Результат интеллектуальной деятельности: Способ ускоренного твердофазного ферментирования отходного растительного сырья для производства кормов

Область техники, к которой относится изобретение

Способ ускоренного твердофазного ферментирования растительного сырья (далее - СОР, например фуражное зерно любого качества, отруби, солома, полова, зерновая барда и дробина, свекловичный жом, лузга подсолнечника, отходы крупяных производств, корнеплоды, стержни кукурузных початков и пр.) предназначен для использования в сельском хозяйстве, в частности в комбикормовой промышленности. Способ позволяет осуществить энергоэффективную переработку СОР в сухой кормовой концентрат с повышенной питательной ценностью для продуктивных сельскохозяйственных животных.

Описание уровня техники

Известен способ переработки послеспиртовой барды в кормопродукт [1], который состоит из следующих технологических операций: подача горячей барды из бардоприемника, ее охлаждение, получение питательной среды, ассимиляцию растворенных компонентов барды путем аэробного культивирования микроорганизмов и последующее обезвоживание полученного кормопродукта в сушилке. В качестве питательной среды используют нативную барду. Используемые в способе микроорганизмы бактерии Cellulomonas effusa одновременно с ассимиляцией растворенных компонентов барды обладают способностью к деструкции целлюлозосодержащих компонентов барды. Отбор кормопродукта для последующего обезвоживания начинают при достижении концентрации клеток бактерий Cellulomonas effusa в культуральной жидкости значений КОЕ в 1 мл от 2×10¹⁰ до 2×10¹¹.

К главным недостаткам этого способа относятся:

- высокие энергозатраты способа переработки, за счет применения технологических приемов сгущения на сепараторе или вакуум-выпарной установке и обезвоживания в сушилке;

- сложность осуществления непрерывного производственного контроля концентрации клеток бактерий Cellulomonas effusa, устанавливающих равновесие между ассимиляцией растворенных компонентов барды и деструкцией целлюлозосодержащих компонентов барды, при отклонении концентрации клеток бактерий от заданного диапазона происходит нарушение стабильности процесса и вымывание культуры;

- продолжительное протекание процесса осуществления культивирования барды в ферментере в течение 10 часов до достижения заданной концентрации клеток бактерий значений КОЕ в 1 мл от 2×10¹⁰ до 2×10¹¹.

Известен способ производства активированных кормов [2], который заключается в том, что пшеничные отруби подвергают ультратонкому измельчению с размером частиц 50-200 мкм, после чего проводят гранулирование с использованием холодной воды.

К главным недостаткам этого способа относятся:

- незначительное улучшение значений основных показателей измельченных до 200 мкм активированных пшеничных отрубей до и после измельчения (до/после измельчения: сырой протеин - 13,8±0,58%/16,9±0,74%, сырая клетчатка - 8,9±0,25%/6,7±0,18%);

- перераспределение основных элементов питания пшеничных отрубей по фракциям разной дисперсности, в результате только лишь механического разрушения клетчатки алейронового слоя, в результате фракция свыше 200 мкм обладает показателями значительно хуже по питательности (до/после измельчения: сырой протеин - 13,8±0,58%/6,1±0,54%, сырая клетчатка - 8,9±0,25%/10,9±0,31%).

- высокие энергозатраты (согласно [3] - от 134 до 200 кВтч) технологической линии на получение 1 тонны активированных гранул, при низкой производительности процесса гранулирования от 95 до 150 кг/ч.

Известен способ переработки грубого растительного сырья на корм [4], сущность которого заключается в том, что измельченное до размера частиц 1-17 мм исходное сырье смешивают с 0,3-0,4% водным раствором соляной кислоты при температуре 60-80°C и массовом соотношении растительное сырье : жидкость (1-1,5):(10-15). Эту густую водно-кислотную суспензию подают в устройство для переработки, где сырье подвергают гидролизу острым паром при температуре 120-150°C и рабочем давлении 0,2-0,5 МПа. Для интенсификации процесса переработки сырье подвергают дополнительному импульсному воздействию острого пара с частотой 1-6 импульсов в минуту, что вызывает кратковременное превышение давления над рабочим на 0,03-0,05 МПа. Процесс переработки сырья проводят в течение 1-3 часов, затем разделяют на жидкую и твердую фазы. Жидкая фаза содержит до 45% сахаров в пересчете на сухое вещество. Твердая фаза с содержанием сахаров 3-4% от сухого остатка отправляется на корм крупного рогатого скота либо высушивается для последующего скармливания, твердую фазу можно также силосовать. Способ обеспечивает глубокую переработку сырья с высоким содержанием легкоусвояемых компонентов, например сахаров.

