Способ получения концентрата гуминовых соединений из торфа для получения биостимулирующих гуминовых препаратов Российский патент 2025 года по МПК C05F11/02 C05G3/00 A01N61/00 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству, животноводству, птицеводству, рисоводству, ветеринарии, а именно к области технологии переработки низинного торфа с целью получения биостимулирующих гуминовых препаратов, которые могут быть использованы в качестве биостимулирующего удобрения, стимулятора роста растений, биодобавки к корму животных, птицы и рыб, также для стимуляции роста микроорганизмов и биосинтеза специфических антигенов и вторичных метаболитов, в качестве стабилизаторов половых клеток в составе разбавителя и защитной среды при искусственном осеменении, также в виде регулятора процесса силосования кормов и в производстве ветпрепаратов.

Известен способ получения препарата из торфа (патент BY 1702, Cl, А61К 35/10 А61К 37\00, А23К 1/00Д997), для его изготовления используют торф 50% влажности со степенью разложения не менее 20%. Согласно, описанного метода, 18,8 кг торфа влажностью 50% ресуспендируют в 100 литрах дистиллированной воды. На 100 дм³ смеси добавляют 1,0 кг двууглекислого натрия и перекиси водорода до содержания 0,51-0,6%, гидролиз торфа осуществляется при температуре 100-120°С в течение 3-5 час, а нейтрализацию полученного гидролизата осуществляют до значения pH 6,8-7,4. Согласно известного метода из 1 г торфа извлекается 9,5% или 95 мг водорастворимых органических веществ, из них 80%составляют гуминовые соединения, таким образом из 1 г торфа по известному методу извлекается 7,6% гуминовых соединений, т.е 76 мг. Из них 35мг фульвовых кислот (солей) и 41 мг гуминовых кислот (солей).

Известный способ получения биологически активного препарата из торфа имеет ряд недостатков, а именно;

- сложность и длительность процесса извлечения

- многоэтапность

- использование энергонасыщенного оборудования (парогенераторы, насосы, центрифуги, реакторы)

- низкая производительность

- низкий выход продукта

- низкая активность БАВ

- содержание высокомолекулярных фракций токсичных для организма человека и животных

Из уровня техники, также известен способ получения жидкого торфо-гуминового удобрения по патенту RU 2411224, включающий приготовление водно-торфяной суспензии путем перемешивания, в котором торф перед загрузкой в воду предварительно измельчают и загружают в соотношении 1:1 по весу, перемешивание осуществляют в течение 1-2 ч, затем производят фильтрование крупных фракций более 3 мм, подготовленную водно-торфяную суспензию подвергают гидродинамической кавитации со скоростью вращения воздействующих на суспензию рабочих органов генератора 3000-6000 об/мин в течение 2-3 ч при температуре не более 80°С.

Недостатками являются очень длительный процесс применения способа, в результате низкий удельный выход конечного продукта, а также достаточно высокая температура обработки снижает биоактивные свойства препаратов, что сужает функциональные возможности по причине ограничения области применения.

Также известен способ получения гуминового препарата с содержанием гуминовых кислот и минеральных компонентов торфа по патенту RU 2373358 заключающийся в том, что предварительно подготавливают сырье, после чего его механико-химически обрабатывают. Обработку производят гидродинамически, затем проводят измельчение торфа и подготовку водно-торфяной суспензии, озонируют водно-торфяную суспензию, воздействуют щелочным реагентом, а также осуществляют кавитацию, гидратацию и отделение жидкой фракции, а количество щелочного реагента, необходимого для обработки торфо-водяной суспензии определяют реакцией нейтрализации водной суспензии торфа в пропорции (1:3) калийной щелочью до рН 6,5-7,5.

Недостатком известного способа являются невысокие функциональные возможности из-за недостаточной очистки получаемого препарата от щелочи (КОН), а также наличие большого количества балластных веществ. Остаточная щелочь, как и балластные вещества, оказывают отрицательное действие на растения, почву и корма в животноводстве и птицеводстве.

