СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
METHOD FOR OBTAINING BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к технологиям получения биологически активных веществ, в том числе средств защиты растений, регуляторов роста растений и микроорганизмов, природных инсектицидов, фунгицидов и иных пестицидов, удобрений и кормовых добавок для сельскохозяйственных животных из биологического сырья, а именно из продуктов переработки органических субстратов личинками насекомых, относящихся к подотряду Brachycera Orthorrhapha. Полученные продукты могут быть использованы для обеспечения почвенного плодородия, повышения урожайности сельскохозяйственных культур, связывания органических и неорганических токсикантов, в частности тяжелых металлов, очищения почвы от химического загрязнения, защиты растений от вредителей и болезней, а также в виде кормовых добавок для сельскохозяйственных животных и птиц.
Одной из центральных проблем сельскохозяйственного производства на современном этапе его развития является необходимость перехода от массового использования технологий, основанных на применении химических средств защиты растений и химических удобрений к так называемому «органическому» земледелию, которое должно обеспечивать как производство экологически чистой сельскохозяйственной продукции с достаточной рентабельностью, так и непрерывность процесса восстановления плодородия почв, исключая их деградацию.
Наиболее распространенным способом повышения плодородия почвы и экологической чистоты растительной продукции является внесение в почву органических удобрений или водных настоев на их основе, например птичьего помета, навоза сельскохозяйственных животных, торфа, различных компостов, биогумуса - продукта переработки органических отходов калифорнийскими червями или дождевыми или червями других видов. Однако классическая технология внесения органических удобрений характеризуется большим количеством недостатков, к которым относится сложность внесения, непостоянство состава, возможность присутствия в составе патогенной микрофлоры и т.д.
Одним из перспективных направлений использовании органических удобрений является их глубокая переработка и обогащение с получение концентрированных форм удобрений, регуляторов роста и средств защиты растений.
Известен способ получения стимуляторов роста и жидких комплексных органоминеральных удобрений из гумусосодержащих субстратов (см. патент РФ 2253641 по кл. МПК C05F 3/00, опуб. 10.06.2005), содержащих живые почвенные микроорганизмы, а именно из вермикомпоста (биогумуса), зоокомпоста, компостов, бурого угля, торфа и сапропеля. Способ включает предварительное замачивание гумусосодержащих веществ в воде и перемешивание с последующей щелочной экстракцией, отделением щелочного экстракта и его нейтрализацией. После предварительного замачивания гумусосодержащих веществ в воде и перемешивания осуществляют микробиологическую ферментацию с наращиванием биомассы почвенных микроорганизмов при температуре 20-35°С в течение 3-24 часов при непрерывной аэрации, а затем отстаивают, получая при этом обогащенную водную вытяжку. Полученную водную вытяжку отделяют от осадка гумусосодержащего вещества и добавляют к нейтрализованному щелочному экстракту, полученному из гумусосодержащего осадка. Щелочную экстракцию проводят 0,02-0,3 н. раствором щелочи при 60-100°С, а затем после отделения щелочного экстракта нейтрализуют его до значения рН, равного 8,0-9,5. После этого добавляют полученную обогащенную водную вытяжку, перемешивают, отстаивают, получая жидкий целевой продукт. Изобретение позволяет повысить качество целевого продукта за счет увеличения количества гуминовых веществ, увеличения доли их низкомолекулярных фракций, а также увеличения биомассы полезных почвенных микроорганизмов.
Недостатками указанного способа является длительность процесса, необходимость проведение дополнительных процедур микробиологической ферментации и отстаивания, общая длительность и многостадийность процесса.
Известен способ получения жидких биологически активных веществ из биогумуса путем растворения вермикомпоста водой, экстрагированием и ферментацией (см. патент РФ №2231513 по кл. МПК C05F 11/02, опуб. 27.06.2004). Размер частиц биогумуса составляет 0,1-10 мм, а его растворение водой осуществляется в соотношении 1:10. Экстрагирование проводят отмыванием микрофлоры в течение 1-2 часов при температуре 23-26°C и растворением питательных элементов вермикомпоста турбулентными токами воды с последующей естественной биологической ферментацией раствора в течение 3-5 суток.
