Технология получения биоудобрений

Учреждение образования  «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Факультет	ТОВ
Кафедра	Биотехнологии и биоэкологии
Специальность	Биотехнология

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КУРСОВОЙ РАБОТЫ

по дисциплине Технология микробного синтеза

Тема Технология получения  биоудобрений

 

 

 

 

 

 

Исполнитель

студентка  5  курса  группы  10    _______________            М. Е. Ушкурова     

   

 

 

Руководитель

ассистент                                        _______________           И. Н. Кузнецов

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект защищен  с оценкой ___________

Руководитель _________________                                  И. Н. Кузнецов

 

 

 

 

Минск 2011

Реферат

Пояснительная записка 24 с., 1 рис., 5 табл., 18 ист., 1 прил.

 

БИОУДОБРЕНИЕ, клубеньковые БАКТЕРИИ, азотфиксирующие бактерии, симбиоз, инокуляция, экологизация, вермикомпостирование

 

Целью выполнения курсовой работы является изучение технологии получения биоудобрений.

Приведён аналитический обзор мирового состояния и тенденций развития производства биоудобрений. Выбрана, описана и обоснована технологическая схема производства.

Графическая часть включает:

– технологическую схему  – 1 лист А3.

 

 

 

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………………	5
1 Аналитический обзор мирового состояния и тенденций развития производства……………………………………………………………………….	6
2 Технико-экономическое обоснование и описание технологической схемы, энергосбережение в производстве………………………………………………..	16
Заключение…………………………………………………………………………	22
Список использованных источников информации……………………………...	23
Приложение А. Технологическая  схема…………………………………………	25

 

 

Введение

В повышении плодородия почвы  большая роль принадлежит различным  почвенным микроорганизмам, которые  в процессе своего роста и развития улучшают структуру почвы, накапливают  питательные вещества для растений, способствуют повышению коэффициента использования минеральных и  органических удобрений, и тем самым  повышению урожая. Деятельность почвенных  микроорганизмов стимулирует применение различных бактериальных удобрений, которые обогащают почву и  особенно ризосферу растений полезной микрофлорой.

Проявление интереса к  применению бактериальных удобрений  обусловлено причинами экономического, экологического и климатического характера, то есть в условиях интенсивного роста  мирового потребления сельскохозяйственной продукции и ухудшающегося экологического состояния окружающей среды уже  становится проблематичным повышение  почвенной эффективности за счет только традиционных систем питания  растений и управления почвенным  плодородием. Для стран с развитым земледелием на первый план выходит  проблема разработки и внедрения  экологически безопасных приемов растениеводства, которые опираются на биологический  механизм управления почвенным плодородием  в сочетании с использованием традиционных систем удобрений, при  этом эффективность их использования  значительно возрастает, а нормы  внесения снижаются в несколько  раз.

 

1 Аналитический обзор мирового состояния и тенденций развития производства

Сейчас повсеместно наблюдается  спрос на экологически чистые продукты. Во всем мире принят термин «экологическая продукция», т.е. продукция, произведенная  по стандартам экологического сельского  хозяйства и природопользования, соответствующим образом проинспектированная и промаркированная. В отношении к такой продукции существуют специальные стандарты – международные (IFOAM), континентальные (например, Директивы ЕС № 2092/91) и частные (например, стандарты «Деметр»). На сегодня система экологического земледелия охватывает не более 0,1 - 0,3 % посевной площади мира и составляет только 2 % мирового агропроизводства. Экологические продукты питания остаются большим дефицитом, поэтому развитие направления на производство таких продуктов является одним из факторов улучшения положения сельхозпроизводителей. На экологическую продукцию устанавливается более высокая цена (как минимум в два раза), а фермер за такую деятельность получает специальные дотации. Потребительский рынок такой продукции постоянно расширяется, поэтому у фермеров нового направления нет проблем со сбытом [1].

Получение экологических  продуктов основано на биологических  методах ведения сельского хозяйства. Это предполагает сокращение или  полный отказ от синтетических минеральных  удобрений и химических средств  защиты растений при максимальном использовании  биологических факторов повышения  плодородия почв и подавления болезней, вредителей и сорняков, а также  осуществления комплекса других мероприятий, не оказывающего негативного  воздействия на состояние природной  среды, но улучшающие условия формирования урожая.  
В связи с этим в мире необычайно высок спрос на качественные органические биоудобрения, который ежегодно продолжает расти [1].

