СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ Советский патент 1971 года по МПК C12P1/02 

Изобретение относится к новому спбсббу получения гуминовых кислот и их солей, употребляемых самостоятельно или в сочетании с известными удобрениями в сельском хозяйстве для удобрения ночвы.

Многочисленные анализы элементарного состава гуминовых кислот показали, что они содержат (в %) углерода свыше 50, водорода около 3,50, кислорода около 35 и азота около 3.

Азот, который раньше считали случайным элементом гуминовых кислот, в свете новейших исследований признан неотъемлемым компонентом молекулы гуминовой кислоты, и, как установлено, около половины последнего переходит в раствор, главным образом в виде аминокислот и амидов.

Что касается содержаш,ихся в молекуле гуминовой кислоты функциональных групп, то на основе последних исследований полагают, что в ней имеется 3-4 карбоксильных, 3-8 гидроксил-фенольных групп, а также спиртовые и метоксигруппы. Кроме того, не исключено наличие хининовой, карбонильной, групп и двойной связи.

В УФ-спектре гуминовой кислоты найдены характерные полосы поглощения некоторых функциональных групп, таких как ОН, ароматическая и алифатическая С-Н, карбонильная С-Н, , , сложных эфиров, хинонов и фенолов, простых эфиров. Исследовалась также кристаллографическая структура солей гуминовой кислоты, причем

доказана кристаллическая структура фосфорнокислых производных гуминовой кислоты в противоположность аморфной структуре исходной гуминовой кислоты. Другим важным свойством гуминовых кислот, связанным с наличием в них карбоксильных и гидроксильных групп, является способность к участию в катионообменных явлениях, обычно превышающая 400 лшл-эке./ЮО г. Таким образом водород карбоксильной группы замещается металлом в нейтральной или кислой среде, между тем как металлы замещаются водородом гидроксилфенольных групп в щелочной среде.

Гуминовые кислоты содержатся обычно в

большем или меньшем количестве в перегное земли, а также в торфе и лигнинах.

Важная и незаменимая функция гумуса в почве объясняется наличием вышеуказанных

элементов, принимающих активное участие в происходящих там .процессах абсорбции и обмена. .Гуминовые кислоты в виде солей представляют эффективную буферную систему. - основную составную часть буферной силы почГуминовые кислоты во многих районах, богатых торфом, лигнинами и т. п., получают экстракцией указанных материалов.

Однако гуминовые кислоты можно получать с высоким выходом и экономично из мусора и побочных продуктов сельского хозяйства.

Ценность этого предложения станет легко понятной, если учесть, что получение и использование гуминовых кислот ограничено в значительной мере районами, богатыми торфом и лигнинами. Найденный способ дает возможность получать эти кислоты в большом количестве и в любом месте.

С другой стороны, предлагаемый способ позволяет разрешить другие проблемы, которые год от года причиняют все больше забот и затруднений.

Хорошо известно, что в связи со все большим расширением городов ежедневно накапливается громадное количество отбросов и мусора, а системы по их переработке известными способами обходятся дорого и к тому же не всегда удовлетворительны.

До недавнего времени отбросы и мусор либо выбрасывали, либо вывозили на свалки подальше от населенных мест, и то и другое решения нежелательны по известным причинам.

Лишь недавно для избавления от отбросов и гниюшего мусора стали прибегать к сжиганию и преврашению его в органическое удобрение.

Метод сжигания однако очень дорог, масса отбросов уменьшается лишь до 60% от первоначального объема, а преврашение в органическое удобрение приводит к получению объемистого материала, транспортировка которого из места получения в зону использования дорого стоит. Продукт портится и разлагается по пути. Кроме того, образуюшийся компост не может найти применения ни в одном из современных методов удобрения - удобрительном орошении, гидропонике, бактеризации семян и т. п.

Патентуемый способ позволяет получать гуминовые кислоты с высоким выходом, т. е. получать высокоценное органическое удобрение из отбросов и мусора и превращать септический материал в стерильный, значительно менее объемистый и более транспортабельный, способный к длительному хранению. При этом нет необходимости извлекать из отбросов осколки стекла, створки раковин, бумагу, картон, куски пластмассы.

Остаток после экстрагирования гуминовых кислот является вполне приемлемым удобрением, его можно использовать для удобрения почвы или смешивать с обычными компостами, которые можно применять для вырашивания растений в слабошелочной среде.

Стадии био-технологического процесса пслучения гуминовых кислот или их производных.

