Спосіб концентрування суспензії мікроводоростей

Реферат: Спосіб концентрування суспензії мікроводоростей включає реагентну обробку та відділення осаду. Реагентну обробку здійснюють у дві стадії. На першій стадії обробляють суспензію мікроводоростей розчином солі магнію при рН 10,5-12,0, перемішують і відділяють одержаний осад мікроводоростей. На другій стадії відділений осад мікроводоростей обробляють сірчаною кислотою до рН 6,0-7,0, одержану суміш направляють на ультрафільтрацію під тиском 0,2-0,3 МПа, з отриманням концентрату мікроводоростей і пермеату, останній подають на першу стадію. UA 93455 U (54) СПОСІБ КОНЦЕНТРУВАННЯ СУСПЕНЗІЇ МІКРОВОДОРОСТЕЙ UA 93455 U UA 93455 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель до області обробки води, зокрема концентрування водних суспензій мікроводоростей і може бути використаний в різних галузях народного господарства. 5 Відомий спосіб концентрування мікроводоростей А. с. 540619 МПК А23К 1/00 Опуб. 30.12.1976 [1]. Спосіб полягає в наступному. Суспензію синє-зелених водоростей згущають за допомогою сепаратора, відділену біомасу обробляють концентрованою соляною кислотою (100:1), оброблену біомасу завантажують у реактор-гідролізер і нагрівають, упарюючи під вакуумом до 25 % вмісту сухих речовин. Гідроліз біомаси здійснюють в 6 % розчині соляної кислоти при 110-115 °C під тиском 0,15-0,20 МПа протягом 10 год. Гідролізат освітлюють активованим вугіллям, фільтрують за допомогою прес-фільтрів, дехлорують, використовуючи аніонітові фільтри. З фільтрату витісняють аміак гідроксидом натрію. Розчин упарюють під вакуумом до 30 % концентрації по сухій речовині і концентрат висушують за допомогою сушки з розпилюючим пристроєм, одночасно опромінюючи лампою з синім, зеленим, червоним світлом її підсушують теплим повітрям, без доступу прямих сонячних променів. Зазначено, що можна використовувати як кормову добавку вологий концентрат, отриманий перед стадією сушки та висушений. Недоліками способу [1] є тривалість процесу більш 10 год., багато стадійність, енергозатратність, спосіб складний та трудомісткий в експлуатації. Відомий спосіб концентрування суспензії синьо-зелених водоростей із водойм (РФ патент № 2454504, МПК Е02В 15/04 (2006.01) Е02В 15/10 (2006.01) А01D 44/00 (2006.01) В04В 5/00 (2006.01) В04В 15/00 (2006. 01) C12N 1/12 опуб. 12. 06. 2012 [2]. За способом [2] воду з мікроводоростями, забирають з річки водозабірним пристроєм, подають у центрифугу і процес згущення здійснюють при обертах, що не перевищують 1000 об./хв., з наступним опроміненням біолампою концентрату водоростей, одержаного після центрифуг. Одночасно з опроміненням біомасу просушують теплим повітрям, без доступу прямих сонячних променів. Одержану суху біомасу синє-зелених водоростей використовують як кормову добавку тваринам. Як випливає з технічної суті способу [2], недоліком способу є не технологічність, що пов'язано з обмеженим об'ємом оброблюваної суспензії, особливо це проявляється при малому вмісті водоростей. Найближчим аналогом до корисної моделі за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб концентрування мікроводоростей, описаний в (Взаимодействие синезеленых водорослей с многозарядными неорганическими катионами. Журавлева В.И., Кульский Л.А., Мацкевич Е.С. // Гидробиологичнеский журнал, Том X, вып. 6, 1974. С. 82-84) [3]. Спосіб реалізується наступним чином. Суспензію синє-зелених мікроводоростей обробляють одним із розчинів солі: алюмінію, заліза, титану, лантану, при перемішуванні. Оброблену суспензію подають у флотатор з електродами з графіту і останню піддають дії постійного електричного струму, концентруючи біомасу флотацією. Одержаний концентрат 3+ 3+ 2+ забруднений гідроксидами з токсичними іонами металів (Al , La , Ti ). Як випливає із технічної суті способу [3], спосіб вирішує тільки задачу концентрування суспензії мікроводоростей з одноразовим використанням реагентів. Слід відмітити, що в способі [3] не передбачається утилізація концентрованого продукту. Це, як ми вважаємо, пов'язано з використанням переважно реагентів, які є токсичними для вищих організмів. Таким чином, недоліками відомого способу [3] є одержання