Способ и система получения массы сухих сине-зеленых водорослей из водоемов для нужд человека

Способ и система получения массы сухих сине-зеленых водорослей из водоемов для нужд человека

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к экологии и сельскому хозяйству, а именно к получению массы сухих сине-зеленых водорослей из водоемов, с последующим их использованием в сельском хозяйстве и других отраслях.

В летнее время, большой проблемой для водоемов любого государства являются сине-зеленые водоросли, приносящие значительный вред как пресной, так и соленой воде, уничтожая их обитателей. Сине-зеленые водоросли в значительной степени отличаются от всех остальных водорослей тем, что по своему строению они фактически являются бактериальными организмами, у которых нет настоящей цитоплазмы, и оболочка ядра является одновременно оболочкой клетки. Сине-зеленые водоросли очень древние и наиболее распространенные, они обитают повсюду: в соленой и пресной воде и даже в почве, т.е. там, где есть влага. Но для того, чтобы им активно развиваться, нужны три главные условия: наличие питательных веществ (азота и фосфора), теплая вода (>20°С) и отсутствие турбулентности (смешивания воды при течении) - именно эти условия возникают летом практически повсюду. При благоприятных условиях сине-зеленые водоросли делятся по 2-3 раза в сутки и за 3-4 дня увеличение этой биомассы происходит в 10-12 раз, что может заполнить любой водоем в течение короткого времени. Никто из живых организмов эту биомассу не ест и не уничтожает, которая отмирают через несколько дней, оседая хлопьями на дне водоемов, которые при разложении поглощают кислород, создавая бескислородные, «мертвые» участки дна, что приводит к замору рыбы (Вассер С.П. с соавт. «Водоросли», Киев: Наукова думка, 1989).

Так как питательными веществами водорослей являются азот и фосфор, которых предостаточно в атмосфере, почве и воде, в связи с интенсивно развивающимся сельским хозяйством, в котором повсеместно используются азотные и фосфорные удобрения и в летнее время достаточно солнечной энергии; эти факторы в полной мере обеспечивают благоприятный фотосинтез сине-зеленых водорослей и их интенсивный рост.

Из истории известно, что около 400 лет назад, испанские конкистадоры писали, что коренные жители Америки, ацтеки, выпекают из водорослей высокопитательное печенье. В 1964 г. во время одной из экспедиций бельгийских ученых-ботаников в Африку аборигены угостили их кексами зеленовато-голубоватого цвета, испеченными из высушенных сине-зеленых водорослей, содержащих до 70% белка.

По биологическим показателям сине-зеленые водоросли можно отнести к числу ценных видов растительного сырья. В них содержится 35-40% белка, в состав которого входит 16 аминокислот (в т.ч. 8 незаменимых), до 20% углеводов, до 3% хлорофилла, до 14% каротина, 0,8% фосфора (для сравнения в бобовых содержится не более 0,4- 0,5%). Также они богаты различными витаминами и микроэлементами (например, содержание кобальта в них в 50 раз выше, чем в других растениях, употребляемых человеком в пищу).

Из тонны сухих водорослей можно получить до 500 кг концентрата, либо значительное количество отдельных, незаменимых для человека и животных аминокислот, добавки которых к питанию как человека, так и животных помогут решить вопрос с обеспечением природных витаминов и ферментов, а также определить пути решения продовольственной проблемы. Например, в Африке, в районе озера Чад, особенно в засушливые годы, основной белок люди получают из водорослей спирулины, готовя из водорослей лепешки, соусы и гарниры, содержащие до 60% белка (http://www.valleyflora.ru/115.html).

Известен способ очистки водоемов, это установка интенсивно крутящихся пропеллеров, обеспечивающих интенсивную циркуляцию воды нижних слоев с верхними, которая не позволяет сине-зеленой флоре развиваться.

Недостатком данного способа является то, что его можно применять на ограниченном пространстве (применяется на дорогих курортах Южной Германии и Австрии), мощные электродвигатели потребляют огромное количество электроэнергии.

Также известен способ очистки водоемов посредством затенения поверхности водоемов темной полиэтиленовой пленкой или специальными навесами, не пропускающими свет в водную толщу, а без него водоросли не могут развиваться.

