БИОСОРБЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
BIOSORBENT FOR WATER CLEANING OF HYDROCARBON CONTAMINATION AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Группа изобретений относится к промышленной биотехнологии и экологии и может применяться для очистки водоемов от углеводородных загрязнений.
Под понятием «биосорбенты» подразумеваются сорбенты, иммобилизованные культурами микроорганизмов, обеспечивающие биологическое разложение углеводородов.
В качестве носителей для иммобилизации культуры микроорганизмов могут быть использованы практически все сорбенты органического (растительные и синтетические) и минерального происхождения, а в качестве культур микроорганизмов-деструкторов - любые простейшие углеводородокисляющие микроорганизмы (дрожжи, бактерии, грибы).
Иммобилизацию микроорганизмов на сорбент обычно осуществляют методом тонкодисперсного напыления суспензии на поверхность сорбента с одновременным его перемешиванием. После сушки при нормальной температуре биосорбент готов к применению.
Биосорбенты должны отвечать следующим требованиям:
- обладать большой сорбционной емкостью;
- обеспечивать сцепление клеток микроорганизмов с поверхностью сорбента в течение длительного времени применения (7-20 суток);
- обладать безопасностью для окружающей среды и человека после использования;
- обладать гидрофобностью в том случае, если используются для очистки водоемов.
В настоящее время разработано значительное количество биосорбентов, отличительной особенностью которых является разнообразие используемых носителей (сорбентов) и иммобилизованных на них культур микроорганизмов.
Известен биореагент для очистки воды и почвы от нефтяных загрязнений (патент РФ №2081854, C02F 3/34, опубл. 1997.06.20), включающий адаптированную к углеводородам нефти бактериальную культуру рода Pseudomonas и компоненты биогенного питания. В качестве компонентов биогенного питания используют натриевое мыло синтетических жирных кислот, водорастворимые соли алюминия или кальция и аммонийные соли фосфорной кислоты. Бактериальную культуру вместе с компонентами биогенного питания иммобилизуют на гидрофобизированном торфе при следующем соотношении компонентов мас.%:
Бактериальная культура Pseudomonas
0,29-032
Натриевое мыло синтетических жирных кислот
3,70-4,38
Водорастворимые соли алюминия или кальция
0,97-1,59
Аммонийные соли фосфорной кислоты
0,79-0,81
Торф
остальное
Известен биосорбент для очистки водной поверхности от нефти и нефтепродуктов (патент РФ №2299181, C02F 3/34, опубл. 2007.05.20), включающий нефтеокисляющие микроорганизмы, взятые в эффективном количестве, и носитель на основе торфа. В качестве носителя биосорбент содержит гидрофобный сорбент нефти на основе торфа, а в качестве нефтеокисляющих микроорганизмов - биомассу штамма микромицета: Fusarium lateritium HK-204 или Gliocladium deliquescens НК-205 или Gliocladium deliquescens HK-206 или консорциума этих штаммов, иммобилизованных в гидрофобный сорбент нефти на основе торфа путем обрастания сорбента грибами, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Биомасса штамма микромицета Fusarium lateritium НК-204 или
Gliocladium deliquescens НК-205 или
Gliocladium deliquescens НК-206 или
консоурциума штаммов микромицетов
20-50
гидрофобный сорбент нефти на основе торфа
остальное
