В Беларуси выявлено около 500 месторождений глин, однако половина из них не имеют промышленного значения из-за небольших запасов или сравнительно низкого качества сырья, обусловленного повышенным содержанием свободного кварца и карбонатных включений, что оказывает негативное влияние на процессы формования и спекания керамических материалов на их основе. Кроме этого, к числу причин, сдерживающих использование глинистого сырья республики и, как следствие, расширение диапазона его применения, относится недостаточность фундаментальных исследований по улучшению его качества.
Повысить характеристики глин и керамических масс позволяют как традиционные, так и новые методы воздействия, которые требуют в ряде случаев усложнения технологического процесса, дефицитных химических веществ, дополнительного оборудования и больших энергетических затрат, при этом существенного улучшения свойств сырья в большинстве случаев не происходит.
В последние десятилетия проявляется интерес к биотехнологическим методам обработки глины, которые способствуют при небольших дополнениях к технологическому процессу повышению качественных показателей глин и керамических масс. Суть этих методов состоит во введении в жидкотекучие и пластические керамические массы культуральной жидкости (КЖ) бактерий.
Научные исследования, проведенные в 80-х гг. в МХТИ им. Д.И. Менделеева (РХТУ), МолдНИИстромпроекте, НИИ¬стройкерамике, а также на некоторых крупных предприятиях, показали эффективность использования бактерий Bacillus mucilaginosus [1, 2]. К настоящему времени большинство специалистов связывают влияние Bacillus mucilaginosus на свой¬ства керамических масс с деструкцией силикатных минералов под действием продуктов жизнедеятельности бактерий — органических кислот и экзополисахаридов. При этом отмечается, что в действии микроорганизмов и экзометаболитов проявляется специфичность и селективность деструкции силикатных минералов, зависящие как от структуры последних, так и от физиологических особенностей штаммов микроорганизмов и образуемых ими экзометаболитов.
Цель настоящей работы состояла в изучении продуктов метаболизма бактерий Bacillus mucilaginosus, выращенных на среде определенного состава, и в установлении влияния биологической обработки глинистой составляющей на технологические характеристики полуфабрикатов, а также на физико-химические свойства керамических изделий декоративно-бытового назначения. Использовали глину белорусского месторождения «Гайдуковка».
Споровый материал бактерий Bacillus mucilaginosus (штамм №4 селекции Одесского сельскохозяйственного института) приобретен в Молдавском НИИстром¬проекте. Для глубинного культивирования бактерий применяли синтетическую среду следующего состава, г/л: сахароза — 5; (NH4)2SO4 — 0,5; К2HPO4 — 0,2; MgSO4?7H2O — 0,2; NaCl — 0,1; K2SO4 — 0,1. Значение рН питательной среды составляло 7,0 ± 0,1. В качестве посевного материала использовали культуру бактерий в стационарной фазе роста (48 ч), полученную на агаризованной среде. Культивирование бактерий проводили в колбах Эрленмейера объемом 250 см3, содержащих 50 мл среды, на качалке BIOSAN ES-20 с аэрацией (180 об/мин) при температуре 30 °С в течение 48 ч.
Нами было установлено, что наиболее выраженное воздействие на свойства глинистого сырья оказывает КЖ бактерий Bacillus mucilaginosus №4, полученная именно в этих условиях [3, 4]. На среде данного состава бактерии продуцируют органические кислоты и полисахариды, получается вязкая КЖ со значением рН 3,9.
Для изучения образующихся метаболитов первоначально отделяли клетки центрифугированием КЖ в течение 25 мин при 5000 об/мин на центрифуге ОС-6М. Перед осаждением экзополисахарида охлаждали этиловый спирт и полученный супернатант до 4 °С, смешивали охлажденные компоненты в соотношении 3:1 соответственно. Через сутки осадок отделяли центрифугированием при приведенных выше параметрах, высушивали и весовым методом определяли содержание экзополисахарида, которое составило 1,2 г/л. Очистку полисахарида проводили с помощью диализа против дистиллированной воды.
Разделение компонентов экзополисахарида по заряду осуществляли ионообменной хроматографией на колонке (25Ч2 см), заполненной DEAE-целлюлозой и уравновешенной 1•10-3 М буферным раствором Трис-HCl (pH 7,5). Навеску полисахарида (100 мг) растворяли в уравновешивающем буферном растворе и вносили в колонку сверху.
Элюирование проводили 1•10-3 М раствором Трис-HCl со скоростью растворителя 30 мл/ч. Отбирали фракции объемом по 3 мл. Детектирование осуществляли спектрофотометром СФ-26 при ? = 230 нм. После выхода первого хроматографического пика элюирование осуществляли 0,6 М раствором KCl (pH 7,5) в элюирующем буферном растворе.