Недостатком данного способа является то, что данным способом можно очистить лишь очень маленькие водоемы, что, в свою очередь, не даст возможность водоплавающей птице полноценно использовать такие водоемы.

Существуют также механические и химические способы борьбы с сине-зелеными водорослями. Это, прежде всего, всевозможные фильтры, но они способны очистить небольшое количество воды для потребителя методом механической фильтрации, которые быстро «забиваются» самими же водорослями. Также можно очищать водоемы обеспечивающим подщелачивание воды и выделение атомарного кислорода, который уничтожает бактерии и сине-зеленые водоросли, так, например, было очищено Женевское озеро. Недостатком данного способа является то, что для эффективной очистки воды необходимо до 100 г СаО₂ на 1 м³, а при высокой его стоимости это становится просто нереально. Применение иных химических средств приводит к сильному загрязнению воды. Например, для больших аквариумов применяется пенициллин концентрацией 10000 ед. на литр воды, плюс 3% борная кислота 30 мл на 100 литров воды, при этом необходимо удаление рыб, что просто невозможно в открытых водоемах (www.fishga.ru/vodor.html).

В качестве прототипа может быть рассмотрен способ использования сине-зеленых водорослей учеными из индийского НИИ ботаники, которые в течение 6 недель скармливали цыплятам породы белый леггорн одинаковый по питательности корм, но с различным содержанием арахисового жмыха и синих водорослей.

При включении в комбикорм 16,6% сухой массы спирулины, вместо 24% арахисового жмыха, привес цыпленка за время опыта повысился с 173 г до 193 г, а расход корма на килограмм привеса уменьшился (http://www.valleyflora.ru/115.html).

Недостатком данного способа является то, что спирулина была выращена для лабораторных нужд в сточных водах и были собрана сачком, способ также не получил дальнейшего развития.

Все перечисленные способы относятся к локальной очистке водоемов от сине-зеленых водорослей, с большими экономическими затратами. В настоящее время не существует эффективных промышленных способов по очистке водоемов с последующим использованием водорослей в медицинской и пищевой промышленности, сельском хозяйстве и иных отраслях.

Техническая задача изобретения состоит в создании способа и системы получения массы сухих сине-зеленых водорослей из водоема с последующим их применением для нужд человека.

Технический результат изобретения состоит в реализации указанного назначения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения массы сухих сине-зеленых водорослей из водоемов с последующим их применением для нужд человека, характеризующийся тем, что осуществляют забор из водоема воды, содержащей водоросли, центрифугирование смеси при скоростях не более 1000 об/мин, с последующим воздействием светодиодным устройством, включающим излучатели синего, зеленого и красного света, которые устанавливают на расстоянии не более 50 см от поверхности центрифугированной массы водорослей, при одновременной просушке их сухим теплым воздухом без доступа прямых солнечных лучей.

Система получения массы сухих сине-зеленых водорослей, содержащая водозаборное устройство, подающее массу водорослей вместе с водой в центрифугу, выполненную с возможностью центрифугирования смеси на скоростях до 1000 об/мин, внутри или рядом с которой установлены излучатели синего, зеленого и красного света, которые расположены на расстоянии не более 50 см от поверхности центрифугированной массы водорослей, а также тепловую пушку или тепловентилятор, установленный с возможностью продува массы водорослей, крышка или система выполнена в виде короба для ограничения доступа прямых солнечных лучей на массу водорослей.

В качестве светодиодного устройства можно использовать биолампу «АВЕРС-Сан» (патент RU 54792).

Сущность выбранного условия центрифугирования, не более 1000 об/мин, обусловлено быстрым удалением воды и снижением риска разрушения самих водорослей. Выбранный диапазон видимого света определяется следующим.

Синий свет (430-480 нм) обладает высоким бактерицидным действием, кроме того, проникает в клетку за счет фотосенсибилизации ее молекул и дает дополнительную энергию клетке, обеспечивая ее метаболизм. Под влиянием зеленого (500-530 нм) и красного (660-740 нм) происходят внутриклеточные фотохимические процессы, способствующие предотвращению распада аминокислот, белков и углеводов. Это обеспечивает длительное хранение сухой биомассы.

