СПОСОБ БИОКОНВЕРСИИ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА САПОНИНОВ ИЗ КОРНЯ Saponaria Officinalis Российский патент 2015 года по МПК C05F15/00 C05F3/00 C05F11/02 

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способам получения удобрений на основе отходов переработки растительного сырья.

Известен способ биоконверсии растительного сырья (патент РФ №2255979, МПК C12S 3/04, A23K 1/12, C12N 1/14, B01J 19/10, C12N 1/14, Заявка №2003112401/13, 25.04.2003, Опубл. 10.07.2005) путем измельчения растительного сырья, затем обработки его ультразвуком частотой 22.0-24.0 кГц в течение 10-15 минут с последующим биологическим воздействием на растительное сырье инокулятом гриба Panus tigrinus BKM F-3616 D в течение 9-14 суток при температуре (+24)-(+26)°C.

Недостатком способа является использование дорогостоящей обработки ультразвуком и большая длительность процесса.

Также известен способ биоконверсии растительных отходов и установка для его осуществления (патент РФ №2163076, МПК A23K 1/00, A23K 1/165, A23N 17/00, Заявка №99126854/13, 27.12.1999, Опубл. 20.02.2001), включающий подготовку сырья, засев микробной культурой, ферментацию и пастеризацию. Перед ферментацией растительные отходы подвергают импульсной тепловой обработке. В подготовленное сырье вводят путем засева в качестве источника ферментных препаратов смесь культур микроорганизмов, состоящую из дрожжей, бактерий и грибов, вырабатывающих ферменты, обладающие амилолитическими и целлюлозолитическими свойствами, проводят ферментацию полученной биомассы, пастеризацию, в процессе которой производят повторяющийся 3-5 раз импульсный нагрев и последующее снижение температуры до 30°C. В смеси культур микроорганизмов используют дрожжи Sacharomyces cerevisial diataficus, бактерии Acinetobacter и мицелиальные грибы Polyporus Squamosus Endomycopsis fibuliger.

Недостатком данного способа является необходимость тепловой обработки растительных отходов.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения кормовой добавки и удобрения из органических отходов (патент РФ №2126779, МПК C05F 9/00, A23K 1/00, опубл. 27.02.1999 г.), включающий приготовление исходной смеси из органических отходов и торфа, загрузку смеси в реактор и проведение четырехстадийного биоконверсионного процесса с продувкой смеси кислородсодержащим газом в продольном и поперечном направлениях на первой и третьей стадиях. Первая и четвертая стадии процесса протекают в течение 24-72 ч, а вторая и третья - в течение 6-48 ч. Первая стадия носит аэробный характер и проводится при температуре 35-40°C с периодической аэрацией, вторая стадия носит анаэробный характер и проводится при температуре 47-53°C. Третья стадия носит аэробный характер и предусматривает постепенное охлаждение субстрата до температуры 55-80°C, а четвертая стадия носит анаэробный характер и проводится при температуре 15-28°C. Подвергаемый биоконверсии субстрат готовят из навоза или помета и торфа и обогащают солями аскорбиновой кислоты и мегатерином. Предлагаемый способ позволяет улучшить характеристики кормовой добавки и удобрения.

Недостатками данного способа является сложность процесса и его большая продолжительность во времени, а также недостаточная стабильность получаемых продуктов биоконверсии.

Задачей, решаемой при создании предлагаемого изобретения, является ускорение процесса биоконверсии растительных отходов и повышение его эффективности с целью получения ценных продуктов для использования в качестве удобрений.

Поставленная задача достигается тем, что в способе биоконверсии отходов промышленного производства сапонинов из корня Saponaria Officinalis, включающем приготовление исходной смеси, загрузку смеси в биореактор и проведение биоконверсионного процесса с аэрацией смеси, согласно изобретению растительные отходы производства сапонинов подвергаются биоконверсии в составе смеси, содержащей торф и птичий помет. Оптимальные результаты достигаются при следующих условиях:

- соотношение компонентов: птичий помет - 50%, растительные отходы - 30%, торф 20%;

- продолжительность процесса биоконверсии - 8 суток;

- температура - 37±2°C первые 7 суток, 55±2°C - последние сутки (пастеризация);

- аэрация смеси при скорости воздушного потока 1,2 л/мин в течение 60 минут в 1-е, 2-е, 4-е, 6-е и 8-е сутки.