Основываясь на результатах ионообменной хроматографии, можно говорить о сложной структуре исследуемого полисахарида, состоящего из двух фракций: фракция F1 не содержит, а фракция F2 содержит функциональные группы, диссоциирующие при pH 7,5, что свидетельствует об ее анионном характере (полисахарид может содержать карбоксильные группы). Это предположение подтверждают результаты определения карбоксильных групп по Вильсон и ИК-спекроскопии (рис. 1). Структуру диализованной и упаренной досуха фракции полисахарида исследовали на ИК-Фурье спектрометре «NEXSUSTM E. S. P.».
После выделения клеток и полисахаридов из исследуемой КЖ супернатант подщелачивали 0,1 н NaОН до рН 9,2 с целью переведения кислот (прежде всего летучих) в соли. Для увеличения концентрации кислот в смеси пробу упаривали досуха на роторном испарителе «Unipan 350P» под разрежением при температуре 35—40 °С. Осадок растворяли в 2 мл бидистиллированной воды. На следующем этапе переводили соли органических кислот в летучие метиловые эфиры. Для проведения метилирования к пробе добавляли 4 мл метанола и 50%-ной серной кислотой доводили до рН 3. Смесь выдерживали 30 мин при 60 °С, полученные метиловые эфиры экстрагировали хлороформом в объеме 1 мл.
Газохроматографический анализ осуществляли на газовом хроматографе «Hewlett Packard 4890 D», оснащенном пламенно-ионизационным детектором и кварцевой колонкой «HP/NNOWAX» (30 мЧ0,32 мм), неподвижной фазой являлся модифицированный полиэтиленгликоль толщиной 0,5 мкм. В качестве газа-носителя использовали гелий, скорость потока которого равна 21 см3/с. Температура испарителя составляла 250 °С, температура детектора — 250 °С. Анализ проводился в режиме температурного градиента от 45 до 220 °С.
Качественную идентификацию кислот в анализируемых образцах и статистическую обработку результатов осуществляли, используя специализированный пакет программ (CHEMSTATION, США). Результаты идентификации подтверждали методом добавочной пробы.
Установлено, что в состав КЖ входят следующие органические кислоты: летучие — муравьиная, уксусная; нелетучие — монокарбоновые (молочная, пировиноградная), дикарбоновые (щавелево-уксусная, щавелевая, янтарная, винная) и трикарбоновая (лимонная) [5]. На рис. 2 представлено количественное распределение эфиров кислот, среди которых преобладает эфир уксусной кислоты, доля которой составляет около 80% от общего содержания кислот.
КЖ изученного состава применяли для обработки глинистой составляющей при производстве керамических изделий на ОАО «Белхудожкерамика» (г.п. Радошковичи). Использовали формовочный и литейный керамические шликеры на основе глины месторождения «Гайдуковка». Первый предназначен для изготовления изделий методом пластического формования из массы, полученной после обезвоживания шликера на фильтр-прессах (состав шликера: 32,8% сухого вещества глины и 67,2% технической воды), второй — для получения изделий методом литья в гипсовые формы, в его состав, кроме глины (58,41% по сухому веществу) и воды (41,44%), добавляют соду кальцинированную (0,15%).
В готовые керамические шликеры вводили КЖ Bacillus mucillaginosus №4 в количестве 1, 2 и 3 мл (в пересчете на 100 г сухого вещества) с содержанием бактериальных клеток 1,5•108 КОЕ/мл. Обработанные пробы выдерживали в течение 24 и 72 ч при температуре 26—28 °С (температура в цеху в летнее время). Параллельно проводилось исследование необработанного (заводского) шликера.
При определении количества жизнеспособных микроорганизмов методом последовательных разведений было установлено, что сразу после внесения культуральной жидкости количество клеток составляло 105 КОЕ на 1 г шликера. Наряду с бактериями Bacillus mucillaginosus наблюдался рост других бактериальных колоний, а также грибов. По истечении времени выдержки (72 ч) значение КОЕ составило 106—107 на 1 г шликера, и в этом случае отмечалось преобладание колоний Bacillus mucilaginosus №4.
При введении в формовочный шликер 2 мл КЖ и выдержке в течение 72 ч время его истечения из вискозиметра через 30 с сокращается в 1,2 раза, загустеваемость снижается от 1,19 до 1,06. Время набора черепка в опытных образцах из биообработанных шликерных масс гораздо меньше (18—30 мин), чем в образцах из заводского шликера (100—110 мин). Следует отметить, что при выстаивании формовочных шликеров, обработанных культуральной жидкостью, происходит снижение их влажности на 10% по сравнению с заводским шликером, что позволяет уменьшить их формовочную влажность, сократить продолжительность обезвоживания на фильтр-прессах.
Для биообработанного литейного шликера с электролитом наблюдается значительное ухудшение реологических свойств: повышаются загустеваемость и время истечения его даже при 30 с выстаивания. При введении в литейный шликер 3 мл КЖ и выдержке в течение 72 ч происходит его коагуляция. Установлено, что КЖ Bacillus mucillaginosus №4 в керамических шликерных массах для производства майоликовых изделий выполняет функцию разжижителя, что позволяет исключить из заводского состава электролит (сода кальцинированная), вызывающий поверх¬ностное разрушение гипсовых форм, тем самым увеличить их срок службы. Из биообработанных шликерных масс в 2—3 раза быстрее набирается тело отливки в гипсовые формы, что способствует сокращению продолжительности технологического цикла формования полуфабриката и снижению процента брака формовки.
