СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОСТНОЙ ЗАКВАСКИ Российский патент 2003 года по МПК C05F11/08 C12N1/14 C12N1/20 C12N1/14 C12R1/645 C12R1/66 C12R1/745 C12R1/885 C12N1/20 C12R1/465 C12R1/07 

Изобретение относится к сельскохозяйственной микробиологии и биотехнологии и касается способа получения компостной закваски, предназначенной для ускоренной утилизации любых растительных остатков и получения из них высококачественного компоста.

Существуют способы переработки растительных материалов с применением молочнокислых бактерий Lactobas [1], сумчатых грибов Lophodermium pinasti и Lophodermium macrosporum [2], бактерий Klebsiella, Pseudomonas putida, Вacillus [3], смеси микроорганизмов неопределенного состава [4, 5], консорциума из двух видов бактерий - Lactobacillus plantarum и Streptococcus thermophilus [6].

Во всех приведенных способах не применяются микроорганизмы, способные к деградации лигнино-целлюлозного комплекса, составляющего основную долю остатков растительного происхождения. Причем при выборах микроорганизмов совершенно не учитываются многокомпонентность сырьевых материалов для компостирования, закономерность сукцессионной смены доминирующих микробных комплексов-деструкторов в соответствии с последовательностью изменения температуры и вещественного состава компостируемой смеси. В связи с этим при компостировании остатков растительного происхождения трудноразлагаемые их компоненты длительное время могут оставаться в полуразложившемся состоянии, и получаемый компост остается не полностью созревшим и не будет обладать высокими удобряющими и почвоулучшающими качествами. Подобный компост с частично разложившимися и не полностью гумифицированными органическими остатками может индуцировать рост и размножение фитопатогенных грибов и бактерий, а продукты полураспада в виде органических кислот могут оказывать отрицательное влияние на рост и развитие сельскохозяйственных культур.

Кроме того, все известные способы изготовления препаратов для компостирования основаны на применении первичного сырья в качестве питательного субстрата, что повышает себестоимость производства, а высокая цена препаратов затрудняет широкое внедрение в практику и реализацию среди населения.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение высокоактивной компостной закваски с низкой себестоимостью ее изготовления.

Технический результат достигается тем, что в способе приготовления компостной закваски используется пивная дробина как отход процесса пивоварения для культивирования в ней консорциума микроорганизмов из грибов Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus sydowii, Cephalosporium, Glyocladium Cda. , Trichoderma sp. , актиномицетов Streptomyces griseus, Streptomyces termoviolaceus, Streptomyces globisporus, Streptomyces ruber, Streptomyces viridosporus и бактерий Bacillus cereus, Bacillus mycoides, Bacillus subtilis.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило выявить совокупность существенных отличительных от него признаков, не известных из существующего уровня техники. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критериям "Новизна" и "Изобретательский уровень".

Для снижения себестоимости изготовления компостной закваски и для ее широкого внедрения настоящее изобретение основывается не на применении первичного сырья, а на использовании вторичных ресурсов, а именно многотоннажных отходов пивоварения, которые до сих пор не находят рациональной утилизации. Тем самым решается и экологическая проблема переработки одного из органических промышленных отходов.

Пивная дробина - это отход пивоварения, представляющий собой густой остаток после отсасывания ячменного сусла, состоящий, в основном, из оболочек и частиц ядер зерна ячменя и содержащий от 4 до 16% протеина и более 2% фосфорных соединений. В связи с высоким содержанием азота (более 3%), низким значением C/N и достаточно большим количеством остаточных сахаров (более 3%) пивная дробина является полноценным источником питания для роста и размножения, в первую очередь, всех перечисленных выше видов грибов, готовящих условия для остальных микроорганизмов, ответственных за последующие стадии разложения органического вещества.

Известно, что при разложении и гумификации органических остатков происходит закономерная смена микробного комплекса в соответствии с последовательностью изменений состава и содержания в них веществ, а также экологической среды, в которой протекают процессы преобразования исходного материала [7, 8].

