Сільськогосподарські та харчові відходи часто розглядаються як проблема, але з'являється дедалі більше проектів, які демонструють, що за умови належного управління вони можуть стати джерело їжі, енергії та добривОдин із найцікавіших способів досягнення цього — використання грибів, які здатні перетворювати органічні відходи на продукти з високою доданою вартістю в рамках так званого циркулярна біоекономіка.
В останні роки різні європейські та американські дослідницькі групи та проекти вивчали, як використовувати силу грибів для... підвищити цінність сільськогосподарських побічних продуктів, гною та стічних водВід виробництва їстівних білків до грибкова ферментаціяВід виробництва гранульованих біодобрив до очищення води в результаті термохімічних процесів, основна ідея одна й та сама: замкнути цикли, зменшити відходи та створити нові можливості для сільськогосподарського сектору.
Один з найперспективніших напрямків досліджень передбачає використання грибів для перетворення сільськогосподарських та харчових відходів на продукти, багаті білком та іншими поживними речовинамиза допомогою процесу, відомого як грибкова ферментація. Цей підхід випливає з очевидної реальності: багато побічних продуктів сільського господарства та харчової промисловості все ще містять багато корисних поживних речовин, але наразі зрештою недовикористовуються або просто викидаються.
У цьому контексті гриби, здатні колонізувати відходи, такі як фруктові обрізкипобічні продукти сільськогосподарських культур, відходи харчової промисловості або навіть складніші суміші з різних агропродовольчих ланцюгів. Гриб використовує ці матеріали як джерело вуглецю та енергії, розкладає їх і водночас утворює грибкову біомасу, багату на білок, клітковину та інші цікаві сполуки.
Таким чином, грибкова ферментація дозволяє перетворити потік відходів на нова екологічно чиста харчова сировинаЇх можна використовувати як для споживання людиною (наприклад, у вигляді інгредієнтів, багатих на грибковий білок), так і для високоякісного корму для тварин, за умови дотримання вимог безпеки харчових продуктів, контролю забруднювачів та стандартизації процесів.
Ця стратегія ідеально вписується в концепцію циркулярна біоекономікав якій відходи однієї системи перетворюються на ресурси для іншої. Однак дослідники зазначають, що значні проблеми залишаються: необхідно оптимізувати процеси на технічному рівні, забезпечити безпеку кінцевої продукції, масштабувати потужності до промислового рівня та, перш за все, зробити виробничі витрати конкурентоспроможними порівняно з традиційними альтернативами.
Іншим ключовим аспектом є мінливість вихідних залишківЙого склад може змінюватися залежно від пори року, типу культивування або промислового процесу, з якого він походить. Ця мінливість вимагає розробки гнучких систем, здатних регулювати такі умови, як температура, pH, аерація або час ферментації, щоб гриби працювали в оптимальному діапазоні та підтримували стабільну якість кінцевого продукту.
Грибкова ферментація: гриби, які перетворюють відходи на їжу
Один з найперспективніших напрямків досліджень передбачає використання грибів для перетворення сільськогосподарських та харчових відходів на продукти, багаті білком та іншими поживними речовинамиза допомогою процесу, відомого як грибкова ферментація. Цей підхід випливає з очевидної реальності: багато побічних продуктів сільського господарства та харчової промисловості все ще містять багато корисних поживних речовин, але наразі зрештою недовикористовуються або просто викидаються.
У цьому контексті гриби, здатні колонізувати відходи, такі як фруктові обрізки, побічні продукти вирощування, відходи харчової промисловості або навіть складніші суміші з різних агропродовольчих ланцюгів. Гриб використовує ці матеріали як джерело вуглецю та енергії, розкладає їх і водночас утворює грибкову біомасу, багату на білок, клітковину та інші цікаві сполуки.
