Способ получения концентрата водорастворимых биологически активных веществ из природного сапропеля
METHOD FOR PRODUCING A CONCENTRATE OF WATER-SOLUBLE BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES FROM NATURAL SAPROPEL

Изобретение относится к растениеводству и предназначено для получения водных концентратов, извлекаемых из природного (нативного) сапропеля, для использования их в качестве стимуляторов роста растений.
Известно, что озерные илы - сапропели состоят из двух основных компонентов: органической и неорганической (минеральной) частей. Органическая часть сапропеля содержит водорастворимые биологически активные вещества (БАВ). В состав биологически активных веществ входят: белки, углеводы, гуминовые кислоты, витамины, микроэлементы, антиоксиданты и т.д. Широкое применение гуминовые препараты находят при проращивании семян, выращивании рассады и опрыскивании различных культур при их росте, что в оптимальных дозах заметно стимулирует прорастание семян, улучшает питание растений, ускоряет их рост и увеличивает биомассу.
Экстракцию водорастворимых БАВ проводят различными способами: путем термохимической экстракции, с использованием физико-химических методов воздействия, например, магнитных, электромагнитных, кавитационных, обработкой ультразвуком или с использованием комбинированных методов воздействия на исходные материалы.
4
При экстракции используют органические растворители, щелочи и различные их модификации. Так, например, в способе получения БАВ из сапропелей материковых озер обезвоженный нативный сапропель обрабатывают в 96%-ом этиловом спирте с подогревом до 35-40°С и подвергают стерилизации в газообразной углекислоте под давлением 66 атм. [РФ 2066187, A61K 35/10, 10.01.1996]. В патенте [РФ 2007376, C05F 11/00, 15.02.1994] для получения стимулятора роста растений обработку гуматсодержащего сырья проводят щелочными растворами КОН, NHOH, NaOH, содой с последующим выделением жидкой, суспендированной или кашеобразной среды, обработкой полученной фракции азотосодержащими солями (в том числе карбамида, сульфата аммония, аммофоса или других солей) с последующим выпариванием. Масляный раствор полярных лиридов выделяют из сапропелевых грязей посредством экстракции смесью хлороформа и этанола с очисткой гексаном [РФ 2084228, A61K 35/10, 20.07.1997]. Для получения органоминерального гуминового продукта, осуществляют механохимический гидролиз измельченного до крупности не более 5 мкм сырья в водной, водно-щелочной или водно-кислотной или водно-аммиачной среде [РФ 2209230, C10F 7/00, 27.07.2003], из гексановой фракции нативного сапропеля получают витамин последовательным извлечением водорастворимых биологически активных веществ 96%-ным этанолом, экстракцией гексаном, центрифугированием, концентрированием гексанового экстракта и последовательным хроматографированием в системах: гексан и гексан-этилацетат [РФ 2139710, A61K 31/355, 20.10.1999]. Для получения БАВ на основе сапропеля в качестве экстрагента используют 1,2-пропиленгликоль или его водные растворы [РФ 2214254, A61K 35/10, 20.10.2003]. Органические минеральные удобрения с гуминовой кислотой получают добавлением к влажному сапропелю водного раствора пирофосфата калия, нагреванием до 80°С, добавлением минерализированной воды при гомогенном перемешивании и фильтрации. [CN 108314582 -A, C05G 3/04, 27.07.2018].
Основными недостатками получения БАВ данными способами является: необходимость отделения сложных по составу, вредных и взрывоопасных растворителей. Допускается окисление БАВ и потери порошка исходного вещества.