Известен способ получения экстракта гуминовых веществ (патент РФ №2720308), который включает измельчение гуминосодержащего сырья, выбранного из леонардита, и/или лигнина, и/или угля, и/или торфа, и/или сапропеля, до фракции 0,1-199 мкм, смешивание его с водой в соотношении сырье:вода от 1:1 до 1:15, обработку полученной смеси ультразвуком с частотой 20-40 кГц при температуре 30-80°С и давлении 0,05-0,8 МПа, с последующим охлаждением полученного экстракта до комнатной температуры. Недостатком является то, что полученный указанным способом препарат содержит главным образом гуминовые кислоты, а степень извлечения активных веществ, таких как фульвовые кислоты невысока.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения гуминового препарата с содержанием гуминовых кислот по патенту RU 2790724, кл. C05F 11/02 (2023.01), включающий использование низинного торфа, просеивание и измельчение его на вибросите до размеров частиц не более 5 мм, подачу обработанного торфа в роторный реактор-смеситель для механико-химической обработки и добавление щелочного реагента - гидроксид калия КОН.

Недостатком известного изобретения является сложный процесс получения гуминового препарата, включающий несколько этапов обработки торфа, что отрицательно влияет на выход гуминовых соединений, при этом степень извлечения активных веществ, таких как фульвовые кислоты невысокая.

Техническим результатом является упрощение процесса получения гу- минового препарата, повышение выхода гуминовых соединений, в частности фульвовых кислот, которые по сравнению с гуминовыми кислотами, более эффективные, т. к. легко вступают в реакцию с простыми неорганическими молекулами минеральных веществ и разбивают их на биодоступные вещества - ионы, которые в совокупности с фульвовыми кислотами имеют способность проникать в клеточные мембраны организма, а также легко усваиваться системами биологического организма.

Технический результат достигается тем, что в способе получения концентрата гуминовых соединений из торфа для получения биостимулирующих гуминовых препаратов, характеризующийся тем, что включает использование низинного торфа, просеивание и измельчение на вибросите до размеров частиц не более 5-6 мм, подачу его в реактор-смеситель для механикохимической обработки и добавление щелочного реагента - калия гидроксида (КОН) или гидроокиси натрия (NaOH), причем используют торф со степенью разложения 20-30%, с влажностью не выше 25% и зольностью не более 25% и смешивают в роторном реакторе-смесителе при частоте вращения ротора 2500-3000 об/мин в течение 30 мин со щелочным реагентом калия гидроксида (КОН) или гидроокиси натрия (NaOH) в количестве 0,1% - 0,2% от массы используемого торфа, при следующем соответствующем соотношении масс компонентов 1000:1 - 500:1 и получают концентрат гуминовых соединений, содержащий фульвовые и гуминовые кислоты в процентном соотношении 70:30.

Новизна заявляемого способа заключается в том, что для получения концентрата гуминовых соединений использована смесь торф с конкретными параметрами с оптимальным соотношением со щелочным реагентом обработанная физико-химическим методом.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, направлены на достижение технического результата и не выявлены при изучении патентной и научно-технической литературы в данной и смежной областях науки и техники и, следовательно, соответствуют критерию «изобретательский уровень».

Предложенный способ соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку может быть использован в области технологии переработки низинного торфа с целью получения биостимулирующих гуминовых препаратов, которые могут быть использованы в качестве биостимулирующего удобрения, стимулятора роста растений, биодобавки к корму животных.

Способ получения концентрата гуминовых соединений из торфа осуществляют следующим образом

Для получения концентрата гуминовых соединений используют низинный торф со степенью разложения - 20-30%, с влажностью не выше 25% и зольностью не более 25%. Использование такого торфа обусловлено тем, что это органическая порода, которая образуется на заболоченных участках, в поймах рек, увлажняемых жесткими водами. Около 90% ботанического состава - это эвтрофные растения, требовательные к питанию. Низинный торф характеризуется высокой зольностью и степенью разложения. Одним из основных условий образования низинного торфа является питание водами с высоким содержанием минеральных веществ. Чаще всего этот тип формируется в низинах, поймах рек, при зарастании водоемов. В таких местах подземный водный горизонт находится высоко, а осадки стекают со склонов, уже обогащенные минералами. Такие условия способствуют быстрому распаду органики до простых химических соединений, что наряду с питанием жесткими водами еще больше повышает зольность, в результате в торфе образуется много гуминовых веществ (https://gruntovozov.ru/torf/nizinnyiv-torf/).

Критически значимые показателями торфа являются:

- влажность;

- зольность;

- степень разложения;

- тип торфа - низинный;

- частицы (величина).

