ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Новая технология производства органо-минерального удобрения на основе гидролизного лигнина»

Рекомендуемая область пременения

Сельское хозяйство:
- сельскохозяйственные пред¬приятия,
- тепличные хозяйства,
- фермы,
- садоводства

Назначение, цели и задачи проекта

Проект относится к сельскому хозяйству, и именно к производству органо-минеральных удобрений из промышленных отходов, в частности из гидролизного лигнина.

Аналоги получения и применения удобрений на основе лигнина разрабатываются в Красноярском крае и Кемеровской области, но производства таких удобрений пока не существует.

В связи с этим цель данного проекта заключается в разработке экологически безопасной промышленной технологии ускоренной переработки лигноцеллюлозных отходов в полноценное органо-минеральное удобрение (компост) с использованием микроорганизмов.

Поставленная цель предполагает реализацию следующих задач:

- превра­щение гидролизного лигнина в удобрение за счет активного действия выделенных из отвалов грибов, актиномицетов и дрожжеподобных грибов;

- получение микробной закваски в качестве основного ис­точника окислительных и гидролитических ферментов, интенсифи­цирующих процесс компостирования.

- получение минеральных компонентов для питания микроорганизмов и для повышения удоб­ряющего действия компоста.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Одним из наиболее важных факторов, ограничивающих урожай сельскохозяйственных культур в ми­ре, является плодородие почв, обуславливаемое, в первую очередь, содержанием в ней гумуса и минераль­ных элементов. Наблюдаемая в последнее время деградация почв, ставшая уже глобальной экологической проблемой, неизбежно приводит к снижению их плодородия.

Кроме того, в ряде стран мира и в России, на­чиная с 1990 года, в 9-10 раз сократилось применение удобрений. В хозяйствах Иркутской области, напри­мер, зачастую вносят удобрения в дозе 10-12, иногда 7-8 кг/га действующего вещества, хотя это количество не компенсирует потерь питательных элементов, связанных с выносом урожаем. Одной из причин этого яв­ляется отсутствие эффективных и дешевых органических удобрений, соответствующих по объему потребно­стям сельского хозяйства. В качестве основы для получения органических и органоминеральных удобрений, мелиорантов почв давно рассматривается гидролизный лигнин, т.к. составные его компоненты (лигнин, уг­леводы) являются исходными веществами для образования гумуса. Для получения полноценного удобрения из лигнина необходимо предварительное его компостирование для удаления фитотоксичных соединений. В большинстве случаев гидролизный лигнин закладывают на компостирование совместно с птичьим пометом и навозом в соотношении 1:1. Однако объемы образования этих отходов не всегда сопоставимы, особенно, если учесть, что за долгие годы существования гидролизных предприятий на полигонах накопились миллио­ны тонн технического лигнина.

Альтернативой может послужить компостирование лигнина с минеральны­ми добавками при активном участии специально составленной микробной ассоциации, участвующей в био­трансформации и гумификации исходного субстрата. К тому же считается, что органоминеральная удобри­тельная система - самая оптимальная, и она наиболее эффективна в сочетании с минимальной обработкой почвы. Разработанный нами способ переработки древесных отходов в органоминеральное удобрение пред­полагает внесение в компостируемую массу микробной закваски, состоящей из шести культур, три из кото­рых - грибы, две - дрожжеподобные грибы, одна - актиномицет. Готовый к использованию продукт образу­ется через три месяца. Целью данного исследования было исследование эффективности такого удобрения и изучение состава микрофлоры. Компост, полученный по нашей методике в лабораторных условиях в тече­ние 2.5 месяцев, сравнивали с контролем и гидролизным лигнином, обработанным ЭМ-закваской в тех же условиях. Полевые испытания проводили на светло-серых лесных почвах опытной деляны учебно-производ­ственного участка Иркутской государственной сельскохозяйственной академии. В работе использовали се­мена ячменя сорта Неван, пшеницы сорта Ангара-86. Удобрения вносили в почву в дозе 10 т/га при посеве.