Включение в смесь каждого из этих компонентов является обязательным, и ни один из них нельзя исключить из данной смеси. Птичий помет является источником микроорганизмов и азотистых веществ для процесса биоконверсии. Растительные отходы богаты полисахаридами, необходимыми для питания микроорганизмов. Торф является источником углерода, который необходим для поддержания метаболических реакций микрофлоры, а также водорастворимых и легкогидролизуемых веществ, богатых углеводами. Увеличение температуры выше 37±2°C и снижение ниже 37±2°C в первые 7 суток приводит к значительному ингибированию биокаталитических процессов в смеси и подавлению микрофлоры, что существенно ухудшает эффективность процесса биоконверсии. Увеличение температуры в биореакторе до 55±2°C на 8-е сутки необходимо для пастеризации смеси - снижения количества энтеробактерий (санитарно-показательных микроорганизмов) и грибов (микроорганизмов порчи). Уменьшение продолжительности биоконверсии менее 8 суток не приводит к накоплению необходимого количества ценных для удобрений веществ. Продление процесса биоконверсии более 8 суток способствует некоторому подсушиванию конечных продуктов, в связи с чем уровень влажности становился несколько ниже физиологического значения, что также снижает эффективность биоконверсии.

Способ биоконверсии включает следующие этапы: подготовку сырья, приготовление смеси, загрузку в биореактор, ферментацию и отбор проб. Биоконверсия проводится путем закладки сырья (растительные отходы, птичий помет, торф) в биореактор, в которых поддерживается заданный температурный режим и уровень аэрации. Отобранные образцы тестируются по содержанию отдельных физиологических групп микроорганизмов, активности ферментов каталазы и дегидрогеназы, отражающих общую направленность процессов распада и синтеза, по величинам условных коэффициентов (ОВК = отношение активности ферментов каталазы и дегидрогеназы; KmN = отношение численности азоттрансформирующей микрофлоры), а также pH и влажности.

Способ проиллюстрирован примерами:

Пример 1

Продолжительность процесса биоконверсии - 8 суток; температура - 37±2°C первые 7 суток, 55±2°C - последние сутки; аэрация смеси при скорости воздушного потока 1,2 л/мин в течение 60 минут в 1-е, 2-е, 4-е, 6-е и 8-е сутки. Соотношение компонентов исходного сырья в биореакторах:

- Биореактор I - помет - 50%, растительные отходы - 50%.

- Биореактор II - помет - 50%, торф - 25%, растительные отходы - 25%.

- Биореактор III - помет - 50%, торф - 13%, растительные отходы - 37% (предварительно обработан ультразвуком).

Результаты эксперимента представлены в таблице 1. Все процессы сопровождались незначительным падением уровня влажности. В биореакторе I происходило подкисление ферментируемой смеси, а в биореакторах II и III, напротив, наблюдалось подщелачивание. По общей напряженности процессов распада и синтеза наиболее эффективен процесс в биореакторах II и III. Однако поскольку в биореакторе III использовалась предварительная дорогостоящая обработка ультразвуком, то целесообразнее использовать соотношение компонентов из биореактора II.

Пример 2

Соотношение компонентов исходного сырья в биореакторах: помет - 50%, торф - 25%, растительные отходы - 25%; аэрация смеси при скорости воздушного потока 1,2 л/мин в течение 60 минут в 1-е, 2-е, 4-е, 6-е и 8-е сутки.

Продолжительность эксперимента:

- Биореактор I - 8 суток.

- Биореактор II - 9 суток.

- Биореактор III - 12 суток.

Результаты представлены в таблице 2. Они показали, что при увеличении продолжительности процесса происходит углубление процесса (распад до большего количества легко доступных соединений и более быстрый биосинтез новых соединений). В то же время происходит существенное удорожание конечного продукта (за счет подвода большей энергии). Поэтому наиболее эффективным является эксперимент в биореакторе I продолжительностью 8 суток.

Пример 3

Исходное сырье в биореакторах: помет - 50%, торф - 25%, растительные отходы - 25%; аэрация смеси при скорости воздушного потока 1,2 л/мин в течение 60 минут в 1-е, 2-е, 4-е, 6-е и 8-е сутки.

Температура:

- Биореактор I - 37°C в течение первых 7 дней, 55°C - на 8-е сутки.