Торф просеивают на вибросите, измельчают до размеров частиц не более 5-6 мм, при необходимости просушивают до влажности 18-22%, загружают в роторный реактор-смеситель состоящем из смесителя - основного узла активатора и приемного накопителя, и добавляют щелочной реагент, в качестве которого в виде кристаллов используют гидроксид калия (КОН) или гидроокись натрия (NaOH) в количестве 0,1% - 0,2% от массы используемого торфа. При расчете получают следующее соответствующее соотношение масс компонентов 1000:1-500:1. Например: если взять КОН в количестве 0,1% от массы торфа, то на 1000 г торфа берем 1 г КОН, а если берем КОН в количестве 0,2% от массы торфа, то на 500 г торфа берем 1 г КОН.

Далее полученную смесь смешивают при частоте вращения ротора 2500-3000 об/мин в течение 30 мин. Такой режим обработки объясняется тем, что, при перемешивании смеси в роторном реактор-смеситель частицы подвергаются динамическому воздействию в виде удара и сдвига, которое измельчает и изменяет структуру обрабатываемого материала, что значительно облегчает выход гуминовых соединений из торфа. Его относят к коллоидным капиллярно-пористым материалам. Капилляры различной формы и длины с переменным поперечным сечением имеют эластичные стенки. Извлекаемое вещество переносится из твердой фазы в жидкую фазу за счет внутренней диффузии по капиллярам, заполненным щелочным реагентом. Скорость извлечения целевого вещества лимитируется скоростью протекания самой медленной стадии, которой является диффузия молекул фульвовых и гуминовых кислот в структуре капилляров и пор в процессе их экстракции из коллоидных капиллярно-пористых частиц торфа. Процесс реализуется по смешанному конвективно-диффузионному или диффузионному механизму (https://xumuk.ru/encyklopedia/2/5283.html). Для реализации этого процесса, как раз необходимо интенсивное перемешивание, а именно 2500-3000об/мин, в течение определенного времени, что приводит к обновлению поверхности контакта твердых частиц торфа со щелочным реагентом, повышая концентрацию извлекаемого вещества, за счет вибрации, пульсации и других колебаний при химических реакциях между веществом и щелочным реагентом, при этом процесс ускоряется. В результате, при следующем соответствующем соотношении масс компонентов 1000:1-500:1 получают концентрат гуминовых соединений, содержащий фульвовые и гуминовые кислоты в процентном соотношении 70:30 или 66:44, соответственно.

Таким образом, механическая обработка торфа основана на физико-химических эффектах, включая активацию твердых веществ, вследствие разупорядочения и ускорения диффузионных стадий процесса в твердой фазе и осуществление твердофазных химических реакций непосредственно в ходе механической обработки.

Для подтверждения эффективности заявляемого способа были проведены производственные опыты в лабораторных условиях.

Опыты представлены в примерах 1-9.

В примерах 1 и 2, представлены известные способы-аналоги получения гуминовых соединений с помощью жидкофазного гидролиза и контролем содержания фульвовых и гуминовых кислот.

Пример 1 - (аналог - контроль, по патенту BY 1702)

150 кг торфа влажностью 50% со степенью разложения 20% ресуспендируют в 0,8 м³ дистиллированной воды. На 1 м смеси добавляют 10 кг двууглекислого натрия и 17 дм³ 30%-го раствора перекиси водорода. Гидролиз ведут при температуре 100°С в течение 3-х часов, постоянно перемешивая. Гидролизат охлаждают до температуры 20°С и освобождают от взвешенных частиц путем центрифугирования, сгущают при пониженном давлении до 1/5 объема, закисляют 5%-ной HCl 2,0. Образовавшийся осадок отделяют путем центрифугирования, отделенный насадок раскисляют до рН-7,4 добавлением 10%-ного едкого натра.

К фильтрату добавляют натрия хлорид до 0,855. Препарат прогревают при температуре 100°С в течении 40 минут, фильтруют через фильтр-пластины «КР», расфасовывают во флаконы по 500,1000 или 200 дм³ и стерилизуют при 120°С.

При водном щелочном окислительном гидролизе из 1 г торфа получается 76 мг (7,6%) биологически активных веществ (БАВ), в том числе 41 мг гуминовых кислот (солей) и 35 мг фульвовых кислот (солей).

