Установка и способ оценки эффективности биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в канализационной системе Российский патент 2024 года по МПК C12Q1/00 C12M1/00 G01N33/48 

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано при определении наиболее активного варианта консорциума липофильных бактерий для биопрепарата, а также расчета нормы внесения биопрепарата для деструкции жиросодержащих отходов в микроаэрофильных условиях канализационной системы очистных сооружений предприятий пищевой и химической промышленности.

Техническая задача заключается в создании способа достоверной оценки эффективности применения биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в условиях, максимально приближенных к условиям, существующим в канализационных системах очистных сооружений предприятий пищевой и химической промышленности, и устройства для осуществления такого способа в лабораторных условиях.

Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала средств для создания лабораторных условий, имитирующих микроаэрофильные условия канализационной системы очистных сооружений предприятий пищевой и химической промышленности, содержащей жиросодержащие отходы, а также обеспечение возможности оценки эффективности биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в канализационной системе в лабораторных условиях.

Технический результат достигается следующим образом.

Установка оценки эффективности биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в канализационной системе представляет собой состоящий из последовательно соединенных, скрепленных хомутами, прямых труб, тройников и канализационных колен, образующих изгибы в расчете 1 изгиб на 5 л воды, расположенный в трех плоскостях трубопровод, к самой низкой точке которого присоединена посредством резиновой уплотнительной муфты подающая помпа с таймером, которая подает водно-жировую через циркуляционный канал, присоединенный посредством резиновой уплотнительной муфты к тройнику, находящемуся в непосредственной близости к самой высокой точке трубопровода, которая оборудована съемной заглушкой.

Способ оценки эффективности биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в канализационной системе, согласно которому в установку оценки эффективности биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в канализационной системе последовательно вносят водопроводную воду и источник жира, обеспечивают циркуляцию водно-жировой смеси в течение 24 часов, вносят исследуемый биопрепарат, на протяжении 10 суток с периодичностью 1 раз в 48 часов отбирают пробы через закрытое съемной заглушкой отверстие в самой верхней точке трубопровода во время работы подающей помпы с таймером, измеряют значения рН, температуры, общей численности и преобладающих морфотипов микроорганизмов, по окончании эксперимента сливают и концентрируют жировые остатки в водной фракции, оценивают наличие и размер жиросодержащих отложений, извлекают и взвешивают объединенные остатки жиросодержащих отложений, анализируют в остатках жиросодержащих отложений кислотное число и перекисное число, формируют вывод об эффективности исследуемого биопрепарата на основе оцененных параметров.

Установка оценки эффективности биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в канализационной системе работает следующим образом.

На Фиг. 1 обозначены: 1 - хомуты; 2 - прямые трубы; 3 - тройник; 4 -канализационные колена; 5 - подающая помпа с таймером; 6 - съемная заглушка; 7 - циркуляционный канал.

Установку собирают путем последовательного соединения и скрепления хомутами (1) прямых труб (2), тройников (3) и канализационных колен (4) в трех плоскостях в расчете 1 изгиб на 5 л воды. К самой низкой точке трубопровода присоединяют при помощи резиновой уплотнительной муфты подающую помпу с таймером (5), которая подает водно-жировую смесь через циркуляционный канал (7), присоединенный посредством резиновой уплотнительной муфты к тройнику (3), находящемуся в непосредственной близости к самой высокой точке трубопровода, которая оборудована съемной заглушкой (6). Таким образом, осуществляют циркуляцию жидкости в установке. Для имитации залпового сброса воды подающая помпа с таймером (5) включается периодически по 15 мин с промежутком в 15 мин.

Предлагаемая конструкция позволяет при минимальном объеме установки достигнуть максимального количества изгибов для получения репрезентативных данных. Это позволяет достоверное оценить эффективность биодеструкции, так как на каждом изгибе образуются жиросодержащие отложения.