К главным недостаткам этого способа относятся:

- процесс переработки сырья приводит к разделению на жидкую и твердую фазы, что требует быстрого скармливания, т.к. срок использования влажных компонентов значительно ограничен из-за размножения плесневых грибов и анаэробных бактерии в биомассе;

- происходит перераспределение основных показателей элементов питания пшеничной соломы по разделяемым жидкой и твердой фазам, поэтому твердая фаза обладает показателями значительно хуже, чем до обработки (до/после обработки: сырой протеин - 5,15%/3,42%, сырая клетчатка - 37,39%/46,85%, сырой жир - 1,09%/0,6%).

- отсутствие микробного белка в получаемых фазах по причине денатурации белков при длительном воздействии высокой температуры;

- сложный и энергозатратный процесс управления острым паром с помощью блока управления и датчиков.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ использования закваски в кормосмеси для приготовления кормов [5], включающий в себя биологически активные вещества, мицелии микроскопических грибов, макро- и микроэлементы, которые вносятся в растительное сырье влажностью 45-75%, выдерживаются в кормосмеси от 6 до 12 ч при температуре 40-80°C. Закваска повышает питательность грубых кормов на 80-100%, крахмалистых и сахаристых - на 15-20%, обогащает корма витаминами группы В, D, РР, К, Е, Н, а также ароматическими веществами.

Главными недостатками способа являются:

- продолжительное протекание процесса выдерживания биологически активной закваски в кормосмеси в течение 12 часов до достижения требуемых показателей элементов питания корма;

- отсутствие прописанных технологических операций процесса биоферментации и энергозатрат определяющих коммерческую применимость способа для производства кормов;

- отсутствие операций интенсификации протекающих процессов твердофазной биоферментации в барокамере, не позволяющих повысить производительность и снизить энергозатраты за счет рационального симбиоза биотехнологических и механических воздействий.

Таким образом, эффективность процесса производства кормов на основе СОР зависит от синергии технологических операций, приводящих к интенсивной деструкции природных полимеров сырья (клетчатки и безазотистых экстрактивных веществ), соединенных в прочный лигнин-целлюлозный комплекс, что повышает энергетическую ценность (питательность) готового корма.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является разработать способ ускоренной твердофазного биоферментирования на основе использования биотехнологических и механических воздействий, которые позволят увеличить энергетическую ценность (питательность) готового корма и снизить энергозатраты для достижения экономической эффективности (коммерциализации) способа.

Техническими результатами изобретения являются:

- увеличение питательности готового корма до 0,8-1 энергетических кормовых единиц (ЭКЕ) за счет разработанной синергии биотехнологических и механических воздействий;

- снижение энергозатрат способа твердофазного биоферментирования до 33 кВт⋅ч при максимальной нагрузки на сеть, 17 кВт⋅ч при расчете среднего потребления;

- повышение производительности процесса получения кормов до 400 кг/ч за счет уменьшения времени выдерживания биологически активной закваски в кормосмеси до 3-6 часов при достижении питательности кормового концентрата не менее 0,8-1 ЭКЕ.

Сущность изобретения заключается в том, что предварительно измельченное СОР до размеров 0,5-1,0 мм подвергают пропариванию (пастеризации) при температуре от 80°C до 150°C и избыточном давлении до 10 бар, затем в барокамеру добавляется предварительно заготовленный разовый посевной комплекс микроорганизмов на основе мицелий целлюлозолитических, пектолитических и амилолитических микрогрибов. Ускоренное твердофазное ферментирование СОР осуществляют от 3 до 6 ч, при температуре 50-55°C и влажности сырья 45-65%, в моделируемой газовой среде герметичной барокамеры объемом от 0,1 до 5 куб.м, за счет подачи смеси кислорода и азота под давлением до 10 бар и температуре смеси не ниже 40°C с периодичностью не реже, чем через каждый час. По завершении процесса твердофазного ферментирования в моделируемой газовой среде проводят разгерметизацию барокамеры и выгрузку влажной биомассы, состоящей из моносахаров, микробного белка и легкоусваиваемых углеводов. Осуществляют механическое однородное смешивание кормового концентрата влажностью 45-55% с измельченными зерновыми культурами влажностью не выше 14% в соотношении от 1:1 до 1:4. Добиваются влажности смеси 20-25%, которая оптимальна для образования гранул в процессе гранулирования.

Отличительными признаками являются:

- предварительное измельчение СОР (0,5-1,0 мм) до операции твердофазного ферментирования, что приводит к ускоренной деструкции природных полимеров (клетчатки и безазотистых экстрактивных веществ), соединенных в прочный лигнин-целлюлозный комплекс;

- предварительное пропаривание (обеззараживание) СОР в барокамере при давлении до 10 бар и температуре до 150°C, что приводит к снижению концентрации плесневых грибов и анаэробных бактерий в биомассе;

- моделирование газовой среды за счет регулярной продувки подогретой до 40°C смесью кислорода и азота с периодичностью каждый час барокамеры содержащей биомассу и комплекс микроорганизмов, что приводит к образованию микробного белка;

- механическое однородное смешивание ферментированного сырья с измельченной основой (зерновые культуры влажностью не выше 14%) в соотношении от 1:1 до 1:4 (из расчета суточной нормы скармливания продуктивным животным разного возраста) для улучшения связующих свойств компонентов (общая влажность смеси - 20-25%) при последующем гранулировании корма.