концентрованого продукту, забрудненого токсичними речовинами, що унеможливлює його утилізацію, та достатньо високі витрати на реагенти, в зв'язку з їх одноразовим використанням. В основу корисної моделі поставлена задача розробити спосіб концентрування суспензії мікроводоростей, в якому використання реагентів іншої хімічної природи забезпечило б одержання концентрованого продукту, ступінь чистоти якого дозволив би утилізувати його в різних галузях народного господарства, та суттєве зменшення витрат на реагенти за рахунок їх повторного використання після регенерації. Для вирішення поставленої задачі запропонований спосіб концентрування суспензії мікроводоростей, що включає реагентну обробку і відділення осаду, в якому, згідно з корисною моделлю, реагентну обробку здійснюють у 2 стадії, на першій стадії обробляють суспензію мікроводоростей розчином солі магнію при рН 10,5-12,0, перемішують і відділяють одержаний осад від розчину, а на другій стадії обробляють відділений осад сірчаною кислотою до рН 6,07,0, одержану суміш направляють на ультрафільтрацію під тиском 0,2-0,3 МПа, з отриманням концентрату мікроводоростей і пермеату, останній подають на першу стадію. Відмінною особливістю запропонованого способу є використання солей магнію, які є нетоксичними для вищих організмів, оскільки іон магнію входить до складу ряду медичних препаратів. Наприклад, таких, що застосовують в профілактиці захворювання серцево-судинної 1 UA 93455 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 системи, зокрема, інфаркту та гіпертонії. Магнезію (MgSO4) застосовують для поліпшення загального стану вагітних жінок, та попередження викиднів. [3, 4 відповідно]. (Профилактика заболевания сердечно-сосудистой системы // http:magnesia-russia.ru/about/specific/) [3]. (Енциклопедия для мам. // http://mamapedia.com.ua/beremenriost/vse-o-beremennosti/magneziapriberemennosti. html) [4]. Крім того солі магнію входять до складу субстратів, на яких розвиваються водорості (Среда для пресноводных водоростей http://www.internevod.com/rus/show/aq/info/04/chast 2.shtml) [5]. Сама клітина водорості також включає іон магнію оскільки він є структурною складовою хлорофілу. Одержаний концентрат мікроводоростей чистий від сторонніх домішок, оскільки у внесених реагентах немає іонів які не 2+ 2містились би у самій суспензії, так катіони Mg і аніони SO4 містяться у поживних субстратах + водоростей, сірчана кислота, теж включає вказаний аніон, та катіон Н , який обов'язково + присутній у воді, оскільки вода завжди містить долю дисоційованих іонів Н та ОН . Обробка таким лугом як КОН, при утилізації концентрату як добрив, додатково збагачує його іонами калію. При утилізації концентрату як сировини для фармацевтичних препаратів не будуть + зайвими іони Са , тоді корегувати рН доцільніше гідроксидом кальцію. Таким чином, використання солей магнію і інших реагентів, забезпечує чистоту концентрату, що дозволяє без перешкод утилізувати його в різних галузях народного господарства, залежно від якості самих мікроводоростей. Слід відмітити таку суттєву для реалізації заявлюваного способу властивість гідроксидів магнію, які утворюються на першій стадії обробки, як легка їх розчинність в умовах обробки кислотою на другій стадії до нейтральних значень водневого показника (рН). Це дозволяє одночасно дезодорувати отриману суміш і розчинити гідроксид магнію. Наступною ультрафільтрацією суміші одержують концентрат мікроводоростей і пермеат (розчин солей магнію), який направляють на першу стадію. Необхідно підкреслити, що використання солей, зазначених у способі [3] не тільки обмежує утилізацію отриманого продукту в силу їх токсичності, але й унеможливлює регенерацію солей з утворюваних у способі гідроксидів металів, оскільки, як відомо, їх регенерація можлива лише за умов високотемпературної обробки (піроліз при 1000 °C), або сильно кислотної (при рН=2,0), що призведе до вигорання водоростей, або спричинить лізис клітин водоростей відповідно (Адсорбционные свойства шламов-коагулятов, подверженных пиролизу Медведев М.И., Максимова В.П., Панасович А.А. // Химия и технология воды, 1981, № 3. - С. 215-220.) [6], (Способ получения коагулянтов из шламов водоочистки. Кульский Л.