- Биореактор II - 1-2-е сутки - 37°C, 3-и сутки - 55°C, 4-6-е сутки - 37°C.

- Биореактор III - 70°C в течение всего процесса.

По результатам экспериментов было выявлено, что наиболее эффективное биоудобрение получено при температуре 37°C в течение 7 дней и 55°C - на 8-е сутки (биореактор I). К концу наблюдений количество полезной (азоттрансформирующей) микрофлоры в конечной пробе было максимальным, существенно превышая два других эксперимента (таблицы 3 и 4). Опыт в биореакторе II близок к первому, однако при его использовании ингибируется биокаталитическая активность каталазы. При использовании в процессе биоконверсии температуры 55°C численность определяемой микрофлоры резко упала. Температура 70°C препятствовала развитию мезофильной микрофлоры.

Пример 4

Исходное сырье в биореакторах: помет - 50%, торф - 25%, растительные отходы - 25%. Температура в биореакторах 37°C в течение 7 дней и 55°C - на 8-е сутки.

Биореактор I - аэрирование при загрузке и на 4-е сутки процесса биоконверсии.

Биореактор II - аэрирование при загрузке, на 1-е, 2-е, 4-е, 6-е и 8-е сутки процесса биоконверсии.

Биореактор III - аэрирование при загрузке, далее - ежедневно.

Результаты сведены в таблице 5. Оценка динамики величин физико-химической характеристики процесса и ферментативной активности показала, что наиболее эффективным является опыт в биореакторе II. Кроме того, он характеризуется менее активной трансформацией и меньшей потерей элементов питания микроорганизмов. Таким образом, наиболее эффективной является дробная система аэрирования (на 1-е, 2-е, 4-е, 6-е и 8-е сутки).

Пример 5

Условия проведения процесса:

Биореактор I - 37°C (1-7-е сутки)+55°C - 8-е сутки

Биореактор II - 37°C (1-7-е сутки)+55°C - 8-е сутки

Биореактор III - 37°C (1-9-е сутки)+55°C - 10-е сутки

Соотношение компонентов во всех биореакторах: помет - 50%, торф - 20%, растительные отходы - 30%. Обработка растительных отходов ультразвуком перед закладкой в биореактор II. Дробная система аэрирования (на 1-е, 2-е, 4-е, 6-е и 8-е сутки). Результаты представлены в таблицах 6 и 7.

В целом во всех биореакторах режимы влажности и кислотности протекали по классическому типу, в связи с чем наблюдалось некоторое снижение влажности к концу процесса, конечные пробы подщелачивались (таблица 6). В пробах, отобранных из биореакторов I и III, к концу процесса наблюдалось увеличение всех агрохимических показателей (таблица 7). Удлинение процесса до 10 дней (проба III - 10) способствовало только увеличению азота, содержание фосфора и калия, напротив, несколько снижалось, но было существенно выше, чем в исходных пробах. Таким образом, в отношении накопления элементов питания применение ультразвука оказалось не эффективным.

По результатам экспериментов, приведенных в примерах 1-5, было выявлено, что наиболее эффективно биоконверсия проводится в течение 8 суток при соотношении компонентов исходного сырья в биореакторе - помет - 50%, торф - 20%, растительные отходы - 30%, температуре 37°C в течение 7 дней и 55°C - на 8-е сутки, с дробной системой аэрирования (на 1-е, 2-е, 4-е, 6-е и 8-е сутки).

Предлагаемый способ можно широко применять для переработки органических отходов в удобрения с заданным и стабильным химическим составом.

Таблица 2 - Физико-химические, ферментативные и микробиологические показатели биоконверсии растительных отходов с торфом и пометом при изменении продолжительности процесса (пример 2) № реактора День отбора W, % pH Активность каталазы, см³ O₂/г/мин Активность дегидрогеназы, мг ТФФ/г/24 ч ОВК, у.е. Использ. минер. азот, млн/г Аммонифиц. Млн/г KmN Грибы, тыс./г Энтеробактерии, млн/г I 1 66 6,17 0,74 1,17 0,05 47,1 510,6 0,09 24,71 18,82 2 68 5,44 65,47 3,90 1,18 4571,9 4350,0 1,05 387,50 1281,25 4 66 5,25 68,82 4,89 0,99 7470,6 9647,0 0,77 54,41 2423,53 7 69 6,71 26,21 6,41 0,92           II, III 1 73 6,30 0,93 1,54 0,03 74,0 3000,7 0,02 577,78 18,52 2 68 5,34 70,00 3,50 1,39 5221,0 3145,0 1,66 306,56 1633,75 4 66 5,40 72,36 5,33 0,96 8529,4 4594,1 1,86 36,18 1788,24 6 37 5,97 39,68 3,14 0,88 3504,8 3047,6 1,15 90,48 810,79 8 72 7,94 75,72 1,98 2,70 3389,3 3164,3 1,07 8000 1139,29 9 40 6,63 11,84 3,74 0,70           III 10 47 7,50 48,87 2,22 1,55 2739,6 5215,0 0,53 10000 952,45 12 57 7,70 19,48 2,31 1,93          