Вентиляция сухим теплым воздухом, без доступа прямых солнечных лучей, способствует быстрому высушиванию водорослей с сохранением их полезных свойств и качеств. Такой способ позволит очищать воду в крупных водоемах, снижая тем самым риск замора рыбы, устанавливая устройство как на берегу водоема, так и на любом плавающем средстве с последующим использованием сухих водорослей для нужд человека.

Пример 1. Были проведены сравнительные эксперименты на 15 бычках черно-пестрой породы 2-3-месячного возраста с живой массой 82-84 кг. По принципу прототипа, животных разделили на три группы по 5 голов в каждой. Условия содержания (на всем протяжении выращивания бычки находятся в помещении - телятнике) и кормления были идентичными.

Для эксперимента были отобраны наиболее однородные по таким показателям, как возраст, живая масса и порода бычков.

Все животные находились в одном помещении, при одинаковых условиях кормления и обслуживались одной телятницей.

Суточный рацион животных первой группы (контроль) составлял:

Кукурузный силос 2.0 кг, зерно злаков 1.8 кг, картофель вареный 2.3 кг, шрот подсолнечный 0.6 кг, травяная мука бобовых 0.5 кг, морковь 0.3 кг, трикальций фосфат 100 г, соль поваренная 20 г (из расчета по сухому веществу 4.5 кг в сутки).

У бычков второй группы (опытная 1) суточный рацион составлял: кукурузный силос 3.0 кг, зерно злаков 0.9 кг, картофель вареный 1.2 кг, сушеные водоросли 1.5 кг, шрот подсолнечный 0.6 кг, травяная мука бобовых 0.5 кг, морковь 0.3 кг, трикальций фосфат 100 г, соль поваренная 20 г (из расчета по сухому веществу 4.5 кг в сутки).

Рацион бычков третьей группы (опытная 2) суточный составлял:

кукурузный силос 3.0 кг, сушеные водоросли 2.5 кг, шрот подсолнечный 0.6 кг, травяная мука бобовых 0.5 кг, морковь 0.3 кг, трикальций фосфат 100 г, соль поваренная 20 г (из расчета по сухому веществу 4.5 кг в сутки).

Из данных суточного рациона видно, что в опытной группе 1 сокращено на 50% весового количества злаков и картофеля вареного, которые были заменены 1.5 кг сушеных водорослей, также в рацион добавлен 1.0 кг кукурузного силоса.

Также из данных суточного рациона видно, что в опытной группе 2 сокращено на 100% весового количества злаков и картофеля вареного, которые были заменены 2.5 кг сушеных водорослей, также в рацион добавлен 1.0 кг кукурузного силоса.

Опыт проводили в переходный период года (осенью) в течение 60 дней. Результаты исследований представлены в таблице 1.

Изучение роста бычков подопытных групп провели путем индивидуального взвешивания, по результатам которого определяли живую массу, среднесуточный прирост живой массы. Взвешивание проводили утром до кормления.

Таблица 1
Приросты живой массы бычков
Показатель	Группа
1	2	3
Живая масса в начале опыта, кг	82,3±1,5	84,3±1,3	82,7±1,4
Живая масса в конце опыта, кг	123,1±1,65	136,8±2,7	145,2±1,2
Среднесуточный прирост, г	680,0±32,7	875,0±72,0	1041,6±46,4
Абсолютный прирост, кг	40,8±1,0	52,5±2,2	62,5±1,4

Из данных таблицы следует, что среднесуточный прирост бычков контрольной группы составил 680,5 г, абсолютный - 40,8 кг, в то время как во второй группе (опытная 1) составил 875,6 г и 52,5 кг соответственно, в третьей группе бычков(опытная 2) - 1041,6 г (достоверно при Р≤0,01) и 62,5 кг (достоверно при Р≤0,01), т.е. прирост опытной 1 был выше на 28,7% по сравнению с контролем, а опытной 2 на 53,2% по сравнению с контролем. При этом злаковые и картофель были сокращены на 50% или на 100%.

Пример 2. Для реализации предлагаемого способа провели эксперимент. Сформированы три группы свиней по 30 голов в каждой.

Возраст свиней 5 месяцев. Средний вес 50 кг.

Суточный рацион контрольной группы составлял:

зерно злаков 2.3 кг; шрот подсолнечный 0.3 кг; картофель вареный, 8 кг; травяная мука бобовых 0.8 кг; трикальций фосфат 70 г; соль 70 г.

