БИОПАСТА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
BIOPASTE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к биологически активному веществу - биопасте, состоящей из измельченного биогумуса и воды, и способу его получения. Изобретение может широко использоваться в сельском хозяйстве в качестве исходного сырья для приготовления органического удобрения, а также может быть использовано для очистки сточных вод промышленных предприятий для охраны и восстановления окружающей среды от нефтяных загрязнений, в качестве вещества, способствующего обеззараживанию почвы и воды, также может найти применение в косметологии, грязелечении, медицине, ветеренарии.
В настоящее время биогумус используют в качестве уникального микробиологического удобрения и почвоулучшителя, в котором обитает полезное сообщество почвенных микроорганизмов, создающих плодородие земель. Биогумус не содержит патогенную микрофлору, яйца гельминтов, семян сорняков и тяжелые металлы. Удобрение легко и постепенно усваивается растениями в течение всего цикла своего развития. Так как биогумус содержит большое количество (до 32% на сухой вес) гуминовых веществ - гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины, - то это придает этому органическому удобрению высокие агрохимические и ростстимулирующие свойства.
На основе биогумуса известен водный экстракт, содержащий биогумус и воду, получаемый перемешиванием одного стакана (или 1 кг) биогумуса в 10 л воды и настаиванием в течение 1-х суток, содержащий фракции биогумуса [Игонин A.M. Дождевые черви: Как повысить плодородие почв в десятки раз, используя дождевого червя-старателя. -Ковров: «Машиностроение», 2002 г., с.84].
Недостатком этого способа получения раствора является то, что биогумус после настаивания выпадает в осадок и получается невысокая концентрация водорастворимых фракций биогумуса в экстракте. Такой экстракт не может долго хранится, так как аэробные микроорганизмы быстро в нем гибнут и через несколько часов после приготовления развивается анаэробный процесс и экстракт становится непригодным в качестве удобрения [www.dulvictor.narod.ru/9-3tec.htl].
Известен механо-химический способ обработки торфа сухой щелочью в виброцентробежной мельнице стальными шарами в течение 2-5 минут, причем воду к этому композиту добавляют после обработки (www.humus.msu.ru//thesis/119.htm). Однако применение сухого способа размола биогумуса не обеспечивает требуемого микроизмельчения биогумуса и, как следствие, не дает полной растворимости последнего в воде, а применение щелочи не соответствует критерию экологической чистоты продукта.
Задачей настоящего изобретения является получение высоконцентрированной, водорастворимой, экологически чистой биопасты, техническим результатом которого является повышение биологической активности органических удобрений, улучшение физико-химические свойств воды при очистке сточных вод, использование веществ только природного происхождения, и расширения областей его применения.
Поставленная задача достигается тем, что для получения биопасты берут биогумус и воду, производят измельчение в аттриторе с помощью металлических шаров в течение 30-90 минут. Биопаста состоит из измельченного биогумуса и воды, представляет собой однородную желеобразную массу с высоким содержанием активных веществ и микроорганизмов, которая при взаимодействии с водой растворяется без осадка и имеет повышенный срок хранения, причем с сохранением высокого содержания активных веществ: витаминов, фитогормонов, гуминовых веществ, ферментов, гормонов роста и развития растений, полезной микрофлоры, миллиарды почвенных микроорганизмов и спор, при этом исходные компоненты взяты в соотношении, обеспечивающем влажность пасты 70-85%.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Биогумус - продукт жизнедеятельности дождевых червей, имеющий основную ценность из-за содержания гуминовых веществ и полезной микрофлоры. Его культивируют в основном в биогрядах или в ящиках, которые заполняют питательным субстратом (компостом) и заселяют в него дождевых червей. В процессе жизнедеятельности червей при поддержании влажности субстрата 70-80% происходит наработка биогумуса, после которой производят выманку и отселение червей. Биогумус содержит в основном копролиты червей и частично непереработанные органические растительные остатки.
Для получения стандартного биогумуса с целью продажи через торговую сеть его сушат в течение 45 дней для образования сыпучей гранулированной массы с влажностью 45-50%. Исходя из вышеизложенного для приготовления биогумусной пасты - биопасты - можно использовать либо биогумус из гряд, либо стандартный биогумус.
Биогумус - сложный структурированный комплекс гуминовых веществ, содержащих соединения как растворимые, так и не растворимые в воде. Чтобы наиболее максимально использовать гуминовые вещества, их необходимо максимально перевести в растворимое состояние и повысить эффективность извлечения компонентов водой.