Таким чином, грибкова ферментація дозволяє перетворити потік відходів на нова екологічно чиста харчова сировинаЇх можна використовувати як для споживання людиною (наприклад, у вигляді інгредієнтів, багатих на грибковий білок), так і для високоякісного корму для тварин, за умови дотримання вимог безпеки харчових продуктів, контролю забруднювачів та стандартизації процесів.
Ця стратегія ідеально вписується в концепцію циркулярна біоекономікав якій відходи однієї системи перетворюються на ресурси для іншої. Однак дослідники зазначають, що значні проблеми залишаються: необхідно оптимізувати процеси на технічному рівні, забезпечити безпеку кінцевої продукції, масштабувати потужності до промислового рівня та, перш за все, зробити виробничі витрати конкурентоспроможними порівняно з традиційними альтернативами.
Іншим ключовим аспектом є мінливість вихідних залишківЙого склад може змінюватися залежно від пори року, типу культивування або промислового процесу, з якого він походить. Ця мінливість вимагає розробки гнучких систем, здатних регулювати такі умови, як температура, pH, аерація або час ферментації, щоб гриби працювали в оптимальному діапазоні та підтримували стабільну якість кінцевого продукту.
Приклад грибівництва: субстрати після культивування як ресурс
Вирощування їстівних грибів, таких як шампіньйони, після кожного виробничого циклу утворює матеріал, відомий як субстрат для посткультивування грибів (SPCH)Це субстрат, на якому росли гриби, що складається переважно з органічних залишків сільськогосподарського та тваринницького походження (гній, солома, рослинні побічні продукти), які втратили значну частину своїх початкових поживних речовин після кількох врожаїв.
Цей SPCH являє собою величезний обсяг відходів для виробників, обробка та управління якими є дорого та логістично складноЗвичайним варіантом було перетворити його на компост для використання як добриво, але цей матеріал має суттєвий недолік: він має дуже високий вміст вологи, близько 70%, що робить його транспортування дорогим, а обробку складною у великих масштабах.
Досі найпростішим способом висушити цей субстрат було залишити його на вулиці та почекати, поки сонце зробить свою роботу, метод повільний, важкокерований та залежний від погодиЦе ускладнює планування виробництва добрив з СПХ та знижує його економічну привабливість для компаній сектору.
Зіткнувшись із цією проблемою, європейський проект Smartmushroom розробив інноваційну методику для переробка сільськогосподарських відходів від вирощування грибів, перетворюючи їх на гранульоване біодобриво за допомогою екологічно чистого процесу, інтегрованого в логіку циркулярної біоекономіки.
Основна ідея Smartmushroom полягає в перетворенні свіжого SPCH на цінний ресурс, використовуючи його власні компоненти для вироблення енергії та одночасного створення... добриво високої агрономічної цінності які можна продавати в будь-якому регіоні Європи. Таким чином, проблемний відходи перетворюються на подвійне джерело вигоди: зниження витрат і нове джерело доходу.
Smartmushroom: біогаз, ефективне сушіння та гранули біодобрив
Технологія, запропонована Smartmushroom, починається зі свіжого SPCH, який спочатку проходить процес гідроліз з подальшим анаеробним розкладаннямУ цьому процесі перетравлення органічна речовина розщеплюється мікроорганізмами за відсутності кисню, утворюючи багатий на метан біогаз та багатий на поживні речовини дигестат.
Отриманий біогаз використовується для живлення системи сушіння, спеціально розробленої для обробки суміші дигестату та поліметану. Цей процес знижує вміст вологи в матеріалі приблизно до одного відсотка. 28% вміст води, що є набагато більш підходящим показником для його транспортування та подальшого перетворення на гранули.
Висихання прискорюється шляхом поєднання конденсації вологи з адсорбція на сепіолітових фільтрахМінерал з високою водоутримуючою здатністю. Таке поєднання дозволяє швидше та контрольованіше видаляти зайву вологу, ніж просте сушіння на повітрі, а також робить процес незалежним від погодних умов.
