Способ получения органоминерального удобрения пролонгированного действия на основе отхода производства обжарки кофе - кофейной шелухи Российский патент 2023 года по МПК C05F11/08 C05F17/20 

Изобретение относится к технологии производства биоудобрений пролонгированного действия с использованием нетоксичных отходов производств, в частности кофейной шелухи - отхода производства обжарки кофейных зерен и может быть использовано для получения натурального органоминерального удобрения с добавленной стоимостью. Удобрение может быть использовано для восполнения дефицита основных элементов минерального питания растений (азота, фосфора, калия, углерода), а также для активации почвенных азотфиксирующих микроорганизмов, способствующих естественному накоплению связанных форм азота в почвенных системах. Восполнение дефицита фосфора (Р), магния (Mg), калия (К), углерода (C) происходит за счет включаемых в состав органоминерального удобрения пролонгированного действия не токсичной кофейной шелухи (Щемелинина Т. Н. Получение биоудобрения на основе отхода кофейного производства - кофейной шелухи. Утилизация отходов производства и потребления: инновационные подходы и технологии: Материалы III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Киров: ВятГУ, 2021. С.170-173. ISBN 978-5-98228-247-7), глауконитовой глины и микроводорослей Chlorella vulgaris. Элементы, находящиеся в труднорастворимой форме органо-минерального удобрения переходят в растворимую форму за счет действия почвенных микроорганизмов, активизирующихся благодаря наличию жирных кислот в кофейной шелухе в период вегетации. В холодный период года активность почвенных микроорганизмов либо снижена, либо отсутствует за счет анабиоза микроорганизмов и биоудобрение не расходуется.

Известно органическое удобрение на основе осадков сточных вод и хвойно-лиственного опила, причем в качестве сорбента после термофильной стадии содержит добавки из органических отходов в виде отработанного грибного субстрата или плодоовощных отходов, взятых в количестве 10-12,5% по массе сухого вещества (Патент РФ № 2498969 Опубликовано: 20.11.2013).

Известен способ получения органического удобрения, включающий использование отходов спиртового производства лютерной воды и барды, прессование последней для отделения фугата от органической массы, получение рабочей смеси путем смешивания фугата с лютерной водой, нейтрализацию до pH 7,0 полученной рабочей смеси посредством известкового раствора и подачу ее в накопители, приготовление компоста из плотного остатка органической массы и добавление вермикультуры, причем дополнительно используют отходы свиноводческих стоков, которые прессуют для разделения на твердую и жидкую фракции, осуществляют их дельмигизацию, затем жидкую фракцию отправляют в накопитель, где ее разбавляют водой в соотношении 1:10 (Патент РФ № 2528024 Опубликовано: 10.09.2014).

Известны органические удобрения, содержащие отходы животноводства и птицеводства (Патент РФ № 2602626 Опубликовано: 20.11.2016; № 2504520 Опубликовано: 20.01.2014). с влажностью 75-90%, дополнительно содержит мочевину и формалин. Все компоненты взяты при определенном соотношении. Способ получения органического удобрения, которое в качестве источника органического вещества содержит отходы животноводства с влажностью 75-90% и дополнительно содержит мочевину и формалин, причем смесь мочевины и формалина нагревают до 92-105°С в течение 6-8 мин с последующим добавлением источника органического вещества.

Известен способ переработки органических отходов с получением комплексного биоорганического удобрения и активатора компостирования одновременно (Патент РФ № 2673738).

Известен способ утилизации молибденшеелитовых отходов включает использование их в качестве удобрений в смеси с минеральными и органическими отходами. Молибденшеелитовые отходы в смеси с древесными отходами - шишками хвойных пород в соотношении 1:1 растворяют в спиртовой барде из расчета 100-150 л/га с выдержкой 8-12 ч с последующим добавлением цеолитсодержащей глины Диалбекулит в количестве 1-1,5 т/га. Осуществляется получение прибавки урожая сельскохозяйственных культур, снижение затрат на дорогостоящие минеральные удобрения, повышение плодородия почв и активизирование работы микрофлоры почвы (Патент РФ № 2671474 Опубликовано: 31.10.2018).

Известен способ приготовления органического удобрения (Патент РФ № 2618313 Опубликовано: 03.05.2017). Изобретение относится к утилизации пищевых и животноводческих отходов, применяемых в качестве удобрений. Удобрение готовят из отходов бахчевых и овощных культур, которые замачивают в отходах спиртовой промышленности на 1-2 дня в количестве 20-30% от объема послеспиртовой барды. В эту смесь добавляют цеолитсодержащую глину Аланит в пределах 15-20% и перепелиный помет в количестве 10-15%.

