способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов с помощью дрожжей saccharomyces cerevisiae

Классы МПК:C02F3/34 отличающаяся используемыми микроорганизмами
C02F103/16 от металлургических процессов, те от производства, очистки или обработки металлов, например гальванические стоки
C12Q1/02 использующие жизнеспособные микроорганизмы
C12R1/865 Saccharomyces cerevisiae
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Калужский Государственный Университет им. К.Э. Циолковского" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-02-29
публикация патента:

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при биологической очистке сточных вод гальванических цехов от солей тяжелых металлов. Способ предусматривает внесение в сточную воду биомассы дрожжей в виде отходов пивоваренных производств, содержащих ассоциацию дрожжей различных штаммов Saccharomyces cerevisiae с жизнеспособностью 90-95% в заданном количестве. Перемешивание биомассы дрожжей со сточной водой с получением суспензии. Выдерживание полученной суспензии в течение 8 часов при температуре от 10°С до 29°С и рН раствора 5,5-8,0 с дальнейшей утилизацией отработанных дрожжей, содержащих тяжелые металлы, путем обработки их известью Са(ОН)2, при соотношении биомасса дрожжей:известь, равном 1:5-8 с получением смеси. Полученную смесь подвергают влажной обработке при температуре 90°С в течение одного часа, с последующей изоляцией полученной смеси, содержащей тяжелые металлы, в бетонном тесте. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. 3 табл., 3 пр.

Формула изобретения

Способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae, предусматривающий внесение в сточную воду биомассы дрожжей в виде отходов пивоваренных производств, содержащих ассоциацию дрожжей различных штаммов Saccharomyces cerevisia с жизнеспособностью 90-95% в количестве 10 г/дм3 сточной воды, перемешивание биомассы дрожжей со сточной водой с получением суспензии, выдерживание полученной суспензии в течение 8 ч при температуре от 10°С до 29°С и рН раствора 5,5-8,0 с дальнейшей утилизацией отработанных дрожжей, содержащей тяжелые металлы, путем обработки их известью Са(ОН) 2, при соотношении биомасса дрожжей:известь, равном 1:5-8, с получением смеси, при этом утилизируемую смесь подвергают влажной обработке при температуре 90°С в течение одного часа с последующей изоляцией полученной смеси, содержащей тяжелые металлы, в бетонной смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к очистке промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов и может быть использовано при биологической очистке сточных вод гальванических цехов машиностроительных предприятий, металлургических предприятий и предприятий с термическим производством от солей тяжелых металлов.

Способ заключается в использовании биомассы живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae в концентрации 10 г/дм3 для сорбции тяжелых металлов. Удаление тяжелых металлов из сточных вод является одной из основных экологических проблем. В последние годы она была решена с использованием микроорганизмов в качестве средства для извлечения ионов тяжелых металлов. В этой связи изучали кинетику роста и сорбции Cu2+ на четырех культурах: Aspergillus niger, Phanerochaete chrysosporium, Saccharomycopsis lypolytica и Saccharomyces cerevisae. Лучше сорбционные свойства наблюдались у дрожжей S.cerevisiae и грибов Ph.chrysosporium. Было детально изучено влияние концентрации Cu2+ на сорбционные способности и рост этих штаммов. Было установлено, что прирост биомассы уменьшается с увеличением концентрации Cu2+. Ионы меди с концентрацией 50 мг/л оказывают слабое ингибирующее действие, а при концентрациях более 250 мг/л период адаптации клеток был больше, а их рост замедлялся.

Процесс сорбции Cu2+ у этих двух исследуемых штаммов оказался быстрым. До 75% Cu2+ было поглощено в течение первых 6 часов.

Были рассчитаны адсорбционные возможности двух сорбентов. Большей сорбционной емкостью обладает S.cerevisiae (3,5 мг/г), чем Ph.chrysosporium (2,5 мг/г).

Известен «Способ биологической очистки жидкостей от радионуклидов и тяжелых металлов и штамм гриба RHIZOPUS ARRHIIIRUS BKMF-592, используемый для получения биомассы, извлекающей радионуклиды и тяжелые металлы из жидкостей», включающий обработку жидкостей сорбентом в виде биомассы грибов вида Phizopus arrhirus, относящихся к штамму гриба RHIZOPUS ARRHIIIRUS BKMF-592.

Патент РФ на изобретение № 2024080, МПК: C02F 3/34, д. публ. 1994.11.30. Известен «Способ биосорбционной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов», предусматривающий подготовку питательной среды, культивирование микроорганизмов, внесение микроорганизмов в сточную воду, перемешивание, седиментацию, при этом питательная среда содержит крахмал, соевую муку, измельченное перо, сульфат цинка, сульфат железа, карбонат кальция, гидроортофосфат калия и воду при следующем соотношении компонентов, масс.%:

крахмал5,0 соевую муку0,5
измельченное перо1,0 сульфат цинка0,02
сульфат железа0,01 карбонат кальция0,4
гидроортофосфат калия0,08 водаостальное

Патент РФ на изобретение № 2312073, МПК: C02F 3/34, д. публ. 2007.12.10.

