Способ биоконверсии отходов промышленного производства сапонинов из корня saponaria officinalis

Способ биоконверсии отходов промышленного производства сапонинов из корня saponaria officinalis

Реферат

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.