Внесение компостов сказалось, в первую очередь, на сроках созревания исследованных культур. На момент уборки урожая в варианте с ЭМ-компостом процент зеленых колосьев пшеницы составил 29 %, в то время как в контроле их было 9 %, а в нашем опыте - 6 %. Срок созревания ячменя при внесении обоих образцов компостов уменьшился. Как у ячменя, так и у пшеницы масса 1000 зерен увеличилась по сравнению с контролем в обоих случаях, однако была большей при использовании нашего компоста. Бла­гоприятное действие удобрений выразилось и в увеличении урожайности сельскохозяйственных культур. Прибавка урожая пшеницы составила 44.8 и 16.4%, ячменя - 6.8 и 7.8% для опытного образца и образца с ЭМ-закваской, соответственно. Математическая обработка результатов показала, что разница между пос­ледними цифрами не является существенной. Численность микроорганизмов определяли в компосте, полученном по нашей технологии в полупроизводственном эксперименте. По качественному составу и количеству микроорганизмов компост, полученный с нашей закваской, является достаточно активным. В нем в большом количестве присутствуют основные экологические группы микроорганизмов (бактерии, мицеллиальные грибы, актиномицеты), в том числе те, которые не были внесены искусственно. Это свидетельствует о сформировавшейся на ранних этапах компостирования экологической системе, способной к дальнейшей сукцессии и самостоятельному развитию. Общее число микроорганизмов соответствует богатым почвам. По групповому составу компост не отличается от почв, не затронутых антропогенным воздействиям. По родовому составу преобладающих бактерий он соответствует южным почвам (целинному серозему), что, по литературным данным, характерно для зрелых компостов.

Таким образом, внесение органоминерального удобрения на основе ГЛ уменьшает сроки созревания и дает прибавку урожая зерновых культур до 45%. Полученный нами компост является потенциальным ак­тиватором биохимических процессов в почве. Используя такое органоминеральное удобрение, мы вносим в почву не только С, N, К, Р, но и сформированное микробное сообщество, высокоактивный пул ферментов, что благоприятно для растений и восстановления плодородия долго культивируемых земель.

Проект относится к сельскому хозяйству, а именно к производству органо-минеральных удобрений (компостов) из промышленных отходов, в частности гидролизного лигнина, и предназначено для повышения плодородия почв.

Известен способ получения органо-минерального удобрения [Авт. св. 1165674, Б. И. 25, 1985], включающий обработку гидролизного лигнина суспензией микроорганизмов в виде активного ила - отхода биологической очистки сточных вод сульфатно-целлюлозного производства при соотношении гидролизный лигнин : активный ил (1-2,5):1 (по сухому веществу).

Недостатком способа является компостирование в ямах, объем которых не позволяет производить одновременно большие партии компоста. Кроме того, исходное сырье для производства удобрения по данному способу представляет собой отходы различных производств - гидролизно-спиртового (гидролизный лигнин) и сульфатно-целлюлозного (активный ил), так что на каждые 100 кг гидролизного лигнина необходимо 670-1600 л активного ила. Однако в территориальном отношении такие предприятия обычно сильно удалены друг от друга, что делает проблематичной доставку компонентов друг к другу, снижая экономическую эффективность его применения.

Наиболее близким к предлагаемой технологии является способ получения удобрения на основе гидролизного лигнина [Патент РФ 2094414, Б.И. 30, 1997), в котором используют опилки и птичий помет, а для ускорения процесса трансформации лигнина в компостную смесь вносят инокулят культуры микромицета Paecilomyces variotii.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Одним из наиболее распространенных промышленных древес­ных отходов является гидролизный лигнин -отход гидролизно-спиртового производства, получившего широкое развитие на террито­рии бывшего СССР Несмотря на пригодность гидролизного лигни­на для получения полезных продуктов, он по-прежнему вывозится в отвалы и занимает значительные земельные участки.