Рацион поросят второй группы (опытная 1):

зерно злаков 2.0 кг; шрот подсолнечный 0.3 кг; картофель вареный 6 кг; сушеные водоросли 2.3 кг; травяная мука бобовых 0.8 кг; трикальций фосфат 70 г; соль 70 г.

Рацион животных 3 группы (опытная 2):

зерно злаков 1.0 кг; шрот подсолнечный 0.3 кг; картофель вареный 3.0 кг; сушеные водоросли 5.0 кг; травяная мука бобовых 0.8 кг.

Для эксперимента были отобраны наиболее однородные по таким показателям, как возраст, живая масса и порода поросята.

Все подопытные животные находились в одном помещении при одинаковых условиях кормления и обслуживались одной свинаркой.

Помещение свинарника типовое, вместимостью на 200 голов построено из кирпича и бетонных блоков, перекрытие чердачного типа, в торцовых стенах оборудованы ворота, выходящие в тамбуры. Стены и потолки оштукатурены и побелены. В торцовых стенах оборудованы ворота, выходящие в тамбуры. Освещение естественное и искусственное. Животные содержались в станках, которые располагались в четыре ряда. Изучение роста поросят подопытных групп провели путем индивидуального взвешивания, по результатам которого определяли живую массу, среднесуточный прирост живой массы. Взвешивание проводили утром до кормления. Результаты исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2
Динамика прироста живой массы поросят (X±Sx)
Группа	n	Живая масса, кг	Абсолютный прирост живой массы, кг	Среднесуточный прирост
При постановке	Через 60 суток	г	% к контролю
1	30	50,62±0,11	83,5±0,23	32,88	548,0	100,0
2	30	50,59±0,11	89.3±0,31	38,71	645,2	17,7
3	30	50,57±0,14	97,6±0,20	47,03	783,8	43,9

Из данных таблицы 2 следует, что при сходной постановочной массе поросят через 60 суток эксперимента имеются значительные отличия в характере роста. Животные контрольной группы в конце опыта достигли 83,5 кг, поросята второй и третьей групп 89,3 кг и 97,6 кг соответственно. Наибольший абсолютный прирост живой массы отмечен в третьей группе - 47,03 кг и был выше на 43,9% в сравнении с контролем, и на 17,7% в сравнении со второй группой, при среднесуточном приросте 783,8 г - в третьей группе, 645,2 г во второй и 548,0 в первой группах.

Таким образом, изменение рациона поросят, заключающееся в снижении злаков второй группы на 0,3 кг, а картофеля вареного на 2,0 кг, заменив на 2,3 кг сушеных водорослей, позволяет повысить среднесуточные приросты живой массы на 17,7%, а снижение злаков третьей группы на 1,3 кг, картофеля вареного на 5,0 кг, заменив на 5,0 кг сушеных водорослей, исключив при этом трикальций фосфат и соль, позволило повысить среднесуточные приросты живой массы на 43,9%.

Изменение рациона свиней, при интенсивной технологии выращивания, с добавлением сушеных сине-зеленых водорослей, позволяет экономить в месяц, из расчета на одну свинью: зерна злаков до 39 кг, картофеля до 150 кг, которые еще необходимо отварить, перед употреблением животными, заменив их на сушеные водоросли, производство и хранение которых значительно дешевле.

Для определения возможного использования сине-зеленых водорослей в качестве органического удобрения были поставлены эксперименты по выращиванию скороспелых сортов моркови и редиса.

Пример 3. Раннеспелый сорт моркови «Шантенэ 2461» по 20 проросших, в одинаковых условиях, семян были высажены в открытую суглинистую почву, в которую ранее было добавлено по 5 кг компомоса на 1 м². Семена были высажены в прогретую, рыхлую почву на глубину 1,5-2 см, на расстоянии 8-10 см друг от друга, 26 мая 2010 года (дачный участок в районе г.Видное Московской обл.).

В первый участок (контрольный) были внесены азотные, фосфорные и калийные удобрения (на 10 литров воды, 25 г аммиачной селитры, 30 г суперфосфата и 30 калийной соли) путем полива, которые, в последующем, вносились через каждые 20-25 дней.