Недостатком этих способов является использование мутантных штаммов, которые требуют сложной технологии выращивания на дорогих питательных средах, сложной предварительной подготовки самой биомассы, корректировки сточных вод в процессе сорбции. Необходимая эффективность очистки воды достигалась лишь при низких концентрациях тяжелых металлов, не характерных для сточных вод гальванических цехов. Кроме того, перечисленные способы основаны не на сорбции тяжелых металлов, а на флокуляции.

Наиболее близким аналогом к способу в предложенном в качестве изобретения техническом решении является «Способ биосорбции тяжелых металлов из водных растворов», включающий подготовку питательной среды, культивирование микроорганизмов, внесение в питательную среду микроорганизмов воды с образованием водного раствора. При этом в качестве сорбента используют штаммы Aspergillus niger, Phanerochaete chrysosporium, Saccharomycopsis lypolytica и Saccharomyces cerevisae. Существенным недостатком этого способа является то, что сорбция тяжелых металлов осуществлялась не из сточной воды, а из питательной среды, содержащей большое количество углеводов (от 20 г/л) и других питательных веществ. В такой среде микробные клетки находятся в стадии экспоненциального (ускоренного) роста, что снижает их сорбционную способность и определяет невысокую эффективность извлечения ионов тяжелых металлов. [Mihova St., Godjevargova T. Biosorption of heavy metals from aqueous solutions, 2000, 4]

Техническим результатом способа является повышение эффективности очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов путем использования биомассы живых остаточных дрожжей отходов пивоваренных производств, содержащих ассоциацию микроорганизмов в виде различных штаммов Saccharomyces cerevisiae, с жизнеспособностью 90-95. Кроме того способ позволяет добиться интенсификации процесса очистки и повысить его рентабельность.

Технический результат достигается тем, что «СПОСОБ БИОСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ПОМОЩЬЮ ДРОЖЖЕЙ «Saccharomyces cerevisiae» предусматривает внесение в сточную воду биомассы дрожжей в виде отходов пивоваренных производств. Отходы пивоваренных производств содержат ассоциацию дрожжей различных штаммов Saccharomyces cerevisiae с жизнеспособностью 90-95%, в количестве 10 г/дм3 сточной воды. Затем осуществляют перемешивание биомассы дрожжей со сточной водой с получением суспензии. Выдерживают полученную суспензию в течение 8 часов при температуре от 10°С до 29°С и pH раствора 5,5-8,0. Последовательно осуществляют дальнейшую утилизацию отработанных дрожжей, содержащих тяжелые металлы, путем обработки их известью Са(ОН)2, при соотношении биомасса дрожжей: известь, равном 1:5-8. с получением смеси. При этом утилизируемую смесь подвергают влажной обработке при температуре 90°С в течение одного часа, с последующим изоляцией полученной смеси, содержащей тяжелые металлы, в бетонной смеси.

Данный продукт после обработки известью может быть использован как белковый пластификатор для бетонных смесей, применяемых в строительстве.

Примеры конкретного выполнения способа.

В качестве биосорбента использовали три штамма пивоваренной дрожжевой культуры (Saccharomyces cerevisiae).

Дрожжи пивоваренные Saccharomyces cerevisiae штамм SC1;

Дрожжи пивоваренные Saccharomyces cerevisiae штамм SC2;

Дрожжи пивоваренные Saccharomyces cerevisiae штамм SC3;

Сухие дрожжи (продукт сушки SC1, SC2, SC3 штаммов).

Хитин-глюкановый комплекс, полученный из дрожжей (продукт переработки SC1, SC2, SC3).

Выбор этих культур дрожжей в качестве биосорбентов обоснован их физическими и биохимическими особенностями, влияющих на биосорбционнные возможности (Каравайко Г.И. 1989, 1996; Кульский Л.А. 1986). Основным достоинством выбранных культур дрожжей является то, что они используют широкий спектр механизмов детоксикации тяжелых металлов: образование специализированных белков (металлотионеин-подобные белки), низкомолекулярных пептидов (глутатион), фитохелатинов, образование внутриклеточных соединений, клеточная оболочка (имеющая в своем составе пептидогликан и хитин-глюкановый комплекс) (Han RP., 2000; Omar N.B., 1996; Simmons P., 1995; Karamushka I., 1996; Coblenz A., 1994; Ferreira A.M., 1993). В процессе детоксикации происходит связывание тяжелых металлов посредством биосорбции и биоаккумуляции с последующим образованием малотоксичных соединений.

