Технология получения биоудобрений

Биолинум – комплексное  микробное удобрение для микробиологической азотфиксации, фосфатмобилизации, повышения урожайности и качества продукции льна-долгунца. Основа препарата – живые культуры ассоциативного диазотрофа и фосфатмобилизующего гетеротрофа, а также их метаболиты, обладающие ростостимулирующим действием. Обеспечивает увеличение урожайности льносоломы на 10 %, семян – на 9,4 %. Абсолютный процент длинного волокна на фоне снижения доз минеральных удобрений составляет в среднем 48 %. Применение инкрустирования семян препаратом Биолинум способствует снижению использования азотных удобрений на 10кг\га и фосфорных – на 20 кг\га [15, 16].

Вогал предназначен для предпосевной инокуляции семян галеги восточной  и припосевного внесения в почву. Основа биопрепарата – местный штамм  клубеньковых бактерий Rhizobium galegae 8, обладающего способностью фиксировать атмосферный азот, стимулировать рост и развитие галеги восточной. Увеличивает урожайность зелёной массы галеги на 40 %, выход кондиционных семян – на 25 %. Обеспечивает процесс биологической фиксации азота и замену азотных минеральных удобрений [15, 16].

Гордебак – жидкий и торфяной микробный препарат для предпосевной обработки семян и вегетирующих растений пивоваренного ячменя. Основа препарата – высокоактивные штаммы азотфиксирующих и фосфатмобилизующих микроорганизмов Enterobacter sp. В-402Д (осуществляет синтез ИУК, азотфиксацию, фосфатмобилизацию и фитопатогенное действие) и Enterobacter sp. В-409Д (осуществляет синтез ИУК, фосфатмобилизацию и фитопатогенное действие). Повышает  урожайность пивоваренного ячменя на 5-10 %. Применение препарата эквивалентно дополнительному внесению 20 % минерального азота на гектар [15, 16].

СояРиз стимулирует прорастание и всхожесть семян сои, улучшает азотное питание растений, снижает дозы вносимых минеральных удобрений, повышает урожайность и технологические свойства зерна и зелёной массы сои. Обеспечивает прибавку урождая зерна на 40 %, а сбор белка с га – на 66 % [15].

Биопрепарат Сапронит предназначен для предпосевной обработки семян зернобобовых культур и бобовых трав: гороха, люпина, сои, вики, фасоли, клевера, люцерны, лядвенца, сераделлы, козлятника и др. Для каждого вида бобовых растений Сапронит готовится отдельно. Биопрепарат состоит из активных и специфических для каждого вида бобовых растений штаммов клубеньковых бактерий, выращенных на жидкой сапропелевой среде. Осуществляет биологическую фиксацию атмосферного азота. Действие Сапронита:

• способствует повышению продуктивности на 10-15 % и более. Прибавки урожая составляют в среднем свыше 10 ц/га сена многолетних бобовых трав,  
  2-3 ц/га зерна, свыше 50 ц/га зеленой массы гороха и люпина;
• повышает азотнакопительную способность и качество продукции по содержанию протеина. Дополнительный сбор протеина для гороха – 50-220 кг, люпина – 240-300 кг, клевера – 90-500 кг с каждого гектара;
• активное усвоение азота атмосферы и использование его растениями позволяет сокращать дозы азотных удобрений до 30 кг (по д/в) на 1 га [16].

Микробные препараты ГНУ  «Институт микробиологии НАН  Беларуси» экологически чисты, безвредны для человека и животных, включены в список препаратов, разрешенных к применению в Беларуси [16]. 

2 Технико-экономическое  обоснование и описание технологической  схемы, энергосбережение в производстве

Рассмотрим способ получения  гранулированного инокулята на основе бактерий Rhizobium, предназначенного для бобовых культур, описанный в [9].

Известно большое количество микроорганизмов, обладающих положительным эффектом на растения: бактерии рода Rhizobium, Pseudomonas, Serratia, Pasteuria, Azotobacter, Azospirillum, Cyanobacteria, Arthrobacter; грибы рода Gliocladium, Trichoderma, Verticillium, Peacillomyces, Metarhizium и микоризные грибы. Такие микроорганизмы вносятся в почву при посеве в составе композиций инокулянтов.

Существует огромный потенциал  увеличения усвоения растениями почвенного азота через биологическую фиксацию азота (BNF). Способность фиксировать N₂ присуща как некоторым свободноживущим микроорганизмам, так и микроорганизмам-участникам симбиотических ассоциаций. Наиболее изучены симбиотические отношения между бактериями Rhizobium и бобовыми растениями.