Готовят водно-жировую смесь, состоящую из источника жира и водопроводной воды, последовательно добавляют в установку водопроводную воду и источник жира, запускают подающую помпу с таймером (5) для создания движения водно-жировой смеси через циркуляционный канал (7) в течение 24 часов. Стабилизированная система внутри установки имитирует жиросодержащие отходы в канализационной системе.

Соотношение вода-источник жира выбирают в соответствии с целью эксперимента, при выборе следует ориентироваться на предельно допустимую концентрацию жиров в сточных водах, например, в России ПДК 50 мг/л установлена Постановлением Правительства РФ № 644 «Об утверждении Правил холодного водоснабжения и водоотведения…».

В установку с жиросодержащими отходами, вносят исследуемый биопрепарат. На протяжении 10 дней с периодичностью 1 раз в 48 часов путем взятия проб через отверстие, закрытое съемной заглушкой 6), в самой верхней точке трубопровода во время работы подающей помпы с таймером (5). При анализе проб проводят измерения значений рН, температуры, общей численности и преобладающих морфотипов микроорганизмов. После окончания эксперимента проводят слив водной фракции из установки, концентрируют из водной фракции и взвешивают жировые остатки, разбирают установку и оценивают наличие и размер жиросодержащих отложений в местах соединений прямых труб (2) и канализационных колен (4), жиросодержащие отложения извлекают и взвешивают. В сконцентрированных остатках жиросодержащих отложений проводят анализ кислотного числа и перекисного числа для определения степени гидролиза и окисления жира. Эффективность работы биопрепарата или оценивают по результатам количественного и качественного анализа объединенных остатков жиросодержащих отложений.

Пример реализации 1. Контрольный эксперимент

Установку собирали путем последовательного соединения прямых труб ПВХ, тройников ПВХ и канализационных колен диаметром 110 мм и 50 мм в трех плоскостях таким образом, чтобы образовалось 13 изгибов, рассчитанных на 65 л воды. К низшей точке установки при помощи резиновой уплотнительной муфты присоединяли водяную подающую помпу с таймером, которая подает содержащуюся в системе жидкость к закрытой съемной заглушкой самой высокой точке через циркуляционный канал, представляющий собой шланг ПВХ, таким образом, осуществляется циркуляция жидкости в установке каскадом от самой высокой точки к самой низкой точке трубопровода. Для имитации залпового сброса воды подающая помпа включалась периодически. Режим включения и работы помпы составлял 15 мин с промежутком в 15 мин.

Готовили водно-жировую смесь следующим образом: последовательно внесли в установку водопроводную воду в объеме 60 л и источник жира, в качестве которого выступило растопленное пальмовое масло массой 1,5 кг, запустили помпу для создания движения водно-жировой смеси через циркуляционный канал в течение 24 часов. Стабилизированная система внутри установки имитирует жиросодержащие отходы в канализационной системе, представляющие собой образовавшиеся из водно-жировой смеси водную фракцию и жиросодержащие отложения.

В качестве химического контроля проводили эксперимент с загрузкой установки водно-жировой смесью без добавления биопрепарата. Продолжительность эксперимента - 10 дней, в ходе которого с периодичностью 1 раз в 48 часов проводили измерения значений рН, температуры, а также микроскопирование пробы, которую отбирали через отверстие, закрытое съемной заглушкой, в самой верхней точке трубопровода во время работы подающей помпы с таймером. По завершении эксперимента проводили извлечение жиросодержащих отложений, их взвешивание и анализ кислотного числа и перекисного числа.

По результатам контрольного 10-дневного эксперимента (таблица 1) с загрузкой в установку водно-жировой смеси, состоящей из 60 л воды и 1,5 кг пальмового масла, без добавления биопрепарата показано, что значение рН варьировало в пределах 7,36-7,44 и содержание пальмового масла практически не изменилось. Взвешивание жиросодержащих отложений пальмового масла показало незначительное снижение содержания (на 45 г), что составляет 3 % от исходного количества пальмового масла. Результаты анализа кислотного числа и перекисного числа пальмового масла после контрольного эксперимента показаны в таблице 2. Кислотное число жира - показатель, который характеризует содержание в жирах свободных жирных кислот, накапливающихся в продукте при их гидролизе и окислении. Перекисное число отражает степень окисленности жира (масла), обусловленную накоплением перекисных соединений (перекисей и гидроперекисей) при окислении жира (масла) в процессе хранения, особенно активно протекающего на свету.

