Результат интеллектуальной деятельности: Способ производства комплексных органоминеральных удобрений с аминокислотами на основе молочной сыворотки

Настоящее изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к способам производства комплексных органоминеральных удобрений на основе молочной сыворотки, содержащих сбалансированный набор основных элементов минерального питания растений азофоска (NPK), мезоэлементов, таких как сера, кальций, магний (S, Са, Mg), микроэлементов, таких как цинк, медь (Zn, Cu) и биологически активных веществ, в включая стимуляторы роста удобрений (янтарная кислота, аминокислоты, пептиды, ферменты соли молочной кислоты, витамины, сахара). Изобретение может быть использовано для промышленного производства комплексных органоминеральных удобрений, пригодных для корневой и внекорневой подкормки растений.

Источником широкого спектра стимуляторов роста является гидролизат молочной сыворотки, содержащий аминокислоты, пептиды, витамины, ферменты, сахара, органические кислоты и др. Выраженное стимулирующее действие на развитие растений оказывает содержащаяся в молочной сыворотке янтарная кислота [Г.Н. Чупахина, А.Ю. Романчук. Возможный механизм стимулирования ростовых процессов янтарной кислотой. Теоретические и прикладные аспекты биологии. Калининград, 1999, с. 46-51].

В последние годы появилось большое количество исследований, обосновывающих эффективность использования в качестве компонентов удобрений аминокислот. Включение аминокислот в состав внекорневых подкормок рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений оптимизации минерального питания растений и повышения их устойчивости к действию неблагоприятных факторов внешней среды. Кроме экзогенных аминокислот растения способны усваивать такие сложные органические соединения, как витамины, сахара, органические кислоты, ферменты, антибиотики и др. Относительно дешевым и доступным источником широкого спектра биологически активных веществ, пригодных для использования в качестве удобрений, является молочная сыворотка -основной отход, образующийся при переработке молока в такие продукты, как творог, сыр, казеин. Ресурсы этого отхода в нашей стране превышают 5 млн. т. в год.

Молочная сыворотка в среднем содержит около 6% сухих веществ, в том числе (%) лактозы - 4,5; белков и небелковых азотистых веществ - 0,8; молочной кислоты - 0,14; жиров - 0,06; минеральных веществ - 0,6. В сыворотку переходит основная часть водорастворимых витаминов молока. Органические компоненты молочной сыворотки могут не только подвергаться процессам микробиологической деструкции, но и оказывать стимулирующее влияние на развитие высших растений.

Несмотря на ценный химический состав, проблема переработки молочной сыворотки до настоящего времени далека от решения. По разным оценкам от 60 до 97% этого отхода сливается в канализацию. Основными причинами отсутствия интереса к переработке сыворотки являются быстрая микробиологическая порча; низкое содержание растворенных веществ; сложный химический состав; ограниченный рынок продуктов переработки; незначительная прибыль по сравнению с затратами на переработку отхода. Отказ от переработки сыворотки приводит не только к потере ценного сырья, но и к масштабному загрязнению окружающей среды.

Перспективным направлением переработки молочной сыворотки может стать использование этого отхода для производства органоминеральных удобрений.

Из существующего уровня техники известен способ производства биологического органического удобрения, включающий ферментацию композиции из сыворотки и богатого целлюлозой материала-носителя при различных значених рН [патент ЕР 1694614 В1, опубл. 14.03.2012. Bulletin 2012/11].

Недостатками данного технического решения являются длительность осуществления процесса ферментации; низкая концентрация элементов питания в готовом удобрении; высокое содержание балластных веществ; непригодность удобрения для использования в виде раствора.

Известен способ получения регулятора роста растений с использованием молочной сыворотки [патент RU 2409952С1, заявка №2009125238/21, 01.07.2009, МПК A01N 65/00, А01Р 21/00, опубл. 27.01.2011, Бюл. №3]. Способ включает ферментацию растительного экстракта эхинацеи пурпурной при температуре 30-45°С с добавлением молочной сыворотки при массовом соотношении 1:1-1:2,5. После ферментации проводят термоденатурацию балластных белков и их отделение от препарата центрифугированием. Затем препарат стерилизуют автоклавированием.