Целью настоящего проекта является получение полноценного органо-минерального удобрения на основе лигноцеллюлозных отходов лесохимической промышленности, в частности гидролизного лигнина. Способ основан на активном действии составленной ассоциации непатогенных микроорганизмов, выделенных из отвалов гидролизного лигнина и участвующих в биотрансформации и гумификации лигнина и углеводов в присутствии минеральных добавок (компостировании). В качестве минеральных компонентов для питания микроорганизмов и повышения эффективности удобряющего действия компоста берут ингредиенты, используемые в технологии гидролизно-спиртового производства (известь, сульфат аммония, аммофос, хлорид калия). Микроорганизмы (Daedaleopsis confragosa, Phanerochaete chrysosporium, Penicillium citreo-viride, Trichosporon cutaneum D-46, Trichosporon cutaneum 5, Streptomyces asterosporus) вносят в гидролизный лигнин в виде закваски, полученной путем выращивания названных культур на отрубях. Такая закваска выступает в качестве основного источника продуцентов окислительных и гидролитических ферментов. Соотношение закладываемых на компостирование компонентов - гидролизный лигнин : минеральные добавки : закваска - 19:0,8-1,2:0,1. Для дополнительного питания микроорганизмов, а также с целью утилизации жидких отходов гидролизных и молочных предприятий в смесь перед компостированием может быть добавлена последрожжевая бражка и молочная сыворотка, которые богаты азотом, фосфором, магнием, сахарами, аминокислотами и витаминами. Отходы в компостируемую смесь вносят без предварительного обезвоживания. Влажность компостируемой смеси должна находиться в интервале 55-70%.

Технология может быть осуществлена на территориях, прилегающих к гидролизным заводам - либо в полевых условиях в буртах (с навесами или под открытым небом), либо в установках по получению компостов.

Компост, приготовленный по данному способу, кроме высокой удобрительной способности, обладает комплексом благоприятных для растений физико-химических свойств (влагоемкость, порозность, оптимум рН, отсутствие токсичных химических агентов и т.д.), в результате чего улучшает структуру почв, увеличивает их поглотительную способность, возвращает выпаханным землям первоначальное плодородное состояние. По своим агрохимическим показателям такое органо-минеральное удобрение приближается к верховому торфу, при этом содержит дополнительно остаточные сахара и ростовые вещества, которые обеспечивают повышение урожайности сельскохозяйственных культур, улучшают вкусовые качества продукции. Компост в сочетании с опилками в соотношении 2:1 может являться также основой тепличных грунтов и наполнителя горшочков для рассады. По физико-химическим и санитарным параметрам удобрение соответствует нормам, предъявляемым к компостам на основе лигнина; кроме того, не содержит семян сорняковых растений и фитопатогенных микроорганизмов.

Технология позволяет решить проблему экологически рационального крупномасштабного использования лигноцеллюлозных отходов, расширить номенклатуру выпускаемой продукции и тем самым повысить рентабельность гидролизного производства.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Готовят маточную культуру. В колбу или банку объемом 2 л помещают

питательную среду следующего состава:
Мука (пшеничная, соевая, кукурузная или ячменная) - 100 г
Отруби - 100 г
Сахар - 5 - 10 г
Пептон - 1 - 5 г
К₂НРО₄ - 1,5 - 1 г
MgSО₄ - 0,5 - 1 г
MnSО₄ - 0,1 г
Вода - 1 л

После стерилизации в питательную среду вносят суспензию культур микроорганизмов (Daedaleopsis confragosa, Phanerochaete chrysosporium, Penicillium citreo-viride, Trichosporon cutaneum D-46, Trichosporon cutaneum 5, Streptomyces asterosporus) или смесь 5-10 г старого компоста и 100 мл стерильной воды. После тщательного перемешивания колбу оставляют на 4-6 суток при температуре 25-30oС.

Готовят компостную закваску. Смешивают 15 кг отрубей, 25 л воды и маточную культуру. После тщательного перемешивания массу укладывают в виде бурта и покрывают теплоизоляционным материалом. Через 2-3 суток, когда температура повысится до 45oС, проводят перемешивание, которое повторяют 3-4 раза в течение 7-9 дней. Изготовленную закваску быстро высушивают на воздухе.

