Препарат для биодеградации метанола и способ его получения

Группа изобретений относится к биотехнологии и экологии и включает препарат для биодеградации метанола и способ его получения. Изобретения могут быть использованы для биодеградации загрязнений окружающей среды (почвы, грунтов, морских, пресных и минерализованных вод), а также технологических конструкций метанолом и сопутствующими нефтепродуктами. Предложены препарат для биодеградации метанола, включающий ассоциацию бактерий Bacillus megaterium ВКПМ В-607, Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603, Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780 на природном сорбенте-ионообменнике и способ его получения. Способ получения препарата предусматривает раздельное культивирование штаммов бактерий Bacillus megaterium ВКПМ В-607, Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603 и Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780 до содержания клеток 10¹¹-10¹² мкл/мл. Смешивают культуральные жидкости штаммов до содержания бактерий 10¹² мкл/мл с последующим напылением в виде аэрозоля на глауконитсодержащий сорбент. Осуществляют капиллярно-химическое обезвоживание смеси путем подачи подогретого до 40°С воздуха. При достижении влажности в конечном биопрепарате 4% процесс прекращают. Группа изобретений позволяет повысить эффективность очистки почв, сточных вод, водоемов и резервуаров от метанола. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к экобиотехнологии и экологии, а именно к композициям для биодеградации загрязнений окружающей среды, а также технологических конструкций, загрязненных метанолом.

Вопросы деструкции метанола приобретают все большее значение в связи с расширением производства и транспортировки газа, в ходе чего образуются твердые гидраты, способные вызывать серьезные проблемы, связанные с нарушением указанных технологических процессов. Для предупреждения образования гидратов в стволах скважин используют традиционные методы: поддержание безгидратных режимов, предупреждение отложений гидратов и подача ингибитора (метанола)на забой скважины [http://studopedia.ru/1_89858_gazogidrati-prichini-obrazovanie-meri-borbi.html.].

Крупнейшим потребителем метанола в Российской Федерации является газодобывающая отрасль. В связи с тем, что основная часть российского природного газа добывается в районах Крайнего Севера (90% добычи дает Ямало-Ненецкий автономный округ), при подготовке газа для закачки в трубопроводы при низкой температуре неизбежно возникает задача предотвращения образования газогидратов. Метанол является самым распространенным ингибитором гидратообразования, так как обладает лучшим соотношением цена - технологическая эффективность. Основным методом борьбы с гидратообразованием в газовой промышленности является использование ингибитора гидратообразования - метанола, что в свою очередь вызывает проблемы очистки окружающий среды от него и композиций, содержащих метанол. Для характерных термобарических условий эксплуатации шлейфов на северных месторождениях расход метанола или его водных растворов составляет до 300 г/1000 м3 газа. Кроме того, на объектах газовой промышленности разрешается использовать метанол как средство предотвращения или разрушения кристаллогидратных пробок в аппаратах, приборах и газопроводах, а также для обработки призабойных зон газовых скважин.

Однако использование ингибиторов на основе метанола имеет ряд серьезных недостатков, к которым прежде всего относятся: - очень высокая токсичность (как при действии паров, так и при попадании на кожные покровы и внутрь организма), а также высокая пожароопасность; - возможность выпадения солей при смешивании с сильно минерализованной пластовой водой и, как следствие, солеотложения в промысловых коммуникациях; - эффект ускоренного роста кристаллогидратов в присутствии разбавленных водных растворов метанола недостаточной концентрации для предупреждения гидратов; - высокая упругость паров метанола (нормальная температура кипения ~ 65°C), связанная с этим его очень высокая растворимость в сжатом природном газе и, соответственно, повышенный удельный расход метанола. Кроме того, в многочисленных операциях по сливу-наливу метанола увеличивают риск загрязнения окружающей среды и отравления обслуживающего персонала.

В настоящее время для очистки воды от метанола предлагается использовать стандартные технологии очистки, такие, как активный ил [R. Hatfield, Industrial and Engeneering Chemistry", 1967, N. 2].

Недостатком их является низкая скорость деградации, необходимость дополнительной очистки образующихся органических соединений.

К биодеградации метанола способны также многие микроорганизмы (бактерии, дрожжи, микроскопические грибы). При этом, основными агентами биодеградации метанола являются бактерии. Существует группа метилотрофных дрожжей, к которым относится культура Candida boidinii, использующих в качестве источника углерода и энергии метанол, [www.elib.grsu.by/doc/8324; BY 3278, 2000].

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ очистки сточных вод от метанола, заключающийся в их нейтрализации и обработке дрожжами Hansenula polymorpha и Candida quilliermondii [SU 963960, 1982].

