Способ биоконверсии отходов промышленного производства сапонинов из корня saponaria officinalis
Владельцы патента RU 2549687:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет пищевых производств" (RU)
Изобретение относится к области получения удобрений на основе отходов переработки растительного сырья. Предложен способ биоконверсии отходов промышленного производства сапонинов из корня Saponaria Officinalis. Способ включает приготовление исходной смеси, загрузку смеси в биореактор и проведение биоконверсионного процесса с аэрацией смеси. Растительные отходы производства сапонинов подвергаются биоконверсии в составе смеси, содержащей торф и птичий помет, с соотношением компонентов торф:птичий помет: растительные отходы - (13%-25%):50%:(25%-50%). Процесс биоконверсии в первые 7 суток производится при температуре 37±2°C и 55±2°C - на 8-е сутки. Изобретение обеспечивает ускорение процесса биоконверсии растительных отходов и повышение его эффективности. 3 з.п. ф-лы, 7 табл., 5 пр.
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.
| Таблица 2 | |||||||||||
| - Физико-химические, ферментативные и микробиологические показатели биоконверсии растительных отходов с торфом и пометом при изменении продолжительности процесса (пример 2) | |||||||||||
| № реактора | День отбора | W, % | pH | Активность каталазы, см3 O2/г/мин | Активность дегидрогеназы, мг ТФФ/г/24 ч | ОВК, у.е. | Использ. минер. азот, млн/г | Аммонифиц. Млн/г | KmN | Грибы, тыс./г | Энтеробактерии, млн/г |
| I | 1 | 66 | 6,17 | 0,74 | 1,17 | 0,05 | 47,1 | 510,6 | 0,09 | 24,71 | 18,82 |
| 2 | 68 | 5,44 | 65,47 | 3,90 | 1,18 | 4571,9 | 4350,0 | 1,05 | 387,50 | 1281,25 | |
| 4 | 66 | 5,25 | 68,82 | 4,89 | 0,99 | 7470,6 | 9647,0 | 0,77 | 54,41 | 2423,53 | |
| 7 | 69 | 6,71 | 26,21 | 6,41 | 0,92 | ||||||
| II, III | 1 | 73 | 6,30 | 0,93 | 1,54 | 0,03 | 74,0 | 3000,7 | 0,02 | 577,78 | 18,52 |
| 2 | 68 | 5,34 | 70,00 | 3,50 | 1,39 | 5221,0 | 3145,0 | 1,66 | 306,56 | 1633,75 | |
| 4 | 66 | 5,40 | 72,36 | 5,33 | 0,96 | 8529,4 | 4594,1 | 1,86 | 36,18 | 1788,24 | |
| 6 | 37 | 5,97 | 39,68 | 3,14 | 0,88 | 3504,8 | 3047,6 | 1,15 | 90,48 | 810,79 | |
| 8 | 72 | 7,94 | 75,72 | 1,98 | 2,70 | 3389,3 | 3164,3 | 1,07 | 8000 | 1139,29 | |
| 9 | 40 | 6,63 | 11,84 | 3,74 | 0,70 | ||||||
| III | 10 | 47 | 7,50 | 48,87 | 2,22 | 1,55 | 2739,6 | 5215,0 | 0,53 | 10000 | 952,45 |
| 12 | 57 | 7,70 | 19,48 | 2,31 | 1,93 |
| Таблица 3 | ||||||
| - Ферментативная и физико-химическая характеристика, отличающаяся температурным режимом процессов биоконверсии растительных отходов с торфопометными смесями (пример 3) | ||||||
| Режим Т°C | Пробы | Активность каталазы, см3 O2/г/мин | Активность дегидрогеназы, мг ТФФ/г/24 ч | ОВК, у.е. | pH | W, % |
| Исходная смесь | 0-я проба | 1,93 | 2,58 | 0,03 | 6,71 | 69 |