вместе с добавкой соответствующих органических и/или неорганических материалов, получаемых в виде сельскохозяйственных или промышленных побочных продуктов (отбросов), освобождают сначала от кусков металла с помошью магнитного сепаратора и крупных инородных примесей, затем загружают в ферментер, оборудованный перемешивающим устройством, дроссельными задвижками и окнами для аэрации.

Загрузку производят из расчета 350-500 кг отбросов на 1 м емкости ферментера.

2. Первичная ферментация.

Экзотермическая ферментация, вызываемая находящейся в массе отбросов эпифитной микрофлорой, регулируется с помощью аэрации и однородного перемешивания всей массы, проводимых через определенные промежутки

Бремени таким образом, чтобы обеспечить постепенное повышение температуры массы не менее чем на 10°С, предпочтительно до 60°С и выше, и затем постепенное снижение температуры до первоначального ее значения или

даже несколько ниже.

Подобный возврат к первоначальной температуре может быть обеспечен местными климатическими условиями или с помощью биологических и физических факторов. Аэрацию

и перемещивание можно прервать лишь тогда, когда температура в течение нескольких часов находится на уровне чуть выше первоначального. В процессе подобной ферментации гибиут растительные или животные организмы,

патогенные для людей, животных и/или растений, и происходит разложение многих химических соединений в результате метаболической деятельности микроорганизмов.

3. Вторичная ферментация.

После первичной ферментации весь материал просеивают для удаления крупных кусков и хранят таким образом, чтобы избежать большой потери влаги и излишней аэрации. В

процессе подобных операций создаются предварительные условия для пробуждения активности подобранной микрофлоры, осуществляющей дальнейшую экзометрическую ферментацию. Штабели отбросов оставляют при вышеуказанных статистических условиях до прекращения повышения температуры или же пока температура не понизится до температуры окружающего воздуха.

4. Дробление ферментационной массы.

Ферментационную массу измельчают предпочтительно до содержания не менее lOf/o мелкого порошка, после чего содержание влаги повышается обычно до 40-507о. В этот момент в отбросах уже содержится значительный процент гуминовых кислот.

этом одновременно содержание влаги повышается до 60-70%Массу инокулйругот культурбй Gliocladiurti catenulatuim, инкубацию ведут при температуре 35-37°С в течение 2-4 дней, оставляя поверхность массы неукрытой и перемешивая ее через известные промежутки времени для усиления микробиологической деятельности. Указанные виды микроорганизмов могут в известных пределах времени проявить интенсивное и макроскопическое развитие, однако без стерилизации субстрата. В процессе последней операции не только более сложные компоненты субстрата подвергаются первой более глубокой атаке, но масса обогащается мицелями грибов и продуктами их метаболизма, подготавливаясь для последуюш,их стадий.

Затем рН доводят до 7,ОЧгО,2, предпочтительно с помощью концентрированной щелочи (желательно ЗОо/о-ные растворы), во избежание излишнего повышения влажности при перемешивании, после чего инокулируют массовой культурой Streptomyces nigrifaciens и инкубацию ведут при 28-30°С, оставляя поверхность массы открытой, при непрерывном перемешивании до прекращения макроскопического развития аэробных мицелиев на поверхности небольшого образца указанной массы, сохраняемого в идентичных культуральных условиях, но без перемешивания.

Затем массу обогащают продуктами метаболизма Azotobacter chroococcum, добавляемыми в виде активной массовой культуры. Инкубацию ведут при 28-30°С, перемешивая неукрытую массу до повышения содержания гуминовой кислоты в промышленном масштабе, определяемого химическим анализом отобранных образцов (массы). Для этого достаточно обычно 2-3 дней.

6.Экстрагирование гуминовых кислот.

Экстрагирование ведут разбавленной, чаще всего 0,07-0,2 N щелочью при перемешивании до тех пор, пока не будет извлечена вся гуминовая кислота, после чего щелочной экстракт фильтруют через неадсорбирующий материал, предпочтительно через фильтровальную ткань.

7.Флокулирование, сбор и получение гуминовой кислоты.

Эту стадию осуществляют, доведя отфильтрованный раствор до его изоэлектрической точки добавлением минеральных кислот б Соответствующей концентрации (до рН среды 5,0-1,0) и таким образом, чтобы можно было легко декантировать образовавшийся коллоидальный мицелий. Часть кислоты при этом связывается с гуМиновыми кислотами в виде химически стойких соединений. Наконец, флокулят отделяют, промывают и сушат. Получают стойкий продукт, способный к очень длительному хранению. Его можно хранить и использовать в дальнейшем в виде гуминовой кислоты или перевести в ее соли.