3
Существуют различные физико-химические способы, которые позволяют повысить концентрацию БАВ в растворах. Так например, для получения концентрата сапропеля легкоотделяемые водорастворимые компоненты нативного сапропеля отделяют центрифугированием [патент РФ 2533249, A61K 35/10, 20.11.2014]. Используют вакуумный выпарной аппарат, внутри которого создают разряжение, разогревают сапропель, в процессе разогрева на него воздействуют ультразвуком [патент РФ 2543358, A61K 35/10, 27.02.2015]. При обработке влажного сапропеля водным раствором пирофосфата калия используют ультразвук с частотой 22-23 кГц и мощностью излучения 50-160 Вт/дм [патент РФ 2246469, C05F 11/02, 02.20.2005], или осуществляют вибромагнитную экстракцию гуминовых кислот [В.А. Коршиков и др., Химия растительного сырья, 2017. №4, с. 195-202]. В известном способе [патент РФ 2720308, A61K 35/10, C05F 11/02, 28.04.2020] гуминосодержащее сырье измельчают до фракции 0,1-199 мкм, смешивают с водой, полученную смесь обрабатывают ультразвуком с частотой 20-40 кГц при температуре 30-80°С и давлении 0,05-0,8 МПа, затем полученный экстракт охлаждают до комнатной температуры и получают физиологически безопасный гуминовый экстракт с повышенной биологической активностью. К основным недостаткам данных методов относится также необходимость отделения сложных по составу растворителей, возникает ряд аппаратурных и технологических сложностей при практическом использовании.
Наиболее щадящими методами извлечения ценных биолически-активных веществ из сапропелей являются низкотемпературные способы экстракции.
В известном способе производства жидких или пастообразных препаратов, содержащих гуминовые вещества [ЕР 3300498, C05F 11/02, 04.04.2018], используют смесь по меньшей мере двух или более групп каустобиолитов, сапропеля, торфа, битуминозный уголь, бурый уголь, горючие сланцы и/или лигнин, сырье очищается, а затем механически измельчается до размера от 2 до 200 микрометров, сухие вещества смешиваются с водой и хранятся в закрытых контейнерах, гомогенизируются, а затем каждая фракция по отдельности или в сочетании с другими фракциями с помощью насоса или отрицательного давления в термовакуумном контейнере подается в мешалку, в которой проходит через уже известную щелочную экстракцию до образования водорастворимых солей гуминовой кислоты, при этом используется термохимическая, физическая и или механическая водная экстракция, основанная на использовании магнитных вихрей, диспергирование ультразвуком или с использованием комбинированных процессов, основанных на методе щелочной экстракции.
Применение опасных реактивов ограничивает использование получаемых препаратов при производстве экологически чистых сельхозпродуктов. Недостатком является сложность и трудоемкость производства с привлечением разнообразного, в том числе сложного оборудования, длительность процесса.
Кроме того, получают жидкие или пастообразные препараты. В практике предпочтительно использование концентрированных БАВ в водных растворах без разрушения и потери полезных компонентов.
Задачей изобретения является обеспечение технологичного производства получения водного раствора концентрата биологически активных веществ с сохранением наиболее ценных необходимых для роста растений веществ из природного сапропеля.
Данная задача решается тем, что для получения концентрата водорастворимых биологически активных веществ природный сапропель предварительно высушивают при температуре 10-30°С до влажности 50-60%, дробят до размера отдельных фрагментов 1-10 см, высушивают до влажности не более 15% и механоактивируют до размера микрочастиц 0,01-5 мкм. Затем в порошок добавляют воду в соотношении от 1:20 до 1:100, термостатируют при температуре 85-90°С в течение 30-60 минут, снижают температуру в течение 24-48 часов до 40°С, полученный после отстаивания раствор концентрируют одно-двукратным замораживанием до образования 70-95% льда от объема исходного раствора, отделяют концентрат в виде незамерзшей части раствора, добавляют растворимые в воде соли калия, фосфора в количестве 3-5%. Механоактивация поверхности мелких частиц, существенно усиливающая эффект водной экстракции БАВ, сочетание режимов сушки, нагрева, настаивания сапропеля в водном растворителе с последующим концентрированием БАВ многократным замораживанием обеспечивает сохранение наиболее ценных необходимых для роста растений веществ при их извлечении из природного сапропеля. Полученный концентрат хранят при температуре 0 - 5°С в закрытой емкости без доступа света или замораживают при минусовой температуре для длительного хранения. Нерастворимый остаток пригоден для использования в качестве удобрения.