Данный процесс сорбции тяжелых металлов обладает динамичностью за счет образования различных веществ, участвующих в метаболизме детоксикации. К числу таких веществ относятся глутатион, металлотионеины, фитохелатины и ряд промежуточных соединений. Эти вещества выступают как звенья одной цепи, приводящей к связыванию тяжелых металлов внутри клеток. Кроме того, ассоциативные отношения внутри биомассы дрожжей позволяют им выживать (выживаемость не менее 70%) при высоких концентрациях тяжелых металлов: цинка до 1600 мг/дм3, меди - до 300 мг/дм3, никеля - до 3600 мг/дм3. При этом дрожжи можно использовать без дополнительного выращивания на питательных средах для очистки сточных вод от тяжелых металлов. Выбранные культуры дрожжей легко культивируются.

Выбранные для исследований тяжелые металлы (цинк, никель и медь) являются основными загрязнителями в сточных водах гальванических цехов. Для оценки выживаемости дрожжевой культуры использовали количественный микроскопический метод дифференцированного окрашивания водным раствором метиленового синего в камере Горяева.

Значение эффективности сорбции биосорбентов на основе дрожжей рассчитывали по формуле: способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов   с помощью дрожжей saccharomyces cerevisiae, патент № 2509734

где Е - значение эффективности;

Ck (мг/дм3) - конечная концентрация металла в среде по окончании эксперимента;

Cn (мг/дм3) - начальная концентрация металла в растворе до эксперимента.

Для оценки содержания тяжелых металлов в модельных растворах и сточных водах использовали метод атомно-абсорбционной спектроскопии.

Математико-статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом малых выборок по Стьюденту. Вычисление значений среднего арифметического (x), среднего квадратичного отклонения (способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов   с помощью дрожжей saccharomyces cerevisiae, патент № 2509734 ), коэффициента корреляции (r) рассчитывали по формуле:

способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов   с помощью дрожжей saccharomyces cerevisiae, патент № 2509734

где r - коэффициент корреляции;

x и y - средние выборочные значения сравниваемых величин;

xi и yi - частные выборочные значения сравниваемых величин;

n - общее число величин в сравниваемых рядах показателей;

способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов   с помощью дрожжей saccharomyces cerevisiae, патент № 2509734 и способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов   с помощью дрожжей saccharomyces cerevisiae, патент № 2509734 - дисперсии, отклонения сравниваемых величин от средних величин.

Каждый эксперимент проводился в 10-15-ти кратной повторности.

Математические расчеты и построение графиков осуществляли на персональном компьютере с помощью лицензионных программных пакетов MS Excel 2003 и Minitab 14.0.

Эффективность очистки воды от тяжелых металлов заявленным способом поясняется примерами, сведенными в таблицы.

Пример 1.

Наименование металлов Количество, мг/дм3Содержание биомассы дрожжей, г/дм3Эффективность очистки сорбции, %
Цинк 20,010,098,1
Никель100,0 10,075,5
Медь40,0 10,075,0

Пример 2.

Наименование металлов Количество, мг/дм3 Содержание биомассы дрожжей, г/дм 3Эффективность сорбции, %
pH 5,5 pH 8,0
Цинк 20,010,098,3 86,8
Никель 100,010,0 84,975,5
Медь40,010,0 78,380,0

Пример 3.

Наименование металлов Количество, мг/дм3 Содержание биомассы дрожжей, г/дм 3Эффективность сорбции, %
10°С 20°С29°С
Цинк20,010,0 97,796,1 96,2
Никель 100,010,071,7 75,577,4
Медь40,0 10,070,073,3 76,7

Наибольшие значения эффективности сорбции (от 88,7% до 99,6%) тяжелых металлов из сточных вод наблюдаются в течение 24 часов при pH от 5 до 8 и содержании биомассы ассоциации дрожжевых культур Saccharomyces cerevisiae 10 г/дм3.

Применение данного изобретения позволит повысить эффективность очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, кроме того, добиться интенсификации процесса очистки и повысить его рентабельность.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2509734