Во второй участок (основной) вместо удобрений сразу были внесены вместе с компомосом, перед посевом семян, 3 кг сухих сине-зеленых водорослей, полив осуществлялся исключительно теплой, чистой водой.

Рыхление, прополка и полив осуществлялись одновременно на обоих участках, в равные сроки и в равных количествах.

Вегетационный период до получения пучковой (ранней) продукции 47-53 дня, до уборки корнеплодов 92-95 дней (www.miragro.ru).

Все семена обоих участков дали всходы на 8-10 день, а на 30 день была установлена значительная разница в листьях корнеплодов. На контрольном участке листья были редкими и ниже на 2-4 см, в то время как листья корнеплодов основного участка были пышными и более густыми. На 60-й день листья моркови основного участка значительно отличались толщиной стебля, пышностью и высотой от листьев контрольного участка. На 95-й день методом случайного отбора из 20 корнеплодов основного и контрольного участков были извлечены из земли по 10 корнеплодов. Все корнеплоды имели примерно одинаковую, оранжевую окраску и коническую форму, свойственную для данного сорта. Однако размеры и вес корнеплодов контрольного и основного участков значительно отличались, а также цвет корнеплодов основного участка был несколько светлее корнеплодов контрольного участка, результаты которых представлены в таблице 3.

Таблица 3
Показатель	Участки
Контрольный	Основной
Размеры самого маленького корнеплода, мм; г	⌀=28; L=105 вес = 39 Фиг.1	⌀=42; L=146 вес = 115 Фиг.2
Размеры самого большого корнеплода, мм; г	⌀=32; L=143 вес = 86 Фиг.3	⌀=49; L=198 вес = 276 Фиг.4
Общий вес 10 корнеплодов, г	617±1,4 Фиг.5	1665±1,9 Фиг.6

Из данных таблицы следует, что вес самых маленьких корнеплодов контрольного и основного участков отличается на 66,13%, а самых больших корнеплодов на 68,78% (достоверно при Р≤0,01).

По вкусовым качествам, корнеплоды основного участка были более сочными и более сладкими.

Замена синтетических удобрений на природные органические показала их наибольшую эффективность как в количественных показателях, так и вкусовых качествах, при выращивании моркови в условиях дачного участка.

Пример 4. Среднеранний сорт редиса «Алый шар» по 20 проросших в одинаковых условиях семян были высажены в открытую суглинистую почву, в которую ранее было добавлено по 5 кг компомоса на 1 м². Семена были высажены в прогретую, рыхлую почву на глубину 1,5-2 см, на расстоянии 8-10 см друг от друга, 15 июня 2010 года (дачный участок в районе г.Видное Московской обл.).

В первый участок (контрольный) были внесены азотные, фосфорные и калийные удобрения (на 10 литров воды, 25 г аммиачной селитры, 30 г суперфосфата и 30 калийной соли) путем полива, которые, в последующем, вносились через каждые 6-7 дней.

Во второй участок (основной) вместо удобрений сразу были внесены вместе с компомосом, перед посевом семян, 3 кг сухих сине-зеленых водорослей, полив осуществлялся исключительно теплой, чистой водой.

Рыхление, прополка и полив осуществлялись одновременно на обоих участках, в равные сроки и в равных количествах.

Вегетационный период до получения пучковой (ранней) продукции 15-18 дней, до уборки корнеплодов 25-30 дней (www.sorta.h12.ru/c-radish.html).

Все семена обоих участков дали всходы на 3-5 день, а на 15 день была установлена значительная разница в листьях корнеплодов. На основном участке листья были более «жидкими» и ниже на 1-2 см, в то время как листья корнеплодов контрольного участка были пышными и более густыми. На 25-й день листья редиса контрольного участка значительно отличались количеством стеблей и высотой от листьев основного участка (Фиг.7, 8).

