Биотехнологический способ очистки сточных вод от пищевых масел и жиров

 

Изобретение относится к биотехнологическим способам очистки сточных вод. Очистку загрязненных стоков от пищевых масел и жиров осуществляют при рН 7,0 и температуре 15, 30, 45, 50°С. В стоки добавляют минеральные компоненты. Осуществляют засев бактериальной биомассой штаммов Acinetobacter species М-2, Acinetobacter species М-3, Arthrobacter species M-4, Rhodococcus species M-5. Процесс ферментации ведут до полной деструкции масел и жиров в стоке. Способ обеспечивает высокую эффективность очистки стоков от масел и жиров и является экологически чистым. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области биотехнологии и экологии.

Актуальность поставленной задачи заключается в том, что пищевые предприятия загрязняют окружающую среду стоками, содержащими высокие концентрации как нативных, так и отработанных растительных и животных жиров.

Наиболее близким из известных аналогов изобретения является патент DE 4009806 C1, 14.11.91, заключающийся в использовании культур следующих бактерий: Bacillus, Pseudomonas, Vibrio, Sarсina.

В указанном патенте констатируется факт спонтанного роста бактерий на остатках пищевых масел и жиров; при этом естественно отмечается разрушение данными бактериями пищевых масел и жиров.

Недостатком аналога является также и то, что среди описанных микроорганизмов имеются как аэробы, так и анаэробы и факультативные анаэробы; к тому же некоторые из них являются патогенными и условно патогенными. Так, представители рода Sarcina являются анаэробами, осуществляя метаболизм бродильного типа; некоторые виды Bacillus также анаэробы, к тому же проявляющие патогенные свойства в отношении позвоночных и беспозвоночных организмов; некоторые виды Pseudomonas патогенны для человека, животных и растений; многие виды Vibrio ассоциированы с раневыми инфекциями, желудочно-кишечными заболеваниями и разнообразными внекишечными инфекциями. Естественно, что об использовании данных микроорганизмов в практических целях не может быть и речи.

Техническая цель изобретения достигается направленным скриннингом бактерий в условиях ферментации на сточной воде в присутствии пищевых масел и жиров и источников азота, фосфора и микроэлементов; штаммы биодеструкторов получали методом накопительных культур с последующей селекцией по следующим признакам: - скорость биодеструкции масел и жиров; - непатогенность, нетоксичность и неинвазивность выделенных штаммов; - конкурентоспособность в реальных природных условиях; - возможность промышленного производства порошкообразных препаратов.

В результате проведенной работы селекционировано 4 штамма бактерий: Acinetobacter species M-2, Acinetobacter species M-3, Arthrobacter species M-4, Rhodococcus species M-5.

Характеристика штаммов.

Acinetobacter species M-2.

Бактериальный штамм - грамотрицательный. Клетки на мясо-пептонном агаре (МПА) одно-двухсуточной культуры представляют собой короткие палочки размером 1,2-1,6х1,5-3,0 мкм, неподвижные, спор не образуют. Колонии на МПА округлые, с ровным краем, беловатые, блестящие, равномерно выпуклые. Облигатный аэроб. Хемоорганотроф. Оксидазоотрицательный, каталазоположительный. Ассимилирует: глюкозу, рамнозу, маннозу, сахарозу, лактозу, мальтозу, маннит, арабинозу, адонит, триглицериды, мочевину, сульфат аммония, азотнокислый калий, аммофос. Индол и сероводород не образует. Потребность в витаминах и дополнительных факторах роста отсутствует. Непатогенен и нетоксичен. Температура роста 10-45^oC.

Acinetobactter species M-3.

Бактериальный штамм - грамотрицательный. Клетки на МПА одно-двухсуточной культуры представляют собой короткие палочки, одиночные и сдвоенные, размером 0,7-0,8х0,9-2,0 мкм, спор не образует, неподвижные. Колонии на МПА округлые, гладкие, кремоватые, блестящие, с ровным краем. Облигатный аэроб. Хемоорганотроф. Оксидазоотрицательный, каталазоположительный. Ассимилирует: глюкозу, маннозу, арабинозу, адонит, лактозу, мальтозу, маннит, триглицериды, мочевину, сульфат аммония, азотнокислый калий, аммофос. Потребность в дополнительных факторах роста отсутствует. Температура роста 30-50^oC. Непатогенен и нетоксичен.

Arthrobacter species M-4.

Бактериальный штамм - грамвариабельный. Клетки на МПА одно-двухсуточной культуры представляют собой укороченные палочки размером 1,0-1,5х1,6-1,8 мкм, спор не образуют, неподвижные. Колонии на МПА округлые, с ровным краем, гладкие, беловатые, блестящие, равномерно выпуклые. Облигатный аэроб. Хемоорганотроф. Оксидазоотрицательный, каталозоположительный. Ассимилирует: глюкозу, сахарозу, мальтозу, D-ксилозу, мелецитозу, D-глюкоронат, N-ацетилглюкозамин, мезоинозит, 2-кетоглюторат, глицин, тирамин, мочевину, мочевую кислоту, сульфат аммония, калий азотнокислый, аммофос. Потребность в витаминах и дополнительных факторах роста отсутствует. Температура роста 10-35^oC. Фиксирует атмосферный азот. Утилизирует триглицериды. Непатогенен и нетоксичен.