Поставленная задача может быть успешно решена путем механического воздействия на биогумус помольными шарами в шаровой мельнице. При помоле происходит его диспергирование (измельчение), что приводит к увеличению удельной наружной поверхности микрочастиц биогумуса, повышению их химической реакционной активности и увеличению выхода биологически активных веществ.
Одним из эффективных устройств шарового помола является аттритор, широко используемый в порошковой металлургии и совмещающий ударное воздействие и сдвиговое воздействие (истиранием) на обрабатываемое вещество. Аттритор - это устройство периодического действия, главными составляющими частями которого является цилиндрический бак, заполненный стальными шарами 6-15 мм и вращающийся внутри него вал ворошителя со стержнями. Бак имеет водяную рубашку для охлаждения. Вода и биогумус порционно подаются в бак сверху при снятой крышке, а перемолотый шликер выгружается через клапан внизу бака. Важным преимуществом аттритора является возможность визуально наблюдать процесс помола при открытой крышке.
Чтобы обеспечить эффективное измельчение биогумуса в аттриторе, его, ввиду вязкости, необходимо смешать с водой в определенной пропорции. Так как биогумус имеет различительную исходную влажность от 45 до 80%, то однозначно установить эту пропорцию не представляется возможным. Поэтому пропорцию биогумуса и воды находят экспериментальным путем. Если биогумусно-водная смесь будет вязкой, то при помоле она будет налипать на внутренние рабочие поверхности аттритора: стенки бака, ворошитель, помольные шары. Часть этой смеси будет вытесняться при этом за пределы помольного объема и не будет участвовать в помоле, а образовавшаяся масса шаров и биогумуса будет также вязкой, что приведет к ее сильному нагреву, неравномерному помолу биогумуса. После завершения помола вязкая смесь плохо удаляется из бака, застревая в нем. Поэтому пропорцию биогумуса и воды, экспериментально варьируя количеством воды устанавливают в таком соотношении, при котором биогумусноводная смесь теряет свои свойства налипать на рабочие поверхности аттритора при помоле. Она должна иметь жидкотекучее состояние, омывать стенки бака, вал ворошителя и не вытесняется за пределы помольного объема. При таких условиях, хорошо перемешиваясь между твердосплавными шарами, биогумус быстрее и равномерно измельчается в однородную массу. Найденное первоначально экспериментальным путем соотношение биогумуса и воды для конкретной промышленной партии биогумуса является неизменным для порционного помола всей этой партии. Масса этой партии может исчисляться тоннами. Если промышленная партия меняется из-за смены исходного сырья или производителя биогумуса, то соотношение биогумуса и воды снова находят экспериментальным путем.
В процессе помола в аттриторе биогумусная масса нагревается до 40-50°С и становится еще более жидкотекучей, что важно для ее хорошего слива из бака после завершения помола. Охлаждаясь, после слива в сливной таре биогумусная масса густеет в течение нескольких часов и приобретает консистенцию пасты, что и предопределило ее название как «биопаста». Выполняя вышеописанные условия помола, свежеприготовленная биопаста автоматически имеет влажность в пределах 70-85%.
При чрезмерном разбавлении биогумуса водой налипания на рабочей поверхности аттритора не будет, но образовавшийся продукт помола будет очень жидким, недостаточно концентрированным, т.е. не соответствующим поставленной задаче получения биологической активности биопасты. Экспериментальным путем было установлено, что если для измельчения брать влажный биогумус из гряд, то при соотношении массовых долей % биогумуса 55-65 и воды 35-45% получается влажность биопасты 70 - 85%. При таких соотношениях также отсутствует налипание биогумусной массы на рабочие поверхности аттритора и помольные шары.
Порцию биогумусноводной смеси, заливаемой в бак аттритора, назначают в прямой зависимости от объема свободного пространства между шарами, ворошителем и стенками бака. Этот объем определяют следующим образом. В бак при неработающем аттриторе заливают воду до уровня, покрывающего верхнюю поверхность шаров в баке, после чего воду сливают и замеряют ее объем. Это и будет свободный объем пространства между шарами, ворошителем и стенками бака. Поэтому биогумусноводную смесь заливают не меньше свободного объема, что обеспечит наиболее рациональный и эффективный помол биогумуса одновременно всеми шарами. Как правило, заливают смесь не более чем на 1 см выше поверхности шаров. При большом объеме заливаемой смеси удлиняется процесс помола и не все частицы биогумуса оказываются помолотыми, т.к. снижается вероятность их попадания в простанство между шарами из верхних слоев «бурлящий» над шарами биогумусной жидкости.