Наиболее близким к предлагаемому биосорбенту и способу его получения (прототипом) является биосорбент для очистки водоемов от нефтепродуктов на основе штаммов бактерий и дрожжевых грибов (патент РФ №2318736, C02F 3/34, опубл. 2008.03.10), включающий нефтеокисляющие микроорганизмы, взятые в эффективном количестве, и носитель. В качестве носителя биосорбент содержит гидрофобный нефтяной сорбент на основе торфа, а в качестве нефтеокисляющих микроорганизмов - биомассу штамма бактерии Rhodococcus erythropolis HK-16 или Arthrobacter sp. HK-15, или дрожжевого гриба Candida lipolytica КБП-3308 или Candida guilliermondii КБП-3175 или Pichia guilliermondii КБП-3205 или их бактериально-дрожжевого консорциума, иммобилизованного в гидрофобный сорбент нефти на основе торфа путем обрастания сорбента бактериями и/или грибами, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Биомасса штамма бактерий:
Rhodococcus erythropolis HK-16 или
Arthrobacter sp.HK-15 или
дрожжевого гриба Candida lipolytica КБП-3308 или
Candida guilliermondii КБП-3175 или
Pichia guilliermondii КБП-3205
или их бактериально-дрожжевого консорциума
20-30
гидрофобный сорбент нефти на основе торфа
остальное
Недостатками известных биосорбентов и способов их получения являются, во-первых, использование в качестве углеводородокисляющих микроорганизмов штаммов грибов, которые обладают очень низкой скоростью потребления углеводородов и низкой скоростью размножения, что приводит к увеличению времени утилизации углеводородных загрязнений и, во-вторых, осуществление иммобилизации микроорганизмов на носитель путем обрастания носителя увеличивает время получения биосорбента (по патенту РФ №2318736 в лабораторных условиях это время составляет 9 суток), а кроме того, приводит к уменьшению сорбционной емкости биосорбента, т.к. внутренние поры носителя закупориваются, что позволяет использовать только часть поверхности носителя (по патенту РФ №2318736 сорбционная способность биопрепарата составляет 6 г нефти на 1 г биосорбента, в то время как используемые в настоящее время биосорбенты имеют сорбционную емкость от 7 г/г до 9 г/г).
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая группа изобретений, является получение биосорбента, обладающего высокой степенью биодеструкции углеводородов.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая группа изобретений, является сокращение времени получения биосорбента, увеличение сорбционной емкости биосорбента, а также повышение эффективности процесса утилизации углеводородных загрязнений.
Технический результат группы изобретений достигается за счет того, что в способе получения биосорбента для очистки воды от углеводородных загрязнений, включающем иммобилизацию биомассы, содержащей взятые в эффективном количестве нефтеокисляющие микроорганизмы, в органический гидрофобный сорбент на основе торфа с последующей сушкой, органический гидрофобный сорбент получают путем низкотемпературного пиролиза под вакуумом измельченного до 0,2÷0,5 мм торфа, который проводят при температуре 210÷250°С в течение 60÷90 мин. Иммобилизацию осуществляют путем внесения полученного органического гидрофобного сорбента в суспензию биомассы в процессе ее ферментации на стадии замедления роста нефтеокисляющих микроорганизмов. Масса вносимого органического гидрофобного сорбента в 6-10 раз превышает массу нефтеокисляющих микроорганизмов, содержащихся в суспензии биомассы к моменту внесения органического гидрофобного сорбента. В качестве нефтеокисляющих микроорганизмов используют штамм дрожжей Candida maltosa ВКПМ Y-3446 или штамм бактерий Dietzia maris ВКПМ Ac-1824. Биосорбент для очистки воды от углеводородных загрязнений, полученный предлагаемым способом, содержит в качестве органического гидрофобного сорбента измельченный до фракций 0,2-0,5 мм торф, а в качестве нефтеокисляющих микроорганизмов - штамм дрожжей Candida maltosa ВКПМ Y-3446 или штамм бактерий Dietzia maris ВКПМ Ac-1824.