8. Получение гуматов.

Порошкообразную гуминовую кислоту или полученный вышеописанным способом флоккулированный продукт растворяют в растворах, содержащих катионы заданной соли, предпочтительно катионы, обладающие физиологической активностью по отнощенню к растениям. Растворы можно упаривать или сушить и получать концентрированные растворы, пасты или порошки чистого или технического продукта.

Установлено, что используемую на первой стадии гумификации культуру G1. catenulatum можно заменить видами Eumycetes, также способными к быстрой и интенсивной пролиферации в соответствующей среде, без предварительной стерилизации Gliocladium roseum, Popularia sphaerospherma, Aspergillus fumigatus, Sordaria fumicola, Mortiorella vinacea, Penicillium glaucum, Aspergillus parasiticus, Aspergillus niger, Stisanus sp. Лучшие результаты получены с культурами М. vinacea, S. fumicola, Stisanus sp. и Asp. niger, однако при использовании любой из последних выход получается явно меньше, чем при приме :ении культуры G1. catenulatum HG/1 (из коллекции Института сельскохозяйственной и промышленной микробиологии Неаполитанского университета - IMATUN). На второй стадии гумификации проводились эксперименты с заменой культуры Str. nigrifaciens другими видами актиномицетов, обладающими сильной полифенолоксидазной активностью, не являющимися антагонистами к Azotobacter chroococcum, способными к пролиферации в указанной среде. Испытывались в частности исходные культуры, не вполне идентифицированные, из той же коллекции Института сельскохозяйственной и промышленной микробиологии Неаполитанского университета, содержащей antibioticus, griseus, incarnatus, intermeolius, rimosus, fradiae.

Некоторые основные штаммы antibioticus,

griseus, incarnatus и rimosus дают выход

лишь немногим ниже выхода, полученного на

Str. nigrifaciens HG/2 IMATUN, тем

ход получается явно меньший.

Кроме того, повышение выхода гуминовых веществ может быть достигнуто при добавлении к измельченному материалу массовых микробных культур, способных пролиферировать, или остатков промышленной микробиологической ферментации, так как погибающая затем масса микробов приводит к обогащению массы гуминовыми производными.