Недостатком данного способа является высокая себестоимость сырьевых компонентов и низкая стабильность готовой формы при хранении после вскрытия упаковки, поскольку продукт пригоден для хранения только в стерильном виде. Готовый продукт, получаемый по указанной технологии, не содержит минеральных компонентов - источников основных элементов питания растений и может быть использован только в качестве регулятора роста.

Известен способ получения жидких комплексных удобрений с микроэлементами в хелатной форме [патент RU 2510626, заявка №2012144199/13, 16.10.2012, МПК С05В 7/00, опубл. 10.04.2014, Бюл. №10]. Способ включает нейтрализацию экстракционной фосфорной кислоты азотсодержащим реагентом, отделение осадка нерастворимых примесей из полученного раствора, введение раствора солей микроэлементов в присутствии комплексообразователя, причем в качестве азотсодержащего реагента используют карбамид в виде водного раствора, взятого в мольном отношении карбамид : Н₃РО₄, равном (1,5-2,5): 1.

Недостатком данного способа является отсутствие в готовом удобрении стимуляторов роста растений, оказывающих положительное влияние на развитие и усвоение элементов минерального питания.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ получения комплексного органоминерального удобрения, включающего микроэлементы: медь, кобальт и цинк, а также макроэлементы: азот, фосфор, калий и воду в связанной форме, мезоэлементы: кальций, магний и кремний, биологически активные вещества: глутаминовую и аспарагиновую кислоты, эпибрассинолид, железо, марганец, бор, молибден и йод [патент RU 2567453, заявка №2014148374/13, 01.12.2014, МПК C05D 9/02, C05G 3/00, опубл. 10.11.2015, Бюл. №31]. Все компоненты взяты при определенном соотношении. В качестве минеральных удобрений для предлагаемого удобрения использованы нитрат кальция, нитрат калия, нитрат магния, монокалий фосфат, силикат калия. В качестве источников микроэлементов применены брексилы Fe, Mn, Cu, Zn, азотнокислый Со, молибион, борную кислоту, йодистый калий. Эти удобрения полностью растворимы в воде, не содержат тяжелых металлов, вредных примесей для растений. Соединения элементов в используемых удобрениях находятся в легкодоступной форме для растений, особенно высокой доступностью обладают соединения в составе брексилов, в которых микроэлементы находятся в хелатной форме, что улучшает поглощение и перемещение элементов по растению. Изобретение позволяет повысить качество и ценность органоминерального удобрения для овощных культур.

Недостатками данного технического решения являются относительно высокая стоимость препарата; неустойчивость входящего в состав композиции эпибрассинолида на свету, что обуславливает необходимость хранения удобрения в темноте; ограниченный перечень биологически активных компонентов, включаемых в состав композиции.

Из уровня техники способов производства жидких органоминеральных удобрений на основе молочной сыворотки, содержащих сбалансированный набор основных элементов минерального питания растений (NPK), мезоэлементов (S, Са, Mg), микроэлементов (Zn, Cu и др.) и биологически активных веществ (включая стимуляторы роста) не выявлено.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является способ производства комплексных органоминеральных удобрений с аминокислотами на основе молочной сыворотки, содержащих сбалансированный набор основных элементов минерального питания растений (NPK), мезоэлементов (S, Са, Mg), микроэлементов (Zn, Cu и др.) и биологически активных веществ (включая стимуляторы роста).