Микроанализы жидкой фазы полученных экстрактов приведены в таблице 1.
При использовании раствора в зависимости от цели применения его разбавляют водой в соотношениии от 1:10 до 1:1000. Можно добавлять краситель в раствор (исходно имеющий коричневую окраску) для более удобного практического использования (определение концентрации по цвету).
Примеры конкретного выполнения способа
Пример 1. Свежедобытый озерный ил - сопропель из оз. Минзелинское (Новосибирская обл.) в количестве 100 кг. предварительно высушивают при температуре 10°С до влажности 60%». Далее сапропель дробят до размера отдельных фрагментов не более 10 см и затем высушивают до влажности не более 15%. Высушенный сапропель механоактивируют путем истирания в молотковой мельнице до размера частиц менее 5 мкм. Затем в полученный порошок в количестве 14,5 кг, добавляют воду в соотношении 1:20, термостатируют в посуде из нержавеющей стали при температуре 85°С в течение 30 минут, снижают температуру в течение 24 часов до 40°С, полученный после отстаивания раствор концентрируют двукратным замораживанием до образования 95% льда от объема исходного раствора, отделяют концентрат в виде незамерзшей части раствора добавляют растворимые в воде соли калия, фосфора в количестве 5%. Раствор (около 15 литров) хранят температуре 0°С в закрытой емкости без доступа света. Таким образом получают целевой продукт - водный концентрат БАВ. При использовании полученный концентрат разбавляют водой в зависимости от цели применения его. При замачивании семян перцев раствором концентрата, разведенным водой в пропорции 1:100 всхожесть их увеличилась в 1,5 раза и сократился срок прорастания семян на 60%, по сравнению с контрольными.
Пример 2. Сапропель из оз. Минзелинское (Новосибирская обл.) в количестве 100 кг. предварительно высушивают при температуре 30°С до влажности 50%, дробят до размера отдельных фрагментов не более 1 см и высушивают до влажности не более 15%. Высушенный сапропель механоактивируют путем истирания в молотковой мельнице до размера частиц 0,01 мкм. Затем в полученный порошок в количестве 14,5 кг, добавляют воду в соотношении 1:100, термостатируют в посуде из нержавеющей стали при температуре 90°С в течение 60 минут, снижают температуру в течение 48 часов до 40°С, полученный после отстаивания раствор концентрируют замораживанием до образования 70% льда от объема исходного раствора, отделяют концентрат в виде незамерзшей части раствора добавляют растворимые в воде соли калия, фосфора в количестве 3%. Раствор (около 15 литров) хранят температуре 5°С в закрытой емкости без доступа света. Таким образом получают целевой продукт - водный концентрат БАВ. При использовании полученный концентрат разбавляют водой в зависимости от цели применения его. При поливе рассады помидор раствором концентрата, разведенным водой в пропорции 1:200 скорость их роста увеличилась на 40%, уменьшилось число заражений грибком на 20% по сравнению с контрольными.
Совокупность отличий предлагаемого способа позволяет достигнуть следующих технических результатов. Технологический процесс экстракции БАВ из сапропеля является экономически малозатратным с использованием простого и дешевого оборудования. Способ позволяет полноценно использовать сапропелевое сырье, т.е. после извлечения водорастворимых БАВ, отходы пригодны для других применений, например, в качестве удобрений, добавок в почвогрунты, изготовления сорбентов и др. Полученный концентрат водорастворимых БАВ применяют при проращивании семян, при выращивании рассады и опрыскивании растений для повышения всхожести, ускорения роста, укрепления растений, предотвращает появление плесени.