Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО УДОБРЕНИЯ

Изобретение относится к области сельского хозяйства, более конкретно - к способам получения органоминеральных удобрений, а именно к способу получения таких удобрений с использованием молочной сыворотки.

Как известно, устойчивой формой сельскохозяйственного производства может быть только такая, которая не просто использует естественное плодородие сельскохозяйственных почв, а обеспечивает замену питательных веществ для растений, удаляемых вместе с собранным урожаем. Эта задача решается путем применения удобрений.

В течение длительного времени преобладающим видом удобрений были минеральные. Как справедливо отмечается в международной публикации WO 2005054155 (16.05.2005 [1]), минеральные удобрения - это рентабельное средство достижения устойчивого растениеводства и улучшения качества продуктов питания и кормов, при этом в настоящее время нет альтернативы минеральным удобрениям в региональном или глобальном масштабе, если ставится цель обеспечения продовольствием.

Там же отмечается, что основным недостатком минеральных удобрений является их неэффективное использование из-за того, что питательные вещества из минеральных удобрений, вносимых в почву, обычно высвобождаются «взрывом», то есть все питательные вещества попадают в почву за относительно короткий период времени. Во время роста растений, на который обычно требуется несколько месяцев, концентрация питательных веществ снижается, например, из-за их вымывания или разложения. Поэтому при внесении удобрений относительно большая их часть необходима для компенсации ожидаемых потерь, а не для питания растений как такового. В указанной публикации в качестве возможного пути преодоления недостатка минерального удобрения предлагается замена его биологическим удобрением, например, на основе молочной сыворотки.

Молочная сыворотка, как отмечается в патенте РФ №2674618 (опубл. 11.12.2018 [2]), является относительно дешевым и доступным источником целого ряда биологически активных веществ, пригодных для использования в удобрениях. Молочная сыворотка - основной отход, образующийся при переработке молока в такие продукты, как творог, сыр, казеин. Ресурсы этого отхода в России 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, по и оказывать стимулирующее влияние на развитие высших растений.

Одновременно указывается, что 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. Отказ от переработки сыворотки приводит не только к потере ценного сырья, но и к масштабному загрязнению окружающей среды.

Там же отмечается, что использование этого отхода для производства удобрений может стать перспективным направлением переработки молочной сыворотки.

Однако, решение этой задачи затруднено негативными органо-лептическими показателями сыворотки (специфический вкус и запах), которые формируются в результате сложных ферментативных процессов, протекающих при производстве молочных продуктов, особенно творога (С.Е. Боева, Я.И. Коренман, Е.И. Мельникова, С.И. Нифталиев. Мультисенсорный анализ осмофорических веществ творожной сыворотки. Современные наукоемкие технологии. - 2007. - №3 - С. 20-22 [3]).

Запах, вкус и аромат молока и молочных продуктов обусловливают различные группы химических соединений, образующихся в результате превращений углеводов, аминокислот и жира молока при технологической обработке и хранении.

В упоминавшейся публикации [1], как указано выше, предлагается способ получения такого удобрения. Сыворотку при получении удобрения по основному из описанных в [1] вариантов подвергают ферментации с последующей фильтрацией и добавлением носителя в виде богатого целлюлозой материала.

При использовании такого удобрения ферментированная сыворотка в сочетании с материалом-носителем обеспечивает доставку питательных веществ в почву с относительно равномерным высвобождением питательных веществ в течение длительного периода благодаря постферментации удобрения почвенными микроорганизмами после внесения.

В патентах РФ [2] и №2676140 (опубл. 26.12.2018 [4]) в качестве недостатков такого способа называются, в частности, длительность процесса ферментации при изготовлении удобрения, высокое содержание балластных веществ из-за наличия носителя; непригодность удобрения для использования в виде раствора.

К предлагаемому изобретению наиболее близко техническое решение по патенту [4], согласно которому органоминеральное удобрение получают на основе молочной сыворотки и глауконитсодержащего сорбента. Способ включает пропускание молочной сыворотки через фильтрационную установку, заполненную сорбентом, состоящим из кварцево-глауконитового песка и известняка, высушивание обработанного сорбента и гранулирование подсушенного сорбента.

В соответствии с данным способом получают удобрение, полезные свойства которого полностью определяются составом сыворотки (известняк, добавляемый к кварцево-глауконитовому песку, как поясняется в патенте [4], лишь нейтрализует избыточную кислотность сыворотки). При осуществлении способа, как сообщается в патенте [4], обеспечивается извлечение сорбентом порядка 95% растворенных в сыворотке веществ.

