Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения сорбента из шрота семян винограда

Изобретение относится к биотехнологии и области рационального использования вторичных ресурсов агропромышленного комплекса, а именно получения сорбента для очистки почв от нефтяных загрязнений с использованием нефтеокисляющих микроорганизмов.

Аналогом предлагаемого способа является патент РФ №2240864 - способ получения сорбента из растительного сырья, включающий удаление из растительного сырья балластных веществ, сушку. В качестве растительного сырья используют плодовую оболочку семян подсолнечника, удаление балластных веществ из плодовой оболочки семян подсолнечника осуществляют путем экстракции при температуре 45-55°С растворителем, выбранным из ряда: экстракционный бензин, петролейный эфир, нефрас, в течение 30-100 минут при соотношении плодовая оболочка семян подсолнечника:растворитель (1:5):(1:20) с последующим отделением плодовой оболочки семян подсолнечника от раствора балластных веществ в растворителе отстаиванием, после чего в отделенную плодовую оболочку семян подсолнечника добавляют воду, полученную смесь выдерживают в течение 10-60 мин, подвергают замораживанию и выдержке при температуре (-4) - (-20)°С в течение 30-240 минут с последующим размораживанием при температуре 25-100°С, а сушку проводят при температуре 100-200°С.

Недостатком данного способа является применение для удаления балластных веществ растворителя в виде экстракционного бензина, петролейного эфира, нефраса, многоступенчатость процесса, включающая замораживание и сушку, что делает процесс энергозатратным.

Среди современных способов очистки почв от загрязнения нефтепродуктами наиболее эффективными и безопасными являются сорбционный и микробиологический. Известен ряд исследований по разработке микробиологических способов, которые стимулируют природные самоочищающие процессы биодеградации сорбированных нефтепродуктов. Микробные клетки обладают полифункциональной энзиматической активностью, благодаря которой микроорганизмы способны использовать углеводороды нефти в процессе энергетического и конструктивного метаболизма и разрушать их [Исмайлов Н.М., Пиковский Ю.И. // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. - М.: Наука, 1988. - С. 222-230]. В России для очистки почв от нефтепродуктов уже используют бактериальные препараты под торговыми названиями «Деворойл», «Олеоворин», «Путидойл», «Сойлекс», «Фаерзайн», Суперкомпост «ПИКСА» и др. Применяются эти препараты при непосредственном внесении в нефтезагрязненную почву в виде суспензии с последующими сопутствующими операциями по внесению минеральных подкормок и рыхлению почвы. К недостаткам применения препаратов можно отнести неудобство внесение в почву распылением водной суспензии препарата на участок загрязненной почвы с последующим перемешиванием.

Разработан сорбент на основе плодовой оболочки семян подсолнечника патент РФ №2319541 - способ получения сорбента, включающий удаление балластных веществ из оболочки семян подсолнечника путем экстракции растворителем в течение 30-100 минут, отстаивание, сушку при 100-200°С обезжиренной плодовой оболочки подсолнечника, при этом в качестве растворителя используют гексан, а после сушки на поверхности продукта иммобилизуют ассоциат микроорганизмов путем распыления водной суспензии препарата «Деворойл», приготовленной при соотношении высушенной массы микроорганизмов и воды, равном 1:(2-5), при этом распыление осуществляют при соотношении обезжиренной плодовой оболочки подсолнечника и водной суспензии препарата «Деворойл», равном (5-20):1, последующего перемешивания и высушивания сорбента при 20-35°С до остаточной влажности 10-15%.

Недостаток данного способа - низкая микробная активность препарата на лузге подсолнечника, недостаточно высокая степень пористости носителя.

Задачей изобретения является создание сорбента из растительного сырья с иммобилизированным на его поверхности ассоциатом нефтеокисляющих организмов, обладающего высокой сорбционной активностью, безвредным для естественных биогеоценозов. Технический результат - повышение сорбционной и микробиологической активности, повышение пористости носителя.

Технический результат достигается тем, что способ получения сорбента из шрота семян винограда, включающий удаление балластных веществ из растительного сырья путем экстракции, иммобилизацию ассоциата микроорганизмов путем распыления водной суспензии микробиологического препарата, последующего перемешивания и высушивания сорбента, при этом в качестве растительного сырья используют шрот из семян винограда, экстракцию проводят в два этапа, на первом этапе жидким диоксидом углерода при соотношении материала и растворителя 1:1 и температуре 18-22°С в течение 220-240 минут и давлении 5,4-6,0 МПа, на втором этапе растворителем хладон R-134A при соотношении материала и растворителя 1:1,5 и температуре 15-20°С в течение 80-90 минут и давлении 2,3-2,5 МПа с последующим резким сбросом давления до атмосферного, а в качестве микробиологического препарата используют биопрепарат Микрозим(tm) «Петро Трит» с последующим промыванием водой от не включившихся в структуру носителя клеток.

Повышение сорбционной активности и пористости носителя достигается удалением балластных веществ с помощью двухступенчатой экстракции.

На первом этапе из семян винограда с помощью жидкого диоксида углерода извлекают 12-14% БАВ с преимущественным содержанием ценных жирных кислот и жирорастворимых витаминов.

На втором этапе из CO₂-шрота с помощью хладона R-134A извлекается еще 10-12% жирных масел и балластных веществ, также являющихся ценными продуктами. Выбор хладона R-134A обусловлен его экологичностью в связи с отсутствием хлора - данный хладон является озоносберегающим. Наличие второго растворителя необходимо для более полного удаления балластных веществ, что одновременно усиливает гидрофильность природного материала, а резкий сброс давления до уровня фактического атмосферного обеспечивает повышение пористости, всвязи с чем повышается способность микроорганизмов к адсорбции на природных пористых материалах.

В таблице 1 приведены основные структурные характеристики сорбента на основе шрота семян винограда после обезжиривания в сравнении с образцом сорбента на основе подсолнечной лузги после обезжиривания.

Экспериментально показано, что химически модифицированный шрот семян винограда обладает гидрофильными свойствами, обеспечивающими благоприятные условия для жизнедеятельности нефтеокисляющих микроорганизмов на его поверхности, а также его использование способствует рациональной и безотходной переработке вторичного сырья.

Использование жидкого диоксида углерода в качестве материала для технологической обработки обусловлено наибольшим сродством жидкого диоксида углерода к биологическим компонентам шрота виноградной косточки. Температурный режим и давление выбраны исходя из показателей диэлектрической проницаемости: для масла она составляет 2-3 единицы, для CO₂ - 1,9 единиц, а для CO₂-экстракта - 2 единицы, что обеспечивает наибольшую эффективность извлечения нужных компонентов.

Для иммобилизации был применен микробно-ферментный препарат Микрозим(tm) «Петро Трит», который является эффективным биодеструктором нефтяного загрязнения (Санитарно-Эпидемиологическое Заключение №77.99.02.515.Д.001102.03.05 от 11.03.2005). Препарат представляет собою микробиологический реагент, биодеструктор нефтяных углеводородов, предназначенный для экологически безопасной очистки почвенных покровов и водных объектов от загрязнения нефтяными углеводородами. Биоценоз биопрепарата представлен: Bacillus sp., Atherobacter sp., Nocordia sp., Rhodococcus sp., Pseudomonas sp. Это естественные, нетоксичные, непатогенные селективно улучшенные анаэробные факультативные сапрофитные микроорганизмы, специально отобранные по критерию эффективности метаболизации сложных углеводородных соединений и продуктов их разложения. Сухая порошковая форма биопрепарата темно-коричневого цвета, содержит научно составленную консорцию из 12 штаммов живых углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) в виде концентрата сухих спор с титром 4 × 10 в 12 КОЕ/г, минеральные соли, экологически чистый питающий носитель.

Механизм действия биопрепарата Микрозим(tm) «Петро Трит» на загрязненный нефтепродуктами участок земли заключается в непрерывной биологической деструкции нефтяных углеводородов живыми углеводородокисляющими микроорганизмами, способными к активной метаболизации нефтяных углеводородов и продуктов их разложения в качестве источника энергии жизнедеятельности с образованием воды и углекислого газа. Этим обеспечивается биологическая очистка почвы и воды от загрязнения углеводородами и нейтрализуется экотоксическое действие промежуточных продуктов разложения углеводородов на окружающую среду. В течение 12-24 часов при наличии благоприятных условий углеводородокисляющие микроорганизмы (УОМ) активизируются, начинается необратимый процесс разложения нефтяных углеводородов, завершающийся метаболизацией - до 90% массы входящих в состав углеводородного загрязнителя (общие нефтепродукты) фракций распадаются до экологически нетоксичных продуктов метаболизма: углекислого газа, воды, биоразлагаемой массы нетоксичной непатогенной полезной почвенной микрофлоры, гумуса. В составе препарата для жизнедеятельности УОМ используют тяжелые и легкие фракции нефтяных углеводородов, биогенные элементы азота, фосфора. Не обеспеченная питанием масса углеводородокисляющих микроорганизмов элиминируется и метаболизируется активизирующейся аборигенной микрофлорой.

Использование микробно-ферментного препарата Микрозим(tm) «Петро Трит» в полученном из шрота семян винограда сорбенте обусловлено более высокой интенсивностью снижения нефтяного загрязнения почвы, результаты исследований представлены в таблице 2.

В модельных опытах была подтверждена эффективность предлагаемого сорбента. На фиг. 1 представлена динамика деструкции нефти в почве без применения сорбента (кривая 1), с сорбентом на основе подсолнечной лузги с препаратом «Деворойл» (кривая 2), с сорбентом на основе шрота семян винограда с иммобилизированным препаратом Микрозим(tm) «Петро Трит» (кривая 3).

Исследовались образцы почвы, в которые была внесена товарная нефть Новодмитриевского месторождения Краснодарского края. Первоначально содержание нефтепродуктов в почве составляло 307±5 г/кг. В результате хроматографического анализа выявлено разнообразие содержания углеводородов с преобладанием алканов С₁₀-С₃₃, а также наличие тяжелых и ароматических фракций. В состав микробных сообществ почвы входили представители автохтонных микроорганизмов в среднем 10⁷-10¹⁰ КОЕ/г, среди которых 10⁴КОЕ/г составили нефтеокисляющие микроорганизмы.

Заявленный способ поясняется примерами.

Пример 1. В качестве сырья берут шрот семян винограда (отход винодельческого производства) в количестве 1 кг. Удаление балластных веществ из шрота семян винограда проводят путем газожидкостного обезжиривания CO₂ в количестве 1 л (при соотношении шрот семян винограда косточки:CO₂ 1:1) при температуре 18°С, давлении 5,4 МПа в течение 220 минут, затем хладоном R-134A в количестве 1,5 л (при соотношении шрот семян винограда:хладон 1:1,5) при температуре 15°С, давлении 2,3 МПа в течение 80 минут и резким сбросом давления до атмосферного. Перед иммобилизацией препарата Микрозим(tm) «Петро Трит» готовят его водную суспензию: на 100 мл воды берут 50 г препарата. Распыляют суспензию при массовом соотношении обезжиренный шрот виноградной косточки:суспензия 15:1. После перемешивания смеси ее промывают водой от не включившихся в структуру носителя клеток. Высушивают при t=+25..+30°С до влажности 10-15%. Выход сорбента составил 97%.

Пример 2. В качестве сырья берут шрот семян винограда (отход винодельческого производства) в количестве 1 кг. Удаление балластных веществ из шрота семян винограда проводят путем газожидкостного обезжиривания CO₂ в количестве 1 л (при соотношении шрот семян винограда косточки:CO₂ 1:1) при температуре 20°С, давлении 5,7 МПа в течение 230 минут, хладоном R-134A в количестве 1,5 л (при соотношении шрот семян винограда:хладон 1:1,5) при температуре 17°С, давлении 2,4 МПа в течение 85 минут и резким сбросом давления до атмосферного. Перед иммобилизацией препарата Микрозим(tm) «Петро Трит» готовят его водную суспензию: на 100 мл воды берут 30 г препарата. Распыляют суспензию при массовом соотношении обезжиренный шрот виноградной косточки:суспензия 17:1. После перемешивания смеси ее промывают водой от не включившихся в структуру носителя клеток. Высушивают при t=+25..+30°С до влажности 10-15%. Выход сорбента составил 96,5%.

Пример 3. В качестве сырья берут шрот семян винограда (отход винодельческого производства) в количестве 1 кг. Удаление балластных веществ из шрота семян винограда проводят путем газожидкостного обезжиривания CO₂ в количестве 1 л (при соотношении шрот семян винограда косточки:CO₂ 1:1) при температуре 22°С, давлении 6,0 МПа в течение 240 минут, хладоном R-134A в количестве 1,5 л (при соотношении шрот семян винограда:хладон 1:1,5) при температуре 20°С, давлении 2,5 МПа в течение 90 минут и резким сбросом давления до атмосферного. Перед иммобилизацией препарата Микрозим(tm) «Петро Трит» готовят его водную суспензию: на 100 мл воды берут 20 г препарата. Распыляют суспензию при массовом соотношении обезжиренный шрот виноградной косточки:суспензия 15:1. После перемешивания смеси ее промывают водой от не включившихся в структуру носителя клеток. Высушивают при t=+25..+30°С до влажности 10-15%. Выход сорбента составил 96,5%.