Для большей эффективности помола используют шары диаметром от 6 до 15 мм из твердого сплава, например ВК8, что обеспечивает их большую износостойкость, а также большую степень измельчения биогумуса. За счет в 1,8 раз большей их массы и большей твердости, чем у стальных шаров. Это соответствует теории шарового помола, по которой чем больше отношение веса шаров к весу измельчаемого вещества, тем эффективнее диспергирование последнего.
Длительность помола при выполнении описанных условий составляет от 30 до 90 минут. Причем, в качестве критерия завершения помола биогумуса, является степень растворимости биопасты в воде. Таким критерием служит образование раствора без осадка при взаимодействии биопасты с водой. После помола меньше 30 минут при растворении биопасты в воде размешиванием в этом растворе образуется осадок. Кроме того, в биопасте отсекается вода через сутки после ее приготовления, что свидетельствует о неоднородности ее состава и недостаточной длительности помола. При помоле свыше 30 минут растворение биопасты происходит без образования осадка, что свидетельствует о хорошем растворении биопасты и достаточной длительности помола. В этом случае вода в биопасте не отсекается и она хранится длительный срок в таком состоянии. Чем больше длительность помола, тем выше степень измельчения биогумуса. Длительность помола свыше 90 минут ограничивается тем фактором, что начинается интенсивная гибель микроорганизмов от воздействия шаров. Изучением водного раствора биопасты с помощью микроскопа с увеличением в 1500 раз установлено, что размер наблюдаемых органических частиц и микроорганизмов после помола составляет в основном менее 1-5 мкм, отдельные частицы достигают 10-15 мкм. В растворе они находятся во взвешенном состоянии.
Российскими фирмами производятся удобрения на основе жидкого биогумуса. Так, например, известная ковровская (Владимировская область) фирма ООО «Грин Пикъ» выпускает удобрение под торговой маркой «Гумистар», ООО «Агрофирма Поля Русские» (Тамбовская область) под названием «Жидкое удобрение Биогумус». Содержание основных питательных элементов (веществ) следующее:
- гуминовые вещества не менее 2-3 г/л;
- NPK (азот+фосфор+калий) не менее 2-3 г/л.
Именно гуминовые вещества являются главным стимулятором роста растений или микроудобрениями. При систематическом их использовании улучшается структура почвы, повышается способность растений противостоять болезням, засухе, переувлажнению, они повышают усваивание питательных веществ, а значит нужно меньше минеральных удобрений без ущерба для урожая.
Проведенный неоднократно агрохимический анализ биопасты показал, что содержание гуминовых веществ в ней в 60-100 раз больше, чем в выпускаемых органических удобрениях (приложения 1, 2). Гуминовые вещества составляют в приведенных образцах биопасты от 186 и 295 г/л, что зависит от степени созревания биогумуса и исходного сырья для его производства.
Биопаста хорошо растворяется в воде, поэтому из нее могут быть приготовлены растворы различной концентрации в зависимости от задач использования. Это позволяет компактно транспортировать биопасту и осуществлять розлив удобрения на месте.
Стимуляция роста и развития растений при использовании биопасты объясняется не только его химическим составом, но и содержащейся в нем живой микрофлоры, миллиардами полезных для растений почвенных микроорганизмов и спор.
Особенностью биопасты является то, что микроорганизмы находятся в ней спящем, анабиозном состоянии и могут сохранять его сколько угодно времени при условии сохранения исходной влажности биопасты. При растворении в воде они быстро оживают и приобретают высокую биологическую активность. В исследуемых образцах были обнаружены бактерии, зеленые водоросли, амебы, инфузории и другие микроорганизмы. Исследования показали, что микроорганизмы из биопасты обладают чрезвычайно высокой жизнеспособностью. Например, все они сохраняют жизнеспособность в авиационном бензине, дизельном топливе после 30-минутного кипячения раствора, при хранении на свету, поле замораживания и размораживания биопасты. Эти свойства предопределяют использование растворов из биопасты для обеззараживания почв и сточных вод от различных загрязнений и в различных климатических условиях.
Биологическая активность биопасты подтверждается следующими примерами.
Пример 1. Так на одном из предприятий города Пензы, при загрязнении стоков нефтепродуктами 20 мг/л добавление раствора из биопасты 4 мг/л привело к уменьшению загрязнения в течение 3 часов в 1,5 раза.
Пример 2. На Пензенском водоканале в лабораторных условиях на 1,5 литра сточной воды добавлялось 5 мл раствора. После обработки в анаэробных условиях в течение суток происходило снижение фенолов в 3-6 раз, нефтепродуктов в 4-5 раз, фосфаты не были обнаружены.