Известен способ получения органического удобрения и кормовых добавок на основе остаточных продуктов переработки рыбных отходов, в котором смесь из любых рыбных отходов подвергают дроблению и измельчению до фракций с диаметром не более 2-3 мм, осуществляют подготовительный процесс, заключающийся в равномерном перемешивании, термическом нагреве не более 5 часов при температуре 80°-90°C, остывании до температуры не ниже 45°C, поддержании влажности смеси не ниже 75%, далее обеспечивают процесс анаэробного брожения в реакторе при оптимальной температуре 60°C, при этом в процессе ферментации обеспечивают единожды температурный скачок до температуры 105°C в течение 15-20 мин, вводят раствор фосфорной кислоты и ферменты биологического характера, конечный продукт после ферментации подвергают процессу отделения жидкой составляющей и биологического осадка (фугата), в конечный пастообразный гранулят добавляют смесь низкомолекулярных жирных кислот (Патент РФ № 2502714 Опубликовано: 27.12.2013).

Известно органическое удобрение содержит водный раствор растительных остатков, причем в него добавляют запаренные ржаные сухари - отходы производства хлебного кваса и древесную золу, содержание растительных остатков на 100 л воды составляет 6-20 кг, запаренных ржаных сухарей - 1-3 кг, древесной золы - 100-200 г (Патент РФ № 2601214 Опубликовано: 27.10.2016).

Известен способ переработки кородревесных отходов, осуществляющийся посредством того, что в толщу короотвала вводят активирующий раствор, содержащий лимитирующие процесс биодеструкции биогенные элементы и сообщество микроорганизмов, обладающих целлюлолитической и лигнинолитической активностями, а также проводят аэрацию среды атмосферным воздухом. Процесс обеспечивается применением технологической линии, включающей расположенные в виде сети и связанные трубопроводами погружаемые в тело короотвала биореакторы, представляющие собой цилиндрические перфорированные емкости, снабженные системой подводящих труб, через которые периодически подают активирующий раствор и производит аэрацию, а образующуюся в результате переработки ожиженную фазу, представляющую собой жидкое биоудобрение, периодически выкачивают из внутренней части биореактора (Патент РФ № 2729366 Опубликовано: 06.08.2020).

Известен способ получения вермикомпоста (Патент РФ № 2369689 Опубликовано: 10.08.2009). Субстрат из лузги семян гречихи увлажняют, заселяют червями и компостируют. При подготовке субстрата компоненты органического сырья смешивают до однородного состояния, увлажняют, затем приготовленный субстрат укладывают в контейнер, в котором его выдерживают в течение 15-20 дней. Созревший субстрат заселяют червями и увлажняют до 70%, компостирование осуществляется 4-4,5 мес. В субстрат из лузги семян гречихи дополнительно вводят навоз свиной в соотношении 1:1.

Известен способ получения биоудобрения (Патент № 2542115 Опубликовано: 20.02.2015), включающий получение биосмеси путем внесения микробных культур Pseudomonas sp. 114, депонированной в ВКПМ под № В-5060, и Azotobacter chroococcum В 35, депонированной в ВКПМ под № В-6010, с титром 10⁸ кл./мл в соотношении 2:1 на сухой комбинированный носитель из расчета 60 мл на 1 кг и перемешивание, причем в качестве носителя используют целлюлозосодержащее вещество, например лузгу подсолнечника или риса, и минеральносодержащий компонент, например перлит, взятые в соотношении 1:3 по массе, далее биосмесь наносят на пол птицеводческих помещений в дозе 30-70 г на 1 м² при влажности носителя 15-20%, затем биосмесь с отходами птицеводческих помещений по мере накопления собирают и складируют в бурты.

К недостаткам данных способов относиться большая трудоемкость и материалоемкость.