На чертеже показаны стадии сукцессионного изменения микробного комплекса при разложении органических остатков (1 - I стадия; 2 - II стадия; 3 - III стадия).

I стадия - высокотемпературная, во время которой грибному разложению подвергаются целлюлозы, белки, сахара и другие легкоразлагаемые соединения экзоклеточных выделений и внутренней структуры клеточной плазмы. В связи с экзотермической реакцией в процессе разложения резко поднимается температура, а это способствует размягчению растительного волокна и разделению трудноразлагаемых гемицеллюлозы и лигнина, составляющих основную структуру растительной ткани.

На следующей II стадии содержание легкоразлагаемых соединений резко убывает и в связи с этим скорость размножения грибов замедляется, и они переходят в состояние покоя с формированием спор. Одновременно начинается процесс размножения актиномицетов и бациллярного населения, способных к разложению трудноразлагаемых соединений и к растворению грибных гифов, оболочки которых состоят из целлюлозы или хитина. Температура снижается до уровня окружающей среды и начинается III стадия.

III стадия - завершающий этап, в процессе которого происходит образование компоста. Легкоразлагаемые соединения почти отсутствуют, а органические соединения полностью гумифицируются, в результате чего продукты разложения приобретают черный цвет. В составе микробного комплекса преобладают актиномицеты, бациллы и многочисленные олиготрофные бактерии, которые питаются соединениями, образующимися при медленном разложении гумусовых веществ. Зрелый компост имеет приятный аромат, характерный для актиномицетов и запаха земли.

Принцип выбора видов микроорганизмов для компостной закваски в настоящем изобретении находится в строгом соответствии с вышеизложенной последовательностью сукцессионного изменения и доминантности видов микробного комплекса.

Для I стадии компостирования отобраны доминирующие виды грибов Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus sydowii, Cephalosporium, Glyoclаdium Cda., Trichoderma sp., обладающие целлюлазной, протеолитической, липазной, сахаролитической, лактазной активностями.

Для II и III стадий отобраны доминирующие актиномицеты Streptomyces griseus, Streptomyces termoviolaceus, Streptomyces globisporus, Streptomyces ruber, Streptomyces viridosporus, характеризующиеся высокой способностью к деградации хитина, лигниновых соединений, лигноцеллюлозного комплекса, а также пероксидазной, полифенолоксидазной, ксиланазной, фенолальдегидоксидазной активностями. Применяются также доминирующие бациллярные формы бактерий Bacillus cereus, Bacillus mycoides и Bacillus subtilis, обладающие высокой липолитической, протеолитической, целлюлазной активностями.

Большинство вышеперечисленных видов характеризуется термотолерантностью с проявлением высокой гидролитической способности при высокой температуре.

Отбор микробных культур из разлагающегося растительного субстрата проводится на основании предварительной проверки общепринятыми в биохимии и микробиологии методами гидролитической активности, т.е. способности к активному разложению основных компонентов органических остатков, а культивирование, хранение и проверка коллекции осуществляются на следующих питательных средах: для грибов - картофельно-глюкозный агар, для актиномицетов - крахмал-аммиачный агар, для бациллярных бактерий - мясопептонный агар.

Способ приготовления компостной закваски с использованием консорциума 1.

Все культуры для консорциума 1, хранящиеся в музейной коллекции лаборатории микробиологии Института водных и экологических проблем, были выделены из хорошо гумифицированных перегнойных слоев лесной почвы.

Посев культур всех используемых видов грибов Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus sydowii, Cephalosporium, Glyocladium Cda., Trichoderma sp., актиномицетов Streptomyces griseus, Streptomyces termovioluceus, Streptomyces globisporus, Streptomyces ruber, Streptomyces viridosporus и бактерий Bacillus cereus, Bacillus mycoides, Bacillus subtilis проводят методом сплошного газона. Количество агаровых пластинок для культур консорциума 1 каждого вида микроорганизмов желательно брать одинаковым.