Таблица 1 - Динамика выбранных параметров в ходе контрольного эксперимента без добавления биопрепарата 0 сут 9 суток рН 7,44 7,36 T°C 21,0 21,1 Численность, Кл/мл Не обнаружено Не обнаружено Содержание жира, г 1500 1455

Таблица 2 - Показатели кислотного числа и перекисного числа жира, определенные для пальмового масла, собранного после контрольного эксперимента Показатели Ед.изм. ГОСТ Содержание Кислотное число жира мг КОН/г ГОСТ31933_2012 п.7.1 0,52±0,10 Перекисное число жира Мм (1/2О)/кг ГОСТ Р 51487-99 п. 9.2.2 4,62±0,92

Пример реализации 2

Установку собирали аналогично примеру 1. Водно-жировую смесь готовили аналогично примеру 1. В установку, содержащую жиросодержащие отходы, вносили биопрепарат «Универсал» (партия от 25.08.2023 г.) в объеме 3 л (5 % инокулята). Консорциум, входящий в состав исследуемого биопрепарата, представлен следующими штаммами липофильных спорообразующих бактерий: Bacillus subtilis sp. M22, B. subtilis sp. B10, B. subtilis sp. С1, B. subtilis sp. С4, B. licheniformis sp. LZ-1e, Brevibacillus sp. 28Д.

На протяжении 10 дней с периодичностью 1 раз в 48 часов отбирали пробы через отверстие, закрытое съемной заглушкой, в самой верхней точке трубопровода во время работы подающей помпы с таймером и проводили измерения значений рН, температуры, общей численности и преобладающих морфотипов микроорганизмов. После окончания эксперимента сливали водную фракцию из установки и концентрировали и взвешивали жировые остатки пальмового масла в водной фракции, разбирали установку и оценивали наличие и размер жиросодержащих отложений в местах соединений прямых труб и канализационных колен, жиросодержащие отложения извлекали и взвешивали. По результатам анализа водно-жировой смеси пальмового масла до и после обработки биопрепаратом формировали вывод об эффективности биопрепарата «Универсал». Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Динамика выбранных параметров в ходе эксперимента с добавлением биопрепарата «Универсал» 0 сут 3 суток 5 суток 7 суток 9 суток рН 7,3 7,39 7,03 6,97 6,86 T°C 21,1 21,0 21,2 21,0 21.6 Численность, Кл/мл 5,43±0,57×10⁶ 5,51±0,6×10⁶ 1,12±0,09×10⁷ 2,06±0,18×10⁷ 6,53±0,16×10⁵ Содержание жира, г 1500 - - - 1355

По результатам эксперимента наблюдали снижение значения рН с 7,3 до 6,86 на 10-е сутки работы установки с биопрепаратом «Универсал». Температура воды в установке варьировала в пределах 21,0-21,6°C и была сопоставима с температурой окружающей среды. Численность бактериальных клеток, составляющих основу биопрепарата - не менее 10⁸ кл/мл. В день внесения биопрепарата в точке отбора пробы численность составила не менее 5,43±0,57×10⁶. Затем в течение 3 суток наблюдали закономерное снижение численности и последующий её рост. Максимальное увеличение численности, зафиксированное через 7 суток от начала эксперимента, составило 2,06±0,18×10⁷ и совпало со снижением рН до значений менее 7,0. Это косвенно может свидетельствовать о подкислении среды за счет метаболизма бактерий. Наблюдаемыми морфотипами были одиночные палочковидные клетки разной морфологии и размеров. В конце эксперимента наблюдали появление спорообразующих палочек, которые чаще образовывали конгломераты из нескольких клеток. Однако доминировать в конце эксперимента продолжали одиночные палочки.