Бактериальные удобрения  – это жидкие или сыпучие композиции, главной отличительной особенностью которых является содержание экологически полезных микроорганизмов и практически  полное отсутствие в них элементов  минерального питания (NPK) растения. Внутри класса из этих удобрений можно выделить четыре функционально различающиеся  группы:

• удобрения, стимулирующие образование и накопление определенных элементов корневого питания или их сочетания (минеральная функция);
• удобрения с выраженной фитозащитной функцией;
• удобрения, сочетающие минеральные и защитные функции;
• удобрения, стимулирующие почвенную активность [1].

Наиболее активно в  направлении экологически безопасных приемов растениеводства разработки ведутся в странах Европейского союза, США, Канады, Японии, Индии и  в странах Юго-Восточной Азии. В этих странах выпускают 

 

разнообразные почвенные  препараты, в основном с минеральной  и фитозащитной функцией, которые  получают на основе различных видовых  групп микроорганизмов. Например:

• в Японии – технология эффективных микроорганизмов (ЕМ) (в России она носит название Байкал ЭМ-1), технология древовидных микоризных грибов (AMF), компост Bokashi;
• в США производят почвенные бактериальные растворы Superbio;
• в Канаде прозводят бактериальные препараты JumpStart, TagTeam и PoulserHP;
• в Киргизии производится препарат Тушум [1].

Препарат «Байкал ЭМ-1» был создан в 1998 году и по многим направлениям оказался не менее эффективным, чем японский, а в некоторых и превзошел своего предшественника. Оба препарата состоят из одних и тех же штаммов полезных микроорганизмов. В японском препарате основную роль играют фотосинтезирующие штаммы, а значит его действие направлено в основном непосредственно на рост растений. В российском препарате основную роль играют молочнокислые бактерии, что направлено на быструю очистку почв от вредных веществ и патогенных микроорганизмов (что и было задумано автором изобретения). В состав препарата "Байкал ЭМ-1" входит около 60 штаммов микроорганизмов. Вместе они составляют устойчивый симбиоз. В концентрате микроорганизмы находятся в состоянии покоя, для их активации нужна питательная среда. Наиболее крупные группы входящих в ЭМ-препарат микроорганизмов и основные выполняемые ими функции следующие:

• фотосинтезирующие бактерии – синтезируют аминокислоты, нуклеиновые кислоты, биологически активные вещества и сахара из корневых выделений растений, органических веществ и ядовитых газов, используя солнечный свет и тепло почвы как источники энергии. Эти вещества поглощаются растениями непосредственно и являются пищей для других развивающихся бактерий;
• молочнокислые бактерии – вырабатывают молочную кислоту из сахара и других углеводов, произведенных фотосинтезирующими бактериями и дрожжами, которая подавляет развитие вредных микроорганизмы и ускоряет разложение органического вещества. Кроме того, молочнокислые бактерии ферментируют лигнины и целлюлозу. Также молочнокислые бактерии способны подавить распространение вредного микроорганизма Fusarium, вызывающего болезни растений;
• дрожжи – синтезируют антибиотики и биологически активные вещества (ферменты, гормоны, стимулирующие рост корня), выделяют полезные субстраты для молочнокислых бактерий и актиномицетов;
• актиномицеты – производят антибиотики, подавляющие рост вредных грибов и бактерий;
• ферментирующие грибы типа Aspergillus и Penicillium – быстро разлагают органические вещества, производя этиловый спирт, сложные эфиры и антибиотики, подавляют запахи и предотвращают заражение почвы вредными насекомыми и их личинками [2].

В качестве азотных удобрений  используются препараты бактерий, способных  к фиксации атмосферного азота. Уже  несколько десятилетий производят препараты на основе микроорганизмов-азотфиксаторов для инокуляции семян растений. Крупнейшие компании по производству таких препаратов находятся в США, Франции, Великобритании, существуют производства в Бразилии, Аргентине, Мексике, Китае, почти во всех европейских странах [3].

Бактерии, способные к  фиксации азота, развиваются в симбиозе с бобовыми растениями (клубеньковые бактерии рода Rhizobium) либо относятся к свободноживущим (Azotobacter, Clostridium) [3].

На основе бактерий рода Rhizobium получают следующие препараты [3]:

• ризоторфин – препарат бактерий в стерильном торфе (производство наиболее распространено);
• сухой нитрагин – бактериальный концентрат в смеси с наполнителем;
• почвенный нитрагин – препарат бактерий в стерильной почве (большого распространения не получил в связи со сложностью стерилизации почвы);
• сапронит – препарат бактерий в органическом сапропеле (технология разработана в ГНУ «Институт микробиологии» НАН Беларуси, на сапропеле иммобилизуются местные эффективные штаммы клубеньковых растений).