Недостатком способа является ограниченная область применения (очистка сточных вод), нестабильность и недостаточная эффективность.

Задачей, решаемой авторами являлось создание более эффективного биопрепарата-метанолдеструктора.

Технической задачей являлось создание композиции микроорганизмов, способных эффективно перерабатывать метанол и сопутствующие нефтепродукты.

Технический результат достигался созданием ассоциации культур бактерий Bacillus megaterium ВКПМ В-607; Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603; Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780, иммобилизованных на природном глауконитсодержащим сорбенте с титром 10^7-10¹⁰ мкл/г.

Увеличение концентрации клеток (больше 10¹⁰ мкл/г) не приведет к значительному увеличению скорости деструкции загрязнителя, однако неоправданно увеличит стоимость работ по очистке так как увеличение скорости биодеструкции будет незначительным по сравнению с увеличением стоимости препарата. При концентрации клеток микроорганизмов меньше 10⁷ КОЕ/г в биопрепарате, технический результат не достигается, вследствие снижения требуемой скорости биодеструкции загрязнителя.

Все штаммы биопрепарата выделены из почвы и не патогенны для теплокровных животных и гидробионтов, депонированы во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов (ВКПМ).

Известен штамм Bacillus megaterium ВКМ В-396 (RU 2147181, 2000) входит в состав биопрепарата «Альбит» повышающего урожай растений и защищающего их от болезней.

Штамм Bacillus megaterium ВКПМ В-607 в доступных для анализа патентах не представлен и ранее не применялся в препарат для деградации метанольных загрязнений.

Известен способ (RU 2410170 С2, B09C 1/10, C12N /26 10.07.2010) включающий внесение в грунт сорбента, активных по отношению к имеющемуся в грунте органическому загрязнителю микроорганизмов и азотного минерального удобрения с последующим увлажнением. Причем в качестве сорбента используют термически обработанную при температуре 200-300°C глауконитовую породу с содержанием глауконита 40-90%, а в качестве микроорганизмов используют бактериальный препарат в виде лиофильно высушенного сухого порошка с активностью, равной численности углеводородокисляющих клеток 1-100 млрд в 1 г препарата, при этом сорбент и бактериальный препарат перемешивают при соотношении 500-1000 г бактериального препарата на 1 т сорбента.

Недостатком данного способа является низкая выживаемость микроорганизмов на поверхности азотных удобрений и как следствие завышенная начальная концентрация клеток, а так же непродолжительный срок хранения биопрепарата.

Техническая задача решалась путем создания ассоциации бактерий Bacillus megaterium ВКПМ В-607; Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603; Acinetobacter calcoa-ceticus ВКПМ В-3780 иммобилизованной на глауконитсодержащем носителе при концентрации микроорганизмов 10⁸-10¹⁰ клеток/г и технологии получения нового биопрепарата.

Доля клеток отдельных бактерий в препарате составляет: Bacillus megaterium ВКПМ В-607 - 15-25%; Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603 - 30-50%; Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780 - 30-50%.

Лучшие результаты были получены при следующем соотношении штаммов: Bacillus megaterium ВКПМ В-607 - 20%; Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603 - 40%; Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780 - 40%.

Увеличение концентрации клеток более 10¹⁰ мкл/г не приведет к значительному увеличению скорости деструкции загрязнителя, однако неоправданно увеличит стоимость работ по очистке, так как увеличение скорости биодеструкции будет незначительным по сравнению с увеличением стоимости препарата. При концентрации клеток микроорганизмов менее 10⁷ КОЕ/г в биопрепарате, технический результат не достигается, вследствие снижения требуемой скорости биодеструкции загрязнителя.

Наиболее эффективным и экономически выгодным является препарат с клеточным титром 10⁹ колониеобразующих единиц (КОЕ) в 1 г препарата, получивший условное наименование «БИОМ-М».

Используемый в составе препарата глауконит является алюмосиликатом, в котором катионы находятся в легко извлекаемой форме. Катионы, входящие в состав глауконита, легко замещаются находящими в избытке в окружаемой среде элементами. Слоистая структура минерала его ионообменные свойства предопределяют его высокие сорбционные свойства по отношению к нефтепродуктам, радионуклидам и токсичным элементам. Способность глауконита депонировать воду и низкая десорбция (медленное высвобождение) позволяет эффективно иммобилизовать на его поверхности микроорганизмы и их метаболиты. При этом скорость химической реакции связывания такова, что глауконит способен в течение незначительного времени перевести загрязнители в связанное безопасное состояние, а микробное сообщество удобно может их утилизировать. Еще одно преимущество глауконита, то, что он увеличивает диффузию кислорода и влаги в почве, что обеспечивает оптимальный водный, газо-воздушный и тепловой режим для роста численности микроорганизмов, как иммобилизованных на нем, так и содержащихся в почве. При этом усиливается активность метаболитных ферментов и значительно увеличивается энергия всех биохимических процессов. Вместе с тем глауконит содержит значительное количество биогенных элементов - подвижного калия, фосфора и микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов и роста растений. Так как он в итоге представляет собой минеральное удобрение, то после применения биопрепарата отпадает необходимость его утилизации.