В предлагаемой группе изобретений для получения органического гидрофобного сорбента используют предварительно измельченный органический носитель, например торф (фракционный состав 0,2-0,5 мм), который подвергают низкотемпературному пиролизу при температуре 210°C-250°C под вакуумом в течение 60÷90 мин. В результате сорбент получается пористый, с большой внутренней поверхностью контакта фаз. Ферментацию биомассы дрожжей и/или бактерий проводят в накопительном режиме на углеводородном субстрате в присутствии биогенных элементов при технологических параметрах выращивания, указанных в паспортах соответствующих культур. Иммобилизацию биомассы дрожжей или бактерий в органический гидрофобный сорбент осуществляют в процессе ферментации биомассы дрожжей или бактерий путем внесения органического гидрофобного сорбента в суспензию биомассы за 2-3 часа до окончания ферментации биомассы, что сокращает время получения биосорбента. Иммобилизация микроорганизмов происходит за счет того, что органический гидрофобный сорбент, попав в суспезию биомассы, сорбирует остаточные углеводороды вместе с микроорганизмами. Под действием аэрации и перемешивания в глубине пор происходит утилизация остаточного углеводородного сырья и рост биомассы микроорганизмов. Растущая биомасса микроорганизмов глубоко проникает внутрь пор сорбента, обеспечивая тем самым сцепление клеток микроорганизмов с поверхностью сорбента в течение длительного времени, в результате чего происходит устойчивая иммобилизация клеток микроорганизмов. Концентрированно полученной суспензии биосорбента осуществляют центрифугированием с последующей сушкой сгущенной суспензии биосорбента на ленточной, лиофильной сушилке или сушилке с псевдоожиженным слоем. Полученный биосорбент может применяться для очистки водоемов.
Ниже приводятся примеры реализации предлагаемой группы изобретений.
13
17
3
4
4
4
2
4
2
4
2
4
Пример 1. Для приготовления органического гидрофобного сорбента используют низинный торф, который измельчают до фракций 0,2 мм - 0,5 мм в мельнице ударного типа. Полученную смесь торфа раскладывают в лотки и помещают в вакуумный сушильный шкаф, в котором устанавливают температуру 230°C и остаточный вакуум 100 Па. После сушки в течение 80 мин органический гидрофобный сорбент готов для использования. Ферментацию углеводородокисляющего штамма микроорганизмов, например штамма дрожжей Candida maltosa ВКПМ Y-3446, осуществляют в ферментере на жидких парафинах нефти C÷C кабрамидной депарафинизации. Начальная концентрация парафина - 2%, начальное содержание биомассы дрожжей 2,0-2,2 г в 1 литре суспензии, минеральная среда для размножения штамма имеет следующий состав: HPO (70%) - 2,6 г/л, KCl - 1,14 г/л, MgSO - 0,55 г/л, FeSO×7HO - 0,045 г/л, ZnSO×7HO - 0,031 г/л, MnSO×7HO - 0,031 г/л, CuSO - 0,004 г/л. Ферментацию осуществляют при рН 4,0÷4,2, числе оборотов мешалки - 800 об/мин, подаче воздуха на аэрацию - 100 л/ч на 1 л суспензии биомассы в течение 18 ч. Через 18 ч содержание биомассы дрожжей составляет 15 г в 1 литре суспензии. На стадии замедления роста микроорганизмов в суспензию биомассы дрожжей добавляют 120 г полученного ранее органического гидрофобного сорбента на каждый литр рабочего объема ферментера (в 8 раз больше биомассы дрожжей, выросшей через 18 ч). Ферментацию проводят еще в течение 3 ч, до полного исчерпания углеводородного питания. Полученную суспензию сгущают на центрифуге при 3500 об/мин в течение 10 мин. Сгущенную суспензию раскладывают на лотки и сушат в лиофильной сушилке в течение 24 ч под вакуумом. Сушку осуществляют в интервале температур от -25°С до +25°С, при остаточном вакууме - 10 Па. Полученный таким образом биосорбент после сушки готов к применению.
3
Очистку воды от углеводородных загрязнений осуществляют следующим образом. В стеклянный сосуд наливают 1 л воды, на поверхность воды разливают 5 мл сырой нефти. Затем на загрязненную поверхность воды маленькими порциями наносят биосорбент в количестве, обеспечивающем полный сбор нефти с поверхности воды. Взвешивают биосорбент с собранной нефтью (в данном случае - 4,85 г). Зная плотность нефти (850 кг/м), рассчитывают сорбционную емкость биосорбента, которая в данном случае составляет около 7 г/г.