В производстве ризоторфина  используют быстрорастущие клубеньковые бактерии (БРКБ) – симбионты фасоли, гороха, клевера и медленнорастущие (МРКБ) – симбионты люпина и сои. В качестве источника углерода для МРКБ применяют сахарозу, для БРКБ – глюкозу. В лабораторных условиях культуру выращивают на плотной среде с отваром гороха, для выращивания в инокуляторах и производственных ферментаторах используют среду следующего состава, г/л: источник углерода – 20; кукурузный экстракт – 7-10; (NH₄)₂SO₄ – 0,5; KH₂PO₄ – 0,5; K₂HPO₄ – 0,5; MgSO₄ – 0,2; CaCO₃ – 1,0. Схема производства ризоторфина представлена на рисунке 1.1. Слабокислый торф (pH 3-6) подсушивают до влажности 30 %, измельчают в дробилках до размера частиц 0,1 мм, для стабилизации значения pH в пределах 6,8-7,0 добавляют измельчённый мел. Торф расфасовывают в полиэтиленовые пакеты по 150-160 г, запаивают. Для обеспечения газообмена толщина плёнки не должна превышать 0,01 мм. Пакеты с торфом стерилизуют на установке с радиоактивным кобальтом, затем в каждый пакет стерильной иглой вводят по 50-60 мл охлаждённой до 10-15ºС культуральной жидкости, содержимое пакетов усредняют во вращающемся барабане. Титр клеток в полученном препарате – 1-2 млрд./г. Для поддержания их жизнеспособности в пакеты добавляют стерильный раствор глюкозы. Хранят препараты БКРБ при температуре 5-10ºС, МКРБ – 12-15ºС, срок годности – 6 месяцев. 200 г препарата (1 га-порция) достаточно для обработки семян, необходимых для засева 1 га почвы [3].

В производстве сухого нитрагина культуральную жидкость получают аналогично, затем клетки отделяют бактофугированием, смешивают с защитной средой (20 % мелассы + 1 % тиомочевины) и высушивают в сублимационной сушилке до влажности 2-3 %. Защитная среда предохраняет клетки от разрушения кристаллами льда. Высушенный материал размалывают в щаровых мельницах и смешивают с наполнителем (бентонит, каолин) до стандартного титра клеток  
9-10 млрд./г препарата [3].

Рисунок 1.1 – Схема производства ризоторфина

 

На основе свободноживущих  бактерий Azotobacter chroococcum производят препарат азотобактерин. Технология препарата аналогична производству ризоторфина. Азотобактерии нуждаются в источниках фосфора, поэтому в торф, кроме мела, добавляют суперфосфат (0,1 %). Доказано, что при использовании азотобактерина рост растений стимулируется не только фиксацией азота, но и способностью культуры продуцировать биологически активные вещества, прежде всего, витамины группы В [3].

Запатентован способ получения удобрения на основе азотфиксирующих бактерий Pseudomonas fluorescens 15 ВСХМ-478, которое используется для повышения урожайности картофеля. Выращивают культуру Pseudomonas fluorescens 15 в жидкой среде Кинга Б (состав, г/л: пептон – 20; глицерин – 10; MgSO₄·7H₂O – 0,2; KH₂PO₄ – 0,2) на качалке или в ферментере в течение  
24-26 часов при температуре 26-30ºС при непрерывном перемешивании. Коэффициент заполнения ферментатора 0,6. Воздух подаётся со скоростью  
1 об./(об.×мин). Получают культуру с титром 19-20×10⁹ клеток/мл. Жидкая культура пригодна для использования в течение 10 дней, если ее хранить при температуре 6-8ºС. В том случае, если посевной материал предназначен для длительного хранения (6 месяцев), готовят торфяной инокулянт путем смешивания ферментационной жидкости с γ-стерильным торфом, обогащенным 1 % глицерином. Титр торфяного инокулянта не ниже 15×10⁹ кл/г. Смешивание жидкой культуры штамма с торфонавозным компостом производят вручную или с помощью соответствующих механизмов таким образом, чтобы исходный титр бактерий составлял 1,5-2,0×10⁸ кл/г смеси. В случае, если для инокуляции торфонавозного компоста используют торфяную культуру, сохраняют ту же норму инокуляции по титру, как и в жидкой культуре; в торфяном инокулянте предварительно определяют титр бактерий и рассчитывают необходимое количество посевного материала так, чтобы исходный титр составлял 1,5-2,0×10⁸ кл/г в инокулированном торфонавозном компосте. Продолжительность инкубации инокулированного торфонавозного компоста при стандартной температуре 18-20ºC ограничивается 3-5 сутками [4].