Після висихання SPCH можна збагатити натуральними добривами, які забезпечують азот, фосфор і калійРецептура адаптується до конкретних потреб різних культур. Після такого збагачення матеріал гранулюється, тобто пресується в невеликі, тверді циліндри, які легко зберігати, транспортувати та застосовувати в полі за допомогою звичайної сільськогосподарської техніки.
Щоб перевірити життєздатність процесу, команда Smartmushroom провела випробування у трьох основних напрямках: оптимізація анаеробного розкладання, налаштування системи сушіння та агрономічна оцінка гранульованого біодобрива. різні культури та польові умови.
Оптимізація біогазу та проектування пілотної установки
У лабораторному етапі SPCH використовувався як основна сировина для анаеробного розкладаннятестування різних сумішей з іншими залишковими субстратами з сільського господарства. Метою було максимізувати виробництво біогазу та, зокрема, збільшити вміст метану – компонента з найвищим енергетичним потенціалом.
Після численних випробувань було встановлено, що найкращою комбінацією є суміш, що складається з сім частин SPCH, дві частини стічних вод від виробництва варення та одна частина гліцеринуТаке співвідношення дозволило встановити оптимальні параметри живлення для пілотної установки, забезпечуючи адекватний баланс легкорозкладної органічної речовини та стабільність біологічного процесу.
Паралельно було скориговано ключові змінні сушарки, такі як робоча температура, час перебування матеріалу та швидкість конвеєрної стрічкиЦі параметри були оптимізовані для максимального використання енергії, що міститься в біогазі, одночасно адаптуючись до можливих коливань складу вхідного матеріалу.
Результатом стала розробка системи сушіння з автоматичне регулюванняВін здатний адаптуватися до змін у суміші дигестату та гідроксипропілцелюлози без втрати ефективності. Така автоматизація зменшує потребу в постійному втручанні людини та підвищує надійність процесу, що є важливим з огляду на можливість майбутньої індустріалізації.
Що стосується інфраструктури, Smartmushroom побудувала пілотну сушильну установку SPCH у Sustratos de La Rioja, уповноваженій компанії з управління відходами для вирощування грибів у регіоні. Анаеробні біореактори були встановлені в модулях контейнерного типуЗамість використання бетонних будівель, це дозволяє легше адаптувати очисні потужності до різних обсягів СПХ залежно від сезону та попиту.
Установка також включає сушарку, оснащену пальником, що працює на виробленому біогазі, здатному довести рівень вологості ПСГ до рівня, необхідного для виробничої лінії, відповідальної за виробництво гранул біодобрива. Це призводить до створення відносно компактної та інтегрованої системи, в якій Енергія та добрива виробляються з одного й того ж потоку відходів.
Агрономічні результати та виробнича потужність біодобрива
Отримані гранули SPCH були випробувані як біодобриво для широкого спектру культурВипробування проводилися як у теплицях, так і на відкритих полях в Іспанії та Сербії. Серед випробуваних видів були салат, цвітна капуста, перець, помідори, броколі, виноградники та різні зернові, що дозволило оцінити ефективність добрив у садівничих, деревних та екстенсивних системах землеробства.
Випробування показали настільки переконливі результати, що багато фермерів, які брали участь у них Вони висловили зацікавленість у продовженні використання пелет. після завершення випробувань. Такий рівень прийнятності в польових умовах є ключовим показником того, що продукт працює не лише на папері, а й у реальних умовах ведення сільського господарства.
Що стосується потужності, то пілотна установка Smartmushroom здатна переробити приблизно 36 000 тонн свіжого SPCH на рік приблизно у 8500 тоннах гранул біодобрива. Це збільшення об’єму чітко ілюструє високий вміст води у вихідному субстраті та важливість сушіння для концентрації поживних речовин у компактній формі.