patent-2509734.pdf

Класс C02F3/34 отличающаяся используемыми микроорганизмами

биосорбент для ликвидации нефти с поверхности водоемов -  патент 2529771 (27.09.2014)
штамм rhodotorula sp. для очистки почв, вод, сточных вод, шламов от нефти и нефтепродуктов -  патент 2526496 (20.08.2014)
способ очистки воды и мерзлотных почв от нефти и нефтепродуктов штаммом бактерий pseudomonas panipatensis вкпм в-10593 -  патент 2525932 (20.08.2014)
способ очистки мерзлотных почв и водной среды от нефти и нефтепродуктов спорообразующими бактериями bacillus vallismortis -  патент 2525930 (20.08.2014)
штамм бактерий exiguobacterium mexicanum - деструктор нефти и нефтепродуктов -  патент 2523584 (20.07.2014)
способ очистки мерзлотной почвы и водной среды от нефти и нефтепродуктов штаммом бактерий exguobacterium mexicanum -  патент 2521654 (10.07.2014)
способ очистки водного раствора, содержащего соль никеля, от ионов никеля. -  патент 2521653 (10.07.2014)
способ биологической очистки -  патент 2520561 (27.06.2014)
способ учета нефтеокисляющих бактерий в морской воде -  патент 2520084 (20.06.2014)
штамм rhodococcus sp.-деструктор нефтяных углеводородов -  патент 2518349 (10.06.2014)

Класс C02F103/16 от металлургических процессов, те от производства, очистки или обработки металлов, например гальванические стоки

способ обезвреживания цианистых растворов -  патент 2526069 (20.08.2014)
реагент для очистки солянокислых растворов от ионов меди -  патент 2507160 (20.02.2014)
способ разрушения аниона 1-гидроксиэтан-1,1-дифосфоновой кислоты в отходах производства -  патент 2500629 (10.12.2013)
способ очистки промышленных сточных вод от тяжелых металлов -  патент 2497759 (10.11.2013)
способ очистки промывной воды при электроосаждении покрытий свинцом и его сплавами -  патент 2481426 (10.05.2013)
способ регенерации раствора черного хроматирования цинковых покрытий -  патент 2481424 (10.05.2013)
состав для очистки отработанных вод -  патент 2469958 (20.12.2012)
способ каталитического окисления аниона 1-гидроксиэтан-1,1-дифосфоновой кислоты в водном растворе -  патент 2460693 (10.09.2012)
способ очистки цианидсодержащих вод -  патент 2450979 (20.05.2012)
способ очистки сточных вод от ионов цветных металлов -  патент 2445273 (20.03.2012)

Класс C12Q1/02 использующие жизнеспособные микроорганизмы

способ повышения чувствительности микроорганизмов к антимикробным препаратам -  патент 2529367 (27.09.2014)
способ видовой дифференциации жизнеспособных родококков, иммобилизованных в гелевом носителе -  патент 2525934 (20.08.2014)
способ оценки детоксикационной активности черноземов в агроценозах -  патент 2525677 (20.08.2014)
способ выращивания колоний микробных клеток и устройство для его реализации -  патент 2522005 (10.07.2014)
способ учета нефтеокисляющих бактерий в морской воде -  патент 2520084 (20.06.2014)
способ оценки токсичности продукции из полимерных и текстильных материалов -  патент 2518306 (10.06.2014)
способ определения неспецифической устойчивости патогенных микроогранизмов к антибиотикам на основании измерения каталитической активности фосфодиэстераз, расщепляющих циклический дигуанозинмонофосфат -  патент 2518249 (10.06.2014)
способ определения активации плазминогена бактериями в условиях in vitro -  патент 2514662 (27.04.2014)
контейнер для изоляции и идентификации микроорганизма -  патент 2510844 (10.04.2014)
способ количественной оценки бактерицидной активности дезинфицирующих средств -  патент 2510610 (10.04.2014)

Класс C12R1/865 Saccharomyces cerevisiae

штамм дрожжей saccharomyces cerevisiae для производства шампанского -  патент 2526493 (20.08.2014)
гибридный белок, обладающий пролонгированным действием, на основе рекомбинантного интерферона альфа-2 человека (варианты), способ его получения и штамм saccharomyces cerevisiae для осуществления этого способа (варианты) -  патент 2515913 (20.05.2014)
способ получения комплексного кормового препарата с продуцентом лизина на основе corynebacterium glutamicum -  патент 2499829 (27.11.2013)
штамм дрожжей saccharomyces cerevisiae, используемый для получения спирта -  патент 2492229 (10.09.2013)
способ выделения и очистки рекомбинантного гормона роста человека, секретируемого дрожжами saccharomyces cerevisiae -  патент 2492177 (10.09.2013)
дрожжи saccharomyces cerevisiae, используемые в качестве пробиотика, и композиция на их основе -  патент 2490324 (20.08.2013)
способ микробиологического синтеза секретируемого соматотропина человека и штамм дрожжей saccharomyces cerevisiae - продуцент секретируемого соматотропина человека -  патент 2460795 (10.09.2012)
дрожжевой экстракт -  патент 2449010 (27.04.2012)
штамм дрожжей saccharomyces cerevisiae вкпм y-3414, адаптированный к культивированию на молочной подсырной сыворотке -  патент 2445359 (20.03.2012)
штамм дрожжей saccharomyces cerevisiae вкпм y-3415 - продуцент этилового спирта -  патент 2445356 (20.03.2012)
Наверх