Данный способ успешно решает поставленную перед изобретением задачу утилизации молочной сыворотки с получением обладающего целым рядом полезных свойств продукта - удобрения.

Однако составляющий значительную часть массы получаемого продукта кварцево-глауконитовый песок (известняк составляет 2-5% от массы песка) с точки зрения влияния на питательные свойства удобрения практически нейтрален. При этом свойства, определяемые его микроструктурой, не позволяют обеспечить постепенность выделения полезных веществ в почву. Кроме того, процесс осуществления способа [4] может сопровождаться неприятными запахами.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении постепенности выделения полезных веществ из удобрения после внесения его в почву, а также в обеспечении возможности как традиционного его использования, так и для некорневой подкормки, при одновременном расширении спектра полезных свойств удобрения за счет наличия в нем ряда микроэлементов, и в устранении упомянутых выше запахов.

В дальнейшем при раскрытии сущности изобретения и описании примеров указанные свойства будут конкретизированы и могут быть названы дополнительные виды технического результата.

Способ получения органоминерального удобрения по предлагаемому изобретению, как и наиболее близкий к нему известный способ [4], включает осуществление взаимодействия молочной сыворотки с сорбционным материалом, высушивание сорбционного материала после этого взаимодействия и получение продукта в виде изделий единообразной массы и формы.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, в качестве сорбционного материала используют природный минерал - серпентинит. Указанное взаимодействие осуществляют путем мокрого помола серпентинита в молочной сыворотке. При этом указанному помолу подвергают серпентинит, предварительно измельченный до размера частиц, приемлемого для используемого при мокром помоле оборудования, и выдержанный в молочной сыворотке в течение, по меньшей мере, 7 часов. Процесс мокрого помола осуществляют при исходном массовом соотношении твердой и жидкой фаз в обрабатываемом материале Т:Ж от 1:1 до 1,3:1 и ведут его до достижения твердыми частицами размера не более 0,02 мм, а после высушивания полученного материала до достижения влажности не более 25% осуществляют его гранулирование или брикетирование.

Как показали проведенные исследования, мокрый помол серпентинита в среде молочной сыворотки выгодно отличается от аналогичного помола в воде при равном массовом соотношении твердой и жидкой фаз тем, что размеры твердых частичек серпентинита оказываются в среднем в 7-10 раз меньше. Благодаря этому имеет место существенное увеличение поверхности контакта фаз - почти на два порядка. Такое увеличение, достигаемое при размере частиц, не превосходящем указанное выше значение 0,02 мм, в сочетании с пористостью серпентинита обеспечивает поглощение жидкой фазы, что обусловливает "емкость" удобрения по питательным компонентам молочной сыворотки и постепенность их освобождения при использовании удобрения.

Интенсивность описанных происходящих при помоле процессов, как показывают результаты проведенных экспериментальных исследований, существенно возрастает, если раздробленный серпентинит перед помолом выдержан в молочной сыворотке. После такого выдерживания в сочетании с указанным выше исходным соотношением Т:Ж (от 1:1 до 1,3: 1) время помола до достижения степени измельчения 0,02 мм может быть сокращено в несколько раз. Как показали эксперименты, достаточно выдерживание в течение 7 часов в сочетании с исходным соотношением Т:Ж в указанных выше пределах. Дальнейшее увеличение времени выдерживания приводит лишь к незначительному усилению отмеченных эффектов. При этом увеличение исходного соотношения Т:Ж по сравнению с 1,3:1 влияет таким же образом, как уменьшение времени выдерживания, и препятствует достижению названных эффектов, а уменьшение его по сравнению с 1:1 приводит к нежелательному уменьшению густоты получаемого продукта.

Отмеченное сокращение времени помола благодаря предварительному выдерживанию раздробленного серпентинита в молочной сыворотке позволяет существенно повысить производительность процесса в целом, так как время, в течение которого занято сложное мельничное оборудование для получения каждой порции продукта, соответственно уменьшается.

В процессе осуществления способа использование серпентинита, являющегося весьма эффективным сорбентом, существенно уменьшает интенсивность неприятных запахов.

Высушивание продукта после завершения помола до достижения влажности не более 25% обеспечивает приемлемые условия для осуществления брикетирования и гранулирования.

При использовании удобрения, получаемого по предлагаемому способу, реализуются также свойства серпентинита, проявляемые им в составе других содержащих его удобрений.