Пример 3. Обеззараживание почвы, загрязненной дизельным топливом после несакционированной врезки в трубопровод (поселок Лесной, Пензенской области, 29-30 марта 2009 г.) (приложения 3, 4). Вследствие чего, загрязнение дизельным топливом отдельных участков почвы превысило в 1000 раз фоновое значение, которое составляло 50 мг/л. Автору были переданы 01.04.2009 года пробы почвы с различных участков загрязнения Пензенским Управлением Росприроднадзора. Обработку почвы проводили переодически водным раствором из расчета 15 мл на 2 литра воды в течение 2-х недель, после чего пробы были отправлены на повторный анализ в Росприроднадзор. Результаты анализов свидетельствуют о существенном снижении загрязнения, даже фоновое значение уменьшилось в 5 раз. При загрязнении в 168,7 раз выше фонового значения, и составлявшем 9863,3 мг/л после обработки, оно уменьшилось до 126,8 мг/л, при 35877,1 мг/л до 6649,8 мг/л и т.д. во всех пробах.
Результаты исследований биопасты показывают, что она с успехом может быть использована в целях экобиотехнологии.
Еще древним исследователям известны уникальные возможности червей в исцелении от заболеваний, неизлечимых другими способами. Из литературы известно, что продукты червоводства используют для восстановления нарушения иммунитета, гомеостаза человека, синхронизации всех его авторегулирующих систем. Автор на себе испытал благотворное воздействие биопасты при всевозможных кожных нарушениях: ссадинах, порезах, потертостях, фурункулах. При нанесении на проблемное место в течение 10-15 минут исчезает или заметно снимается боль. Болезненные нарушения бесследно проходят без применения медикаментозных препаратов, мазей.
Широко применяется в практике грязелечение сапропелью. Однако добыча сапропели связана с нарушением экологии и затруднена из-за сложности подъема ее со дна озер. По мнению автора в биопасте содержится много макро- и микроэлементов, ферментов, витаминов, аминокислот, поэтому биопаста может открыть новую страницу в грязелечении и косметологии, что потребует дополнительных исследований в данной области.
Биопаста может быть использована в различных областях: экобиотехнологии, в сельском хозяйстве, в промышленности для очистки воды от нефтепродуктов и других органических загрязнений, медицине для грязелечения, косметологии, фармацевтике, ветеренарии.
Пример 1. Способ приготовления биопасты.
Приготовление биопасты по заявляемому способу осуществляли с помощью аттритора ТЦ 2.050.014 с рабочим объемом бака 30 л и скоростью вращения ворошителя 130 об/мин. Допускаемая загрузка шаров массой до 120 кг. Изготовитель аттритора рекомендует использовать стальные шары диаметром 8-10 мм. Однако опыт использования аттритора показывает, что стальные шары изнашиваются быстро. Поэтому использовали для помола биогумуса твердосплавные шары диаметром 9 мм из твердого сплава ВК8, износостойкость которых многократно выше. В бак аттритора засыпали 110 кг шаров. Но, так как при скорости ворошителя 130 об/мин шары частично раскалывались и происходил интенсивный нагрев измельчаемой смеси, то скорость ворошителя была снижена до 65 об/мин и дальнейший помол биогумуса вели при этой оптимальной скорости.
В бак при неработающем аттриторе залили воду до уровня, покрывающего верх шаров. Затем воду слили через нижний клапан. Объем слитой воды составил 12,5 литров, таким образом, определили объем между шарами в баке аттритора.
Влажный биогумус, взятый из гряды, поместили в бачок, залили водой, размешали и эту биогумусноводную смесь объемом 12,5 литров вылили в бак аттритора, после чего включили аттритор. Экспериментальным путем установили, что при соотношении биогумуса 7,5 кг и воды 5 литров процесс помола в течение 45 минут происходил без налипания на рабочие органы аттритора, шары и с смыванием стенок рабочего бака. Это наблюдали визуально при открытой крышке аттритора. Если воды было меньше в этом соотношении, то биогумусноводная смесь вытеснялась по стенкам бака и валу ворошителя за пределы помольного объема. Повышенная вязкость смеси приводила к ее повышенному нагреву, а после помола из бака аттритора эта смесь практически не сливалась.
Стандартный, подсушенный до влажности 45-50% биогумус использовать нерационально, т.к. увеличивается рабочее время на его дополнительное увлажнение.
Для помола использовали биогумус на основе перегноя из навоза крупного рогатого скота и на основе навоза лошадей. Результаты агрохимического анализа соответствующих биопаст приведены в приложениях 1, 2. В первом случае гуминовые вещества (в протоколе - органическое вещество) составляют 29,5%, во втором случае 18,6%. В обоих случаях влажность биопасты примерно одинаковая, соответственно 79,9% и 79,3%.