Оптимизация аэробной ферментации органических отходов: ключевые факторы и их влияние на качество конечного продукта

В современных экономических условиях важным направлением устойчивого развития является управление отходами и обеспечение продовольственной безопасности. В настоящее время существует множество технологий переработки органических отходов. Одним из распространенных методов переработки является аэробная ферментация. Пищевые отходы являются сложным для переработки материалом из-за своих физико-химических и органолептических характеристик, нестабильного состава, высокой влажности и различных значений pH. Это существенно ограничивает выбор технологий переработки. Одним из способов повышения эффективности является комбинирование различных видов отходов. В данной статье проанализирован процесс аэробной ферментации смешанных органических отходов и определены параметры, влияющие на процесс ферментации (оптимальная температура, наличие кислорода и микроорганизмов). Выявлены ключевые факторы (влажность, кислотность, соотношение углерода и азота), влияющие на получение высококачественного вторичного продукта с высокой добавленной стоимостью, установлены оптимальные диапазоны этих факторов и методы улучшения условий запуска процесса ферментации пищевых отходов в сочетании с другими органическими отходами. Научное исследование проводилось с 1996 года по настоящее время, с особым акцентом на период 2012–2024 гг. Основными результатами исследования являются подтверждение того, что оптимальные значения исходных критериев для пищевых отходов отличаются от допустимых значений других органических отходов. Ключевой задачей при подготовке органической массы является определение оптимальных диапазонов факторов и содержания различных видов отходов в зависимости от конечной цели и выбора вторичного продукта. Ключевой задачей при подготовке органического вещества является определение оптимальных диапазонов факторов и содержания различных видов отходов в зависимости от конечной цели и выбора вторичного продукта. Приведена информация об оптимальных показателях получаемого продукта. Кроме того, на основе анализа факторов выявлены закономерности ферментации и требования к качеству конечного продукта, а также шесть основных принципов этого процесса.

1. Kannah, R. Y., Merrylin, J., Devi, T. P., Kavitha, S., Sivashanmugam, P., Kumar, G. et al. (2020). Food waste valorization: Biofuels and value added product recovery. Bioresource Technology Reports, 11, Article 100524. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2020.100524

2. Galanakis, C. M., Cvejic, J., Verardo, V., Segura-Carretero, A. (2022). Food use for social innovation by optimizing food waste recovery strategies. Chapter in a book: Innovation strategies in the food industry. Academic Press, 2022. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85203-6.00016-5

3. Dey, T., Bhattacharjee, T., Nag, P., Ritika, Ghati, A., Kuila, A. (2021). Valorization of agro-waste into value added products for sustainable development. Bioresource Technology Reports, 16, Article 100834. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2021.100834

4. Santagata, R., Ripa, M., Genovese, A., Ulgiati, S. (2021). Food waste recovery pathways: Challenges and opportunities for an emerging bio-based circular economy. A systematic review and an assessment. Journal of Cleaner Production, 286, Article 125490. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125490

5. Zhu, J., Luo, Z., Sun, T., Li, W., Zhou, W., Wang, X. et al. (2023). Cradle-to-grave emissions from food loss and waste represent half of total greenhouse gas emissions from food systems. Nature Food, 4(3), 247–256. https://doi.org/10.1038/s43016-023-00710-3

6. Ashokkumar, V., Flora, G., Venkatkarthick, R., SenthilKannan, K., Kuppam, C., Stephy, G. M. et al. (2022). Advanced technologies on the sustainable approaches for conversion of organic waste to valuable bioproducts: Emerging circular bioeconomy perspective. Fuel, 324(Part B), Article 124313. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124313

7. Mohajan, H. K. (2021). Cradle to cradle is a sustainable economic policy for the better future. Annals of Spiru Haret University. Economic Series, 21(4), 569–582. https://doi.org/10.26458/21433

8. Юганова, Т. И. (2020). Методология экологической оценки жизненного цикла твердых коммунальных отходов. Основные положения и примеры применения. Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 5, 3–23.

9. Uvarov, R., Briukhanov, A., Shalavina, E. (May 25–27, 2016). Study results of mass and nutrient loss in technologies of different composting rate: Case of bedding poultry manure. 15th International scientific conference on engineering for rural development. Latvia University of Agriculture, 2016.

10. Qi, J., Yang, H., Wang, X., Zhu, H., Wang, Z., Zhao, C. et al. (2023). State-of-theart on animal manure pollution control and resource utilization. Journal of Environmental Chemical Engineering, 11(5), Article 110462. https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.110462

11. Фомичева, Н. В., Рабинович, Г. Ю., Прутенская, Е. А., Смирнова, Ю. Д. (2021). Микробиологическая оценка процесса ускоренной твердофазной ферментации органического сырья. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 11(2(37)), 236–243.