Пример 2. (аналог - контроль, по патенту РФ №2720308)

Предварительно измельченный торф, сапропель) до размера частиц 1-199 мкм, взятое в соотношении с водой от 1:1 до 1:15, помещают в ультразвуковую установку. В ультразвуковой установке осуществляют, нагрев рабочего раствора до 30-80°С, при достижении требуемой температуры производят обработку рабочего раствора ультразвуком при частоте ультразвуковых колебаний 20-40 кГц и давлении 0,05-0,8 МПа. После ультразвуковой обработки раствор охлаждают до комнатной температуры. В результате получают 5-6% фульвовых кислот, а гуминовых - 8-9%).

Пример 3 (заявляемый способ)

Обработку низинного торфа со степенью разложения 20%, влажностью 22% и зольностью 9% проводили в роторном реакторе-смесителе в течение 5 мин в присутствии 0,1% гидроксида калия при скорости вращения ротора аппарата 2500 об/мин.

После обработки в 1 г торфа содержалось 520 мг водорастворимых органических соединений. Из них 408 мг гуминовых соединений, включая 208 мг гуминовых кислот (солей) и 200 мг фульвовых кислот (солей). Соотношение гуминовых и фульвовых веществ составило 50% / 50%.

ПРИМЕР 4 (заявляемый способ) время обработки 10 минут.

Обработку торфа со степенью разложения 20%, влажностью 18% и зольностью 15% проводили в роторном реакторе-смесителе в течение 10 мин. в присутствии 0,1% гидроксида калия при скорости вращения ротора аппарата 2800 об/мин. В результате обработки в 1 г торфа присутствовало 602 мг водорастворимых органических соединений. Из которых было 503 мг гуминовых соединений, включая 252 мг гуминовых кислот (солей) и 251 мг фульвовых кислот (солей). Соотношение гуминовых и фульвовых веществ составило 50%/50%.

ПРИМЕР 5 (заявляемый способ), время обработки 20 минут.

Обработку торфа в роторном реакторе-смесителе проводили как в ПРИМЕРЕ 4, в течение 20 минут.

Из 1 г обработанного таким образом торфа извлекалось 706 мг водорастворимых органических соединений, из них 80% гуминовых соединений, т.е. 561 мг. При этом 336 мг фульвовых кислот (солей) и 224 мг гуминовых кислот (солей), при их соотношении 60%/40%.

ПРИМЕР 6 (заявляемый способ) время обработки 30 минут.

Обработку торфа в роторном реакторе-смесителе проводили как в ПРИМЕРЕ 4, но в течение 30 минут. В результате обработки торфа за вышеуказанный отрезок времени в 1 г продукта содержалось 784 мг водорастворимых органических соединений, из которых 702 мг составляли гуминовые соединения, из них 492 мг фульвовых кислот (солей) и 210 мг гуминовых кислот (солей), при их соотношении 70%/30%

ПРИМЕР 7 (заявляемый способ), 0,2% гидроокиси калия и обработку вели при скорости вращения ротора 3000 об/мин.

Обработку торфа в роторном реакторе-смесителе проводили как в ПРИМЕРЕ 6, использовали 0,2% гидроокиси калия и обработку вели при скорости вращения ротора 3000 об/мин. При извлечении были получены результаты аналогичные ПРИМЕРУ 6.

ПРИМЕР 8 (заявляемый способ)

Обработку торфа в роторном реакторе-смесителе проводили как в ПРИМЕРЕ 6, использовали 0,1% гидроокиси натрия. При извлечении были получены результаты аналогичные ПРИМЕРУ 6.

ПРИМЕР 9 (предлагаемый способ)

Обработку торфа в роторном реакторе-смесителе проводили как в ПРИМЕРЕ 6, но в течение 60 мин. В результате обработки при этом режиме в 1 г торфа содержалось 791 мг водорастворимых органических соединений, из которых 705 мг составляли гуминовые соединения, при этом из них 493 мг фульвовых кислот (солей) и 212 мг гуминовых кислот (солей), при их соотношении 70% / 30%.

ПРИМЕР 10 (заявляемый способ)

Обработку торфа в роторном реакторе - смесителе проводили как в ПРИМЕРЕ 6, использовали 0,2% гидроксида натрия. При извлечении были получены результаты аналогично ПРИМЕРУ 6.

В результате проведенной экспериментальной работы установлено, что режимы обработки торфа в роторном реакторе-смесителе влияют на выход и состав БАВ (примеры 3-10).

