Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов (Нефтедеструктор)

Название	Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов (Нефтедеструктор)
Разработчик (Авторы)	Саргин Борис Викторович, Остах Сергей Владимирович, Батарагин Валерий Михайлович, Шурыгина Екатерина Григорьевна, Деньгаев Алексей Викторович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2763428
Дата регистрации	29.12.2021
Правообладатель	Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственное объединение «Волга-Экология»
Область применения (класс МПК)	B09C 1/10 (2006.01) C02F 3/34 (2006.01) C12N 1/20 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к биотехнологии и экологии, а именно, к композициям для очистки грунта и водных объектов, загрязненных нефтяными и полициклическими ароматическими углеводородами с одновременным восстановлением физико-химических свойств и естественного биоценоза почв и акваторий.

Нефтедеструктор предназначается для обезвреживания нефтесодержащих отходов и изъятых нефтезагрязненных грунтов, прошедших этап очистки механическим, физическим или физико-химическим способами; локализации и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов; рекультивации нефтезагрязненных земель; очистки водных объектов от нефтяной пленки.

Применение биопрепаратов-нефтедеструкторов, включающих в свой состав штаммы углеводородокисляющих микроорганизмов, является самым экологически безопасным способом очистки и восстановления нефтезагрязненных сред ввиду образования нетоксичных продуктов в процессе биодеструкции углеводородной фазы. В настоящее время известно большое количество биопрепаратов-нефтедеструкторов.

Из документа RU 2681831 (МПК C12N 1/20, B09C 1/10, C02F 3/34, C12R 1/01, опубликован 12.03.2019 г.) известен препарат для биодеградации нефтепродуктов, включающий ассоциацию бактерий Bacillus megaterium ВКПМ В-607, Bacillus subtilis ВКПМ В-5328, Pseudomonas putida ВКПМ В-5624, Rhodococcus erythropolis ВКПМ AC-1269 иммобилизованную на глауконитсодержащем носителе в количестве 10⁷ - 10¹⁰ клеток/г.

Из документа RU 2668789 (МПК C12N 1/26, B09C 1/10, C02F 3/34, C12R 1/01, C12R 1/06, C12R 1/40, опубликован 02.10.2018) известен биопрепарат-нефтедеструктор, представляющий собой ассоциацию нефтеокисляющих почвенных микроорганизмов, содержащую в качестве нефтеокисляющих почвенных микроорганизмов бактерии рода Bacillus atrophaeus ARK-81, Pseudomonas putida ARK-1301, Rhodococcus sp. ARK-66, Artrobacter sp. ARK-950, Bacillus megaterium ARK-396, выращенные при раздельном культивировании и смешанные до общего содержания бактерий 15-20×10⁹ кл/мл.

Наиболее близким аналогом изобретения является техническое решение, описанное в патенте РФ RU2516412 (МПК B01J 20/10, B01J 20/283, C02F 3/34, C02F 1/28, B09C 1/10, C12R 1/125, C12R 1/32, C12R 1/38, C12R 1/40, опубликован 20.05.2014 г.). Из прототипа известен препарат для очистки воды и почвы от нефтяных загрязнений, содержащий микроорганизмы - деструкторы нефти, сорбент, микроудобрения, причем в качестве деструкторов нефти он содержит 75-85% от общего количества клеток ассоциацию нефтеокисляющих микроорганизмов: Bacillus subtilis ВКМ В-81, Pseudomonas spp. ВКМ В-892, Pseudomonas putida ВКМ В-1301, Rhodococcus sp. ВКМ Ac-950, Mycobacterium flavescens ВКМ Ac-1415, a также почвенные бактерии Agrobacteium radiobacter ВКМ В-1219 - 15-25% от общего числа клеток, криопротектор - глицерин, сорбент, представляющий собой мелкодисперсный дегидратированный цеолит с размером гранул 0,1-0,5 мм, опудренный наночастицами Аэросила А-300, микроудобрения - азотнокислый натрий 0,5% и фосфорнокислый калий 0,5%, при определенном соотношении компонентов.

Исходя из предшествующего уровня техники, техническая проблема состоит в создании препарата-нефтедеструктора, способного активно и эффективно работать в широком влажностно-температурном диапазоне, что позволит использовать его в разных климатических зонах.

Технический результат заключается в увеличении эффективности консорциума при использовании в более широком влажностно-температурном диапазоне от -10°C до +40°C, в том числе и со значительными суточными перепадами температур, а также в возможности утилизации углеводородной фазы при высокой концентрации солей в почве. Консорциум имеет высокую адаптивность к экстремальным условиям окружающей среды.