Данная задача решается за счет того, что заявленный способ производства комплексных органоминеральных удобрений с аминокислотами на основе молочной сыворотки, содержащих сбалансированный набор основных элементов минерального питания растений (NPK), мезоэлементов (S, Са, Mg), микроэлементов (Zn, Cu и др.) и биологически активных веществ (включая стимуляторы роста) включает следующие технологические операции:

1. Повышение содержания сухих веществ в исходной молочной сыворотке до 18÷25% методами лиофилизации, ультрафильтрации или вымораживания (получение концентрата молочной сыворотки);

2. Ферментативный гидролиз белковых компонентов концентрата молочной сыворотки до свободных аминокислот и пептидов (получение гидролизата молочной сыворотки);

3. Растворение в полученном гидролизате минеральных солей: аммиачная селитра, дигидрофосфат калия, сульфат калия, сульфат магния, сульфаты микроэлементов (Cu, Zn, Со, Мо и др.). Массы и перечень растворяемых солей рассчитываются исходя из содержания действующих веществ (азота, фосфора, калия) в минеральных компонентах, вносимых в состав комплексного удобрения и необходимого содержания действующих веществ в готовой формуле комплексных органоминеральных удобрений с аминокислотами на основе молочной сыворотки. Содержание действующих веществ в минеральных компонентах должно соответствовать ГОСТам на данные минеральные вещества. В сбалансированном по основным элементам минерального питания удобрении содержание N:Р:K (азот/фосфор/калий) составляет (%, масс.) 6,5:6,5:6,5. Благодаря высокой концентрации солей достигался эффект консервации органической матрицы удобрения и обеспечивалась стабильность удобрения при хранении.

4. Фильтрация полученной композиции с целью получения прозрачного и устойчивого при хранении раствора.

Ниже представлен детальный технологический процесс получения комплексного органоминерального удобрения.

Творожная сыворотка, образующая при переработке молока, направляется в сборник-накопитель, в котором возможно хранение этого отхода в течение суток.

Из сборника-накопителя творожная сыворотка с помощью центробежного насоса перекачивается в бак, оборудованный погружным холодильником, в котором происходит ее частичное замораживание. После того, как замерзнет 75-90% сыворотки, незамерзшая часть - концентрат (от 10 до 25% от массы замороженной сыворотки) сливается или перекачивается насосом в отдельную емкость (сборник концентрата) для дальнейшей переработки. Содержание сухих веществ в концентрате составляет от 20 до 30%. После удаления концентрата, погружной холодильник отключается, при этом происходит оттаивание замороженной фракции. Первая часть размороженной сыворотки (сыворотка-передел), содержащая до 5% сухих веществ направляется на повторное замораживание с целью получения концентрата, а оставшаяся часть (отход), содержащая менее 0,5% сухих веществ может быть направлена на очистку методом фильтрации или сброшена в канализацию.

Концентрат молочной сыворотки перекачивается насосом из сборника концентрата в бак-реактор, оборудованный змеевиком для подогрева и мешалкой. После подогрева концентрата до 35-40°С в бак-реактор ручным способом загружаются протеолитические ферменты, с помощью которых осуществляется гидролиз белковых компонентов концентрата до аминокислот и пептидов. В качестве ферментов могут быть использованы химитрипсин, трипсин, а также смеси протеолитических ферментов. В результате гидролиза концентрата получается гидролиза, содержащий полный набор аминокислот, входящих в состав белков молочной сыворотки.

Готовый гидролизат перекачивается насосом в бак-смеситель, оборудованный мешалкой. В бак-смеситель последовательно загружаются минеральные компоненты, необходимые для производства удобрения нужного состава (в соответствии с рецептурой). Загруженные в бак смеситель соли, перемешиваются мешалкой до полного растворения в гидролизате молочной сыворотки. Полученная композиция перекачивается насосом в узел фильтрации. Полученный фильтрат направляется на разлив в потребительскую тару.

Выполненные исследования показали, что органоминеральные удобрения на основе молочной сыворотки не подвергаются микробиологической порче и могут хранить в обычной таре при температуре 20-25°С в течение 6 месяцев и более. Готовая форма удобрения на протяжении всего срока хранения имеет характерный запах свежей молочной сыворотки.