Биосорбент, насыщенный нефтью, помещают в чашку Петри и наблюдают за разложением нефти под действием микроорганизмов. Биосорбент увлажняют каждые 3 дня. За 15 дней содержание нефти снизилось на 32%, а за 30 дней - на 58%.
Пример 2. Биосорбент после сорбции нефти не вынимают из воды. Через 20 дней содержание нефти в биосорбенте уменьшилось на 47%, что свидетельствует об устойчивой иммобилизации нефтеокисляющих микроорганизмов в поры органического гидрофобного сорбента и высокой скорости разложения углеводородов, т.е. о процессе самоочистки биосорбента от углеводородов, собранных с поверхности воды.
13
17
3
2
4
2
4
2
4
4
2
4
2
4
2
4
Пример 3. Приготавливают органический гидрофобный сорбент, как в примере 1. Ферментацию углеводородокисляющего штамма микроорганизмов, например, штамма бактерий Dietzia maris ВКПМ Ac-1824, осуществляют в ферментере на жидких парафинах нефти С÷С кабрамидной депарафинизации. Начальная концентрация парафина - 2%, начальное содержание биомассы бактерий 2,0-2,2 г в 1 литре суспензии, минеральная среда для размножения штамма имеет следующий состав: KNO - 4,0 г/л, KHPO - 0,4 г/л, NaHPO×12HO - 1,4 г/л, MgSO - 0,8 г/л, FeSO×7HO - 0,045 г/л, ZnSO×7HO - 0,031 г/л, MnSO×7HO - 0,031 г/л, CuSO - 0,004 г/л. Ферментацию ведут при рН 7,0÷7,2, числе оборотов мешалки - 800 об/мин, подаче воздуха - 100 л/ч на 1 л суспензии биомассы в течение 20 ч. Через 20 ч содержание биомассы бактерий составляет 15 г в 1 литре суспензии. В суспензию биомассы бактерий добавляют 120 г полученного ранее органического гидрофобного сорбента на каждый литр рабочего объема ферментера (в 8 раз больше биомассы микроорганизмов, выросшей через 20 часов). Ферментацию проводят еще в течение 3 часов, до полного исчерпания углеводородного питания. Полученную суспензию сгущают на центрифуге при 3500 об/мин в течение 10 мин. Сушку осуществляют в интервале температур от -25°С до +25°С, при остаточном вакууме - 10 Па.
3
Очистку воды от углеводородов осуществляют как в примере 1. Взвешивают биосорбент с собранной нефтью (в данном случае - 4,83 г). С учетом плотности нефти (850 кг/м) рассчитывают сорбционную емкость биосорбента, которая в данном случае составляет около 7,3 г/г.
Биосорбент, насыщенный нефтью, помещают в чашку Петри и наблюдают за разложением нефти под действием микроорганизмов. Биосорбент увлажняют каждые 3 дня. За 15 дней содержание углеводородов снизилось на 37%, а за 30 дней - на 63%.
Пример 4. Биосорбент после сорбции нефти не вынимают из воды. Через 20 дней содержание нефти в биосорбенте уменьшилось на 51%, что свидетельствует об устойчивой иммобилизации нефтеокисляющих микроорганизмов в поры органического гидрофобного сорбента и высокой скорости разложения углеводородов, т.е. о процессе самоочистки биосорбента от углеводородов, собранных с поверхности воды.
Более высокие результаты по очистке воды от углеводородов и утилизации их на поверхности биосорбента были получены при иммобилизации в органический гидрофобный сорбент бактериальной биомассы, что объясняется значением рН воды, которое в опытах по очистке составляет 6,5-6,8 и является более близким к оптимальным условиям культивирования для бактериальной биомассы, чем для дрожжевой биомассы.
Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет сократить время получения биосорбента, обеспечивает увеличение сорбционной емкости биосорбента, а также повышение эффективности процесса утилизации углеводородных загрязнений за счет самоочистки биосорбента от углеводородов.