Недостатком данного способа получения жидкого вермикомпоста является продолжительность процесса (до 3-5 суток), а большая часть исходного сырья (до 95%) не переходит в жидкую фазу и остается в твердой фазе и удаляется с осадком вермикомпоста.
Одними из перспективных источников природных биологически активных веществ, включая удобрения, регуляторы роста растений и микроорганизмов, природные пестициды, являются продукты технологии переработки широкого спектра органических продуктов, включая отходы сельскохозяйственного производства, органическую фракцию коммунальных отходов, осадки сточных вод очистных сооружений и др., с помощью личинок мух (https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.08.096). При этом ценные компоненты содержатся в составе как самих личинок и куколок мух, так и в составе образующегося в результате жизнедеятельности личинок мух субстрата-зоогумуса.
Зоогумус содержит сбалансированный комплекс минеральных и органических веществ, биологически активные вещества - стимуляторы роста, а также естественные инсектициды, репелленты и фунгициды, благодаря которым зоогумус губительно воздействует на ряд вредителей сельскохозяйственных культур. Зоогумус снижает инфекционный потенциал возбудителей болезней корневой гнили, серой и белой гнили растений, а также активирует естественные биохимические процессы в почве и оказывает благоприятное действие на почвенные микроорганизмы, дождевых червей и иные почвенные симбиозы.
Hermetia illucens
Известен способ получения веществ, ингибирующих развитие фитопатогенов на основе жирных кислот, полученных из личинок мух (Fatty Acids from Larvae Fat Inhibit the Proliferation and Growth of Actual Phytopathogens). Недостатками способа являются использование в качестве сырья исключительно личинок мух, применение сложного комплекса органических растворителей, длительность и дороговизна процесса экстракции.
Известен способ получения экстракта личинок и куколок мух, богатого насыщенными, мононенасыщенными и полиненасыщенными жирными кислотами (см. патент РФ №2505592 по кл. МПК С11В 1/00, опуб. 27.01.2014). Способ предусматривает разведение мух, предпочтительно Musca domestica, на субстрате при температуре между 10 и 40°C, последующую сушку и измельченияе сырья и экстракцию системой Soxhlet с использованием в качестве растворителя гексана или смеси гексан:дихлорметан 1:1 или 1:2, или 3:1 в соотношении 50 г перемолотого материала на 250 мл экстрагирующей смеси в качестве растворителя, при этом экстракцию повторяют от 8 до 10 раз. После чего отделяют перемолотый материал, испаряют остаток экстрагента, восстановливают дистилляцией, проводят дистилляцию экстрагента. В результате получают чистое масло без экстрагента, оставляют его для охлаждения до комнатной температуры в течение 8-16 часов, могут добавить антиоксидант и направляют продукт на хранение. Недостатком способа является многостадийность, длительность процесса и его большая стоимость.
Известен способ переработки и улучшения потребительских свойств органических удобрений с получением зоогумуса - продукта переработки отходов сельскохозяйственного производства (Гудилин И.И., Кондратов А.Ф. и др. Биотехнология переработки органических отходов и экология. - Новосибирск, 1999, с. 385).
Однако указанный способ характеризуется рядом недостатков, в частности длительностью процесса приготовления настоя зоогумуса, который занимает до 7 суток, а также возможность протекания процессов брожения с выделением сероводорода, индола, скатола, меркаптана, а также размножению гнилостных и патогенных микроорганизмов, опасных для человека и животных
Известен способ улучшения структуры и плодородия почв с применением зоогумуса (Бгатов А.В., Сороколетов О.Н. Улучшение структуры и плодородия почвы, ее экологическая очистка совместным внесением зоогумуса и природных цеолитов. Успехи современного естествознания, 2004 г №4, стр. 13) при этом при внесении зоогумуса в количестве 100 г на 1 м2 позволяет практически полностью обезвредить почву от таких тяжелых металлов, как барий, стронций и цезий, благодаря хелатообразующим свойствам зоогумуса. Однако технология получения вытяжки зоогумуса в указанном способе также представляет собой простое настаивание зоогумуса в воде и характеризуется всеми указанными выше недостатками.