При проведении рекультивации нефтезагрязненных земель данный препарат можно использовать с гуматами, что позволяет улучшить качество почвы после очистки.

Для достижения указанного технического результата препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов (нефтедеструктор), включающий ассоциацию бактерий: Bacillus atrophaeus ВКМ B-81, Pseudomonas spp. ВКМ B-892, Pseudomonas putida ВКМ B-1301, Arthrobacter sp. Ac-950, Microbacterium flavescens ВКМ Ac-1415, содержит штамм бактерий Bacillus megaterium ВКМ B-112. Общее содержание клеток бактерий в суспензии не менее 1×10⁹ КОЕ/мл.

В частном случае препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов может дополнительно содержать бактерии Agrobacterium radiobacter ВКМ В-1219 и/или бактерии Pseudomonas turukhanskensis ВКМ В-2935.

Дополнительный штамм бактерий Pseudomonas turukhanskensis ВКМ В- 2935 усиливает фенолокисляющую способность, а также работает при пониженных температурах окружающей среды, что дает перспективу его использования в регионах с коротким тепловым периодом.

В частном случае препарат для биодеградации нефтепродуктов может дополнительно содержать криопротектор - глицерин, азотнокислый натрий и/или фосфорнокислый калий. Причем азотнокислый натрий содержится в количестве 0,5% масс., фосфорнокислый калий содержится 0,5% масс.

Препарат для биодеградации может быть в виде водной суспензии с титром клеток не менее 1×10⁹ КОЕ/мл, предпочтительно (1-3)×10⁹ КОЕ/мл.

Препарат для биодеградации может быть в виде лиофильно высушенной биомассы штаммов с титром клеток обезвоженного продукта не менее 1×10¹¹ КОЕ/г, предпочтительно (1-8)×10¹¹ КОЕ/г.

Препарат для биодеградации может быть в виде сухой формы, иммобилизованной на сорбенте. В качестве сорбента используют цеолиты, или глаукониты, или измельченные остатки древесины или торфа.

Препарат на сорбенте может быть получен методом контактно-сорбционного обезвоживания путем иммобилизации концентрированной суспензии препарата на сорбенте в шнековым смесителе, в соотношении 1:10.

Препарат для биодеградации нефтепродуктов может дополнительно содержать почвоструктуратор, в качестве которого могут быть использованы гуминовые вещества, состоящие из гуминовых кислот и/или их солей.

В препарате штаммы бактерий Bacillus atrophaeus ВКМ B-81, Pseudomonas spp. ВКМ B-892, Pseudomonas putida ВКМ B-1301, Arthrobacter sp. Ac-950, Microbacterium flavescens ВКМ Ac-1415, Bacillus megaterium ВКМ B-112 могут быть в следующих соотношениях 3:1:1:1:1:3; 2:1:1:1:1:2 или в равных соотношениях. При этом отклонение от указанных соотношений до 10% входит в указанные соотношения.

Доля клеток отдельных бактерий каждого штамма в ассоциации составляет 8-15%.

Как известно, фосфор и азот жизненно необходимы бактериям для роста и развития. Технический результат достигается за счет использования штамма бактерий Bacillus megaterium ВКМ B-112. Штамм бактерий Bacillus megaterium ВКМ B-112 является не только нефтеокисляющим, но и способен выщелачивать фосфор (растворять, высвобождать) из объектов литосферы, делая его доступным для растений и других бактерий. Данный штамм Bacillus megaterium ВКМ B-112 является спорообразующим и способен выживать в суровых климатических условиях, а также при больших перепадах температур. Другой почвенный штамм Agrobacterium radiobacter является азотофиксирующей бактерией. Данные штаммы в совокупности являются хорошими структураторами почвы и помогают другим бактериям лучше расти и развиваться в нефтезагрязненной почве.

Ассоциация микроорганизмов может подобрана так, что различные штаммы дополняют друг друга, что обеспечивает эффективность их использования в более широком влажностно-температурном диапазоне от -10°C до +40°C, в том числе и с значительными суточными перепадами температур.

Материалы, поясняющие сущность изобретения:

Таблица 1 - Остаточное содержание нефтепродуктов в почве после обработки препаратом.

Таблица 2 - Результаты лабораторных исследований.

Препарат получают следующим образом. Микроорганизмы биопрепарата Bacillus atrophaeus ВКМ B-81, Pseudomonas spp. ВКМ B-892, Pseudomonas putida ВКМ B-1301, Arthrobacter sp. Ac-950, Microbacterium flavescens ВКМ Ac-1415, Bacillus megaterium ВКМ B-112 выращиваются раздельно в биореакторе известными способами, затем готовят микробную ассоциацию смешиванием в одной емкости расчетных долей культуральных жидкостей.