Так, серпентинит наряду с основными свойствами, благодаря которым он способствует как нейтрализации кислотности молочной сыворотки, так и нормализации кислотности почвы, обладает анионо-обменными свойствами (см., например, патент РФ №2316479, опубл. 10.02.2008 [5]). Присущая ему анионообменная емкость способствует удерживанию полезных анионов: фосфатов, нитратов и сульфатов, препятствуя их вымыванию почвенными водами. Кроме того, серпентинит как таковой сам является апробированным и используемым удобрением, содержащим магний, кальций, железо и полезные микрокомпоненты. В частности, именно это обстоятельство обусловливает комплексный характер получаемого по предлагаемому способу удобрения.

Входящий в состав получаемого удобрения серпентинит обладает также бактерицидными свойствами, что позволяет снизить интенсивность бактериального разложения и выделения газов с неприятным запахом. Удобрение одновременно является хорошим мелиорантом благодаря свойствам составляющего его основу измельченного серпентинита, способствующего улучшению структуры почвы и ее дренажных свойств, повышению влагоудерживания (за счет высокого содержания микро - и нанопор в серпентините) и созданию благоприятного водно-воздушного режима для растений.

Получаемое по предлагаемому способу удобрение удобно для хранения, расфасовки и транспортирования, а также для практического применения в сельском хозяйстве с добавлением, в случае необходимости, других компонентов.

В частном случае таким компонентом может быть бурый уголь. В этом случае удобрение дополнительно содержит в составе получаемого продукта бурый уголь, который подвергают указанному помолу совместно с серпентинитом, добавляя его в количестве от 20 до 40% от массы подлежащего помолу серпентинита, выдержанного в молочной сыворотке. Как и серпентинит, бурый уголь предварительно подвергают дроблению до достижения крупности, приемлемой для применяемого при мокром помоле оборудования.

Компонент бурый уголь содержит в связанном состоянии гуминовые вещества и является дополнительным источником полезных органических веществ.

При добавлении бурого угля для совместного с серпентинитом помола в количестве менее 20% от массы выдержанного в молочной сыворотке серпентинита обеспечиваемая бурым углем гуминизация оказывается слишком слабой, а при добавлении более 40% возрастает кислотность удобрения.

В ряде работ отмечается действие гуминовых веществ бурых углей на накопление органического вещества, водно-физические свойства почвы, увеличение урожайности зерновых, кормовых и овощных культур, повышение сопротивляемости растений к болезням, заморозкам и засухе. Приводится информация о том, что бурые угли связывают тяжелые металлы и очищают почву от вредных химических и биологических составляющих (С.И. Жеребцов, Н.В. Малышенко, С.Ю. Лырщиков и др. Функциональный состав гуматов бурого угля и их стимулирующая активность / Между нар. научно-практ. конф. Комплексный подход к использованию и переработке угля. - Душанбе, 2013. - с. 96-97 [6]).

Высокое содержание различных смол и воска в буром угле, в случае использования последнего, придает удобрению пластичность и улучшает условия его эффективного гранулирования или брикетирования в формы различной конфигурации и размеров.

Получаемое удобрение в виде гранул или брикетов удобно для хранения и транспортирования. Его можно вносить локально под зерновые в количестве 200-300 кг/га, в защищенном грунте - под огурцы, томаты 0,2-0,4 кг/м², - под корнеплоды, лук, чеснок, салат, укроп, редис - 0,1-0,2 кг/м².

Для выполнения некорневой подкормки растений получаемые в результате осуществления предлагаемого способа гранулы или брикеты используют для приготовления мелкодисперсной водной суспензии, чему способствует то обстоятельство, что твердые частицы в получаемом продукте перед гранулированием или брикетированием имеют размеры не более 0,02 мм. Приготовленную суспензию используют для разбрызгивания на листья и стебли растений. С точки зрения сочетания свойств, допускающих как традиционное применение путем внесения в почву, так и применение для некорневой подкормки, удобрение, получаемое по предлагаемому способу, аналогично удобрению по патенту РФ №2401824 (опубл. 2010.2010 [7]).

Осуществление предлагаемого способа иллюстрируется фиг. 1, на которой схематически представлена последовательность его операций. Фрагмент схемы фиг. 1, показанный штриховыми линиями, относится к частному случаю осуществления способа с использованием бурого угля.

Производство удобрения целесообразно организовывать вблизи месторождения используемого тяжеловесного минерального компонента - серпентинита и вместе с тем - на возможно меньшем удалении от производств, являющихся источником другого главного компонента - молочной сыворотки.