Закладка компоста осуществляется в теплое время года (конец апреля - май). На бетонированной или уплотненной земляной площадке гидролизный лигнин разравнивают слоем около 0,5 м, разбрасывают минеральные компоненты и перемешивают. Таким же образом формируют следующие слои смеси. На 3 т гидролизного лигнина добавляют, кг:

Известь - 36
Сульфат аммония - 75
Аммофос - 27
Хлорид калия – 21

В полученной смеси отношение массы гидролизного лигнина к массе минеральных компонентов равно 19:1. В качестве фосфор- и азотсодержащей добавки можно использовать другие фосфорные и азотные удобрения, а вместо извести - углекислый кальций. Количество этих добавок в таком случае предварительно пересчитывают в зависимости от содержания в них действующего вещества, а соотношение гидролизный лигнин: минеральные компоненты может составлять 19: 0,8-1,2.

Через 3-6 дней (после нейтрализации гидролизного лигнина до рН 6,5-7,0) смесь перемешивают, одновременно внося закваску, и укладывают в бурт дугообразной или конусообразной формы. Наиболее целесообразными являются следующие параметры бурта: ширина у основания 3-6 м, ширина вверху 0,8 м, высота 2-3 м. Длина бурта может быть произвольной. Компостируемую смесь складируют в течение 3-4 месяцев под открытым небом или под навесом. Первое перемешивание проводят через 2-3 недели после закладки, когда температура в центральной части бурта (на глубине 60-70 см) начинает понижаться, а затем еще 2 раза в процессе компостирования (через 7 и 10 недель). Отсутствие подъема температуры после перемешивания служит показателем окончания процесса компостирования.

В течение компостирования отбирали пробы компоста для проведения агротехнических испытаний. Готовый компост (через 3 месяца компостирования) имеет следующие химические показатели:

Влажность - 65-67%
рНводн - 6,4-6,6
Зола - 18-21%
валовое содержание, %:
Азот - 3,0 - 4,6
Фосфор (P₂О₅) - 4,2 - 4,5
Калий (К₂О) - 2,3 - 2,5
Кальций (СаО) - 0,14 - 0,17
Магний (MgO) - 0,10 - 0,12
Сера - 2,93
содержание подвижных форм, %:
Nаммиачный - 1,2 - 2,0
Р₂О₅ - 2,5 - 3,8
К₂O - 1,1 - 1,3

содержание тяжелых металлов (ПДК для почв), мг/кг:
Ртуть - 0,1 (2,1)
Цинк - 30 (100)
Медь - 23 (55)
Свинец - 0,3 (30)

Пример 2. В лабораторных условиях к 2,5 кг гидролизного лигнина добавляют:
Известь - 30 г
Сульфат аммония - 62,5 г
Аммофос - 22,5 г
Хлорид калия - 17,5 г
Последрожжевая бражка (ПДБ) - 250 мл

В полученной смеси содержание ПДБ составляет 0,01%. Концентрация ПДБ может быть увеличена втрое (до 0,03%), если влажность закладываемой на компостирование смеси при этом не превышает 70%. После стерилизации массу инокулируют равным количеством 5-6-суточных культур Daedaleopsis confragosa, Phanerochaete chrysosporium, Penicillium citreo-viride, Trichosporon cutaneum D-46, Trichosporon cutaneum 5, Streptomyces asterosporus общим объемом 120 мл. Компостируемую смесь выдерживают в течение 2 месяцев при 30oС, перемешивая дважды.

Пример 3. Отличается от примера 2 тем, что вместо 250 мл последрожжевой бражки вносят 140 мл ПДБ и 140 мл молочной сыворотки (МС). При этом в компостируемой смеси ПДБ и МС содержатся в концентрации по 0,005%. В случае, если влажность смеси не превышает 70%, можно внести ПДБ и МС по 0,015%.