А., Донцова М.И., Медведев М.И. // Киев, Наукова думка. 1972, - 7 с. [7]. Все це унеможливлює здійснення процесу регенерації реагентів зі збереженням цінної біомаси мікроводоростей. Таким чином сукупність суттєвих ознак способу, що заявляється концентрування суспензії мікроводоростей (реалізація заявлюваних фізико-хімічних умов, режимів і параметрів процесу концентрування) є необхідною і достатньою для досягнення забезпечуваного корисною моделлю технічного результату - одержання концентрату мікроводоростей, ступінь чистоти якого дозволяє утилізувати його у різних галузях народного господарства, та отримання регенерованого реагенту (солі магнію), у кількості, що забезпечує їх потребу на першій стадії, суттєво знижуючи витрати на реагентну обробку. Спосіб реалізується наступним чином. Беруть суспензію мікроводоростей, відібраних із р. Дніпро під час цвітіння води, або суспензії хлорели чи спіруліни, вирощених у фотореакторах для культивування водоростей в лабораторних умовах інституту гідробіології НАН України. Відібрану суспензію поміщають в ємність з мішалкою і здійснюють реагентну обробку. На 3 першій стадії вводять сіль магнію - (MgSО4 7H2O ГОСТ 4523-77) в кількості 1,5-2 мг-екв/дм і обробку здійснюють при рН середовища 10,5-12,0, коригуючи величину рН 1-2М розчином лугу (КОН-ГОСТ 2850-95; NaOH - ГОСТ 2263-79; CaO - ГОСТ 9179-77)/ Суспензію перемішують 3-5 хв. і відділяють одержаний осад від розчину, наприклад, відстоюванням. На другій стадії відділений осад з мікроводоростями і утвореним гідроксидом магнію обробляють 50 %-ним розчином сірчаної кислоти до рН 6,5-7,0. Одержана суміш являє собою дезодоровану біомасу водоростей і розчинені солі магнію. Дану суміш подають на ультрафільтрацію в баромембранний модуль, оснащений полімерною мембраною УПМ-50 (виробник ВЛАДИПОР, Росія) і фільтрують під тиском 0,2-0,3 МПА. Одержують концентрат мікровдоростей і пермеат, яким є розчин солі магнію. Останній подають на першу стадію реагентної обробки. Одержаний концентрат мікроводоростей характеризується високим ступенем чистоти, який забезпечений хімічною природою використаних реагентів, і на ступінь чистоти концентрату може впливати лише природа та склад самих мікроводоростей. Приклади виконання за корисною моделлю. 2 UA 93455 U 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Беруть суспензію хлорели об'ємом 1 дм . На першій стадії реагентної обробки додають 2 мл 3 приготованого 1N розчину солі MgSO4, що відповідає 2,0 мг-екв/дм , перемішують. Потім додають 1N розчин лугу Na(OH) до значення показника рН=12,0 перемішують 3 хв., і відділяють осад мікроводоростей з гідроксидом магнію, наприклад, відстоюванням. На другій стадії в отриманий осад додають 50 %-ний розчин H2SO4, до досягнення показника рН=7,0. Отриману суміш подають на ультрафільтрацію під тиском 0,25 МПа. За таких умов продуктивність процесу 3 2 становить 226 м м /год. і зберігається на такому рівні при ступені відбору пермеату 60 %. 2+ Одержують чистий концентрат, який містить лише сліди нетоксичних катіонів Mg . Одержаний пермеат є розчином солей магнію. Даний розчин подають на першу стадію, (таблиця приклад 3). Аналогічно прикладу виконання за корисною моделлю були здійснені досліди з концентрування суспензії мікроводоростей з різними показниками рН середовища на першій та другій стадії реагентної обробки, та при різних значеннях тиску процесу ультрафільтрації, як у заявлюваному діапазоні так і позамежних значеннях (таблиця, приклади 1-13). Проведення способу концентрування суспензії мікроводоростей при заявлюваних параметрах реагентної обробки та режиму ультрафільтрації, забезпечує одержання концентрату мікроводоростей з високим ступенем чистоти (відсутні токсичні катіони металів) та пермеату з високою концентрацією солей магнію, при стабільній продуктивності процесу. В пермеаті від реалізації процесу ультрафільтрації солі магнію містяться в достатній кількості для обробки суспензії мікроводоростей на першій стадії, тому відпадає потреба у використанні товарного продукту - солі магнію (MgSO4 7H2O), що є економічно доцільним (таблиця, приклади 1-8). При зниженні