На помольно-обогатительном участке месторождения серпентинит дробят (позиция 1 фиг. 1) до крупности, заданной для применяемого при предстоящем мокром помоле оборудования в соответствии с его техническими характеристиками (например, для упоминаемых ниже вертикальных мельниц компании Metso Outotec - не более 6 мм (Ю. Смирнов. Вертикальные мельницы Vertimill®: эффективно и доступно. Журнал "Горная Промышленность", №2, 2013, с. 82 [8]).

Затем серпентинит загружают в емкости, которые заполняют молочной сывороткой (позиция 2 фиг. 1). После выдерживания в таких условиях в течение 7 часов (позиция 3 фиг. 1) серпентинит выгружают из емкостей и передают на производственный участок для проведения тонкого помола.

Дробленый серпентинит, выдержанный в молочной сыворотке, загружают в мелющий резервуар мельницы. Туда же заливают молочную сыворотку (позиция 4 фиг. 1) с обеспечением массового соотношения твердой и жидкой фаз Т:Ж в указанных выше пределах (от 1:1 до 1,3: 1).

В частном случае совместно с серпентинитом в мелющий резервуар мельницы может быть загружен дробленый бурый уголь (позиция 4А фиг. 1) при указанном выше соотношении по массе с серпентинитом, предварительно выдержанным в молочной сыворотке.

Далее осуществляют мокрый помол загруженного в мелющий резервуар материала (позиция 5 фиг. 1).

При тонком помоле разрушение материала начинается в его наиболее ослабленных местах - на стыках между частицами материала, в порах, трещинах и др. Помол материала в обладающей кислотностью среде молочной сыворотки ускоряет этот процесс. Как уже отмечалось выше, предварительное выдерживание серпентинита в молочной сыворотке дополнительно ускоряет его. Высокая гидрофильность серпентинита и бурого угля в случае использования последнего (в конечном счете, исходная молочная сыворотка в количестве до 25% от массы измельчаемого материала оказывается в его микро- и нанопорах) способствует тому, что вновь образующиеся при разрушении поверхности частицы подвергаются смачиванию, что ускоряет помол. В микротрещинах создается двухмерное давление, направленное вглубь частицы, которое, действуя одновременно с понижением свободной поверхностной энергии частиц, ускоряет их разрушение.

Продолжительность цикла мокрого помола составляет 1,5-2,5 часа. В условиях конкретного производства продолжительность этого цикла подбирают опытным путем на стадии отладки производственного процесса, выполняя контрольные пробы с проверкой консистенции получаемого продукта и тонкости помола. Характерные размеры твердых частиц после помола - не более 0,02 мм.

Процесс мокрого помола (позиция 5 фиг. 1) завершается выгрузкой получаемого материала на специальные лотки для сушки (позиция 6 фиг. 1), в ходе которой осуществляют контроль влажности и завершают эту операцию при влажности не более 25%. Высушенный материал хранят в условиях производственного помещения, передавая затем для осуществления завершающих операций гранулирования или брикетирования (позиция 7 фиг. 1).

При этом могут быть применены известные стандартизованные технологии гранулирования и брикетирования веществ в промышленности (см., например: ГОСТ 22834-87 "Комбикорма гранулированные" [9], ГОСТ Р 57016-2016 "Брикеты каменноугольные для энергетических и коммунально-бытовых нужд" [10]).

Предпочтительным видом мельничного оборудования в условиях крупномасштабного производства являются вертикальные гравитационные мельницы [8]. Такие мельницы, занимая меньшую площадь и обеспечивая приемлемую указанную выше тонкость помола, одновременно обеспечивают большую гранулометрическую однородность результата помола, при этом для них характерны меньшее энергопотребление и меньшая скорость износа мелющих тел.

Для оценки эффективности получаемого комплексного удобрения было осуществлено экспериментальное исследование его использования.

Пример 1

Исследования проводились на опытном поле фермерского хозяйства «Старокувинский», расположенном в пойме реки Большой Зеленчук, вблизи Веденского месторождения природного серпентинита в Карачаево-Черкесской Республике.

Целью работы являлась экспериментальная проверка эффективности применения комплексного удобрения, полученного в соответствии с предлагаемым способом. Почва опытного участка - чернозем обыкновенный, карбонатный, малогумусный. Площадь опытной делянки 0,3 га, разбита на два участка по 0,15 га, контрольной - 0,2 га. Тест-культурой служили семена ярового ячменя сорта «Виконт», который полностью созревает за 130 дней и обладает потенциальной урожайностью 70 ц/га.