В качестве минеральных компонентов для получения органоминеральных удобрений на основе молочной сыворотки используются следующие компоненты:

1. Сульфат калия (K2SO4) - источник калия и серы;

2. Дигидрофосфат калия (КH2PO4) - источник калия и фосфора;

3. Нитрат аммония (NH4NO3) - источник азота;

4. Карбамид (N2H4CO) - источник азота;

5. Сульфат магния (MgSO4) - источник магния и серы;

6. Сульфаты меди и цинка (CuSO4, ZnSO4) - источники микроэлементов (Cu, Zn)

Формулы органоминеральных удобрений для разных сроков внесения.

I. Комплексное удобрение для летнего внесения с микроэлементами (магний, цинк, медь) и аминокислотами

Содержание основных действующих веществ (%):

1. Азот (N)-6,2;

2. Фосфор (P2O5)-6,2;

3. Калий (К2O)-6,2;

4. Магний (Mg2O)- 1,2;

5. Цинк (ZnO) - 0,07;

6. Медь (CuO) - 0,08;

7. Комплекс аминокислот - 5%.

Для получения 100 кг удобрения в бак-смеситель последовательно загружаются 100 кг гидролизованного концентрата молочной сыворотки, 37 кг нитрата аммония; 15 кг сульфата магния гептагидрата; 24,5 кг сульфата калия; 31 кг дигидрофосфата калия; 0,5 кг сульфата цинка гептагидрата; 0,5 кг сульфата меди пентагидрата. Перемешивание смеси ведут до полного растворения всех солей. После растворения компонентов раствор направляется на фильтрацию и разлив в потребительскую тару.

П. Комплексное удобрение для весеннего внесения с микроэлементами (магний, цинк, медь) и аминокислотами

Содержание основных действующих веществ (%):

1. Азот (N)- 10,1;

2. Фосфор (P2O5)-4,0;

3. Калий (К2О)-4,0;

4. Магний (Mg₂O)- 1,2;

5. Цинк (ZnO)-0,06;

6. Медь (CuO) - 0,07;

7. Комплекс аминокислот - 4,6%.

Для получения 100 кг удобрения в бак-смеситель последовательно загружаются 100 кг гидролизованного концентрата молочной сыворотки, 62,5 кг нитрата аммония; 15 кг сульфата магния гептагидрата; 14,5 кг сульфата калия; 23 кг дигидрофосфата калия; 0,5 кг сульфата цинка гептагидрата; 0,5 кг сульфата меди пентагидрата. Перемешивание смеси ведут до полного растворения всех солей. После растворения компонентов раствор направляется на фильтрацию и разлив в потребительскую тару.

III. Комплексное безнитратное удобрение для листовой подкормки (Foliar feeding) с микроэлементами (магний, цинк, медь) и аминокислотами

Содержание основных действующих веществ (%):

1. Азот (N)-7,0;

2. Фосфор (P2O5) - 7,0;

3. Калий (К₂О)-7,0;

4. Магний (Mg₂O) - 1,2;

5. Цинк (ZnO)-0,06;

6. Медь (CuO) - 0,06;

7. Комплекс аминокислот - 4,7%.

Для получения 100 кг удобрения в бак-смеситель последовательно загружаются 100 кг гидролизованного концентрата молочной сыворотки, 32,5 кг карбамида; 15 кг сульфата магния гептагидрата; 28,0 кг сульфата калия; 36 кг дигидрофосфата калия; 0,46 кг сульфата цинка гептагидрата; 0,41 кг сульфата меди пентагидрата. Перемешивание смеси ведут до полного растворения всех солей. После растворения компонентов раствор направляется на фильтрацию и разлив в потребительскую тару.