Максимальный выход может быть однако достигнут с помощью соответствующих способов; добавки минеральных Солей, например K2SO4, MgSO4, MnSO4, Саз(РО4), добавки неорганических производных кремния в порошкообразном виде, в виде «фиксатива, образующегося в процессе последующих превращений гуминовой кислоты, регулированием соотношения CiN (если оно выше 20:1), добавкой растворимых азотсодержаш,их солей, например азотнокислого аммония, для улучшения имплантации и активности гумифицирующих микробов. Как правило, в питательную массу следует добавить необходимые для питания микробов соответствуюшие добавки. Пример 1. Свежесобранные в Портичи (район Неаполя) домашние и уличные отходы (мусор, отбросы), содержашие (вес. %): Камни и осколки кирпича Зола и пыль Остатки пищи Створки раковин моллюсков Бумага и картон Куски металла Бутылки и осколки стекла Текстильный материал Древесина Каучук и пластмасса Кости Прочие отходы и отбросы со средней влажностью около 50%, очистили от кусков металла электромагнитным способом, затем загрузили в ферментер, оборудованный боковыми дверцами и мешалкой со скоростью 9 об/мин. Загрузка сделана из расчета 400 кг па IM объема ферментера, содержимое перемешивали 30 мин при закрытых дверцах. Затем чередовапие движения (при закрытых дверцах) и покоя (при открытых дверцах) осуществляли 6 раз в день каждые 2 час на 15 мин. Весь цикл повторяли 4 дня подряд, в течение которых отмечали следующие изменения температуры:через 12 час температура поднялась с начальных 14°С до 21°С; температура в начале второго дня достигла 46°С, а к концу дня она опустилась до 38°С; температура в начале третьего дня достигла 57°С, снизившись к концу того же дня до 46°С; в начале четвертого дня температура достигла 70°С, а к концу того же дня спустилась до 57°С; наконец, в начале пятого дня температура массы опустилась до 23°С. Затем массу выгрузили, просеяли через сито (грохот) 16 меш и загрузили в цилипдрическую каменную силосную башню со слабой аэрацией и ограниченной потерей влаги (соотношение диаметра башни к ее высоте равно 1,5 : 5. Материал оказался необычно богатым (свыше 10® клеток/г) следующими термофильными группами: актиномицетами, протеолитиками, аммонисентами, целлюлозолитиками, аминолитиками. Очень низкое содерл ание зумицетов как мезофильных, так и термофильных (не более 450 шт.), и коли (не более 1000 г). Фиксаторы азота, нитрифицирующие бактерии, пектинолитики и денитрифицирующие бактерии содержатся в большем количестве (свыше 10клето::/г). Температура массы в силосной башне поднялась с начальных 20-23 до 58°С в конце пятого дня, затем постепенно опускалась до пятнадцатого дня, когда она стабилизировалась на уровне температуры, окружающего воздуха (18-20°С). Ферментационную массу извлекали из силосной башни, измельчали на бегунках пока 15Vo массы не превратилось в порошок. В процессе указанной операции прилили разбавленной серной кислоты, доведя рП до 5, причем влажность поднялась до 70«/о. Затем провели гумификацию, для чего массу загрузили в открытый ферментер, оборудованный мешалкой, врашающейся с соответствующей скоростью, и инокулировали культурой G1. catenulatum HG/IMATUN (в соотношении 1 : 10), выращенной на таком же нестерилизованном субстрате с помощью последовательных активизирующих трансплатаций в идентичных условиях. Инкубацию вели при 37°С, медленно и периодически перемешивая по 5 мин (10 раз в течение первого дня инкубации). Наличие мицелия стало заметно на поверхности массы в начале второго дня. После этого перемешивание производили с более длительными перерывами (одно перемешивание каждые 6 час). После 72 час инкубации па поверхности массы появились толстые гифы мицелия. Теперь перемешивание стали производить лишь 0,5 час в день с целью гомогенизации массы; рН довели до 7 с помощью 36%-ного едкого натра при энергичном перемешивании и массу ипокулировали (в соотношении 1 :20) массовой культурой Str. nigrifaciens HG/2 IMATUN, выращенной на бульоне Балдаччи. Инкубацию вели при 30°С, следя за ней с самого начала инокуляции и наблюдая за частью инокулированного материала, выдерживаемого в термостате при тех же температурных условиях, Массу непрерывно перемешивали и ферментацию прерывали при появлении колоний стрептомицетов на поверхности контрольного образца. Затем инокулировали (в соотношении 1 : 100) культурой Azotobacter сЬгоососсиш IMATUN, выращенной на субстрате Грина, инкубацию вели при 30°С, пепрерывно перемешивая. Ежедневно производили химический анализ на содержание гуминовых кислот по Анне, При этом оказалось после одного дня инкубации 10,5, после двух дней 14 и после трех дней инкубации 14,3% гуматов. После этого гумификацию приостановили и провели экстрагирование в аппарате, снабженном мешалкой, путем двукратной обработки 0,1 N едким натром. При первой обработке гумифицированпый материал экстрагировали 10 об. экстрагента, а при второй обработке 5 об. Дальнейшее экстрагирование не привело к получению дополнительного количества цродукта. Каждую экстракцию проводили в течение 12 час при слабом перемеЩивании. Экстракт профильтровали через ткань, затем подкислили при перемепливании 6N серной кислотой, вызвав тем самым флоккуляцию гуминовых кислот. Флоккуляция началась при рН 5,0, однако на основании многочисленных экспериментов