Rhodococcus species M-5.

Бактериальный штамм - грамположительный. Клетки на МПА одно-двухсуточной культуры представляют собой короткоовальные палочки размером 1,0-1,3х1,5-1,7 мкм, спор не образуют, неподвижные. Колонии на МПА округлые, гладкие, с ровным краем, кремоватые, блестящие. Облигатный аэроб. Хемоорганотроф. Оксидазоотрицательный, каталазоположительный. Ассимилирует: глюкозу, сахарозу, мальтозу (слабо), лактозу (слабо), D-ксилозу, D-глюкоронат, аспарагин, малат, мочевину, сульфат аммония, калий азотнокислый, аммофос, триглицериды. Потребность в витаминах и дополнительных факторах роста отсутствует. Температура роста 15-35^oC.

Активность селекционированных штаммов.

Селекционированные штаммы бактерий исследуют на способность утилизировать различные пищевые масла и жиры. Модельные опыты проводят в колбах на качалке (180 об/мин), объем среды 100 мл. Состав минеральной среды: (NH₄H₂PO₄ - 10 г/л, K₂HPO₄ - 10 г/л, MgSO₄·7H₂O - 0,7 г/л, ZnSO₄·7H₂O, FeSO₄·7H₂O, MnSO₄·7H₂O - по 12,5 мг/л. pH среды 7,0, температура выращивания 30^oC. Время выращивания 24 часа. Содержание масла и жира (нативных и термообработанных) составляет 1 вес.%. Оценку роста бактерий проводят визуально по пятибалльной системе и микроскопированием. Степень деструкции масел и жиров проводят аналитическим методом экстракции.

Результаты исследований представлены в таблице 1, из которой видно, что все селекционированные штаммы бактерий способны утилизировать различные масла и жиры. При этом потребление растительных масел (подсолнечного, оливкового), сливочного масла, маргарина "Рама", куриного жира достигает 100%, в то время как свиного и говяжьего жира - 65-90%.

Менее эффективное потребление животных жиров (свиного и говяжьего) обусловлено их плохим эмульгированием в воде.

Однако при добавлении в среду эмульгатора - "жидкого мыла" или после обработки жиров ультразвуком степень деструкции жиров достигает 100%.

Получение биопрепаратов.

На основе селекционированных культур бактерий наработаны в камеральных условиях опытные партии биопрепаратов.

Выращивание штаммов бактерий проводят в аппарате интенсивного массообмена в периодическом (время выращивания 6-8 часов) и в непрерывном режиме (D = 0,2 час^-1) при температуре 34^oC на минеральной среде, указанной выше, источником углерода служит подсолнечное масло в количестве 2% весовых. После процесса выращивания полученную бактериальную суспензию сепарируют, а затем сгущенную биомассу высушивают на распылительной сушильной установке типа СРЦ-12/1500 НК мощностью 300 кг/мин по испаренной влаге. Сушильным агентом является воздух, нагреваемый паром до температуры 110-115^oC и подаваемый в сушильную камеру нагнетательным вентилятором, входящим в комплект сушильной установки СУ-1. Сгущенная суспензия после сепарации насосом-дозатором подается на центробежный распылительный механизм, расположенный в сушильной камере. При контакте распыленной до тонкодисперсного состояния суспензии с теплоносителем продукт высушивают до порошкообразного состояния с влажностью 10-12%. Отработанный теплоноситель с выходящей температурой 50-55^oC подвергается очистке в системе циклонов и в скруббере мокрой очистки.

Основные характеристики полученных биопрепаратов представлены в таблице 2, согласно которым количество живых клеток бактерий-декструкторов масел и жиров в биопрепаратах составляет 10⁸ - 10¹¹ кл/г препарата.

Биотехнический способ очистки сточных вод, загрязненных маслами и жирами.