Когда после посева с последующей инкубацией в термостате через 5-7 дней поверхность агаризованной среды полностью покрывается колониями, все агаровые пластинки с выросшими на них микробными культурами гомогенизируют с добавлением стерилизованной воды в 10-20-кратном объеме.

Получение маточной культуры компостной закваски связано с наращиванием биомассы и адаптации консорциума 1 к новому субстрату. Для этого приготовленную смесь гомогенизатов добавляют в небольшой объем свежей дробины в соотношении (1-2):10 и после тщательного перемешивания помещают в термостат при комнатной температуре. Важно, чтобы влажность инокулированной дробины поддерживалась на уровне 60-70%. Через 2-3 дня начинается повышение температуры субстрата до 40-50^oС и выше. Ферментация проходит в течение 5-7 дней.

Для получения большого объема компостной закваски маточную культуру переносят в неглубокую емкость, послойно смешивают с 10-кратным объемом свежей дробины и, периодически перемешивая, оставляют на 10-15 дней. По окончании первых же суток в данной смеси начинается процесс ферментации с повышением температуры до 45-55^oС. При больших объемах исходного субстрата готовят бурты в слабо проветриваемых местах на крытых бетонированных площадках. Оптимальная температура окружающей среды 20^oС. Ферментированная масса, находящаяся на II стадии компостирования, когда исчезает неприятный запах ферментации и гниения, используется в качестве компостной закваски - ускорителя компостирования.

Способ приготовления компостной закваски с использованием консорциума 2.

Все культуры для консорциума 2, хранящиеся в музейной коллекции лаборатории микробиологии Института водных и экологических проблем, были выделены из высококачественного компоста.

Посев культур консорциума 2 всех используемых видов грибов Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus sydowii, Cephalosporium, Glyoclаdium Cda. , Trichoderma sp., актиномицетов Streptomyces griseus, Streptomyces termoviolaceus, Streplomyces globisporus, Streptomyces ruber, Streptomyces viridosporus и бактерий Bacillus cereus, Bacillus mycoides, Bacillus subtilis проводят методом сплошного газона. Количество агаровых пластинок для культур консорциума 2 каждого вида микроорганизмов желательно брать одинаковым.

Когда после посева с последующей инкубацией в термостате через 5-7 дней поверхность агаризованной среды полностью покрывается колониями, все агаровые пластинки с выросшими на них микробными культурами гомогенизируют с добавлением стерилизованной воды в 10-20-кратном объеме.

Дальнейшее приготовление компостной закваски осуществляется согласно вышеописанному способу с консорциумом 1.

При сопоставлении компостной закваски, полученной с использованием консорциума 1 и 2, по наличию и близкой численности всех использованных культур, а также схожести ее агрохимических показателей, была выявлена идентичность заявляемого технического результата (таблицы 1 и 2, колонки 3, 4).

При установлении стабильной температуры до уровня окружающей среды ферментированную массу вынимают из емкости, доводят до воздушно-сухого состояния и после упаковки оставляют на хранение. Оптимум температуры при хранении составляет +5-+20^oС, допустимые интервалы от -30^oС до +30^oС.

Предлагаемая компостная закваска может быть использована для получения высококачественного компоста из любых органических остатков. Способы применения компостной закваски с использованием различных консорциумов для приготовления компоста отражены в примерах 1, 2.

Пример 1.

Компостную закваску смешивали со свежей дробиной в соотношении 1:10 и подвергали компостированию с периодическим перемешиванием в течение 2 месяцев. В таблице 2 (колонки 5 и 6) отражено изменение химического состава пивной дробины. Из приведенных данных следует, что в результате ферментации и последующего компостирования независимо от применяемой культуры снижается содержание углерода и значение C/N с увеличением количества гумусовых веществ. При этом в связи с ростом микробной массы возрастает содержание белкового азота и соответственно протеина. Резко возрастает обменная емкость катионов до 66,3-66,8 мг-экв./100 г массы, что соответствует установленным стандартным значениям, характеризующим высокое качество компоста.