Препарат может быть в виде однородной жидкой суспензии, сухой формы на сорбенте и сублимированного порошка.

Количество клеток микроорганизмов в зависимости от агрегатной формы препарата: однородная жидкая суспензия - (1-3)×10⁹ КОЕ/мл; сублимированная форма - (1-8)×10¹¹ КОЕ/г; сухая форма на сорбенте - (5-7)×10⁹ КОЕ/г.

Возможна адаптация консорциума под конкретный регион путем внесения аборигенных микроорганизмов, выделенных из образцов почвы нефтезагрязненного участка, на котором планируется проведение рекультивационных работ, в основной состав.

Готовый препарат в виде однородной жидкой суспензии и сублимированного порошка в активированном состоянии представляет собой жидкость от светло-коричневого и желтого до насыщенного темно-коричневого цвета со специфическим запахом, свойственным данному продукту.

Изобретение подтверждается следующими примерами:

Пример 1. Препарат получают следующим образом:

Микроорганизмы биопрепарата культивируют раздельно в промышленных ферментерах на 70-300 литров. В качестве питательной среды используется глюкозо-пептонно-дрожжевая среда. Для адаптации бактерий к деструкции углеводородов на заключительной стадии культивирования добавляется 0,5 л солярки. Ферментер и питательную среду стерилизуют при температуре 120°C в течение 30 минут. рН поддерживается на уровне 7,2 при помощи аммиачной воды.

Выращивание микробных культур в ферментере проводят при температуре 32+1°C с постоянной подачей воздуха для аэрации и вращением мешалки 250 об*мин^-1 в течение 35+2 ч. Контроль за температурой, расходом воздуха, разрежением в полости ферментера и рН осуществляют по ротаметру, мановакуумметру и уравновешенному мосту. Культивирование прекращают при достижении рН (7,5±0,5) ед. рН.

Для приготовления жидкой формы препарата все микроорганизмы смешиваются в отдельной емкости в необходимых соотношениях. Общее количество контролируется методом высева на плотной питательной среде (ГРМ-агар). Количество живых клеток составляет (1-3)×10⁹ КОЕ/мл.

В готовую смесь могут быть внесены необходимые добавки: азотнокислый натрий и фосфорнокислый калий, а также глицерин. Жидкую форму препарата расфасовывают в полиэтиленовые емкости с дыхательным клапаном объемом от 1 до 25 литров.

Сухую форму препарата получают методом контактно-сорбционного обезвоживания с иммобилизацией концентрированной суспензии на структурированных подготовленных сорбентах, имеющих пористую структуру, в шнековом смесителе. Сорбенты предварительно прокаливаются при температуре 350-400°C. Количество клеток в форме на сорбенте - (5-7)×10⁹ КОЕ/г. При указанной технологии приготовления препарата влажность продукта составляет 8-10%.

Сублимированная форма производится на промышленной сублимационной сушильной установке ТГ-50. Количество клеток в готовом продукте составляет не менее 1×10¹¹ КОЕ/г.

Форма, марка и вид применяемых препаратов варьируется в зависимости от агрегатной формы загрязненной среды, удаленности региона, вида и степени загрязнения.

Пример 2.

Апробация Нефтедеструктора осуществлялась в районе с коротким вегетационным периодом. В ходе проведения испытаний исследовалось совместное применение препарата и почвоструктуратора - гумино-минерального комплекса «Био-ГМК». Местом проведения являлась территория с антропогенным рельефом на территории одного из месторождений, находящегося на территории Ханты-Мансийского округа - Югры, на поверхности которой были отмечены нефтяные загрязнения и разливы, а также нарушенные нефтезагрязненные земли с повышенным содержанием солей. Под проведение мероприятий был выделен участок площадью 900 м².

Активация жидкой концентрированной формы Нефтедеструктора происходила в течение 48 часов в двухкубовой емкости с использованием местной болотной воды, включающей в себя аборигенные нефтеокисляющие микроорганизмы. Было осуществлено поддержание непрерывной аэрации с помощью компрессора и температуры воды на уровне 24-27°C. В качестве элементов минерального питания были использованы аммиачная селитра (3 кг), монокалийфосфат (2 кг) и «Азофоска» (3 кг). В качестве источника углерода был внесен сахар в количестве 10 кг.