На 30-й день методом случайного отбора из 20 корнеплодов основного и контрольного участков были извлечены из земли по 10 корнеплодов. Все корнеплоды имели алую окраску и нежную белую мякоть, свойственную для данного сорта. Однако размеры и вес корнеплодов контрольного и основного участков значительно отличались от тех, которые представлены в таблице 4

Таблица №4
Показатель	Участки
Контрольный	Основной
Размеры самого маленького корнеплода, мм; г	⌀=22; Н=19 вес = 06 Фиг.9	⌀=33; Н=29 вес = 20 Фиг.10
Размеры самого большого корнеплода, мм; г	⌀=26;Н=24 вес=10 Фиг.11	⌀=39; Н=35 вес = 29 Фиг.12
Общий вес 10 корнеплодов, г	77±1,1 Фиг.13	227±1,2Фиг.14

Из данных таблицы следует, что вес самых маленьких корнеплодов контрольного и основного участков отличаются на 70%, а самых больших корнеплодов на 65,52% (достоверно при Р≤0,01). По вкусовым качествам, корнеплоды основного участка, были более сочными и более нежными с ярко выраженной кислинкой.

Замена синтетических удобрений на природные органические показала их наибольшую эффективность, как в количественных показателях, так и вкусовых качествах, при выращивании редиса в условиях дачного участка. Таким образом, применение сушеных сине-зеленых водорослей, как в качестве пищевого рациона для свиней и крупного рогатого при их интенсивном выращивании, так и в качестве органического удобрения, заменяющее существующие синтетические азотные фосфорные и калийные при выращивании сельскохозяйственных культур. Заготовка и хранение водорослей будет отличаться в разы по стоимости как при приготовлении кормов, так и в получении синтетических удобрений, связанных с особо опасным химическим производством. Очищая водоемы от водорослей, сохраняя тем самым жизнь ее обитателей, человек приобретает новый вид кормов и органических удобрений. С ежегодным ростом цен на искусственные азотные и фосфорные удобрения, данный вид естественных органических удобрений, не имеющих побочных негативных влияний на почву и сам продукт, будут вскоре наиболее востребованными в сельском хозяйстве.

Способ может быть реализован на примере системы (устройство системы пояснено чертежом, показанным на Фиг.15), включающей водозаборное устройство, подающее водорослевую массу вместе с водой в центрифугу (1), выполненную с возможностью центрифугирования смеси на скоростях до 1000 об/мин. Внутри центрифуги (1) или при ней (рядом с ней), предпочтительно на защитной крышке (6) центрифуги, установлены излучатели (5) синего, зеленого и красного света, которые расположены на расстоянии не более 50 см от поверхности центрифугированной массы водорослей (8). В системе присутствует устройство для просушки, в качестве которого может использоваться тепловентилятор (4) или тепловая пушка, который установлен на продув смеси водорослей (8).

Система содержит крышку (6) или выполнена в виде короба, ограничивающих доступ прямых солнечных лучей на водорослевую смесь (8).

Кроме того, в качестве водозаборного устройства может использоваться сама центрифуга (1). Это может быть реализовано путем выполнения крышки (6) съемной или открывающейся. Тогда центрифугу наклоняют под углом, близким к 90 градусам и черпают ею воду, например, с помощью крана.

Вращение центрифуги может задаваться от сторонних приводов или от двигателя (2) напрямую, когда центрифуга сажается на вал (3), что предпочтительно, поскольку при выполнении вала (3) полым изнутри, его поверхность может быть выполнена перфорированной отверстиями (7), через которые внутрь центрифуги может подаваться сухой воздух от тепловентилятора (4) или тепловой пушки.

1. Способ получения массы сухих сине-зеленых водорослей, характеризующийся тем, что осуществляют забор из водоема воды, содержащей водоросли, центрифугирование смеси при скоростях не более 1000 об./мин с последующим воздействием светодиодным устройством, включающим излучатели синего, зеленого и красного света, которые устанавливают на расстоянии не более 50 см от поверхности центрифугированной массы водорослей, при одновременной просушке их сухим теплым воздухом без доступа прямых солнечных лучей.

2. Система получения массы сухих сине-зеленых водорослей, содержащая водозаборное устройство, подающее массу водорослей вместе с водой в центрифугу, выполненную с возможностью центрифугирования смеси на скоростях до 1000 об./мин, внутри или рядом с которой установлены излучатели синего, зеленого и красного света, которые расположены на расстоянии не более 50 см от поверхности центрифугированной массы водорослей, а также тепловую пушку или тепловентилятор, установленный с возможностью продува массы водорослей, крышку, или система выполнена в виде короба для ограничения доступа прямых солнечных лучей на массу водорослей.