СПОСОБ БИОКОНВЕРСИИ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА САПОНИНОВ ИЗ КОРНЯ Saponaria Officinalis

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.