Биологический этап рекультивации включал в себя внесение Нефтедеструктора и почвоструктуратора «Био-ГМК» на характерные загрязненные участки и последующий посев фитоэталонной смеси.

Результаты лабораторных исследований по остаточному нефтесодержанию представлены в таблице 1.

Помимо отслеживания динамики на двух маркированных участках, был выбран третий объект (вход на 1 участок), имеющий высокую концентрацию углеводородов, который также был обработан Нефтедеструктором.

Проведенные испытания доказали эффективность применения биопрепарата Нефтедеструктор на нефтезагрязненных и нарушенных землях, а также синергетический эффект при его совместном применении с почвоструктуратором «Био-ГМК». Было достигнуто значение показателя нефтесодержания на нефтезагрязненных и нарушенных землях на уровне ниже установленных нормативов для территорий Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, а также обеспечен устойчивый растительный покров. Было доказано, что входящий в состав консорциум способен утилизировать углеводородную фазу при высокой концентрации солей в почве, что подтверждает его адаптивность к экстремальным условиям окружающей среды.

Анализ полученных экспериментальных данных на одном из действующих месторождений Ханты-Мансийского автономного округа - Югры показал высокую нефтеокисляющую способность Нефтедеструктора (более 85% деструкции углеводородов), что дает перспективу его дальнейшего использования в условиях Западной Сибири.

Пример 3.

Местом проведения испытаний являлась территория с антропогенным рельефом на территории свалки, на поверхности которой были отмечены отвалы отходов и определено наличие нефтепродуктов в почве (земельный участок, занятый свалкой промышленных и бытовых отходов, расположенной за кладбищем «Красная Этна» на территории Шуваловской промзоны в Ленинском районе города Нижнего Новгорода).

Территория Шуваловской промзоны более чем 20 лет использовалась в качестве полигона захоронения твердых коммунальных и строительных отходов. На протяжении нескольких последних лет были отмечены случаи очагового горения на данной территории.

Было принято решение провести рекультивацию данного участка и в дальнейшем использовать его для нужд города. После удаления отходов с территории свалки было необходимо проведение комплекса рекультивационных мероприятий, позволяющих уменьшить негативное воздействие на окружающую среду, а также улучшить ландшафт территории и подготовить ее для возможного строительства.

С учетом наличия на территории нефтезагрязненных грунтов было предложено использовать биологические методы деструкции углеводородов с использованием микроорганизмов-нефтедеструкторов.

На Шуваловской промзоне была оборудована и предоставлена тестовая площадка с изоляцией для проведения опытно-промышленных испытаний.

Последовательность проведения опытно-промышленных испытаний:

1) Активация Биопрепарата в сухой форме на сорбенте в течение 3 часов (аэрирование с помощью компрессора) с добавлением удобрений;

2) Приготовление раствора гумино-минерального комплекса «Био-ГМК», 1%;

3) Внесение необходимого количества препарата на каждую площадку.

Были отобраны пробы в день постановки эксперимента с площадок без внесенных препаратов и в день окончания эксперимента (через 45 суток) со всех площадок.

В течение всего периода проведения опытно-промышленных испытаний проводились работы по рыхлению (аэрированию) и поливу (при необходимости) почвы для лучшего развития и жизнедеятельности нефтеокисляющих микроорганизмов.

В таблице 2 представлены результаты исследований, полученные с помощью аккредитованной лаборатории промышленной и экологической токсикологии отдела биологических исследований НИИ химии ННГУ им. Н.И. Лобачевского.

При обработке нефтезагрязненного грунта с различной концентрацией нефтепродуктов (от 10% до 15%) Нефтедеструктором в сочетании с гумино-минеральным комплексом отмечается снижение концентрации токсиканта в грунте на 54-76% за 45 суток, что говорит об эффективности применяемой комбинации препаратов и стимулирующем действии гуматов при разложении углеводородов.

Лабораторный анализ на содержание в грунте подвижных форм тяжелых металлов показал, что в обработанном грунте их количество значительно снизилось, что говорит способности гуминовых веществ к иммобилизации суперэкотоксикантов.

Содержание в почве бенз(а)пирена, канцерогенного вещества, значительно снизилось после обработки нефтезагрязненного грунта Биопрепаратом в сочетании с органоминеральным комплексом.

Пример 4.

В ноябре 2019 года были проведены испытания Нефтедеструктора в поселении Вороновское на территории НПО «Волга-Экология» в Троицком районе города Москвы. Планировалась закладка эксперимента на зиму и отбор проб весной 2020 года для проверки эффективности действия биопрепарата в межсезонный период, а также жизнеспособности микроорганизмов в условиях пониженных температур.