Таблица 3 - Ферментативная и физико-химическая характеристика, отличающаяся температурным режимом процессов биоконверсии растительных отходов с торфопометными смесями (пример 3) Режим Т°C Пробы Активность каталазы, см³ O₂/г/мин Активность дегидрогеназы, мг ТФФ/г/24 ч ОВК, у.е. pH W, % Исходная смесь 0-я проба 1,93 2,58 0,03 6,71 69 Опыт I - 37°C на протяжении всего процесса Проба 1 29,13 2,73 0,51 5,88 74 Проба 2 38,7 3,01 0,61 7,02 75 Проба 3 51,88 4,02 0,62 8,01 76 Проба 4 53,96 2,29 1,14 8,26 76 Проба 5 74,8 1,64 2,20 8,17 75 Опыт II - 37°C +55°C - в середине процесса Проба 1 44,04 1,95 1,08 5,79 74 Проба 2 83,54 2,57 1,56 6,98 76 Проба 3 10,05 1,34 0,36 8,20 69 Проба 4 17,55 1,30 0,66 8,29 71 Проба 5 39,85 1,08 1,78 8,07 67 Опыт III - 70°C на протяжении всего процесса Проба 1 13,93 2,36 0,29 6,72 72 Проба 2 11,71 2,41 0,23 6,89 65 Проба 3 4,11 1,25 0,16 7,09 47 Проба 4 1,65 1,13 0,07 6,59 9 Проба 5 0,51 1,59 0,02 6,68 61

Таблица 4 - Микробиологические показатели процессов конверсии растительных отходов с торфом и пометом при различных температурных режимах (пример 3) Режим Т°C Пробы Использ. минер. азот, млн/г Аммонифиц. млн/г KmN Энтеробактерии, млн/г Исходная смесь 0-я оба 108,06 210,32 0,51 125 Опыт I - 37°C на протяжении всего процесса Проба 1 647,41 2109,62 0,31 2521,85 Проба 2 Не опр. Не опр. Не опр. Не опр. Проба 3 1336,15 1835,38 0,73 2980,77 Проба 4 Не опр. Не опр. Не опр. Не опр. Проба 5 566,55 833,79 0,68 251,04 Опыт II - 37°C +55°C - в середине процесса Проба 1 725,60 1826,40 0,40 2332,80 Проба 2 Не опр. Не опр. Не опр. Не опр. Проба 3 287,88 351,52 0,82 3,22 Проба 4 Не опр. Не опр. Не опр. Не опр. Проба 5 373,00 436,50 0,85 7,83 Опыт III - 70°C на протяжении всего процесса Проба 1 43,33 10,37 4,18 0,11 Проба 2 Не опр. Не опр. Не опр. Не опр. Проба 3 45,16 9,68 4,67 0 Проба 4 Не опр. Не опр. Не опр. Не опр. Проба 5 48,29 326,29 0,15 0,03

Таблица 5 - Физико-химические, ферментативные и микробиологические показатели процессов биоконверсии растительных отходов с торфом и пометом при варьировании условий аэрации (пример 4) Аэрация, сутки № пробы W, % pH Активность каталазы, см³ O₂/г/мин Активность дегидрогеназы, мг ТФФ/г/24 ч ОВК, у.е. Использ. минер. азот, млн/г Аммонифиц. млн/г KmN Грибы, тыс./г Актиномицеты, млн./г KmC Энтеробактерии, млн/г 0-е, 4-е Проба 1 70 6,76 2,14 1,49 0,10 197,7 78,0 2,53 4,10 35,0 8536 3,0 Проба 2 69 7,51 64,32 4,93 0,99 1629,0 3254,2 0,50 1,74 не обн. - 190,9 Проба 3 64 8,17 49,49 1,62 2,33 260,0 715,0 0,36 0,17 4,17 24529 226,6 Проба 4 70 8,00 25,3 3,12 1,81               0-е, 2-е, 4-е Проба 1 71 6,67 0,89 1,25 0,04 274,1 287,6 0,95 6,73 1,38 205 3,8 Проба 2 67 7,97 64,69 3,32 1,49 1491,0 2121,0 0,70 0,83 не обн. - 212,1 Проба 3 69 7,95 43,90 2,41 1,39 396,1 1288,0 0,31 0,32 11,29 35281 103,4 Проба 4 70 7,96 23,3 3,62 1,44               0-е, далее - ежедневно Проба 1 71 6,89 1,37 0,91 0,11 481,0 48,3 9,96 3,96 3,10 782 0,83 Проба 2 67 7,89 60,86 3,50 1,32 1097,0 1818,0 0,60 0,03 1,52 50666 227,2 Проба 3 68 8,27 44,32 2,31 1,47 569,7 1748,7 0,34 0,11 4,69 42636 176,0 Проба 4 66 7,98 13,23 2,55 1,17              

Таблица 6 - Показатели биоконверсии торфопометной смеси с растительными отходами при применении пастеризации Номер реактора - сутки W, % pH Акт-ть каталазы, мл О₂/г/мин Акт-ть дегидрогеназы, мг ТФФ/г/24 ч ОВК, у.е. Грибы, тыс./г Энтеробактерии, млн/г I, III - 1 65 6,03 0,2 3,33 0,06 45,7 60,9 I - 7 62 6,50 26,36 8,57 1,27 56,8 13,6 I - 8 53 7,95 11,67 7,10 0,68 129,2 71,3 III - 10 52 7,42 3,44 4,26 0,33 45,8 32,5 II - 1 63 6,72 0,42 2,78 0,15 668,9 970,0 II - 7 64 7,78 22,50 10,91 0,85 50,0 65,2 II - 8 54 7,69 3,70 5,47 0,28 110,9 98,7

Таблица 7 - Агрохимическая характеристика (%) исходных смесей и продуктов биоконверсии в опытах с пастеризацией Номер реактора - сутки N P₂O₅ K₂O I, III - 1 2,43 2,23 2,14 I - 7 3,06 2.82 3.37 I - 8 2,81 2,91 3,29 III - 10 3,02 2,75 2,87 II - 1 2,49 1,76 2,87 II - 7 2.73 1.82 3,55 II - 8 2,71 2,17 2,14

Изобретение относится к области получения удобрений на основе отходов переработки растительного сырья. Предложен способ биоконверсии отходов промышленного производства сапонинов из корня Saponaria Officinalis. Способ включает приготовление исходной смеси, загрузку смеси в биореактор и проведение биоконверсионного процесса с аэрацией смеси. Растительные отходы производства сапонинов подвергаются биоконверсии в составе смеси, содержащей торф и птичий помет, с соотношением компонентов торф:птичий помет: растительные отходы - (13%-25%):50%:(25%-50%). Процесс биоконверсии в первые 7 суток производится при температуре 37±2°C и 55±2°C - на 8-е сутки. Изобретение обеспечивает ускорение процесса биоконверсии растительных отходов и повышение его эффективности. 3 з.п. ф-лы, 7 табл., 5 пр.

1. Способ биоконверсии отходов промышленного производства сапонинов из корня Saponaria Officinalis, включающий приготовление исходной смеси, загрузку смеси в биореактор и проведение биоконверсионного процесса с аэрацией смеси, характеризующийся тем, что растительные отходы производства сапонинов подвергаются биоконверсии в составе смеси, содержащей торф и птичий помет, с соотношением компонентов торф:птичий помет: растительные отходы - (13%-25%):50%:(25%-50%), при этом в первые 7 суток процесс биоконверсии производится при температуре 37±2°C и 55±2°C - на 8-е сутки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используется следующее содержание компонентов: птичий помет - 50%, торф - 20%, растительные отходы - 30%.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что время биоконверсии составляет 8 суток.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что аэрация смеси проводится при скорости воздушного потока 1,2 л/мин в течение 60 минут в 1-е, 2-е, 4-е, 6-е и 8-е сутки.