Известен способ получения органоминерального удобрения из сточных вод шерстемоечного производства с одновременной их утилизацией (Патент РФ № 2756498 Опубликовано: 01.10.2021), включающий контактирование жиросодержащих органических отходов шерстемоечного производства с серпентинитом, при этом используют серпентинит в гранулированном виде при размере гранул от 0,25 до 2,5 мм, а в качестве жидких отходов шерстемоечного производства - свежеобразованную сточную воду шерстемоечного производства, срок хранения которой не превышает 3 суток, упомянутое контактирование осуществляют в одной или нескольких колоннах, в каждую из которых загружают указанный гранулированный серпентинит и производят его обработку пропусканием через колонну не менее 20 колоночных объемов свежеобразованной сточной воды шерстемоечного производства со скоростью, не превышающей 10 колоночных объемов в час, по завершении такой обработки обработанный серпентинит в виде покрытых жиром гранул выгружают из колонны и сушат, получая готовый продукт. Известно, что сточные воды шерстемоечного производства превышают предельно-допустимые концентрации (ПДК) по взвешенным веществам, СПАВ, жиру, БПК, обладают специфическим запахом, дают токсичный сероводород (Садыгалиева Г.К., Асанова Г.Ж., Егембердиева Г.А. Оценка влияния шерстомойных стоков на окружающую среду. Вестник Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры им. Н. Исанова. 2013. №2. С. 116-119). Превышение ПДК используемой сточной воды является недостатком способа получения органоминерального удобрения из сточных вод шерстемоечного производства.

Все выше представленные способы получения органических удобрений из отходов характерны для определенной промышленности или сельского хозяйства и не характерны для способов утилизация отходов производств обжарки кофе. Недостатками этих способов является трудоемкость процесса и соответственно высокие затраты.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка безотходного, экологически безопасного способа получения натурального органоминерального удобрения пролонгированного действия на основе отхода кофейного производства - кофейной шелухи (с содержанием кофейной шелухи 40 %, содержанием глауконитовой глины 12,9 %, содержанием микроводорослей Chlorella vulgaris 47,1 %). Удобрение предназначено для восполнения дефицита основных элементов минерального питания растений (азота, фосфора, калия, углерода), а также для активации почвенных азотфиксирующих микроорганизмов, способствующих естественному накоплению связанных форм азота в почвенных системах. Биоудобрение на основе кофейной шелухи - отхода производства обжарки кофе должно быть нетоксично и пригодно для использования на любых типах почв, а также в системах органического земледелия. Технология производства биоудобрения должна быть безотходной. Данная задача решается за счет включения в состав биоудобрения натуральных компонентов (кофейной шелухи, глауконитовой глины, микроводорослей Chlorella vulgaris ), разрешенных для использования в органическом производстве [ГОСТ Р 56508-2015. Продукция органического производства. Правила производства, хранения, транспортирования].

Техническим результатом заявленного изобретения является получение нового вида натурального комплексного органоминерального удобрения пролонгированного действия на основе кофейной шелухи - отхода производства обжарки кофе, глауконитовой глины и микроводорослей Chlorella vulgaris. Технический результат достигается за счет того, что предлагаемый способ получения органоминерального удобрения заключается в том, что готовят рабочую смесь, содержащую кофейную шелуху, глауконитовую глину и микроводоросли Chlorella vulgaris,

Суть изобретения заключается в проведении последовательных операций:

- смачивание кофейной шелухи суспензией микроводорослей Chlorella vulgaris;

- добавление и перемешивание с глауконитовой глиной;

- подача полученной смеси компонентов двухвинтовым питателем на пресс-гранулятор для получения гранул диаметром 5 мм и высотой 5 мм;

- затаривание гранулированного натурального органоминерального удобрения в мешки или мягкие контейнеры.

Предварительно нарабатывается суспензия микроводорослей Chlorella vulgaris на питательной среде Тамия (на 1 дм³ деионизированной воды) следующего состава: KNO₃ - 5 г, KH₂PO₄ × 3H₂O - 1,25 г, MgSO₄×7H₂O - 2,5 г, в ферментере Biostat® A MO UniVessel® Glass ВВ-8822000 2L 230V 5 суток в условиях жидкофазной ферментации при 350 об./мин, температуре 25-27°С, рН 5,5-6,5, освещении фитолампой 175-250В 50 Гц до достижения титра клеток в суспензии 8 млн. кл./мл.

Штамм микроводоросли Chlorella vulgaris f. globosa выделен в 2010 г. из почвы на стоянке оленеводов в Приполярном Урале. Штамм депонирован в Коллекции микроорганизмов Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Штамму присвоен номер IPPAS-2024.

В классификации микроорганизмов по группам патогенности Санитарно-эпидемиологических правил СП 1.3.2322-08 от 1 мая 2008 г. «Безопасность работы с микроорганизмами III - IV групп

патогенности (опасности) и возбудителями паразитарных болезней» данный вид (род) не значится.