З економічної точки зору, інновації приносять подвійну вигоду виробникам грибів. З одного боку, вони дозволяють їм заощадити на витратах на утилізацію відходівоцінюється приблизно в 29,2 мільйона євро для всього європейського сектору. Крім того, це відкриває новий напрямок бізнесу, заснований на продажу біодобрива іншим сільськогосподарським підприємствам.
Окрім усього цього, система має позитивний вплив на навколишнє середовище. Оскільки це процес, який вносить органічну речовину в ґрунт та видаляє CO₂ з атмосфери, біодобриво діє як форма секвестрація вуглецю та засіб проти деградації ґрунту, оскільки забезпечує до 50% органічної речовини ґрунту, покращуючи його структуру та здатність утримувати воду.
У рамках проекту вже розроблено симуляції індустріалізації та враховано, що Пілотний завод готовий до розширення Якщо дозволять ринкові та логістичні умови. Крім того, консорціум планує організувати технічні візити на об'єкт, щоб інші зацікавлені сторони сільськогосподарського сектору могли безпосередньо ознайомитися з технологією, за умови відсутності обмежень пересування, подібних до тих, що виникли під час пандемії COVID-19.
Гриби для очищення стічних вод та виробництва добрив
Окрім випадку SPCH, використання грибів також досліджується в іншій галузі, що викликає величезний інтерес: лікуванні стічні води від процесів гідротермального зрідження (ГЗЗ), технологія, яка перетворює вологу біомасу на біосиру паливо за допомогою високих температур і тиску.
HTL застосовується до сировини, такої як свинячий гній, харчові відходи або інші органічні побічні продуктиУ результаті процесу утворюється біосира нафта, яку можна використовувати як паливо, та водна фаза, відому як HTL-AP (гідротермальна зріджувальна водна фаза), яка містить численні поживні речовини, особливо азот в органічних формах, а також можливі важкі метали та токсичні сполуки залежно від походження біомаси.
Досі цю водну фазу здебільшого вважали проблемні відходиоскільки його поживні речовини не могли бути безпосередньо використані в сільському господарстві: значна частина азоту міститься у складних органічних молекулах, які рослини не можуть поглинати, а його остаточне забруднююче навантаження становило екологічну загрозу.
Два дослідження, проведені в Університеті Іллінойсу в Урбана-Шампейн, проаналізували потенціал грибка білої гнилі, Trametes versicolorперетворити ці стічні води на корисний розчин як добриво, одночасно зменшуючи кількість потенційно токсичних сполук, присутніх у суміші.
Роль Trametes versicolor у покращенні HTL-AP
У першому дослідженні, яке очолювала дослідниця Віторія Леме, були розроблені специфічні методи для культивувати Trametes versicolor та застосовувати його до розчинів, що містять 5% HTL-APОбробка тривала три дні, чого було достатньо, щоб спостерігати значні зміни в хімічному складі стічних вод.
Результати показали, що дія грибка значно збільшила концентрації нітратів та аміакуІншими словами, він перетворив частину органічного азоту, присутнього у водній фазі, на мінеральні форми, які рослини можуть безпосередньо засвоювати. Таким чином, важко керований відхідний продукт стає потенційним рідким джерелом добрив.
Крім того, Trametes versicolor відомий своєю здатністю виробляти окислювальні ферменти, що розкладають складні та часто токсичні молекули, таких як деякі стійкі органічні забруднювачі. У контексті HTL-AP це відкриває шлях до можливого зменшення навантаження токсинами та пов'язаними з ними металами, хоча цей аспект вимагає дуже ретельного моніторингу залежно від вихідних відходів.
Коли Леме завершила свою роботу, дослідження продовжила Карла Лопес, студентка факультету сільськогосподарських системних технологій та менеджменту, яка зосередилася на поєднанні грибкової обробки з процес бактеріальної нітрифікаціїУ цьому другому дослідженні T. versicolor та нітрифікуючі бактерії на HTL-AP.