| Опыт I - 37°C на протяжении всего процесса | Проба 1 | 29,13 | 2,73 | 0,51 | 5,88 | 74 |
| Проба 2 | 38,7 | 3,01 | 0,61 | 7,02 | 75 | |
| Проба 3 | 51,88 | 4,02 | 0,62 | 8,01 | 76 | |
| Проба 4 | 53,96 | 2,29 | 1,14 | 8,26 | 76 | |
| Проба 5 | 74,8 | 1,64 | 2,20 | 8,17 | 75 | |
| Опыт II - 37°C +55°C - в середине процесса | Проба 1 | 44,04 | 1,95 | 1,08 | 5,79 | 74 |
| Проба 2 | 83,54 | 2,57 | 1,56 | 6,98 | 76 | |
| Проба 3 | 10,05 | 1,34 | 0,36 | 8,20 | 69 | |
| Проба 4 | 17,55 | 1,30 | 0,66 | 8,29 | 71 | |
| Проба 5 | 39,85 | 1,08 | 1,78 | 8,07 | 67 | |
| Опыт III - 70°C на протяжении всего процесса | Проба 1 | 13,93 | 2,36 | 0,29 | 6,72 | 72 |
| Проба 2 | 11,71 | 2,41 | 0,23 | 6,89 | 65 | |
| Проба 3 | 4,11 | 1,25 | 0,16 | 7,09 | 47 | |
| Проба 4 | 1,65 | 1,13 | 0,07 | 6,59 | 9 | |
| Проба 5 | 0,51 | 1,59 | 0,02 | 6,68 | 61 |
| Таблица 4 | |||||
| - Микробиологические показатели процессов конверсии растительных отходов с торфом и пометом при различных температурных режимах (пример 3) | |||||
| Режим Т°C | Пробы | Использ. минер. азот, млн/г | Аммонифиц. млн/г | KmN | Энтеробактерии, млн/г |
| Исходная смесь 0-я оба | 108,06 | 210,32 | 0,51 | 125 | |
| Опыт I - 37°C на протяжении всего процесса | Проба 1 | 647,41 | 2109,62 | 0,31 | 2521,85 |
| Проба 2 | Не опр. | Не опр. | Не опр. | Не опр. | |
| Проба 3 | 1336,15 | 1835,38 | 0,73 | 2980,77 | |
| Проба 4 | Не опр. | Не опр. | Не опр. | Не опр. | |
| Проба 5 | 566,55 | 833,79 | 0,68 | 251,04 | |
| Опыт II - 37°C +55°C - в середине процесса | Проба 1 | 725,60 | 1826,40 | 0,40 | 2332,80 |
| Проба 2 | Не опр. | Не опр. | Не опр. | Не опр. | |
| Проба 3 | 287,88 | 351,52 | 0,82 | 3,22 | |
| Проба 4 | Не опр. | Не опр. | Не опр. | Не опр. | |
| Проба 5 | 373,00 | 436,50 | 0,85 | 7,83 | |
| Опыт III - 70°C на протяжении всего процесса | Проба 1 | 43,33 | 10,37 | 4,18 | 0,11 |
| Проба 2 | Не опр. | Не опр. | Не опр. | Не опр. | |
| Проба 3 | 45,16 | 9,68 | 4,67 | 0 | |
| Проба 4 | Не опр. | Не опр. | Не опр. | Не опр. | |
| Проба 5 | 48,29 | 326,29 | 0,15 | 0,03 |
| Таблица 5 | |||||||||||||
| - Физико-химические, ферментативные и микробиологические показатели процессов биоконверсии растительных отходов с торфом и пометом при варьировании условий аэрации (пример 4) | |||||||||||||
| Аэрация, сутки | № пробы | W, % | pH | Активность каталазы, см3 O2/г/мин | Активность дегидрогеназы, мг ТФФ/г/24 ч | ОВК, у.е. | Использ. минер. азот, млн/г | Аммонифиц. млн/г | KmN | Грибы, тыс./г | Актиномицеты, млн./г | KmC | Энтеробактерии, млн/г |
| 0-е, 4-е | Проба 1 | 70 | 6,76 | 2,14 | 1,49 | 0,10 | 197,7 | 78,0 | 2,53 | 4,10 | 35,0 | 8536 | 3,0 |
| Проба 2 | 69 | 7,51 | 64,32 | 4,93 | 0,99 | 1629,0 | 3254,2 | 0,50 | 1,74 | не обн. | - | 190,9 | |
| Проба 3 | 64 | 8,17 | 49,49 | 1,62 | 2,33 | 260,0 | 715,0 | 0,36 | 0,17 | 4,17 | 24529 | 226,6 | |
| Проба 4 | 70 | 8,00 | 25,3 | 3,12 | 1,81 | ||||||||