Изобретение позволяет получить органоминеральное удобрение для восполнение дефицита фосфора (Р), магния (Mg), калия (K), углерода (C) в почве.

По результатам аналитических исследований рассчитано содержание органического углерода (Сорг.) в полученном удобрении, составившее 38,1%; соотношение углерода к азоту (С:N), которое составило 20 (оптимальное соотношение 20-30).

В результате проведенных испытаний были получены следующие показатели органического удобрения (см. таблицу 1, 2).

Таблица 1. Содержание веществ в органическом удобрении на основе кофейной шелухи пролонгированного действия Наименование показателей Нормы по ГОСТ Результаты испытаний Массовая доля сухого вещества, % не менее 25 96,3 Показатель активности водородных ионов (реакция водной среды), рН 6,0-8,5 7,5 Массовая доля питательных веществ в удобрении, %, не менее:
Азота общего
Фосфора общего, в пересчете на P₂O₅
Калия общего в пересчете на K₂O
Магния в пересчете на MgO 0,7
0,5
0,6 2,06
0,5
2,64
0,58 Массовая концентрация примесей отдельных токсичных элементов мг/кг сухого вещества, не более:
Свинца
Кадмия
Ртути
Мышьяка 130,0
2,0
2,1
10,0 2,4±0,6
0,32±0,16
-
1,7±0,9 Наличие жизнеспособных яиц и личинок гельминтов,
экз./кг, в том нематод (аскаридат, трихоцефалов,
стронгилят, стронгилоидов),
тремотод, цестод Не допускается Отсутствуют

Таблица 2 - Содержание жирных кислот ЖК Название кислоты Содержание, мкг/г Содержание, % С_12:0 Лауриновая <5,0 0,1 С_14:0 Миристиновая 279,5 4,07 С_14:1 Миристоолеиновая <5,0 0,1 С_16:0 Пальмитиновая 2294,6 33,44 С_16:1 Пальмитоолеиновая 13,9 0,2 С_18:0 Стеариновая 428,1 6,2 С_18:1(9) Олеиновая 109,7 1,59 С_18:1(11) Вакценовая 339,0 4,9 С_18:2 Линолевая 1528,2 22,27 С_18:3 Линоленовая 73,3 1,06 С_20:0 Арахиновая 794,7 11,58 С_22:0 Бегеновая 999,8 14,57

Исходя из результатов видно, что полученное органическое удобрение соответствует требованиям ГОСТ, и может безопасно применяться, путем внесения в почву. Кроме того, полученное органическое удобрение пролонгированного действия в составе кофейной шелухи содержит жирные кислоты (см. таблицу 2) активизирующие почвенные микроорганизмы, переводящие трудно растворимые формы удобрения в доступные.

Способ получения натурального органоминерального удобрения пролонгированного действия на основе отхода кофейного производства - кофейной шелухи заключается в том, что осуществляют смачивание кофейной шелухи суспензией микроводорослей Chlorella vulgaris, добавление и перемешивание с глауконитовой глиной, подачу полученной смеси двухвинтовым питателем на пресс-гранулятор для получения гранул диаметром 5 мм и высотой 5 мм. Затаривают гранулированное натуральное органоминеральное удобрение в мешки или мягкие контейнеры. Соотношение компонентов, мас.%: кофейная шелуха - 40%, микроводоросли Chlorella vulgaris - 47,1%, глауконитовая глина - 12,9%. Техническим результатом является восполнение дефицита основных элементов минерального питания растений (азота, фосфора, калия, углерода), а также активация почвенных азотфиксирующих микроорганизмов, способствующих естественному накоплению связанных форм азота в почвенных системах. 2 табл.

Способ получения натурального органоминерального удобрения пролонгированного действия на основе отхода кофейного производства - кофейной шелухи, характеризующийся тем, что осуществляют смачивание кофейной шелухи суспензией микроводорослей Chlorella vulgaris, добавление и перемешивание с глауконитовой глиной, подачу полученной смеси двухвинтовым питателем на пресс-гранулятор для получения гранул диаметром 5 мм и высотой 5 мм, затаривание гранулированного натурального органоминерального удобрения в мешки или мягкие контейнеры, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кофейная шелуха 40 микроводоросли Chlorella vulgaris 47,1 глауконитовая глина 12,9