На первом опытном участке использовалось комплексное удобрение, полученное по предлагаемому способу (без добавления бурого угля), на втором опытном участке - комплексное удобрение, полученное по предлагаемому способу (с добавлением бурого угля в количестве 27% от массы от массы серпентинита). Удобрение в количестве 35 кг было равномерно разбросано на каждом из опытных участков непосредственно перед вспахиванием почвы в виде цилиндрических гранул с размерами 20×10 мм (длина и диаметр), на первый участок без добавления бурого угля, на второй - с добавлением бурого угля. Почва на всех трех участках после вспахивания культивировалась с последующим посевом ячменя.

После созревания культуры был собран урожай со всех участков: с первого опытного участка собрали 930 кг зерна, со второго - 1120 кг, а с контрольного участка - 640 кг, несмотря на большую площадь данного участка. Таким образом, сравнение собранного урожая ячменя после созревания культур показало существенное увеличение урожая на опытных участках по сравнению с контрольным, из чего можно сделать вывод, что комплексное удобрение, полученное по предлагаемому способу, повышает качество и урожайность зерна ячменя.

Пример 2

Данный пример относится к использованию удобрения для выполнения некорневой подкормки растений. Получаемые в результате осуществления предлагаемого способа полые брикеты длиной 50 мм с внутренним диаметром 9 мм и толщиной стенки 5 мм измельчались и использовались для приготовления мелкодисперсной водной суспензии с объемной концентрацией твердой фазы до 0,4.

Место проведения эксперимента - СНТ «Скала-3», вблизи г. Протвино на юго-западе Московской области.

Для изучения влияния такого способа применения удобрения на прорастание семян и развитие проростков использовался метод биотестирования. Биотестирование удобрения выполнялось методом проростков. Тест-культурами служили семена редиса, проращивание семян тест-культур выполнялось на субстрате, в качестве которого использовалась искусственная почва АКМ по п. 1 формулы изобретения патента РФ №2748354 (опубл. 24.05.2021 [11]) при одинаковых долях компонентов А (серпентинит), К (глина) и М (бурый уголь).

Влажная поверхность почвы накрывалась фильтровальной бумагой, на которую раскладывались опытные и контрольные семена тест-культур, семена из опытной партии однократно опрыскивались приготовленной суспензией. Проращивание проводилось при температуре 20-25°С в течение 9 дней. Тестирование проводилось по таким показателям, как способность прорастания (за 9 суток), энергия и интенсивность прорастания (за 3 суток), а также количество и качество зеленой массы растений. После появления проростков редиса (четвертые сутки), растения из опытной партии ежедневно обрабатывались суспензией однократно в вечернее время.

В процессе эксперимента определялась дружность, измерялась скорость прорастания семян, масса листьев и корнеплода. Полученные результаты подвергались статистическому анализу, в результате которого установлено, что некорневая подкормка растений приводит к выраженному стимулированию прорастания семян и активизации развития проростков по сравнению с контролем. Так, по сравнению с контролем, т.е. без обработки суспензией, содержащей удобрение, дружность прорастания редиса увеличивается на 32%; средняя масса проростков увеличивается на 27%.

Стимулирующее влияние удобрения на прорастание семян и развитие редиса 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.

Таким образом, органоминеральное удобрение, получаемое по способу в соответствии с предлагаемым изобретением, может быть использовано в сельском хозяйстве для интенсивного растениеводства, в том числе, для выращивания культур в условиях сложных климатических условий, с одновременным решением задачи утилизации молочной сыворотки.

Источники информации

1. Международная публикация WO 2005054155, 16.06.2005.

2. Патент РФ №2674618, опубл. 11.12.2018.

3. Патент РФ №2676140, опубл. 26.12.2018.

4. С.Е. Боева, Я.И. Коренман, Е.И. Мельникова, С.И. Нифталиев. Мультисенсорный анализ осмофорических веществ творожной сыворотки. Современные наукоемкие технологии. - 2007, №3, С. 20-22.

5. Патент РФ №2316479, опубл. 10.02.2008.

6. С.И. Жеребцов, Н.В. Малышенко, С.Ю. Лырщиков и др. Функциональный состав гуматов бурого угля и их стимулирующая активность / Междунар. научно-практ. конф. Комплексный подход к использованию и переработке угля. - Душанбе, 2013. - с. 96-97.

7. Патент РФ №2401824, опубл. 2010.2010.

8. Ю. Смирнов. Вертикальные мельницы Vertimill®: эффективно и доступно. Журнал 'Торная Промышленность", №2, 2013, с. 82.

9. ГОСТ 22834-87. Комбикорма гранулированные.

10. ГОСТ Р 57016-2016. Брикеты каменноугольные для энергетических и коммунально-бытовых нужд.

11. Патент РФ №2748354, опубл. 24.05.2021.