Чтобы максимизировать биологическую  фиксацию азота необходимо обеспечить участие ризобий с высокой  N₂-фиксирующей способностью в симбиотической ассоциации. Это реализуется инокуляцией ризобиями семян бобовых. Первоочередная цель инокуляции семян – это образование клубеньков у растения-хозяина, и достигается она внесением штамма Rhizobium в почву при посеве в такой форме, которая позволяет:

• поддерживать жизнеспособность, пока растение-хозяин не будет инфицировано;
• конкурировать с местными ризобиями и формировать достаточное число корневых клубеньков для обеспечения максимальной фиксации азота;
• достаточно быстро образовывать клубеньки;
• сохраняться в почве в количестве, достаточном для поддержания образования клубеньков у многолетних бобовых или достижения быстрого образования клубеньков у вновь растущих однолетних видов.

В настоящее время продаётся  огромное количество инокулянтов на основе торфа. Гранулированные инокулянты были разработаны как специальная форма для внесения при посеве вместе или под семена.

Естественные торфяные гранулы  могут быть получены просеиванием через  сито с размером отверстий 0,3-0,8 мм. Однако, лабораторные исследования показали, что такие гранулы составляют лишь около 5-10 % масс. сухого торфа и  являются поэтому неэкономичной  гранулированной основой.

Было обнаружено, что торф или смесь торфа и глины  после смешивания с сульфатом  кальция и увлажнения агрегирует, и после сушки образуются сыпучие  гранулы.

 

Сульфат кальция используется в виде CaSO₄·½H₂O, и отношение количества торфа или смеси торфа с глиной к количеству сульфата кальция составляет от 50:50 до 75:25 по массе.

Принципиально возможно гранулирование в смеси с CaSO4·½H₂O и при добавлении воды инокулянтов ризобий, приготовленных на основе порошка торфа. При желании, перед увлажнением может быть добавлена глина.

Такой гранулированный инокулянт  обеспечивает большое количество жизнеспособных бактерий Rhizobium в течение длительного хранения (таблица 2.1).

 

Таблица 2.1 – Выживаемость Rhizobium japonicum в гранулированном инокулянте в течение хранения при комнатной температуре

Состав гранул	Число месяцев хранения
	0	1	2	3	4	5	6	7
Торфяной инокулянт + + CaSO4·½H2O (1:1 по массе)	6,5×109	6,0×109	5,0×109	3,8×109	2,5×109	1,0×109	9,0×108	7,6×108

 

Технология получения  гранулированного инокулянта включает приготовление  инокулянта на основе торфа и его последующее гранулирование.

Приготовление инокулянта на основе торфа.

С помощью кальций-гидроксида и кальций-карбоната pH торфа доводится до 6,5. Затем он высушивается при 60ºС и измельчается в молотковой дробилке до частиц размером, не превышающим 0,4 мм. Порции по 150 г расфасовываются в полиэтиленовые пакеты и стерилизуются γ-излучением (50 кГр). Пакеты инъектируются 120 мл чистой культуры Rhizobium japonicum, инъекционное отверстие запечатывается. Содержимое перемешивается и инкубируется в течение  
7 суток при температуре 26ºС. Такой инокулянт содержит в среднем 5×10⁹ жизнеспособных клеток в 1 г.

Приготовление гранулированного инокулянта.

1,5 кг инокулянта на  основе торфа и 1,2 кг CaSO₄·½H₂O смешиваются в течение минуты. Затем добавляется 630 мл воды со скоростью 800 мл/мин с помощью перистальтического насоса. Перемешивание продолжается в течение 30 с, после чего смесь протирается через сито с размером отверстий 5 мм. Затем смесь затвердевает на воздухе в течение 12 мин при 25ºС. Полученные зёрна пропускаются через сито с размером отверстий 2 мм чтобы удалить крупный материал. Порции по 5 кг упаковываются в полиэтиленовые пакеты. Пакеты инкубируются в течение 7 дней при 26ºС. Такие гранулы содержат более 10⁹ клеток в 1 г. Размер гранул и время затвердевания может варьироваться в зависимости от количества добавленной воды (таблица 2.2) – меньшие объёмы позволяют получать более мелкие и требующие более долгого затвердевания гранулы.