IV. Комплексное безнитратное удобрение для летнего и весеннего внесения с аминокислотами

Содержание основных действующих веществ (%):

1. Азот (N)-7,2;

2. Фосфор (P2O5) - 7,2;

3. Калий (К2O)-7,2;

4. Комплекс аминокислот - 5%.

Для получения 100 кг удобрения в бак-смеситель последовательно загружаются 100 кг гидролизованного концентрата молочной сыворотки, 29,5 кг нитрата аммония; 25,0 кг сульфата калия; 33,2 кг дигидрофосфата калия. Перемешивание смеси ведут до полного растворения всех солей. После растворения компонентов раствор направляется на фильтрацию и разлив в потребительскую тару.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение нового продукта с высокой эффективностью при использовании в низких дозировках, стабильного при хранении, не содержащего тяжелых металлов, пригодного для корневой и внекорневой подкормки растений, а также для предпосевной обработки семян методом опрыскивания или замачивания, обеспечение возможности утилизации молочной сыворотки.

Поставленный технический результат достигается тем, что для производства комплексных органоминеральных удобрений в качестве основы удобрения используется концентрат молочной сыворотки, содержащий 18 30% сухих веществ (лактоза, белки, органические кислоты и витамины), в который внесен сбалансированный набор основных элементов минерального питания растений (аммиачная селитра, карбамид, дигидрофосфата калия, сульфат калия), мезоэлементов (сульфат магния), микроэлементов (сульфаты меди и цинка), при этом получение концентрата молочной сыворотки осуществляется путем поэтапного повышения содержания сухих веществ в исходном растворе методами лиофилизации, ультрафильтрации или вымораживания, получение свободных аминокислот и пептидов осуществляется путем ферментативного гидролиза белков, содержащихся в концентрате, полученная композиция фильтруется до состояния прозрачного и устойчивого при хранении раствора.

Для изучения влияния удобрения на прорастание семян и развитие проростков использовался метод биотестирования.

Биотестирование удобрения выполнялось методом проростков. Тест-культурами служили семена ячменя (сорт «Родник Прикамья») и редиса (сорт «САКСА РС»), Проращивание семян тест-культур выполнялось на субстрате, в качестве которого использовалась искусственно приготовленная почва (artificial soil), приготовленная согласно ГОСТ Р ИСО 22030-2009 Качество почвы. Биологические методы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений. М: Стандартинформ, 2010.

Влажная поверхность субстрата накрывалась фильтровальной бумагой, на которую раскладывались семена тест-культур. Проращивание проводилось при температуре 20°С в течение 7 дней.

Варианты эксперимента:

1. Контроль (проращивание семян на субстрате без добавок);

2. Субстрат с добавкой 1,5 мл удобрения на 1 кг субстрата;

3. Субстрат с добавкой 0,5 мл удобрения на 1 кг субстрата;

4. Субстрат с добавкой 0,1 мл удобрения на 1 кг субстрата.

Тестирование проводилось по таким показателям, как способность прорастания (за 7 суток), энергия прорастания (за 3 суток), дружность прорастания (доля семян проросших за первые сутки прорастания), скорость прорастания (сумма средних чисел семян, прорастающих ежедневно), интенсивность начального роста проростков. Экспериментальные исследования выполнялись в трех повторностях. Полученные результаты подвергались статистической обработке в программе ((Microsoft Excel».

В результате эксперимента установлено, что внесение удобрения в грунт приводит к выраженному стимулированию прорастания семян и активизации развития проростков как двудольных, так и однодольных тест-культур по сравнению с контролем. Так по сравнению с контролем дружность прорастания ячменя увеличивается на 42%, редиса - не 34%; средняя масса проростков ячменя увеличивается на 80%, редиса - на 31,6%.

Стимулирующее влияние удобрения на прорастание семян и развитие проростков может быть объяснено комплексным воздействием сбалансированной композиции минеральных компонентов и таких биологически активных веществ, как аминокислоты, витамины, сахара, соли органических кислот, источником которых является молочная сыворотка.