.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения препарата жидкого вермикомпоста (биогумуса) из гумусосодержащих веществ путем импульсного многофакторного воздействия на твердую фракцию вермикомпоста (биогумуса) в установке на базе роторного импульсного аппарата (патент РФ2558920 по кл. МПК C05F 11/00, опуб. 10.08.2015), который был выбран в качестве прототипа. В прототипе используется следующая технология: вермикомпост (биогумус) предварительно смешивается с водой в соотношении 70% воды и 30% вермикомпоста без добавления каких-либо реагентов, в том числе щелочей, и прогоняется через роторный импульсный аппарат, в результате интенсивного диспергирования и гомогенизации вермикомпоста в воде при такой обработке образуется однородная смесь с мелкодисперсными частицами вермикомпоста в воде, обогащенная питательными элементами NPK, гумусовыми веществами и полезной почвенной микрофлорой в виде стабильной суспензии
Недостатками прототипа является использование в качестве сырья исключительно биогумуса из вермикомпоста, что сильно сужает ассортимент и химический состав получаемых продуктов экстракции, а также использовании в качестве экстрагента исключительно воды, что также значительно снижает эффективность экстракции биологически активных веществ.
Технической проблемой предлагаемого изобретения является создание технологичного способа высокоэффективной экстракции ценных компонентов из продуктов переработки органических субстратов личинками насекомых, относящихся к подотряду Brachycera Orthorrhapha
Технический результат заключается в снижении времени и затрат на получение биологически активных веществ.
Технический результат достигается тем, что в способе получения биологически активных веществ, включающем смешивание гумусодержащего сырья с растворителем, экстрагирование в реакторе с получением готового продукта, согласно изобретению, в качестве гумусодержащего сырья используют образовавшиеся в результате переработки органических субстратов личинками насекомых подотряда Brachycera Orthorrhapha зоогумус или смеси зоогумуса с подмором личинок и куколок насекомых в соотношении зоогумус : подмор 1:(0,01-2), при этом сырье перед смешиванием с растворителем измельчают с получением фракции от 0,01 до 20 мм, обрабатывают щелочными или кислотными растворами для создания рН смеси от 4,0 до 9, выдерживают в закрытых или открытых промежуточных емкостях в течение 0,1-24 часов, а смешивание сырья с растворителем проводят в соотношении от 1:1 до 1:100.
В качестве растворителя могут быть использованы или сверхкритические флюиды или глубокие эвтектические растворители или органические полярные, неполярные и биполярные растворители.
Перед выдерживанием в емкостях смесь дополнительно обрабатывают гуминовыми и фульвовыми кислотами либо калийными, натриевыми и аммонийными солями гуминовых и фульвовых кислот, либо препаратами грибов рода Trichoderma, либо препаратами бактерий рода Bacillus, либо препаратами бактерий рода Azotobacter.
Способ осуществляется следующим образом.
В качестве исходного сырья используют продукты, получаемые в результате переработки органических субстратов личинками насекомых, относящихся к подотряду Brachycera Orthorrhapha, за исключением самих личинок, а именно: зоогумус или смеси зоогумуса с подмором личинок и куколок, взятых в определённых соотношениях.
На первом этапе проводят подготовку исходного сырья, для этого сырьё измельчают с получением фракции от 0,01 до 20 мм и обрабатывают щелочными или кислотными растворами для создания рН смеси в диапазоне от 4,0 до 9,0. В качестве кислотных растворов используют водные растворы неорганических кислот, например серной и фосфорной, а в качестве щелочных растворов водные растворы гидроксидов калия, натрия и аммония. На данном этапе сырье может быть дополнительно обработано гуминовыми и фульвовыми кислотами, либо калийными, натриевыми и аммонийными солями гуминовых и фульвовых кислот, либо препаратами грибов рода Trichoderma, либо препаратами бактерий рода Bacillus, либо препаратами бактерий рода Azotobacter, либо комбинациями этих веществ. Полученное сырье выдерживают в закрытых или открытых промежуточных емкостях в течение 0,1-24 часов для стабилизации его состава и свойств.