| 0-е, 2-е, 4-е | Проба 1 | 71 | 6,67 | 0,89 | 1,25 | 0,04 | 274,1 | 287,6 | 0,95 | 6,73 | 1,38 | 205 | 3,8 |
| Проба 2 | 67 | 7,97 | 64,69 | 3,32 | 1,49 | 1491,0 | 2121,0 | 0,70 | 0,83 | не обн. | - | 212,1 | |
| Проба 3 | 69 | 7,95 | 43,90 | 2,41 | 1,39 | 396,1 | 1288,0 | 0,31 | 0,32 | 11,29 | 35281 | 103,4 | |
| Проба 4 | 70 | 7,96 | 23,3 | 3,62 | 1,44 | ||||||||
| 0-е, далее - ежедневно | Проба 1 | 71 | 6,89 | 1,37 | 0,91 | 0,11 | 481,0 | 48,3 | 9,96 | 3,96 | 3,10 | 782 | 0,83 |
| Проба 2 | 67 | 7,89 | 60,86 | 3,50 | 1,32 | 1097,0 | 1818,0 | 0,60 | 0,03 | 1,52 | 50666 | 227,2 | |
| Проба 3 | 68 | 8,27 | 44,32 | 2,31 | 1,47 | 569,7 | 1748,7 | 0,34 | 0,11 | 4,69 | 42636 | 176,0 | |
| Проба 4 | 66 | 7,98 | 13,23 | 2,55 | 1,17 |
| Таблица 6 | |||||||
| - Показатели биоконверсии торфопометной смеси с растительными отходами при применении пастеризации | |||||||
| Номер реактора - сутки | W, % | pH | Акт-ть каталазы, мл О2/г/мин | Акт-ть дегидрогеназы, мг ТФФ/г/24 ч | ОВК, у.е. | Грибы, тыс./г | Энтеробактерии, млн/г |
| I, III - 1 | 65 | 6,03 | 0,2 | 3,33 | 0,06 | 45,7 | 60,9 |
| I - 7 | 62 | 6,50 | 26,36 | 8,57 | 1,27 | 56,8 | 13,6 |
| I - 8 | 53 | 7,95 | 11,67 | 7,10 | 0,68 | 129,2 | 71,3 |
| III - 10 | 52 | 7,42 | 3,44 | 4,26 | 0,33 | 45,8 | 32,5 |
| II - 1 | 63 | 6,72 | 0,42 | 2,78 | 0,15 | 668,9 | 970,0 |
| II - 7 | 64 | 7,78 | 22,50 | 10,91 | 0,85 | 50,0 | 65,2 |
| II - 8 | 54 | 7,69 | 3,70 | 5,47 | 0,28 | 110,9 | 98,7 |
| Таблица 7 | |||
| - Агрохимическая характеристика (%) исходных смесей и продуктов биоконверсии в опытах с пастеризацией | |||
| Номер реактора - сутки | N | P2O5 | K2O |
| I, III - 1 | 2,43 | 2,23 | 2,14 |
| I - 7 | 3,06 | 2.82 | 3.37 |
| I - 8 | 2,81 | 2,91 | 3,29 |
| III - 10 | 3,02 | 2,75 | 2,87 |
| II - 1 | 2,49 | 1,76 | 2,87 |
| II - 7 | 2.73 | 1.82 | 3,55 |
| II - 8 | 2,71 | 2,17 | 2,14 |
1. Способ биоконверсии отходов промышленного производства сапонинов из корня Saponaria Officinalis, включающий приготовление исходной смеси, загрузку смеси в биореактор и проведение биоконверсионного процесса с аэрацией смеси, характеризующийся тем, что растительные отходы производства сапонинов подвергаются биоконверсии в составе смеси, содержащей торф и птичий помет, с соотношением компонентов торф:птичий помет: растительные отходы - (13%-25%):50%:(25%-50%), при этом в первые 7 суток процесс биоконверсии производится при температуре 37±2°C и 55±2°C - на 8-е сутки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используется следующее содержание компонентов: птичий помет - 50%, торф - 20%, растительные отходы - 30%.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что время биоконверсии составляет 8 суток.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что аэрация смеси проводится 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.