Пример 4. Агротехнические испытания проводили на светло-серых лесных почвах опытной деляны учебно-производственного участка Иркутской государственной сельскохозяйственной академии (п. Молодежный) в 1997-1999 гг. Удобрение вносили в почву в сухом виде (2,5 т/га) при посеве.

В работе использовали семена ячменя сорта Неван, пшеницы сорта Ангара-86, овса сорта Крупнозерный, кукурузы сорта Коллективный 100 СВ и гороха в виде смеси сортов (Тася, Марат, Тулунский зеленый). Схема опыта представляла собой однотипное повторение вариантов на используемых культурах при их систематическом расположении на хорошо выравненном земельном участке методом неорганизованных повторений рядов. Оценку эффективности удобрений осуществляли по урожайности (увеличение веса зерна, у кукурузы - веса зелени на силос) относительно контроля.

Данные по урожайности испытанных культур при внесении исходного гидролизного лигнина и образцов компоста разного возраста приведены в табл. 1.

Отмечена значительная прибавка урожая всех исследованных культур на компостах 3-месячного возраста. Такой компост повышает урожайность ячменя, овса, гороха в среднем на 45% и кукурузы на силос на 31% относительно контроля, что составляет соответственно 14,7 ц/га и 26,0 т/га. Компост, полученный с использованием микрофлоры в течение 15 месяцев, способствует повышению урожая пшеницы и ячменя в среднем на 13 ц/га по сравнению с контролем.

В табл. 2 приведены данные по урожайности пшеницы и ячменя при внесении компостов, полученных в лабораторных условиях с использованием в качестве дополнительных компонентов последрожжевой бражки и молочной сыворотки. Компосты с этими органическими отходами повышают урожайность пшеницы и ячменя в среднем на 32%, или 9,6 ц/га. При этом повышение урожайности достигалось за счет увеличения массы зерен на 7,7-8,0%.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Себестоимость органо-минерального удобрения, получаемого по предлагаемой технологии ниже, чем при получении без использования гидролизного лигнина по традиционным технологиям на 25-60%.

Применение технологии обеспечивает повышение урожайности сельскохозяйственных культур на 30-60% и улучшение вкусовых качеств продукции. 

Применение новой технологии позволяет снизить эксплуатационные расходы.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Предлагаемая технология обладает следующими преимуществами:

•    Разрабатываемая технология не требует создания нового технологического оборудования. Она может быть реализована на любом гидролизном предприятии.

•    В качестве питательной среды для роста микроорганизмов можно вносить минеральные соли, используемые в гидролизном производстве, а также отходы этого производства (последрожжевая бражка) и молочных предприятий (молочная сыворотка).

•    Процесс реализуется в течение одного летнего сезона. Ком­постированию можно подвергать все лигноцеллюлозные субстра­ты, например, опилки, древесную щепу.

•    Удобрение, по своим свойствам близкое к верховому торфу, содержит дополнительно остаточные сахара и ростовые вещества, обеспечивающие повышение урожайности сельскохозяйственных культур на 30-60 % и улучшение вкусовых качеств продукции.

Новые потребительские свойства продукции

Продукция относится к товарам с высокой степенью необходи¬мости.
Она нужна практически для любой отрасли растениевод¬ства.
Потенциальными потребителями являются все производите¬ли сельскохозяйственных культур - сельскохозяйственные пред¬приятия, тепличные хозяйства, фермеры, садоводы. Удобрение может использоваться также в качестве плодородного слоя для биологической стадии рекультивации земель угольных разрезов и других нарушенных площадей.
Высокая эффективность технологического процесса обеспечивается за счет снижения эксплуатационных расходов, расходов на ремонт, исключения применения дорогостоящих реагентов.
Экологическая безопасность. Технология проста в техническом исполнении и не требует большого набора химических реагентов.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Предлагаемые инвестиции

0,5 млн. руб.

Рынки сбыта

Российская федерация: все регионы

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

20.04.2007