На втором этапе подготовленное сырье загружают в реактор, проводят смешение сырья с растворителем в соотношении для различных растворителей от 1:1 дол 1:100 и осуществляют экстракцию комплекса для получения биологически ценных компонентов и биологически активных веществ в оптимальном для используемого растворителя интервале давления и температуры в течение 15-180 минут.
На заключительном этапе проводят отделение полученного экстракта от оставшейся нерастворимой фракции и, при необходимости, выделение из полученного экстракта сухих веществ методами полного или дробного осаждения, либо отгонки растворителя при обычном или пониженном давлении.
При этом в качестве указанных выше реакторов могут быть использованы аппараты с активным механическим перемешиванием, механохимические реакторы, измельчители и мельницы, аппараты, в том числе флотаторы, с барботажем чистыми газами и их смесями, аппараты вихревых слоёв, ультразвуковые реакторы и иные аппараты позволяющие осуществлять активный массообмен в реакционной смеси.
В качестве экстрагентов могут быть использованы вода, кислотные и щелочные растворы, органические растворители, сверхкритические жидкости, глубокие эвтектические растворители и иные растворители, обеспечивающие максимальное извлечение компонентов.
Указанные выше оптимальные параметры сырья и его обработки установлены расчетным и экспериментальным путем. Гранулометрический состав фракции от 0,01 до 20 мм обеспечивает с одной стороны, отсутствие в составе исходного сырья крупных кусков, для которых экстракция крайне затруднена вследствие затрудненного доступа растворителей в объем материала, а с другой стороны, отсутствие в составе сырья фракций мнее 0,01 мм, которые являются трудноудаляемыми и вызывают загрязнение используемого оборудования.
Величина рН смеси в диапазоне от 4,0 до 9,0 обеспечивает развитие оптимальных микробиологических и химических процессов в исходном сырье.
Время предварительной выдержки сырья в течение 0,1 часа является минимально необходимым для стабилизации его состава после обработки, при этом выдержка сырья более 24 часов является неэффективной и приводит к дополнительным затратам на осуществление способа.
При соотношении сырья к растворителю ниже 1:1 образуются вязкие пасты, удаление из которых растворителя после проведения экстракции крайне затруднено и приводит к большим потерям растворителя, а при соотношении сырья к растворителю выше 1:100 имеет место излишний расход растворителя и дополнительные затраты на его рециклинг.
Увеличение времени экстракции более чем на 180 является нецелесообразным вследствие использования в способе реакторов с активным массообменом так как приводит к увеличению продолжительности процесса и затрат на осуществление способа.
Способ иллюстрируется примерами.
Пример 1. Для получения биологически активных веществ с использованием механохимического реактора в качестве сырья используют зоогумус, образованный в результате переработки органических субстратов личинками насекомых подотряда Brachycera Orthorrhapha.
9
Сырьё измельчают до размера фракции 0,1-10 мм, обрабатывают 6% раствором гидроксида калия до достижения рН 8,0, дополнительно вносят раствор препарата бактерий рода Bacillus с КОЕ 1*10/л в количестве 1 литр на тонну сырья.
Затем 20 кг подготовленного сырья с влажностью 70% загружают в смесительную емкость механохимического реактора, добавляют 20 л 0,2 М. раствора гидроксида калия, подогретой до 30-35°С, гомогенизируют (перемешивают) суспензию мешалкой в течение 5 мин, затем выдерживают суспензию в течение 15 минут при температуре 25°С и перемешивают в течение 5 минут. Готовую суспензию перемещают шнеком в зону сжатия и расширения механохимического реактора, в которых образуется давление от 1 до 300 атмосфер и температура от 20 до 120°С. При этом, массу неоднократно подвергают механохимической обработке за счет сжатия, перетирания, температуры и давления в каналах реактора. Полученная масса на выходе из реактора разделяется на шнековом сепараторе с получением водного экстракта комплекса биологически активных веществ в количестве 17 литров и осушенного кека. Осушенный кек отправляют на утилизацию, а полученный экстракт направляют либо на склад готовой продукции, либо на дальнейшую переработку и разделение.