Ця комбінація виявилася особливо ефективною: збільшення до у 17 разів більше за концентрацію нітратів в обробленій водній фазі. Нітрифікуючі бактерії окислюють утворений (або вже присутній) аміак до нітратів, тоді як гриб сприяє початковому вивільненню органічного азоту та допомагає розкладати сполуки, які можуть пригнічувати інші мікроорганізми.
У дослідженні також проаналізовано різні фактори, що впливають на продуктивність системи, такі як pH розчинуНайкращі результати, як для нітратів, так і для аміаку, були отримані, коли мікроорганізми працювали в діапазоні pH від 6 до 7,5, що є досить поширеним діапазоном у багатьох біологічних процесах і його відносно легко підтримувати за допомогою основних налаштувань.
Ще одним важливим відкриттям було виробництво фермент, здатний розщеплювати токсиниЦе підтримує очисну функцію грибка щодо певних сполук, присутніх у біовідходах. Це свідчить про те, що обробка грибками може не лише покращити цінність HTL-AP як добрива, але й зробити його безпечнішим для сільськогосподарського використання.
Від очищеної води до зрошення сільськогосподарських культур: циркулярна економіка на практиці
Ґрунтуючись на цих результатах, команда професора Пола Девідсона зараз працює над використанням очищені стічні води для вирощування рослин у гідропонних системахІдея полягає в тому, щоб перевірити, якою мірою отримана рідина може служити поживним розчином, повністю замикаючи цикл між органічними відходами, грибково-бактеріальною обробкою та виробництвом рослин.
В ідеальному випадку все лікування мало б відбуватися якомога ближче до місце, де відбувається гідротермальне зрідженняНаприклад, якщо свинячий гній використовується як волога сировина, було б доцільно розмістити установку HTL та систему біологічного очищення поруч із фермою з тисячами свиней, де потік гною постійний та рясний.
Таким чином, відходи тваринництва можна було б збирати, обробляти за допомогою гідрокситолуолу (HTL) для отримання біологічної сировини та HTL-AP, а потім цю водну фазу можна було б піддавати обробці. обробка Trametes versicolor та нітрифікуючими бактеріями у спеціально відведеному приміщенні. Очищена вода, багата на нітрати та з меншим вмістом проблемних сполук, може бути використана як добриво для прилеглих культур.
Такий підхід значно зменшує потребу в транспортуванні важкої, вологої біомаси на великі відстані, що передбачає економія логістичних витрат та викидів від транспортуКрім того, це безпосередньо пов'язує управління відходами тваринництва з удобренням сільськогосподарських культур, створюючи територіальні системи циркулярної економіки, де поживні речовини переробляються на місцевому рівні.
На практиці, якщо свиноферма оточена сільськогосподарськими угіддями, система може виробляти рідкі добрива, адаптовані до потреб місцевих культур, зменшуючи споживання синтетичних добрив, отриманих з викопного палива. Все це сприятиме більш сталому сільськогосподарському виробництву, меншій залежності від зовнішніх ресурсів та з... менший екологічний слід.
Паралельно, розвиток цих технологій підкріплює ідею про те, що гриби, чи то у формі ферментації твердих відходів, чи то як очисні агенти у складних стічних водах, можуть стати ключовими компонентами нових ланцюгів створення вартості в сільськогосподарська циркулярна біоекономікаЯк робота з SPCH, так і дослідження HTL-AP вказують на один напрямок: перетворення проблем відходів на продуктивні рішення.
Усі ці дослідження та ці проекти демонструють, що гриби мають величезний потенціал для підвищити цінність сільськогосподарських, тваринницьких та харчових відходів завдяки відносно ефективним процесам, що поєднують виробництво енергії, виробництво добрив та виробництво багатої на поживні речовини біомаси. Хоча технічні, регуляторні та економічні проблеми залишаються, напрямок зрозумілий: краще використовувати те, що раніше викидалося, та створювати більш циклічні сільськогосподарські системи, в яких відходи однієї людини стають ресурсом іншої.