В качестве глауконит содержащего носителя может использоваться как чистый глауконит, так и глауконитовую породу, содержащую от 60 до 80% глауконита.

Способ получения препарата состоит в следующем. Микроорганизмы биопрепарата Bacillus megaterium ВКПМ В-607; Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603; Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780 выращиваются раздельно в биореакторе до содержания 10¹¹-10¹² мкл/мл, известными способом и, затем готовят микробную ассоциацию смешиванием в одной емкости расчетных долей культуральных жидкостей до содержания 10¹² мкл/мл с последующим капиллярно-химическим обезвоживанием смеси путем ее напыления в виде аэрозоля в специальном смесителе на сорбент. При иммобилизации смесь постоянно фонтанирует в смесителе, за счет подачи подогретого до 40°C воздуха и при достижение влажности в конечном биопрепарате 4% процесс прекращается. Для интенсификации процесса иммобилизации проводится дополнительная термическая обработка глауконита до остаточной влажности 4% и среднего диаметра частиц 600 мкм.

Наиболее экономически оправдано проводить процесс при содержании глауконита в носителе не менее 60%.

Разработанный биопрепарат обладает одновременно способностью сорбировать (купировать) и утилизировать загрязнение широкого диапазона, может использоваться как для очистки почв и воды, так и различных конструкций хранения и переработки метанола.

При этом при его утилизации он способен эффективно стимулировать рост зеленной массы на обрабатываемом участке и тем самым усиливать воздействие микрофлоры в широком диапазоне температур от 4°C до 40°C.

Сущность изобретения поясняется примерами.

Пример 1. Препарат получают следующим образом. Микроорганизмы биопрепарата выращивают раздельно при условиях: Bacillus megaterium ВКПМ В-607 (штамм-1) (культивирование на сусло-агаре при pH 7,0, 30°C, в течение 48 часов); Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603 (штамм-2) (культивирование на среде: KH2PO4. -3,0, KH2PO4 - -3,0, NH4NO3 - 1,0, MgCh -0,1, *метанол - 5,0 мл, агар - 15,0, вода диет. - 1,0 л, pH=7,6, *Метанол добавить после стерилизации, t -30° Инкубация 2-4 суток); Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780 (штамм-3) (культивирование на МПА; среда L: (г/л): дрож. экстракт-5,0; пептон-15,0; NaCl-5,0; агар-15,0; вода дист-1,0 л., t-25-28°C) до содержания 10¹¹-10¹² мкл/мл каждого штамма, затем в реакторе при 25°C смешивается определенное соотношение культуральных жидкостей (20,40,40 массовых частей), полученную микробную ассоциацию захолаживают в реакторе при температуре 14-16°C. Глауконит препарата измельчается на шаровой мельнице до 50% содержания частиц размером 500-600 мкм, просеивается через сита №600 и досушивается до остаточной влажности 4% при температуре 190°С в сушильных шкафах. Приготовление биопрепарата осуществляется методом капиллярно-химического обезвоживания на глауконите смешивание ассоциации с глауконитом осуществляется, в специализированном смесителе обеспечивающим смешиванием в одном объеме расчетных долей культуральных жидкостей с глауконитом до содержания 10⁹ мкл/мл. Процесс в смесителе осуществляется напылением расчетного количества (10 л) микробного аэрозоля ассоциации микроорганизмов на фонтанирующий слой глауконита (50 кг) при температуре теплоносителя - воздуха (стерильного) 40°C и скорости 10 м/с. Иммобилизация завершается при достижении влажности в конечном биопрепарате 4% и содержании живых бактериальных клеток 10⁹ мкл/г. Биопрепарат расфасовывается в полимерные ведра по 5 кг, крафт-мешки с полиэтиленовым вкладышем по 10 кг.