В ходе подготовки к проведению опытно-промышленных испытаний была оборудована площадка для проведения исследований.

Порядок проведения опытно-промышленных испытаний:

1) Активация сублимированной формы Нефтедеструктора в течение 1 часа (аэрирование с помощью компрессора) с добавлением удобрений;

2) Создание модельного загрязнения на площадках (дизельное топливо + мазут = 1:2 в качестве загрязнителя)

3) Разравнивание загрязненного грунта;

4) Внесение необходимого количества препарата на каждую площадку.

В лаборатории РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина были проведены исследования на остаточное содержание нефтепродуктов в почве гравиметрическим методом при помощи экстрактора.

При использовании Нефтедеструктора было отмечено снижение модельного загрязнения с 14,8 до 2,9%, что составляет более 80% эффективности.

Проведены опытно-промышленные испытания препарата для определение деградирующей способности, экономической целесообразности и надежности применения биопрепарата для снижения времени рекультивации земель и сокращения затрат на эколого-восстановительные мероприятия. Препарат был испытан на восьми площадках в разных регионах России и показал высокую эффективность. Промышленные испытания на объектах нефтедобычи продемонстрировали оперативность действия технологии - в течение 72 часов степень очистки достигла 94%.

Область применения препарата велика - от обеззараживания нефтезагрязненных природных водоемов и почв до обезвреживания отходов химической промышленности. Препарат-нефтедеструктор способен активно и эффективно работать в широком влажностно-температурном диапазоне, что позволяет его использовать в разных регионах мира.

Таблица 1 - Остаточное содержание нефтепродуктов в почве

Таблица 2 - Результаты лабораторных исследований

* Прим. 1.1, 2.1 - необработанные биопрепаратом площадки с концентрацией нефтепродуктов 10% и 15% соответственно; 1.2, 2.2 - обработанные Нефтедеструктором и «Био-ГМК» площадки с концентрацией нефтепродуктов 10% и 15% соответственно

Формула изобретения

1. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов, включающий ассоциацию бактерий: Bacillus atrophaeus ВКМ B-81, Pseudomonas spp. ВКМ B-892, Pseudomonas putida ВКМ B-1301, Arthrobacter sp. Ac-950, Microbacterium flavescens ВКМ Ac-1415, отличающийся тем, что содержит штамм бактерий Bacillus megaterium ВКМ B-112.

2. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит бактерии Agrobacterium radiobacter ВКМ В-1219.

3. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит штамм бактерий Pseudomonas turukhanskensis ВКМ В- 2935.

4. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит криопротектор – глицерин.

5. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит азотнокислый натрий и/или фосфорнокислый калий.

6. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 5, отличающийся тем, что дополнительно содержит азотнокислый натрий в количестве 0,5% масс. и/или фосфорнокислый калий 0,5% масс.

7. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что общее содержание клеток бактерий не менее 1×10⁹ КОЕ/мл.

8. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что представляет собой водную суспензию с титром клеток (1-3)×10⁹ КОЕ/мл.

9. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что выполнен иммобилизованным на сорбенте, с количеством клеток (5-7)×10⁹ КОЕ/г.

10. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 9, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют цеолиты или глаукониты или измельченные остатки древесины или торфы.

11. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 9, отличающийся тем, что препарат на сорбенте получен методом контактно-сорбционного обезвоживания путем иммобилизации концентрированной суспензии препарата на сорбенте в шнековом смесителе.

12. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что представляет собой сублимированную форму с титром клеток (1-8)×10¹¹ КОЕ/г.

13. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит почвоструктуратор.

14. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 13, отличающийся тем, что в качестве почвоструктуратора используются гуминовые вещества, состоящие из гуминовых кислот и/или их солей.

15. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что штаммы бактерий Bacillus atrophaeus ВКМ B-81, Pseudomonas spp. ВКМ B-892, Pseudomonas putida ВКМ B-1301, Arthrobacter sp. Ac-950, Microbacterium flavescens ВКМ Ac-1415, Bacillus megaterium ВКМ B-112 в следующих соотношениях 3:1:1:1:1:3 или 2:1:1:1:1:2 или в равных соотношениях.

16. Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что бактерий каждого штамма в ассоциации содержится не менее 10%.

Изобретение "Препарат для биодеградации нефти и нефтепродуктов (Нефтедеструктор)" (Саргин Борис Викторович, Остах Сергей Владимирович, Батарагин Валерий Михайлович, Шурыгина Екатерина Григорьевна, Деньгаев Алексей Викторович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога