Результат интеллектуальной деятельности: Биосорбент для очистки воды от углеводородных загрязнений и способ его получения

Группа изобретений относится к промышленной биотехнологии и может применяться для создания высокоэффективного биосорбента, используемого для очистки водоемов от углеводородных (УГВ) загрязнений.

Любой из современных способов сбора пролитых нефти и продуктов ее переработки (выжигание, механический сбор, химические и физико-химические методы) не может обойтись без стадии биологической очистки. Тонкие пленки нефти, оставшиеся после физико-химических приемов, возможно удалить лишь с применением биологических объектов.

Под понятием «биосорбенты» подразумеваются сорбенты, иммобилизованные культурами микроорганизмов, обеспечивающие биологическое разложение углеводородов. В качестве носителей для иммобилизации культуры микроорганизмов могут быть использованы практически все сорбенты органического (растительные и синтетические) и минерального происхождения, а в качестве культур микроорганизмов-деструкторов - любые простейшие углеводородокисляющие микроорганизмы (дрожжи, бактерии, грибы).

Иммобилизацию микроорганизмов на сорбент обычно осуществляют методом тонкодисперсного напыления суспензии на поверхность сорбента с одновременным его перемешиванием. После сушки при нормальной температуре биосорбент готов к применению.

Биосорбенты должны отвечать следующим требованиям:

- обладать большой сорбционной емкостью;

- обеспечивать сцепление клеток микроорганизмов с поверхностью сорбента в течение длительного времени применения (7-20 сут);

- обладать безопасностью для окружающей среды и человека после использования;

- обладать гидрофобностью в том случае, если используются для очистки водоемов.

Известен способ иммобилизации клеток микроорганизмов в сорбент, используемый для очистки нефтезагрязнений (патент РФ №2420579, C12N 11/00, опубл. 10.06.2011) Способ включает смешивание аэрозоля, включающего гидрофобный олеофильный сорбент, используемый для очистки нефтезагрязнений, с аэрозолем, включающим смесь или масла, или нефтепродукта и культуральной жидкости с микробными клетками-нефтедеструкторами. В качестве сорбента используют торфяной сорбент с размером частиц 1-3 мм в диаметре. При этом используют культуральную жидкость с микробными клетками-нефтедеструкторами с титром 10⁹-10¹⁰ КОЕ/мл и масляный аэрозоль с размером капель 15÷25 мкм. Иммобилизацию продолжают до содержания микробных клеток в сорбенте не менее 10⁹ живых клеток на 1 г сорбента. Недостатком данного способа является необходимость постоянной очистки циркулирующего в камере воздуха, что существенно повышает трудоемкость и усложняет техническое исполнение известного способа. Так же попадание на сорбент значительного количества масляного аэрозоля (смесь масла и культуральной жидкости) приводит к набуханию сорбента и снижению его сорбционной емкости и гидрофобности. Кроме того, торфяной сорбент с размером частиц 3 мм вместе с сорбированной нефтью обладает избыточной массой, что значительно ухудшает его флотационные свойства и сокращает срок действия при очистке водоемов.

Известен способ получения биосорбента для очистки воды от УГВ загрязнений и биосорбент, полученный по этому способу (патент РФ №2487752, B01J 20/22, опубл. 20.07.2013), включающий иммобилизацию биомассы, содержащей взятые в эффективном количестве нефтеокисляющие микроорганизмы, в органический гидрофобный сорбент на основе торфа с последующей сушкой. При этом органический гидрофобный сорбент получают путем низкотемпературного пиролиза под вакуумом измельченного до 0,2-0,5 мм торфа, который проводят при температуре 210-250°С в течение 60-90 мин. Иммобилизацию осуществляют путем внесения сорбента в суспензию биомассы в процессе ее ферментации на стадии замедления роста нефтеокисляющих микроорганизмов. При этом масса вносимого сорбента в 6-10 раз превышает массу нефтеокисляющих микроорганизмов. В качестве нефтеокисляющих микроорганизмов используют штамм дрожжей Candida maltosa ВКПМ Y-3446 или штамм бактерий Dietzia maris ВКПМ Ас-1824. Недостаток данного способа заключается в том, что в процессе пиролиза торфяные смолы, находящиеся в сорбенте, под действием температуры испаряются вместе с влагой, «осушая» сорбент, что ухудшает его флотационные свойства и приводит быстрому намоканию сорбента. Узкий диапазон кислотной активности (рН) каждого отдельно взятого иммобилизованного штамма микроорганизмов (для Candida maltosa рН составляет 4,0, для Dietzia maris - 7,0) ограничивает возможности применения биосорбента в зависимости от факторов утилизируемой среды и уменьшает степень самоочистки биосорбента.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая группа изобретений, является разработка способа получения эффективного биосорбента, обладающего высокой степенью биодеструкции УГВ.

Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая группа изобретений, является повышение эффективности биосорбента за счет расширения области применения и высокой степени самоочистки биосорбента, а также увеличение сорбционной емкости биосорбента, улучшение его гидрофобных и флотационных свойств.

Для достижения указанного технического результата в способе получения биосорбента для очистки воды от УГВ загрязнений, включающем внесение органического гидрофобного сорбента, полученного путем пиролиза под вакуумом при температуре 210-250°С измельченного торфа, в суспензию биомассы, содержащую в эффективном количестве нефтеокисляющие микроорганизмы. Органический гидрофобный сорбент вносят в процессе ферментации биомассы на стадии замедления роста нефтеокисляющих микроорганизмов, а масса вносимого органического гидрофобного сорбента в 6-10 раз превышает массу нефтеокисляющих микроорганизмов, содержащихся в суспензии биомассы к моменту внесения. Измельченный до фракций 1-1,5 мм торф перед низкотемпературным пиролизом подвергают предварительной сушке при температуре 40-50°С до достижения влажности не более 3%. Пиролиз осуществляют в течение 90-120 мин. В качестве нефтеокисляющих микроорганизмов используют консорциум штаммов Candida maltosa ВКПМ Y-3446 и Dietzia maris ВКПМ Ас-1824, взятых в соотношении 1:1.

Биосорбент для очистки воды от УГВ загрязнений, полученный предлагаемым способом, содержит измельченный до фракций 1-1,5 мм и подсушенный до влажности не более 3% торф в качестве органического гидрофобного сорбента и нефтеокисляющие микроорганизмы, иммобилизованные в органический гидрофобный сорбент. В качестве нефтеокисляющих микроорганизмов упомянутый биосорбент содержит консорциум штаммов Candida maltosa ВКПМ Y-3446 и Dietzia maris ВКПМ Ac-1824, взятых в соотношении 1:1.

Преимуществом предлагаемой группы изобретений является получение биосорбента, в порах которого иммобилизован бактериально-дрожжевой консорциум, состоящий из двух штаммов микроорганизмов (штаммов дрожжей Candida maltosa ВКПМ Y-3446 и бактерий Dietzia maris ВКПМ Ac-1824), проявляющих неодинаковую активность по отношению к утилизируемым углеводородам и отличающихся по условиям, обеспечивающим их наибольшую эффективность (например, по показателям рН). Дрожжи Candida maltosa способны активно утилизировать УГВ при рН от 3,0 до 5,0, а бактерии Dietzia maris - при рН от 6,0 до 8,0. Данное преимущество значительно расширяет спектр утилизируемых УГВ, что обуславливает расширение области применения биосорбента.

Опытным путем определен минимальный размер фракций торфа (1-1,5 мм), который обеспечивает оптимальный расход биосорбента в процессе очистки водоемов от УГВ загрязнений, исключая распыление и унос по воздуху (ветром) частиц менее 1 мм. Полученный биосорбент обладает развитой пористой структурой и за счет увеличения количества открытых пор эффективно удерживает в себе УГВ без их вымывания даже при нахождении на водотоке, что характеризует его повышенную сорбционную емкость. Кроме того, увеличение количества пор сорбента позволяет увеличить количество биомассы микроорганизмов, иммобилизованных в сорбент, что повышает степень самоочистки биосорбента.

Торф перед термической обработкой подвергают предварительной сушке, что обеспечивает сохранение торфяных смол в порах торфа, которые при пиролизе непросушенного торфа улетучиваются вместе с влагой. В ходе термической обработки предварительно высушенного торфа смолы под действием температуры и вакуума выходят на поверхность, но не испаряются, а оседают на поверхности частиц торфа, уменьшая его смачиваемость и тем самым улучшая флотационные и гидрофобные свойства полученного сорбента, увеличивая срок действия и предотвращая преждевременное утопание сорбента.

Способ осуществляют следующим образом.

Измельченный до фракций 1-1,5 мм торф сушат при температуре 40-50°С до показателей влажности не более 3%, после чего подвергают его низкотемпературному пиролизу под вакуумом при температуре 210-250°С в течение 90-120 мин. Выращивают раздельно культуры дрожжей Candida maltosa ВКПМ Y-3446 и бактерий Dietzia maris ВКПМ Ас-1824. Ферментацию биомассы дрожжей и биомассы бактерий проводят в накопительном режиме на углеводородном субстрате в присутствии биогенных элементов при технологических параметрах выращивания, указанных в паспортах соответствующих культур. Затем на стадии замедления роста микроорганизмов осуществляют иммобилизацию биомассы микроорганизмов в органический гидрофобный сорбент путем внесения термически обработанного торфа в суспензию биомассы консорциума культур дрожжей Candida maltosa ВКПМ Y-3446 и бактерий Dietzia maris ВКПМ Ас-1824 за 2-3 часа до окончания ферментации. Суспензии культур Candida maltosa ВКПМ Y-3446 и Dietzia maris ВКПМ Ac-1824 в равных объемах соединяют в ферментере, после чего туда же добавляют навеску торфа. Масса вносимого торфа в 6-10 раз превышает массу консорциума микроорганизмов, содержащихся в суспензии биомассы к моменту внесения. Иммобилизация микроорганизмов происходит за счет того, что органический гидрофобный сорбент, попав в суспензию биомассы, сорбирует остаточные УГВ вместе с микроорганизмами. Под действием аэрации и перемешивания в глубине пор происходят утилизация остаточного УГВ сырья и рост биомассы микроорганизмов. Растущая биомасса микроорганизмов глубоко проникает внутрь пор сорбента, обеспечивая тем самым сцепление клеток микроорганизмов с поверхностью сорбента в течение длительного времени, в результате чего происходит устойчивая иммобилизация клеток микроорганизмов. Далее осуществляют концентрирование полученной суспензии биосорбента центрифугированием с последующей сушкой сгущенной суспензии биосорбента на лиофильной сушилке. Полученный биосорбент может применяться для очистки водоемов.

В лабораторных условиях были проведены эксперименты, подтверждающие высокую эффективность биосорбента, полученного при реализации предлагаемого способа.

Пример 1

Для приготовления органического гидрофобного сорбента используют низинный торф, который измельчают до фракций 1-1,5 мм в мельнице ударного типа. Контроль размера частиц выполняют отсеиванием с помощью вибросит. Измельченный и просеянный торф выкладывают на лотки и осуществляют предварительное просушивание. Для определения параметров предварительной сушки образец торфа массой 1 кг с начальной влажностью 60% поместили в сушильный шкаф. Для контроля влажности каждые два часа образец доставали, охлаждали в естественных условиях и взвешивали. С помощью известных методик (например, ГОСТ 19723-74) определяли влажность образца. Через 8 часов было установлено, что показатель влажности образа торфа достиг значения 3%. Дальнейшая сушка образца при температуре 40°С не отражалась на показателях влажности торфа.

Предварительно просушенную до влажности 3% смесь торфа раскладывают в лотки и помещают в вакуумный сушильный шкаф, в котором устанавливают температуру 230°С и остаточный вакуум 100 Па. После проведения пиролиза в течение 120 мин органический гидрофобный сорбент готов для использования.

Ферментацию углеводородокисляющего штамма дрожжей Candida maltosa ВКПМ Y-3446 осуществляют в ферментере на жидких парафинах нефти С₁₃-С₁₇ кабрамидной депарафинизации. Начальная концентрация парафина 2%, начальное содержание биомассы дрожжей 2,0-2,2 г в 1 литре суспензии, минеральная среда для размножения штамма имеет следующий состав: H₃PO₄ (70%) - 2,6 г/л, KCl - 1,14 г/л, MgSO₄ - 0,55 г/л, FeSO₄×7H₂O - 0,045 г/л, ZnSO₄×7H₂O - 0,031 г/л, MnSO₄×7H₂O - 0,031 г/л, CuSO₄ - 0,004 г/л. Ферментацию осуществляют при рН 4,0-4,2, числе оборотов мешалки 800 об/мин, подаче воздуха на аэрацию 100 л/ч на 1 л суспензии биомассы в течение 18 ч. Через 18 ч содержание биомассы дрожжей составляет 15 г в 1 литре суспензии.

Ферментацию углеводородокисляющего штамма бактерий Dietzia maris ВКПМ Ас-1824, осуществляют в ферментере на жидких парафинах нефти С₁₃-С₁₇ кабрамидной депарафинизации. Начальная концентрация парафина 2%, начальное содержание биомассы бактерий 2,0-2,2 г в 1 литре суспензии, минеральная среда для размножения штамма имеет следующий состав: KNO₃ - 4,0 г/л, KH₂PO₄ - 0,4 г/л, Na₂HPO₄×12H₂O - 1,4 г/л, MgSO₄ - 0,8 г/л, FeSO₄×7H₂O - 0,045 г/л, ZnSO₄×7H₂O - 0,031 г/л, MnSO₄×7H₂O - 0,031 г/л, CuSO₄ - 0,004 г/л. Ферментацию ведут при рН 7,0-7,2, числе оборотов мешалки 800 об/мин, подаче воздуха 100 л/ч на 1 л суспензии биомассы в течение 20 ч. Через 20 ч содержание биомассы бактерий составляет 15 г в 1 литре суспензии.

На стадии замедления роста микроорганизмов, по достижении концентрации биомассы 13-15 г/л, соединяют суспензии дрожжей Candida maltosa ВКПМ Y-3446 и бактерий Dietzia maris ВКПМ Ас-1824 в одном из ферментеров в равных долях, таким образом чтобы общий объем двукомпонентной суспензии не превышал 10 л. После чего, в этот же ферментер добавляют 100 г полученного ранее термически обработанного торфа на каждый литр рабочего объема ферментера. Ферментацию проводят еще в течение 3 ч, до полного исчерпания УГВ питания. Полученную суспензию сгущают на центрифуге при 3500 об/мин в течение 10 мин. Сгущенную суспензию раскладывают на лотки и сушат в лиофильной сушилке в течение 24 ч под вакуумом. Сушку осуществляют в интервале температур от -25°С до +25°С, при остаточном вакууме 10 Па. Полученный биосорбент после сушки готов к применению.

Очистку воды от углеводородных загрязнений осуществляют следующим образом. В стеклянный сосуд наливают 1 л воды, на поверхность воды разливают 5 мл сырой нефти. Затем на загрязненную поверхность воды маленькими порциями наносят биосорбент в количестве, обеспечивающем полный сбор нефти с поверхности воды. Взвешивают биосорбент с собранной нефтью (в данном случае 4,7 г), т.е. масса использованного сорбента составляет 0,45 г. Зная плотность нефти (850 кг/м³), определяем ее массу - 4,25 г. Затем рассчитываем сорбционную емкость биосорбента, которая в данном случае составляет около 9,4 г/г (один грамм сорбента поглощает 9,4 г УГВ).

Биосорбент, насыщенный нефтью, помещают в чашку Петри и наблюдают за разложением нефти под действием микроорганизмов. Биосорбент увлажняют каждые 3 дня. За 15 дней содержание нефти снизилось на 41%, а за 30 дн на 66%, что подтверждает повышение степени самоочистки биосорбента от УГВ в результате использования консорциума штаммов микроорганизмов.

Пример 2

Биосорбент после сорбции нефти не вынимают из воды. Через 20 дней содержание нефти в биосорбенте уменьшилось на 53%, что свидетельствует о высокой скорости разложения углеводородов в процессе самоочистки биосорбента от углеводородов, собранных с поверхности воды.

Пример 3

Биосорбент после сорбции нефти не вынимают из воды. Для исследования флотационных свойств полученного по предлагаемому способу биосорбента еженедельно определяют разницу между массами оставшегося на поверхности и использованного для сбора нефтяного пятна биосорбента. После 30 сут эксперимента зафиксировано ничтожно малое количество утонувших частиц биосорбента, которыми можно пренебречь, т.к. размер их фракции менее 0,03 мм. Наличие частиц такого размера обусловлено истиранием более крупных стандартных (1-1,5 мм) друг о друга частиц во время хранения, перегрузки и пр. механического воздействия. Для сравнения в рамках эксперимента был приготовлен биосорбент по способу, наиболее близкому к предлагаемому (прототипу), которым обработали пятно нефти на поверхности воды, как описано в примере 1.

Утопание частиц известного биосорбента зафиксировали спустя 10 сут эксперимента. К двадцатым суткам можно было говорить об оседании на дно сосуда более 50% известного биосорбента.

Можно утверждать, что предлагаемый биосорбент способен оставаться на поверхности воды в течение длительного времени за счет улучшения его флотационных свойств.

Таким образом, реализация предлагаемого способа обеспечивает увеличение сорбционной емкости биосорбента и позволяет получить биосорбент с высокой степенью самоочистки и широкой областью применения, что обусловливает повышение эффективности процесса утилизации УГВ загрязнений.