Так наиболее высокий выход БАВ был установлен при обработке торфа в течение 30 мин в присутствии 0,1-0,2%) калия гидроксида или натрия гидроксида при скорости вращения ротора 2800 об/мин. (примеры 6, 7, 8, 9, 10).

Как снижение продолжительности обработки торфа до 5,10 и 20 мин., так и увеличение более 30 мин экономически нецелесообразно.

Таким образом, в торфе с массовой долей золы 15,0-25,0%) и влажностью 18,-22,0%) БАВ находятся в связанном состоянии. Чтобы доказать повышение растворимости в воде и активность БАВ торфа в твердой фазе, были проведены технологические процессы в жидкой и твердой фазе. Из данных помещенных в ПРИМЕРАХ 1,2 и 6 видно, что предлагаемый твердофазный метод более предпочтителен, чем щелочной метод гидролиза торфа в жидкой фазе, т.к. обеспечивает увеличение выхода целевого продукта в 8,42 раза.

На основании выше отмеченного следует, что механическая обработка торфа в роторном реакторе-смесителе основывается на физико-химических эффектах, включая активацию твердых веществ, в следствии разупорядочения и ускорения диффузионных стадий процесса в твердой фазе и осуществления твердофазных химических реакций непосредственно в ходе механической обработки. Биологически активные вещества в торфе находятся в связанном состоянии в виде сложных комплексов.

В результате механической обработки торфа в роторном реакторе-смесителе параллельно с процессом перевода БАВ из связанного состояния в свободную водорастворимую форму происходит также процесс распада молекул гуминовой кислоты на более мелкие, т.е. фульвовые.

В предложенном способе обработки торфа механо-химическим методом в твердой фазе осуществляется с небольшим количеством щелочного реагента. В результате чего образуется микрокомпозитный продукт, который содержит в 5-10 раз меньше концентрации щелочи, чем при жидкофазном гидролизе.

Заявляемый способ позволяет снизить содержание высокомолекулярных фракций БАВ, повысив при этом низкомолекулярные. Очевидно, что наиболее простой метод регулирования скорости растворения БАВ, это, прежде всего, формирование частиц оптимального размера.

Назначаемые животным коммерческие гуминовые препараты, полученные щелочным жидкофазным окислительным гидролизом, содержат высокомолекулярные фракции гуминовых соединений, которые через 40-60 дней после применения приводят к нарушению функции печени и снижению продуктивности с 2-3% до 10%.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ получения концентрата гуминовых соединений из торфа для получения биостимулирующих гуминовых препаратов характеризуется тем, что включает использование низинного торфа, просеивание и измельчение на вибросите до размеров частиц не более 5-6 мм, подачу его в реактор-смеситель для механико-химической обработки и добавление щелочного реагента - калия гидроксида (КОН) или гидроокиси натрия (NaOH), причем используют торф со степенью разложения 20-30%, с влажностью не выше 25% и зольностью не более 25% и смешивают в роторном реакторе-смесителе при частоте вращения ротора 2500-3000 об/мин в течение 30 мин со щелочным реагентом калия гидроксида (КОН) или гидроокиси натрия (NaOH) в количестве 0,1-0,2% от массы используемого торфа, при следующем соответствующем соотношении масс компонентов 1000:1-500:1 и получают концентрат гуминовых соединений, содержащий фульвовые и гуминовые кислоты в процентном соотношении 70:30. Изобретение позволяет повысить выход гуминовых соединений. 10 пр.

Способ получения концентрата гуминовых соединений из торфа для получения биостимулирующих гуминовых препаратов, характеризующийся тем, что включает использование низинного торфа, просеивание и измельчение на вибросите до размеров частиц не более 5-6 мм, подачу его в реактор-смеситель для механико-химической обработки и добавление щелочного реагента - калия гидроксида (КОН) или гидроокиси натрия (NaOH), причем используют торф со степенью разложения 20-30%, с влажностью не выше 25% и зольностью не более 25% и смешивают в роторном реакторе-смесителе при частоте вращения ротора 2500-3000 об/мин в течение 30 мин со щелочным реагентом калия гидроксида (КОН) или гидроокиси натрия (NaOH) в количестве 0,1-0,2% от массы используемого торфа, при следующем соответствующем соотношении масс компонентов 1000:1-500:1 и получают концентрат гуминовых соединений, содержащий фульвовые и гуминовые кислоты в процентном соотношении 70:30.