При сопоставлении агрохимических показателей компостов, полученных вне зависимости от используемого консорциума, была выявлена их идентичность.

Пример 2.

Пищевые отходы смешали с опилками лиственницы в соотношении 1:3 и после внесения компостной закваски в количестве 10% ко всему объему перемешивали с добавлением воды до требуемой влажности. Компостную смесь укладывали штабелем и компостировали в течение 2 месяцев с периодическим перемешиванием. Как показывают данные химических анализов, представленные в таблице 2 (колонки 7 и 8), в процессе компостирования независимо от используемой культуры резко убывает содержание углерода, и в связи с этим уменьшается соотношение C/N от 35,6 в исходной смеси до 11,74-12,55 в компостной массе. В результате гумификации накапливаются гумусовые вещества с возрастанием обменной емкости катионов до 70,1-79,6 мг-экв./100 г, что свидетельствует о высоком качестве компоста.

При сопоставлении агрохимических показателей компостов, полученных вне зависимости от используемого консорциума, была выявлена их идентичность.

Таким образом, разработан новый способ приготовления компостной закваски путем ферментации пивной дробины микробным консорциумом, состоящим из любых культур заявленных видов почвенных микроорганизмов, отобранных из природной среды в соответствии с закономерностью их сукцессионной смены в процессе ферментации и компостирования.

Компостная закваска, на которую уже разработаны технические условия ТУ 9291-003-02698312-2001, используется для получения высококачественного компоста из любых органических остатков и поэтому найдет широкое промышленное применение.

Источники информации
1. Е.И.Квасников, О.А.Нестеренко. Молочнокислые бактерии и пути их использования. М.: Наука, 1977, 322 с.

2. Авторское свидетельство СССР 962279, опубл. 30.09.82.

3. Патент РФ 2057103 (Бюллетень изобретений 9, 1996, с. 214).

4. Патент РФ 2028998 (Бюллетень изобретений 5, 20.02.1995).

5. Тен Хак Мун. Ферментация органических остатков с целью получения удобрений. ИВЭП ДВО РАН: Хабаровск, 1988.

6. Патент РФ 2162833 С2 (Описание изобретения к патенту РФ, опубл. 10.02.2001).

7. Тен Хак Мун. Формирование и стабилизация микробиоценозов в почве. М.: Наука, 1993.

8. Kobayashi M. Root activity and microorganisms of rhizosphere. Tokyo: Nobunkyo, 1986. 194 P.

Изобретение относится к сельскохозяйственной микробиологии и биотехнологии и касается способа получения компостной закваски, предназначенной для ускоренной утилизации любых растительных остатков и получения из них высококачественного компоста. В заявленном способе приготовления компостной закваски используется пивная дробина как отход процесса пивоварения для культивирования в ней консорциума микроорганизмов из грибов Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus sydowii, Cephalosporium, Glyocladium Cda., Trichoderma sp. , актиномицетов Streptomyces griseus, Streptomyces termoviolaceus, Streptomyces globisporus, Streptomyces ruber, Streptomyces viridosporus и бактерий Bacillus cereus, Bacillus mycoides, Bacillus subtilis. Техническим результатом настоящего изобретения является получение высокоактивной компостной закваски с низкой себестоимостью ее изготовления. 2 табл., 1 ил.

Способ приготовления компостной закваски, включающий культивирование консорциума микроорганизмов на питательном субстрате, отличающийся тем, что в качестве консорциума используют следующие микроорганизмы: грибы Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus sydowii, Cephalosporium, Glyocladium Cda. , Trichoderma sp. , актиномицеты Streptomyces griseus, Streptomyces termoviolaceus, Streptomyces globisporus, Streptomyces ruber, Streptomyces viridosporus и бактерии Bacillus cereus, Bacillus mycoides, Bacillus subtilis, а в качестве питательного субстрата - пивную дробину.