12. Li, Y., Chen, Z., Peng, Y., Zheng, K., Ye, C., Wan, K. et al. (2020). Changes in aerobic fermentation and microbial community structure in food waste derived from different dietary regimes. Bioresource Technology, 317, Article 123948. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123948

13. Bakharev, V. V., Mityashin, G. Y., Stepanova, T. V. (2023). Food security, food waste and food sharing: The conceptual analysis. Food Systems, 6(3), 390–396. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2023-6-3-390-396

14. Awasthi, S. K., Sarsaiya, S., Awasthi, M. K., Liu, T., Zhao, J., Kumar, S. et al. (2020). Changes in global trends in food waste composting: Research challenges and opportunities. Bioresource Technology, 299, Article 122555. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122555

15. Трухачев, В. И., Злыднев, Н. З., Злыднева, Р. М. (2015). Производство и использование органических удобрений. Аграрный вестник Северного Кавказа, S2, 120–131. Trukhachev, V. I., Zlydnev, N. Z., Zlydneva, R. M. (2015). Organic Fertilizer Manufacturing. Agrarian Bulletin of the North Caucasus, S2, 120–131. (In Russian)]

16. Zhang, X., Zhang, M., Zhang, H., Jiang, Z., Liu, C., Cai, W. (2020). A review on energy, environment and economic assessment in remanufacturing based on life cycle assessment method. Journal of Cleaner Production, 255, Article 120160. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120160

17. Lee, C. H., Park, S. J., Kim, M. S., Yun, S. G., Ko, B. G., Lee, D. B. et al. (2015). Characteristics of compost produced in food waste processing facility. Korean Journal of Agricultural Science, 42(3), 177–181. https://doi.org/10.7744/cnujas.2015.42.3.177 (In Korean)

18. Keener, H. M., Dick, W. A., Hoitink, H. A. J. (2000). Composting and beneficial utilization of composted by-product materials. Chapter in a book: Land application of agricultural, industrial, and municipal by-products. Soil Science Society of America, 2000. https://doi.org/10.2136/sssabookser6.c10

19. Fernandez-Bayo, J. D., Yazdani, R., Simmons, C. W., VanderGheynst, J. S. (2018). Comparison of thermophilic anaerobic and aerobic treatment processes for stabilization of green and food wastes and production of soil amendments. Waste Management, 77, 555–564. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.05.006

20. Петрунина, И. В., Горбунова, Н. А. (2024). Использование модели экономики замкнутого цикла в отдельных отраслях агропромышленного комплекса. Пищевые системы, 7(2), 231-237.

21. Martins, S., Mussatto, S. I., Martínez-Avila, G., Montañez-Saenz, J., Aguilar, C. N., Teixeira, J. A. (2011). Bioactive phenolic compounds: Production and extraction by solid-state fermentation. A review. Biotechnology Advances, 29(3), 365–373. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2011.01.008

22. Stentiford, E. I. (1996). Composting control: Principles and practice. Chapter in a book: The Science of Composting, Part, 1. Springer Dordrecht, 1996. https://doi.org/10.1007/978-94-009-1569-5_6

23. Sayara, T., Basheer-Salimia, R., Hawamde, F., Sánchez, A. (2020). Recycling of organic wastes through composting: Process performance and compost application in agriculture. Agronomy, 10(11), Article 1838. https://doi.org/10.3390/agronomy10111838

24. Ayilara, M. S., Olanrewaju, O. S., Babalola, O. O., Odeyemi, O. (2020). Waste management through composting: Challenges and potentials. Sustainability, 12(11), Article 4456. https://doi.org/10.3390/su12114456

25. Hoang, H. G., Thuy, B. T. P., Lin, C., Vo, D. -V. N., Tran, H. T., Bahari, M. B. et al. (2022). The nitrogen cycle and mitigation strategies for nitrogen loss during organic waste composting: A review. Chemosphere, 300, Article 134514. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134514

26. Karnchanawong, S., Nissaikla, S. (2014). Effects of microbial inoculation on composting of household organic waste using passive aeration bin. International Journal of Recycling of Organic Waste in Agriculture, 3, 113–119. https://doi.org/10.1007/s40093-014-0072-0

27. Koul, B., Yakoob, M., Shah, M. P. (2022). Agricultural waste management strategies for environmental sustainability. Environmental Research, 206, Article 112285. https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.112285

28. Caricasole, P., Provenzano, M. R., Hatcher, P. G., Senesi, N. (2010). Chemical characteristics of dissolved organic matter during composting of different organic wastes assessed by 13C CPMAS NMR spectroscopy. Bioresource technology, 101(21), 8232–8236. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.05.095

29. Wang, X., Selvam, A., Wong, J. W. C. (2016). Influence of lime on struvite formation and nitrogen conservation during food waste composting. Bioresource Technology, 217, 227–232. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.02.117