показника рН на першій стадії обробки суспензії мікроводоростей, наприклад, до рН 10,0, створюються умови неповноти гідролізу солей магнію, що не забезпечує повноту осадження осаду мікроводоростей; це призводить до виносу їх з відділеною водою і втрати їх, як цінної біомаси, а також втрати і солей магнію, як реагенту, що є економічно недоцільним (таблиця, приклад 9). Верхня межа показника рН першої стадії реагентної обробки суспензії мікроводоростей обмежена вимогами до технологічного обладнання, а саме стійкості матеріалів до високолужного середовища. При обробці суспензії мікроводоростей на другій стадії за значень показника рН нижче заявлюваного, наприклад, рН=6,0, показники процесу концентрування не поліпшуються і є недоцільні з економічної точки зору (таблиця, приклад 10). При підвищенні показника рН понад заявлюване значення на другій стадії обробки суспензії мікроводоростей, наприклад до 7,5 не забезпечується повнота переходу у розчин гідроксиду магнію, і він втрачається як реагент, залишаючись у концентраті, що зумовить потребу у використанні товарного продукту - MgSO4 7Н2О. (таблиця, приклад 11). Реалізація процесу ультрафільтрації за робочого тиску нижче заявлюваного значення, наприклад, 0,15 МПа призводить до суттєвого зменшення продуктивності процесу (151 3 2 м м /год.), і є технологічно та економічно недоцільним (таблиця, приклад 12). Проведення процесу ультрафільтрації під тиском вище заявлюваної межі, наприклад, 0,35 МПа, не призводить до підвищення ефективності процесу концентрування і тому не рентабельно здійснювати процес за вищого робочого тиску (таблиця, приклад 13). Переваги запропонованого способу концентрування суспензії мікроводоростей, в порівнянні з відомим, полягають у наступному: - підвищення ступеню чистоти концентрату мікроводоростей, шляхом використання нетоксичних для вищих організмів реагентів, що дозволяє утилізувати його у різних галузях народного господарства, наприклад, синє-зелені водорості як добрива для підживлення сільськогосподарських культур, хлорела у сільському господарстві як корм тваринам, спіруліна у фармацевтичній галузі для виготовлення медичних препаратів; - суттєве зниження витрат на реагентну обробку за рахунок використання на першій стадії реагентної обробки пермеату процесу ультрафільтрації, який є розчином солей магнію кількість яких задовольняє потребу у реагенті. 3 UA 93455 U Таблиця Реагентна обробка І стадія ІІ стадія № Концентрація, MgSO4, мг-екв/дм3 РН рН 1 2 3 4 5 6 7 8 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 1,5 1,5 2,0 10,5 11,5 12,0 11,0 12,0 11,0 12,0 [1,0 6,5 6,8 7,0 7,0 6,5 6,5 7,0 7,0 9 10 1,5 1,5 10,0 11,0 6,5 6,0 11 1,5 11,0 7,5 12 13 2,0 2,0 11,5 11,5 7,0 7,0 14 15 Al2(SO4)3 1,5 2,0 pН 7,0 6,0 Показники Ступінь чистоти, за вмістом доданих у способі Продуккатіонів тивність процесу, J, Ультрам3м2/год., фільтрація, за Р, МПа Концен3a контролем, для ступеню Пермеату трату вищих організмів відбору пермеату, 60 % 0,25 Mg2+ нетоксичні 223 0,25 сліди Mg2+ Mg2+ нетоксичні 225 0,25 сліди Mg2+ Mg2+ нетоксичні 226 0,25 Mg2+ Mg2+ нетоксичні 223 0,25 сліди Mg2+ Mg2+ нетоксичні 225 0,20 сліди Mg2+ Mg2+ нетоксичні 195 0,20 Mg2+ Mg2+ нетоксичні 195 2+ 2+ 0,30 Mg Mg нетоксичні 210 Позамежні значення 0,25 Mg2+ Mg2+ нетоксичні 222 2+ 0,25 сліди Mg Mg2+ -"226 значний, 0,25 Mg2+, -"224 2+ Mg 2+ 2+ 0,15 Mg Mg , -"152 0,35 Mg2+ Mg2+, -"225 Спосіб [3] Флотація Концентрат Освітлена вода значний АІ3+ значний Аl3+ токсичні значний Аl3+ Аl3+ токсичні ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб концентрування суспензії мікроводоростей, що включає реагентну обробку, відділення осаду, який відрізняється тим, що реагентну обробку здійснюють у дві стадії, на першій стадії обробляють суспензію мікроводоростей розчином солі магнію при рН 10,5-12,0, перемішують і відділяють одержаний осад мікроводоростей, а на другій стадії відділений осад мікроводоростей обробляють сірчаною кислотою до рН 6,0-7,0, одержану суміш направляють на ультрафільтрацію під тиском 0,2-0,3 МПа, з отриманням концентрату мікроводоростей і пермеату, останній подають на першу стадію. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4