Пример 2 По технологии примера 1 было получено 7 вариантов препарата с различным соотношением клеток Bacillus megaterium ВКПМ В-607; Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603; Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780, с концентрацией клеток от 10⁷ до 10¹⁰ кл/г,

Испытания проводились по следующей технологии. Колбы Эрленмейера (объемом 750 мл) заполняли 100 мл морской воды с концентрацией соли - 21% и содержащей 0,5% нефти и 5% метанола, затем к содержимому колбы добавили 20 мг выбранного сухого биопрепарата. Колбы инкубировали на качалке (100 об/мин) при 5°C, 18 и 30°C при pH 7,0. Через 48 ч наблюдался осадок загрязнителя на дне колб. Определение метанола проводили по РД 52.24.423-2005. Степень очистки приведена в таблице 1.

Лучшие результаты были получены для препарата 1. Дальнейшие испытания проводили с препаратом 1.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности биопрепарата для очистки морской воды, сточных вод и других водных объектов от метанола, в том числе при его загрязнении нефтепродуктами.

Пример 3. В 10 колб Эрленмейера вносили по 100 мл дистилированной воды с начальным значением pH 4-12. В каждую колбу добавляли 3% метанола и вносили по 1 г биопрепарата 1. Колбы инкубировали на качалке (120 об/мин) при 18-20°C. Через 4 сут в каждой колбе определяли содержание метанола. Результаты представлены в табл. 2.

Как видно из табл. 1, биопрепарат способен утилизировать метанол в широком интервале значений pH, что позволяет использовать его для очистки почв и воды различной кислотности без их предварительной нейтрализации.

Пример 4. Участок тундровой почвы был загрязнен метанолом с начальным содержанием метанола 835 мг на дм почвы. Для очистки почвы на 1 м обрабатываемой площади вносится 1 л озерной воды, 1 г биопрепарата. Средняя температура в период обработки составляла 14°C. Через 14 дней содержание метанола в почве составляло < 0,01 мг на 1 кг почвы, т.е. около 99% метанола было утилизировано.

Пример 5. Испытание биопрепарата проводили с использованием в качестве источника загрязнения озерную воду, содержащую в 1 литре 8405 мг метанола. К содержимому добавляли сухой порошок биопрепарата 1 (20,0 мг). Температура выращивания составляла 30°C, pH среды 7,0. В результате получили степень утилизации метанола 99,9%. Это свойство биопрепарата позволяет рекомендовать его для очистки почв, емкостей и др. объектов от метанольных загрязнений.

Заявляемый биопрепарат характеризуется высокой степенью очистки на уровне 99% и уменьшением времени культивирования, а также более высокой скоростью утилизации метанола и широкой областью применения для очистки от метанольных продуктов водной поверхности (морей, океанов), сточных вод газо- и нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, почвы и т.д.

Биопрепарат апробирован в природных условиях. Нормы расхода препарата приведены в таблице 3.

Приведенные данные показали, что при использовании изобретения удалось создать эффективный, простой и экономичный биопрепарат - метанолдеструктор с высокой метанолутилизирующей активностью, простым и рентабельным режимом получения перспективный для очистки метанолзагрязненных почв, сточных вод, водоемов и резервуаров, в частности, в районах с коротким тепловым периодом.

1. Препарат для биодеградации метанола на основе микроорганизмов, отличающийся тем, что в качестве микроорганизмов он содержит ассоциацию бактерий Bacillus megaterium ВКПМ В-607, Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603, Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780, иммобилизованную на природном глауконитсодержащем носителе в количестве 10⁷-10¹⁰ клеток/г.

2. Препарат по п. 1, отличающийся тем, что доля клеток отдельных видов бактерий в препарате составляет: Bacillus megaterium ВКПМ В-607 - 15-25%, Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603 - 30-50%, Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780 - 30-50%.

3. Препарат по п. 1, отличающийся тем, что доля клеток отдельных видов бактерий в препарате составляет: Bacillus megaterium ВКПМ В-607 - 20%, Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603 - 40%, Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780 - 40%.

4. Препарат по п. 1, отличающийся тем, что содержание глауконита в сорбенте составляет не менее 60 мас.%.

5. Способ получения препарата для биодеградации метанола по п. 1, включающий культивирование бактерий и нанесение их клеток на носитель, отличающийся тем, что культуры Bacillus megaterium ВКПМ В-607, Methylobacterium sp. ВКПМ В-5603, Acinetobacter calcoaceticus ВКПМ В-3780 выращивают раздельно до содержания 10¹¹-10¹² мкл/мл, затем готовят микробную ассоциацию смешиванием в одной емкости расчетных долей культуральных жидкостей до содержания бактерий 10¹² мкл/мл с последующим напылением в виде аэрозоля на глауконитсодержащий сорбент с последующим капиллярно-химическим обезвоживанием смеси путем подачи подогретого до 40°С воздуха и при достижении влажности в конечном биопрепарате 4% процесс прекращают.