 

Таблица 2.2 – Влияние количества воды на размер гранул и время затвердевания

Количество добавленной  воды, мл	Время затвердевания, мин	Количество гранул, % от общ.
		> 2 мм	2-1 мм	1-0,355 мм	< 0,355 мм
610	15	15	14	48	23
630	12	18	18	52	12
650	9	18	22	51	9
680	6	29	35	31	5

 

Более масштабное получение гранулированного инокулянта.

22 кг инокулянта на  основе торфа и 18 кг CaSO₄·½H₂O смешиваются в течение минуты. Затем добавляется 9,3 л воды. Перемешивание продолжается, пока не сформируются сферические гранулы. Полученные гранулы пропускаются через сито с размером отверстий 2 мм чтобы удалить крупный материал. Порции по 5 кг упаковываются в полиэтиленовые пакеты. Пакеты инкубируются в течение 7 дней при 26 ºС. Такие гранулы содержат более 5×10⁹ жизнеспособных клеток в 1 г.

Эффективность применения гранулированного инокулянта представлена в таблицах 2.3 и 2.4.

 

Таблица 2.3 – Инокуляция сои гранулированным препаратом в количестве 10 кг/га

Обработка	Количество клубеньков на растение	Урожай, т/га
Не инокулированный контроль	0	1,64
Гранулированный  инокулянт	121	2,95

 

Таблица 2.4 – Инокуляция зелёной фасоли гранулированным  препаратом в количестве 8 кг/га

Обработка	Количество азотных удобрений, кг/га
	0	20	40	80	100
	Урожай, т/га
Не инокулированный контроль	4,90	5,28	5,52	5,85	6,10
Гранулированный  инокулянт	5,13	5,98	6,18	6,31	6,31

 

Технологическая схема процесса производства приведена в Приложении А.

В лабораторных условиях культуру выращивают на плотной среде, состав которой, г/л: отвар гороха – 100; сахароза – 20; агар – 20. pH среды 6,8.

Состав среды для качалочных колб, г/л: глюкоза – 20; отвар гороха – 10; (NH₄)₂SO₄ – 0,5; KH₂PO₄ – 0,5; K₂HPO₄ – 0,5; MgSO₄ – 0,2; CaCO₃ – 1,0.

Производственная ферментация  осуществляется на той же среде, что  и для качалочных колб. Условия  ферментации – асептические. Температура  ферментации 28-30ºС. pH среды 6,5-6,8. Уровень аэрации 0,6-1 м³/(м³×мин).

Для осуществления культивирования Rhizobium japonicum в посевном аппарате (позиция 8) и в ферментаторе (позиция 9) необходим стерильный воздух. Для этого используется специальная система фильтров. Воздух забирается из атмосферы, очищается от грубой взвеси в фильтре предварительной очистки и поступает в турбокомпрессор, где происходит его сжатие. Температура воздуха поднимается до 150-160°С. Часть нагретого воздуха охлаждается до 30-40°С, поступает в каплеотделитель, после чего смешивается с неохлаждённым. Смесь с температурой 70-90°С подается в ресивер, обеспечивающий равномерность подачи воздуха в ферментатор. Подготовленный таким образом воздух поступает в заполненный активированным углем и стекловатой головной фильтр (позиция 7) и затем – на систему индивидуальных фильтров (позиция 26), установленных на каждом ферментаторе и посевном аппарате.

Приготовление питательной  среды для культивирования Rhizobium japonicum осуществляется в двух ёмкостях-смесителях. Сахароза растворяется в ёмкости для сахарозной части среды (позиция 1). Питательные соли, отвар гороха и вода смешиваются в ёмкости для солевой части среды (позиция 2) с таким расчетом, чтобы при последующем совмещении этих растворов получились требуемые регламентом концентрации компонентов в среде. Затем приготовленные смеси через сетчатый фильтр (позиция 25) поступают в пластинчатый теплообменник-рекуператор (позиция 5), где нагреваются до 115-125ºС в процессе прохождения через теплообменник стерильных сред при температуре 130-140ºС. Далее смеси поступают в нагревательную колонку (позиция 3), где разогреваются острым паром до температуры стерилизации. После этого стерилизуемая среда проходит через трубчатые выдерживатели  (позиция 4).  Охлаждается стерилизуемая среда сначала в рекуператоре (позиция 5), затем в пластинчатом теплообменнике (позиция 6) до температуры биосинтеза. Режимы стерилизации для первой и второй порции различны. Стерильная охлажденная питательная среда далее поступает в ферментатор (позиция 9).