СПОСОБ БИОКОНВЕРСИИ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА САПОНИНОВ ИЗ КОРНЯ Saponaria Officinalis
METHOD OF BIOCONVERSION OF WASTES OF INDUSTRIAL PRODUCTION OF SAPONINS FROM Saponaria Officinalis ROOT

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, см<sup>3 </sup>O<sub>2</sub>/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, см<sup>3 </sup>O<sub>2</sub>/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, см<sup>3 </sup>O<sub>2</sub>/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 О<sub>2</sub>/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
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
K<sub>2</sub>O
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