Пример 2
В качестве сырья используют смесь зоогумуса с подмором личинок насекомых подотряда Brachycera Orthorrhapha при соотношении зоогумус/ подмор 1:0,1.
3
Смесь измельчают до размера фракции 0,05-1 мм, обрабатывают 10% раствором фосфорной кислоты до достижения рН 5,0, выдерживают в течение 30 минут и обрабатывают раствором гумата калия с содержанием основного вещества не менее 0,7 грамма на литр в количестве 70 литров на 1 тонну смеси. Далее 1500 кг смеси с влажностью 75% и кислотностью рН 7-7,5 загружают в смесительную емкость, добавляют в качестве растворителя раствор 20 кг гидроксида калия в 7м водопроводной воды. подогретый до 30-35°С. Смесь гомогенизируют (перемешивают) с помощью насоса в течение 10 мин, затем выдерживают суспензию в течение 15 минут при температуре 20-25°С. Суспензию разделяют на горизонтальной шнековой центрифуге, полученный осадок отделяют, а фугат отправляют на дальнейшую обработку и очистку на флотационный узел реактора
Процесс экстракции проводят с использованием реактора с флотационныым узлом для очистки от частиц нерастворимых фракций и иных загрязнителей размером более 0,5 мкм. В качестве добавки-флокулянта используют полиакриламид в количестве 0,5 масс. %. Полученная смесь фугата с флокулянтом циркулирует в периферийных зонах коагуляционной ванны флотационного узла, подвергается принудительной аэрации и частично переводится в зону разделения на поверхности ванны. Всплывший материал непрерывно удаляется с поверхности ванны, а очищенный от нерастворимых веществ и загрязнителей фугат, содержащий комплекс биологически ценных компонентов и биологически активных веществ, непрерывно удаляется в сборную емкость для непосредственного использования или поступает на дальнейшее разделение и переработку.
2
Пример 3. В качестве сырья использовали смесь зоогумуса с подмором личинок насекомых подотряда Brachycera Orthorrhapha при соотношении зоогумус/ подмор 1:0,2. В качестве реактора используют аппарат с тарельчатой колонной для сверхкритической флюидной экстракции. В качестве растворителя используют сверхкритический СО из-за его высокой растворяющей способности, дешевизны, доступности, не токсичности, при критической температуре 31,3°С, критическим давлением 7,36 Мпа.
2
Смесь измельчают до размера фракции 2-15 мм, обрабатывают 10% раствором гидроксида калия до достижения рН 8,0 и выдерживают в закрытой емкости в течение 30 минут. Далее 50 кг смеси загружают в расходную емкость реактора и осуществляют его непрерывную подачу в реакторсо скоростью 0,6 кг в минуту. Сверхкритический СО в количестве 120 кг контактирует с загруженной в реактор смесью, извлекая растворимые компоненты. На второй стадии экстрагент регенерируют путём сброса давления или изменения температуры, что приводит к полному, либо частичному осаждению извлеченных веществ. Затем рабочие параметры газа изменяют до требуемых значений и регенерированный сверхкритический флюид снова направляют в реактор. Оставшийся после экстракции кек непрерывно удаляют через выходное окно реактора, а осажденный продукт собирают и отправляют на склад готовой продукции или дальнейшее разделение.