Подсчет количества жиросодержащих отложений после завершения эксперимента и разбора установки показал, что 145 г пальмового масла были утилизированы консорциумом бактерий из биопрепарата и не менее 100 г с учетом результатов, полученных в контрольном эксперименте, что составляет 9,66% или 6,66 %, соответственно. Визуальный осмотр водной фракции и жиросодержащих отложений после эксперимента с биопрепаратом «Универсал» показал, что пальмовое масло имеет более рыхлую консистенцию по сравнению с контрольным экспериментом.

Результаты определения кислотного числа и перекисного числа представлены в таблице 4. Показатель кислотного числа увеличился более чем в десять раз и составил 5,91±0,41 мг КОН/г по сравнению с контрольной пробой пальмового масла и значением его кислотного числа в 0,52±0,10 мг КОН/г. Полученные показатели перекисного числа не отличались от результатов контрольного эксперимента. Это может свидетельствовать о том, что микроорганизмы в составе биопрепарата «Универсал» не оказывают влияния на накопление перекисных соединений в условиях проведенного эксперимента.

Полученные результаты свидетельствуют о достаточно активных процессах гидролиза пальмового масла и образования свободных жирных кислот под действием биопрепарата «Универсал» в условиях эксперимента с установкой. Эффективность утилизации пальмового масла в концентрации 2,5 %, определенная весовым методом, составила не менее 6 % за 10 суток.

Таблица 4 - Показатели кислотного числа и перекисного числа жира, определенные для пальмового масла, собранного после эксперимента с биопрепаратом «Универсал» Показатели Ед.изм. ГОСТ Содержание Контроль Универсал Кислотное число жира мг КОН/г ГОСТ 31933_2012 п.7.1 0,52±0,10 5,91±0,41 Перекисное число жира Мм(1/2О)/кг ГОСТ Р 51487-99 п. 9.2.2 4,62±0,92 4,64±0,93

Пример реализации 2

Установку собирали аналогично примеру 1. Готовили водно-жировую смесь, где в качестве источника жира использовали растопленное сливочное масло с жирностью 72,5 % массой 2 кг, и водопроводной воды объемом 60 л.

Для эксперимента использовали консорциум, содержащий грамположительные и грамотрицательные штаммы бактерий (спорообразующие штаммы Bacillus subtilis M22, B. subtilis sp. B10, Brevibacillus sp. 28Д и не образующие спор штаммы Pseudomonas citronellolis А13, P. extremaustralis Б11, P. nitroreducens Д15, Pseudomonas sp. B21 и Microvirgula curvata В37). Консорциум внесен в установку в объеме 1500 мл (2,5 % инокулята). Температура воздуха в помещении и жидкости внутри установки на протяжении всего эксперимента составляла 20°С.

Через 3 суток от начала эксперимента значение рН снизилось с 7,3 до 6,0. Плотность клеток оставалась высокой (не менее 10⁸ кл/мл), преобладали палочкообразные клетки разной морфологии, вибрионы (Microvirgula), диплококки. Несмотря на наличие циркуляции жидкости в установке, условия внутри установки были микроаэрофильными. Высокая численность микроорганизмов в присутствии низких концентраций кислорода свидетельствует об успешном росте консорциума и его высоком биотехнологическом потенциале для использования в условиях промышленных очистных сооружений и систем канализации.

На момент окончания эксперимента значение рН оставалось на уровне 6,0, численность увеличилась до 5×10⁹ кл/мл. Водная фракция в установке мутная, жиросодержащие отложения обнаружены только в месте загрузки растопленного сливочного масла. Толщина жиросодержащих отложений не превышала 0,5 см. Через 6 суток от начала эксперимента водную фракцию слили из установки, остатки масла тщательно сконцентрировали и взвесили. В результате деструкции отмечено уменьшение массы источника жира на 727 г, что составило 36 % от первоначального объема источника жира. Результаты представлены в таблице 5.