Были отработаны оптимальные технологические параметры бактериальной обработки применительно к промышленным условиям в летнее время года: количество культуральной жидкости — 2 мл на 100 г сухого вещества, температура обработки — 26—28 °С, время выдержки — 72 ч.
На следующем этапе исследований были получены образцы керамических изделий: производственный — из керамического шликера заводского состава; опытный — из шликера, обработанного КЖ при вышеуказанных оптимальных параметрах; контрольный — из литейного шликера, подвергнутого выдержке в тех же условиях. Образцы изготавливались методом литья в гипсовые формы в виде стаканчиков размером (63Ч53) мм и после сушки при температуре 100 °С обжигались в электрической печи при температурах 900, 950 и 1000 °С.
Для всех образцов характерно закономерное снижение значений водопоглощения и пористости с повышением температуры обжига, но не в одинаковой степени. У производственного и контрольного образцов эти значения практически не отличаются, что свидетельствует о том, что изотермическая выдержка контрольного образца существенно не повлияла на спекание материала. Для биообработанного образца, обожженного при температуре 950 °С, наблюдается снижение этих показателей до уровня 13,5 и 25,2% соответ¬ственно, что значительно ниже по сравнению с двумя другими образцами, для которых водопоглощение составляет 16,2 и 16,0% соответственно; пористость — 28,1 и 28,0% соответственно.
Одной из критериальных оценок процесса спекания является усадка, которая определяет массоперенос вещества, заполнение пор и, вследствие этого, изменение соотношения кристаллических, аморфной и газовой фаз. Для полученных экспериментальных образцов были установлены некоторые особенности усадочных характеристик материала. Общая усадка биообработанных образцов с увеличением температуры обжига повышается незначительно, хотя при 900 °С имеет большие значения общей усадки (6,2%) по сравнению с производственным и контрольным образцами (5,8 и 5,7% соответственно). При температуре обжига 950 °С для всех экспериментальных образцов характерны одинаковые значения общей усадки, составляющие 6,4%. Повышение усадки, преимущественно огневой, на начальной стадии спекания можно объяснить диспергацией глинистых частиц и увеличением их удельной поверхности. Так как движущей силой процесса спекания является свободная поверхностная энергия на границе раздела фаз, с ее повышением интенсифицируются процессы как жидкофазного спекания, так и твердофазные реакции.
Результаты исследований подтверждаются данными электронной микроскопии изучения поверхности опытных образцов из контрольной и биообработанной глинистой массы, обожженных при температуре 950 °С; микроскопические изображения сколов образцов при увеличении в 100 и 200 раз представлены на рис. 3.
Так, микроструктура образцов керамики, полученной из биообработанной глинистой массы, характеризуется значительно большей плотностью, однородностью, незначительной межзерновой пористостью, наличием большего количества стекловидной фазы. Последняя образуется из расплава вследствие частичной деструкции минералов, диспергации и аморфизации частиц, этот расплав заполняет межзерновые пустоты при интенсивном спекании керамического черепка и способствует тем самым повышению физико-механических свойств керамического материала.
Таким образом, при обработке глинистой составляющей керамической массы культуральной жидкостью бактерий Bacillus mucilaginosus №4 наблюдается комплексное воздействие компонентов КЖ. Повышается дисперсность частиц глины, причем в разрушении силикатных минералов участвуют не только органические кислоты. Как показали исследования, выщелачивание кремния из кварца — минерала с большой величиной энергии связей кристаллической решетки — определяется не только структурой кислот, но и наличием в среде полисахарида Bacillus mucilaginosus №4 [6]. А глины белорусских месторождений, как отмечалось выше, характеризуются повышенным содержанием свободного кварца. Карбонатные включения в этих глинах также могут быть разложены органическими кислотами. Полисахарид, в свою очередь, вероятно, не только усиливает деструкцию силикатных минералов, но и оказывает связующее действие на частицы шликера, выступая в роли сорбента для образовавшихся ионов. Это способствует более плотной упаковке частиц в полуфабрикате при формовании, что интенсифицирует спекание и приводит к снижению открытой пористости и водопоглощения материалов. По этой причине при повышенном содержании полисахарида, да еще в присутствии электролита, наблюдается загустевание шликера.
Культуральная жидкость Bacillus mucilaginosus №4, полученная на среде данного состава, проявляет наиболее выраженное воздействие на свойства глинистого сырья. В других условиях культивирования бактерий накапливается другое соотношение метаболитов (кислот и полисахарида), и, соответственно, может возрастать роль либо процессов деструкции силикатных минералов, либо избыточное связующее действие.