оказалось, что максимальный выход можно достичь при подкислении до рН 1,5-2. Флоккулированный продукт декантировали и центрифугировали. Для получения натриевой соли гуминовой кислоты осадок гуминовой кислоты промывали на той же центрифуге сначала 1п/с-ным раствором сернокислого натрия, затем водой. Солеобразование осуществили, добавляя 30%-ный раствор едкого натра до рН 7. Полученный раствор сушили распылением. Получили тонкоизмельченный водорастворимый порошок с очень высокой концентрацией натриевой соли гуминовой кислоты. Конечный выход гумата натрия составляет около 14% в пересчете на подвергнутый экстракции материал и около 9,8«/о в пересчете на исходный материал. Аналогично получены калиевая аммониевая и кальциевая соли гуминовой кислоты при замене едкого натра при обработке флоккулированной гуминовой кислоты едким кали, гидроокисью аммония и гидроокисью кальция соответственно. Пример 2. При получении гуминовых кислот из отбросов вышеприведенного состава по описанному в примере 1 способу, по экстрагируя гуминовые кислоты не 0,1 N едким натром, а гидроокисью аммония, после флоккулирования гуминовых кислот надосадочная жидкость оказалась обогаш,енной сульфатом аммония и гуминовыми производными, которые не флокулировались при данных условиях. Поэтому маточник можно рассматривать как исходный материал для получения органоминерального удобрения. Пример 3. При флокуляции содержащихся Е аммонийном экстракте гуминовых кислот с помощью фосфорной кислоты, например, 85С/0-НОЙ концентрации, и обработке полученного флокулята соответствующей смесью едкого кали и гидроокиси аммония в соответствии с заданным составом получают продукт, содержащий наряду с гуминовыми кислотами также азот, фосфор и калий, непосредственно связанные с молекулой гуминовой кислоты, т. е. получают удобрение, содержащее желаемое сочетание органических и минеральных компонентов. Пример 4. Для получения фосфогуминового удобрения гуминовую кислоту, выделенную экстракцией разбавленной щелочью и осаждением кислотой, обработали сначала раствором Са(Н2РО4)2, затем Са(ОН)2 и по. нерастворимый трикальцийфосфат и суспензию коллоидальной кальциевой соли гуминовой кислоты, содержащей Р2О5. Все эти операции протекают очень легко, а выход выще, чем в предыдущем примере (изза более высокого атомного веса катиона). Пример 5. Повторили опыт из примера 1, однако перед гумификацией материал смещали со смесью минеральных солей следующего состава (г/100 кг): Трикальцийфосфат20 Сернокислый магний10 Сернокислый калий20 Сернокислый марганец1 Отмечен более интенсивный процесс гумификации с увеличением выхода гумата натрия на 2,2%. Пример 6. Повторили опыт из примера 1, однако к материалу, состоящему из 3 ч. отбросов указанного в примере 1 состава и I ч. сельскохозяйственных отходов, добавили смесь минеральных солей, используемых в примере 5. Отмечено увеличение выхода гумата натрия на 2%. При увеличении добавки азотнокислого аммония вдвое выход гумата натрия повысился н& 3,49/0Примеру. Повторили опыт из примера 1, однако к гумифицируемому материалу прибавили не только смесь минеральных солей, приведенную в примере 3, но также 1% порощка каолина в одном случае и 1 % кизельгура в другом случае. Выход гумата натрия повысился на 3% в первом случае и на 2,8% во втором случае. Предмет изобретения 1. Способ получения гуминовых кислот путем переработки мусора, городских отходов, побочных продуктов сельского хозяйства и промышленных процессов брожения, включаюший освобождение их от ферромагнитных материалов и крупных инородных примесей, экзотермическую ферментацию, выполняемую путем аэрации и перемешивания, дальнейшую ферментацию без перемешивания до прекращения повышения температуры и снижения ее до уровня температуры окружающего воздуха, обработку минеральной кислотой, предпочтительно серной, нейтрализацию концентрированной щелочью, экстрагирование гуминовых кислот и их фильтрацию, отличающийся тем, что, с целью получения гуминовых кислот и/или их солей с более высоким выходом, обрабатываемую массу после завершения экзотермической ферментации и обработки минеральной кислотой подвергают ферментации культурой Gliocladium catenulatum при температуре 35-37°С, а после нейтрализации концентрированной щелочью-ферментации культуре 28-30°С и экстрагированные гуминовые кислоты перед фильтрованием флокулируют путем добавления органической или минеральной кислоты до изоэлектрической точки и переводят при необходимости в их соли. 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что обрабатываемую массу после завершения экзотермической ферментации и снижения температуры до температуры окружающего воздуха измельчают так, чтобы получить не менее 10% мелкого порошка, и содержание влаги в массе доводят до 40-50%. 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве концентрированной щелочи берут едкий натр в виде 30 /о-ного раствора. 4.Способ по п. 1, отличающийся тем, что экстрагирование гуминовых кислот осуществляют щелочью, разбавленной до 0,07-0,2 N. 5.Способ по п. 1, отличающийся тем, что при флокуляции гуминовых кислот рН среды доводят до 5,0-1,0. 6.Способ по п. 1, отличающийся тем, что перевод гуминовых кислот в соли осуществляют с помощью катионов, обладающих физиологической активностью по отношению к растениям.