Таблица 5. Динамика значений рН, численности и содержания молочного жира в ходе эксперимента с липофильным консорциумом

Начало эксперимента 3 суток 6 суток рН 7,3 6,0 6,0 Численность, Кл/мл 10¹⁰ 10⁸ - 10⁹ 5×10⁹ Содержание жира, г 2000 Не определяли 1273

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано при определении наиболее активного варианта консорциума липофильных бактерий для биопрепарата, а также расчета нормы внесения биопрепарата для деструкции жиросодержащих отходов в микроаэрофильных условиях канализационной системы очистных сооружений предприятий пищевой и химической промышленности. Установка оценки эффективности биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в канализационной системе представляет собой состоящий из последовательно соединенных, скрепленных хомутами, прямых труб, тройников и канализационных колен, образующих изгибы в расчете 1 изгиб на 5 л воды, расположенный в трех плоскостях трубопровод. К самой низкой точке трубопровода присоединена посредством резиновой уплотнительной муфты подающая помпа с таймером, которая подает жидкость через циркуляционный канал, присоединенный посредством резиновой уплотнительной муфты к тройнику, находящемуся в непосредственной близости к самой высокой точке трубопровода, которая оборудована съемной заглушкой. Способ оценки эффективности биопрепаратов заключается в том, что в указанную установку последовательно вносят водопроводную воду и источник жира, обеспечивают циркуляцию водно-жировой смеси в течение 24 часов, вносят исследуемый биопрепарат. На протяжении 10 суток с периодичностью 1 раз в 48 часов отбирают пробы через закрытое съемной заглушкой отверстие в самой верхней точке трубопровода во время работы подающей помпы с таймером, измеряют значения рН, температуры, общей численности и преобладающих морфотипов микроорганизмов. По окончании эксперимента сливают и концентрируют жировые остатки в водной фракции. Оценивают наличие и размер жиросодержащих отложений, извлекают и взвешивают объединенные остатки жиросодержащих отложений, в которых анализируют кислотное число и перекисное число, и затем формируют вывод об эффективности исследуемого биопрепарата на основе оцененных параметров. Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала средств для создания лабораторных условий, имитирующих микроаэрофильные условия канализационной системы очистных сооружений предприятий пищевой и химической промышленности, содержащей жиросодержащие отходы, а также обеспечение возможности оценки эффективности биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в канализационной системе в лабораторных условиях. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр., 5 табл.

1. Установка оценки эффективности биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в канализационной системе, представляющая собой состоящий из последовательно соединенных, скрепленных хомутами, прямых труб, тройников и канализационных колен, образующих изгибы в расчете 1 изгиб на 5 л воды, расположенный в трех плоскостях трубопровод, к самой низкой точке которого присоединена посредством резиновой уплотнительной муфты подающая помпа с таймером, которая подает жидкость через циркуляционный канал, присоединенный посредством резиновой уплотнительной муфты к тройнику, находящемуся в непосредственной близости к самой высокой точке трубопровода, которая оборудована съемной заглушкой.

2. Способ оценки эффективности биопрепаратов для деструкции жиросодержащих отходов в канализационной системе, согласно которому в установку по п. 1 последовательно вносят водопроводную воду и источник жира, обеспечивают циркуляцию водно-жировой смеси в течение 24 часов, вносят исследуемый биопрепарат, на протяжении 10 суток с периодичностью 1 раз в 48 часов отбирают пробы через закрытое съемной заглушкой отверстие в самой верхней точке трубопровода во время работы подающей помпы с таймером, измеряют значения рН, температуры, общей численности и преобладающих морфотипов микроорганизмов, по окончании эксперимента сливают и концентрируют жировые остатки в водной фракции, оценивают наличие и размер жиросодержащих отложений, извлекают и взвешивают объединенные остатки жиросодержащих отложений, в которых анализируют кислотное число и перекисное число, формируют вывод об эффективности исследуемого биопрепарата на основе оцененных параметров.