30. Wang, X., Selvam, A., Chan, M., Wong, J. W. C. (2013). Nitrogen conservation and acidity control during food wastes composting through struvite formation. Bioresource Technology, 147, 17–22. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.07.060

31. Awasthi, M. K., Selvam, A., Lai, K. M., Wong, J. W. (2017). Critical evaluation of post-consumption food waste composting employing thermophilic bacterial consortium. Bioresource Technology, 245 (Part A), 665–672. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.09.014

32. Kumar, M., Ou, Y. -L., Lin, J. -G. (2010). Co-composting of green waste and food waste at low C/N ratio. Waste Management, 30(4), 602–609. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2009.11.023

33. Chang, J. I., Chen, Y. J. (2010). Effects of bulking agents on food waste composting. Bioresource Technology, 101(15), 5917–5924. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.02.042

34. Nguyen, M. K., Lin, C., Hoang, H. G., Sanderson, P., Dang, B. T., Bui, X. T. et al. (2022). Evaluate the role of biochar during the organic waste composting process: A critical review. Chemosphere, 299, Article 134488. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134488

35. Waqas, M., Nizami, A. S., Aburiazaiza, A. S., Barakat, M. A., Ismail, I. M. I., Rashid, M. I. (2018). Optimization of food waste compost with the use of biochar. Journal of Environmental Management, 216, 70–81. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.06.015

36. Hamid, H. A., Qi, L. P., Harun, H., Sunar, N. M., Ahmad, F. H., Muhamad, M. S. et al. (2019). Development of organic fertilizer from food waste by composting in UTHM campus Pagoh. Journal of Applied Chemistry and Natural Resources, 1(1), 1–6.

37. Chaher, N. E. H., Chakchouk, M., Engler, N., Nassour, A., Nelles, M., Hamdi, M. (2020). Optimization of food waste and biochar in-vessel co-composting. Sustainability, 12(4), Article 1356. https://doi.org/10.3390/su12041356

38. Siles-Castellano, A. B., López, M. J., Jurado, M. M., Suárez-Estrella, F., López-González, J. A., Estrella-González, M. J. et al. (2020). Industrial composting of low carbon/nitrogen ratio mixtures of agri-food waste and impact on compost quality. Bioresource Technology, 316, Article 123946. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123946

39. Zhou, Y., Selvam, A., Wong, J. W. C. (2018). Chinese medicinal herbal residues as a bulking agent for food waste composting. Bioresource Technology, 249, 182–188. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.09.212

40. Sundberg, C., Franke-Whittle, I. H., Kauppi, S., Yu, D., Romantschuk, M., Insam, H. et al. (2011). Characterisation of source-separated household waste intended for composting. Bioresource Technology, 102(3), 2859–2867. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.10.075

41. Chang, H. -q., Zhu, X. -h., Wu, J., Guo, D. -y., Zhang, L. -h., Feng, Y. (2021). Dynamics of microbial diversity during the composting of agricultural straw. Journal of Integrative Agriculture, 20(5), 1121–1136. https://doi.org/10.1016/S2095-3119(20)63341-X

42. Pane, C., Sorrentino, R., Scotti, R., Molisso, M., Di Matteo, A., Celano, G. et al. (2020). Alpha and beta-diversity of microbial communities associated to plant disease suppressive functions of on-farm green composts. Agriculture, 10(4), Article 113. https://doi.org/10.3390/agriculture10040113

43. Li, P., Lin, W., Liu, X., Wang, X., Luo, L. (2016). Environmental factors affecting microbiota dynamics during traditional solid-state fermentation of Chinese Daqu starter. Frontiers in Microbiology, 7, Article 1237. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01237

44. Li, Z., Lu, H., Ren, L., He, L. (2013). Experimental and modeling approaches for food waste composting: A review. Chemosphere, 93(7), 1247–1257. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.06.064

45. Azim, K., Soudi, B., Boukhari, S., Perissol, C., Roussos, S., Alami, I. T. (2018). Composting parameters and compost quality: A literature review. Organic Agriculture, 8, 141–158. https://doi.org/10.1007/s13165-017-0180-z

46. Iannotti, D. A., Pang, T., Toth, B. L., Elwell, D. L., Keener, H. M., Hoitink, H. A. J. (1993). A quantitative respirometric method for monitoring compost stability. Compost Science and Utilization, 1(3), 52–65. https://doi.org/10.1080/1065657X.1993.10757890

47. Zucconi, F., Pera, A., Forte, M., de Bertoldi, M. (1981). Evaluating toxicity of immature compost. BioCycle, 22, 54–57.

48. Oshins, C., Michel, F., Louis, P., Richard, T. L., Rynk, R. (2022). The composting process. Chapter in a book: The composting handbook. Academic Press, 2022. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85602-7.00008-X