Важно, чтобы эти специалисты прошли профессиональную 

Введение

подготовку на право работы с отходами, владения современными экспресс-методами определения химических и биологических воздействий на окружающую среду с помощью нанодатчиков.

Текущий учет отходов по классам, а также контроль, учет 

движения отходов по объектам и потребителей вторичных 
продуктов предполагают создание системы управления отходами и ее информационного обеспечения. Это произойдет 
в ближайшие шесть-семь лет, поскольку природопользование 
и охрана окружающей среды стали одной из новых сфер взаимодействия между странами. Необходимо внедрять новые 
технологии, обеспечивающие экологическую безопасность населения и сохранение живой природы. Будущее — за экологическим аудитом. Именно экологическая сертификация станет 
одним из основных рычагов воздействия на повышение безопасности продукции и процессов ее производства.

Полученные после биотрансформации отходов вторичные 

продукты (твердые, жидкие и газообразные) находят практическое применение в сельском хозяйстве, промышленности, 
медицине. С экономической и экологической точек зрения 
 микробиологическая переработка отходов сельского хозяйства 
наиболее перспективна.

Для разработки научных основ биоконверсии отходов не
обходимо всестороннее изучение разнообразной перерабатываемой органической смеси, ее микробиоценоза. Без этого 
углубленное познание и понимание происходящих в субстрате 
превращений органических веществ невозможно.

Трофическая структура микробного сообщества перера
батываемого органического субстрата подчиняется системным закономерностям. Микроорганизмы специализированы 
на конкретных субстратах и образуемых продуктах. При этом 
важно, что сообщество микроорганизмов функционирует 
как единое целое с кооперативными трофическими связями, 
определяющими перспективу химических взаимодействий. 

Введение

Физиологические группы микроорганизмов находятся в состоянии динамического равновесия, активны и чутко реагируют на колебания различных воздействий: температуры, 
аэрации, рН среды и т.п.

Ведущим в микробной системе перерабатываемых от
ходов является цикл органического углерода. Для его характеристики важно определить метаболические связи с указанием ключевых функциональных группировок, их сукцессии 
и конечные продукты. Необходимы исследования продуктсубстратных взаимодействий и взаимосвязи между структурными компонентами микробного ценоза. Это позволит 
выявить нарушения равновесия в среде, выделить группы 
организмов, взаимодействие которых обеспечивает полноту 
разложения органического сырья с максимальным использованием энергии.

Микробная биотехнология способна вовлечь огромные 

массы отходов растительного и животного происхождения 
в производство кормовых препаратов и добавок. Существует 
широкий круг микроорганизмов (микроскопических грибов, 
бактерий, дрожжей), трансформирующих жидкие и твердые 
отходы с образованием микробной биомассы (белка). Уровень 
белка в получаемых препаратах может достигать 4% и выше.

Термофильная микробиологическая трансформация отхо
дов животноводства позволяет создать принципиально новые виды органических удобрений, которые обладают защитными и стимулирующими свойствами и точностью дозировки 
элементов питания.

Глубокое понимание процессов, протекающих при про
мышленной биологической переработке органических субстратов, позволит профессионально проектировать оборудование, линии и цеха утилизации отходов сельского хозяйства 
и перерабатывающей промышленности, выбирать и соблюдать оптимальные режимы и параметры их работы. При этом 
могут быть использованы аэробные, анаэробные или факуль

Введение

тативные системы переработки, в закрытых помещениях или 
на открытых площадках, в том числе биоферментеры, метантенки, аэротенки и т.д. В прямой биоконверсии целлюлозосодержащих отходов остается самое главное — неизменное 
управление деструктивной активностью микробного сообщества и в конечном счете качеством вторичных продуктов 
(твердых, жидких и газообразных).