Очистку загрязненных стоков (смесью масел и жиров в количестве 2%) осуществляют в аппарате с перемешиванием и аэрацией при pH 7,0 и температуре 15^oC, 30^oC, 45^oC, 50^oC, В стоки добавляют следующие минеральные компоненты, H₃PO₄ (70%) - 2 мл, KCl - 2 г, MgSO₄·7H₂O - 1,4 г, FeSO₄·7H₂O - 0,27 г, ZnSO₄·7H₂O - 0,06 г, MnSO₄·5H₂O - 0,034 г на 1 л стока, а также 20% раствор сульфата аммония в количестве 4 мл на 1 л стока. Засев аппарата осуществляют нативной бактериальной биомассой каждого из штаммов отдельно или их биопрепаратами в количестве 0,01-0,02 г абсолютно сухой биомассы (то есть соотношение субстрата и биомассы составляет 100-200:1). Ферментацию осуществляют при остаточной концентрации азота 200-400 мг/л, фосфора 100-200 мг/л. Процесс ферментации ведут до полной (100%) деструкции масел и жиров в стоке, при этом время выращивания составляет 6-8 часов при периодическом режиме, при непрерывном режиме скорость разбавления среды составляет 0,12-0,16 час^-1.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Утилизацию свиного жира проводят путем периодического выращивания штамма Arthorobacter species M-4 либо биопрепарата на его основе в колбах объемом 800 мл на качалке (180 об/мин) в 100 мл минеральной среды следующего состава (г/л): NH₄H₂PO₄ - 10, K₂HPO₄ - 10, MgSO₄·7H₂O - 0,7, ZnSO₄·7H₂O, FeSO₄·7H₂O, MnSO₄·7H₂O - по 0,0125. Топленый свиной жир предварительно подвергают эмульгированию ультразвуком и вносят в среду в количестве 1 вес.%. Количество внесенной биомассы (по абсолютно сухому весу) составляет 0,01 г на 100 мл среды. Культивирование осуществляют при 15^oC. Через 48 часов деструкция свиного жира составляет 100%.

Пример 2.

Утилизацию куриного жира, собранного после жарки, проводят по примеру 1, за исключением ультразвуковой обработки субстрата. В качестве засевной культуры используют суспензию нативной биомассы штамма бактерий Acinetobacter species M-2 или биопрепарат на его основе. Через 24 часа культивирования при температуре 45^oC деструкция жира составляет 100%.

Пример 3.

Утилизацию подсолнечного масла (нативного и термообработанного) проводят по примеру 1, но без эмульгирования. Для деструкции применяют суспензию нативной биомассы штамма бактерий Rhodococcus species M-5 либо биопрепарат на его основе. Культивирование проводят при 30^oC. Степень деструкции масла через 24 часа составляет 100%.

Пример 4.

Утилизацию нативного оливкового масла проводят по примеру 1. Для деструкции применяют суспензию нативной биомассы штамма бактерий Acinetobacter species M-3 или биопрепарат на его основе. Степень деструкции масла при температуре культивирования 50^oC через 24 часа составляет 100%.

Пример 5.

Утилизацию маргарина "Рама" проводят по примеру 1, но в качестве эмульгатора используют поверхностно-активное вещество в количестве 0,1%. Через 24 часа культивирования при температуре 20^oC деструкция маргарина составляет 100%.

Пример 6.

Очистку растворенного стока, загрязненного смесью пищевых масел и жиров в количестве 3%, осуществляют в аппарате с перемешиванием и аэрацией. Состав минеральной среды по примеру 1. В качестве засевной биомассы используют биопрепарат, полученный на основе штамма бактерий Acinetobacter species M-2, который вносят в количестве 0,03 г на 100 мл стока. Температура культивирования 30^oC, pH среды 7,0. Подтитровку среды осуществляют 6% раствором аммиака. После стадии накопления в периодическом режиме (8 часов), переходят на непрерывный режим при D = 0,12 час^-1. Остаточное содержание азота в среде в процессе непрерывного культивирования составляет 250 мг/л, фосфора 100 мг/л. В выходящем жидкостном очищенном стоке после процесса ферментации масла и жиры отсутствуют. Степень деструкции субстрата составляет 100%.

Таким образом, на основании проведенных исследований предлагается биотехнолотический способ очистки стоков, загрязненных пищевыми маслами и жирами, характеризующийся следующими особенностями: - применением биопрепаратов в виде сухих порошков, характеризующихся хорошей сохранностью активности бактериальных клеток-деструкторов масел и жиров и легко транспортирующихся в разные регионы; - высокой эффективностью очистки стоков от масел и жиров (степень деструкции 100%); - экологической чистотой: во-первых, за счет использования для очистки стоков непатогенных штаммов бактерий, что обеспечивает безопасность обслуживающего персонала и окружающей среды; во-вторых, за счет того, что очищенный сток вместе с бактериальной биомассой может сбрасываться в канализацию, при этом может происходить частичная очистка от жиров и масел канализационной системы.

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных вод, содержащих остатки пищевых масел и жиров, отличающийся тем, что осуществляют процесс ферментации на сточной воде с использованием порошкообразного биопрепарата, созданного на основе культур бактерий Acinetobacter species M-2, Acinetobacter species M-3, Arthrobacter species M-4, Rhodococcus species M-5, в присутствии источников азота, фосфора, калия и микроэлементов при температуре 10 - 50^oC.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку стоков от пищевых масел и жиров осуществляют как в периодическом, так и в непрерывном режимах процесса ферментации.

РИСУНКИ

Рисунок 1