Пример 4
9
В качестве сырья используют смесь зоогумуса с подмором личинок насекомых подотряда Brachycera Orthorrhapha при соотношении зоогумус/ подмор 1:0,5.Смесь измельчают до размера фракции 0,01-5 мм, обрабатывают 10% раствором фосфорной кислоты до достижения рН 5,5, выдерживают в течение 30 минут и обрабатывают препаратом гриба р. Trichoderma viride с КОЕ 2,5*10/л в количестве 2 литра на 1 тонну смеси и выдерживают в открытой емкости в течение 48 часов. Далее 17 кг смеси с влажностью 80% загружают в смесительную емкость ультразвукового реактора, добавляют 50 л биполярного органического растворителя диметилсульфоксида, подогретого до 20°С, гомогенизируют (перемешивают) суспензию мешалкой в течение 5 мин, затем выдерживают суспензию в течение 30 минут. Полученную суспензию прокачивают насосом через ультразвуковой реактор в замкнутом цикле в течение 30 минут. При этом под действием ультразвуковых волн происходит разогрев суспензии до температуры 40-45°С и активная экстракция ценных компонентов. Полученная масса на выходе из реактора разделяется на шнековом сепараторе с получением экстракта комплекса биологически активных веществ в диметилсульфоксиде в количестве около 40 литров и осушенного кека. Осушенный кек отправляют на утилизацию, а полученный экстракт направляют либо на склад готовой продукции, либо на дальнейшую переработку и разделение.
Пример 5.
3
В качестве сырья используют зоогумус, образованный в результате переработки органических субстратов личинками насекомых подотряда Brachycera Orthorrhapha. Смесь измельчают до размера фракции 0,05-1 мм, обрабатывают 7% раствором фосфорной кислоты до достижения рН 5,5 и выдерживают в течение 30 минут. Далее 1500 кг смеси с влажностью 75% загружают в смесительную емкость, добавляют в качестве растворителя раствор 15 кг гидроксида калия в 5м водопроводной воды. подогретый до 30-35°С. Смесь гомогенизируют (перемешивают) с помощью насоса в течение 10 мин, затем выдерживают суспензию в течение 15 минут при температуре 20-25°С. Суспензию разделяют на горизонтальной шнековой центрифуге, полученный осадок отделяют.
Выделение и разделение комплекса биологически активных веществ из полученного фугата проводят с использованием глубоких эвтектических растворителей.Их использование для экстракции и получения биологически ценных компонентов и биологически активных веществ связано с их способностью к эффективной и селективной экстракции целевых компонентов из многокомпонентных матриц. [Chemical Society Reviews 41 (2012) 7108-7146]. Глубокий эвтектический растворитель приготовляют из ментола (тимола) и диметилпропановой кислоты, которые смешивают исходя из молярного соотношения 1:1 с получением 20 кг конечного продукта. Смесь перемешивают мешалкой (320 об/мин) при нагревании ~48°C в течение 20 мин до образования гомогенной системы. Далее к 20 кг растворителя добавляют 20 кг фугата, смесь перемешивают течение 15 мин и проводят центрифугирование для разделения эмульсии (5000 об/мин, xG=1700), на вертикальной шнековой центрифуге, после чего водную фазу отбирают и анализируют на полноту экстракции с помощью ВЭЖХ-УФ. Разделение веществ проводят в изократическом режиме используя следующие параметры: хроматографическая колонка SUPELCO C18 (250 мм × 4.6 мм, 5 мкм), подвижная фаза (фаза А (25%) - муравьиная кислота (0,1%); фаза B (75%) - метанол)), со скоростью потока 1 мл/мин., термостатирование хроматографической колонки при 45°C.
При этом степень извлечения экстрагируемых компонентов составляет 97±1%. Оставшаяся органическая фаза в количестве около 20 кг направляется на дальнейшее разделение и регенерацию растворителя, а водная фаза на утилизацию.
Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить эффективность экстрации за счёт использования предварительно подготовленного сырья, обладающего наилучшими физико-химическими параметрами (плотность, гранулометрический состав, влажность), а также за счет использования щадящих режимов экстракции и выделения экстрагированных компонентов.
Способ позволяет сократить время получения готового продукта за счет увеличения интенсивности массобмена при экстракции, использования эффективных реакторов и экстрагентов.