Краткое описание операций

Особенности способа будут дополнительно понятны из нижеследующего описания ускоренного твердофазного ферментирования отходного растительного сырья для производства кормов.

Для осуществления настоящего способа деструкции многофазных растительных сред предлагается использовать барокамеру, выполненную из нержавеющей листовой стали, объемом от 0,1 до 5 куб. м, способную выдерживать избыточное давление до 10 бар и температуру до 150°C. Барокамера должна быть оснащена люком с крышкой для легкой загрузки и выгрузки СОР, трубопроводом подачи и отведения пара и продувочной смеси газов (кислород и азот), нагревательными элементами для регулирования температуры биомассы, КИП давления, температуры, влажности.

Рабочая «барокамера» получила свое название по причине того, что определяющее воздействие на процесс деструкции природных полимеров СОР оказывают давление и температура, которые нужно поддерживать в строго заданных диапазонах значений. Загрузку и выгрузку СОР осуществляют через люк с шарнирно установленной крышкой, обеспечивающей герметизацию рабочей барокамеры от атмосферы.

Осуществление изобретения

Процесс ускоренного твердофазного ферментирования СОР состоит из семи последовательных технологических операций, на каждой из которых осуществляется деструкция природных полимеров и положительное изменение показателей элементов питания корма.

1) Предварительное измельчение СОР

Низкая питательность СОР (не более 0,5 ЭКЕ) объясняется низкой перевариваемостью продуктивными животными лигнино-целлюлозного комплекса (высокие значения клетчатки и безазотистых экстрактивных веществ). Частичное разрушение клетчатки возможно механическим измельчением СОР до размеров 0,5-1,0 мм. Кроме того, механическое измельчение способствует ускорению ферментной деструкции клетчатки при операции твердофазного ферментирования микрогрибами, тем самым сокращая время операции и повышая производительность процесса.

Энергозатраты на измельчение 1 кг СОР не превышают 0,01 кВт.

2) Загрузка измельченного СОР в барокамеру

Открывают люк с шарнирно установленной крышкой, ручным или механическим способом загружают измельченное СОР в барокамеру, возможно добавление прочего измельченного органического или растительного сырья (например, отходы мукомольных производств или зерно различного качества). По завершении загрузки герметично закрывают люк рабочей барокамеры.

3) Пропаривание (пастеризация) СОР

Операция запаривания (при температуре до 80°C и нормальном, атмосферном давлении), а также заваривания при температуре до 150°C и избыточном давлении до 10 бар имеет положительные эффекты при подготовке корма для продуктивных животных:

- размягчение соломенной резки и повышение вкусовых качеств СОР способствует увеличению поедаемости;

- обеззараживание СОР от плесневых грибов и анаэробных бактерий способствует улучшению обменных процессов в организме продуктивных животных, повышению здоровья и продуктивности.

Операцию пропаривания СОР проводим не более 40 мин, объем расходуемого пара на 100 кг биомассы составляет 30-40 кг.

Энергозатраты на пропаривание 1 кг СОР не превышают 0,16 кВт.

4) Охлаждение пастеризованной биомассы

Нагретую до температуры 100-150°C биомассу необходимо охладить до 55°C при помощи добавления холодной воды в барокамеру или естественного остывания в течение 40-60 мин. Необходимо охладить биомассу до требуемого диапазона температур 40-80°C, при котором происходит активное размножение мицелий целлюлозолитических, пектолитических и амилолитических микрогрибов. При этом оптимальным режимом ферментирования является температура 50-55°C [6], в результате чего наблюдаются следующие изменения: достоверно уменьшается количество нерастворимой фракции белка в 1,2 раза, сырой клетчатки в 1,7 и крахмала в 1,8 раза, увеличивается сахар в 2,7 раза.

Энергозатраты на охлаждение 1 кг СОР отсутствуют либо не превышают 0,01 кВт.

5) Твердофазное ферментирование СОР в моделируемой газовой среде

В охлажденную пастеризованную биомассу вносят предварительно заготовленный разовый посевной комплекс микроорганизмов. Полученную кормовую смесь перемешивают в течение 5-10 мин в аэробных атмосферных условиях. Барокамеру с кормовой смесью герметизируют от атмосферного воздуха и поддерживают требуемые эксплуатационные параметры процесса ферментирования: температура - 50-55°C и влажность сырья 45-65%. В таких условиях процесс ферментирования может длиться от 12 часов до 6 суток. Интенсивность прироста массы ферментных микроорганизмов зависит от наличия простых сахаров (глюкоза и фруктоза) и полисахаридов (крахмал, клетчатка, слизи и гемицеллюлозы), минеральных добавок и концентрации активного азота. С целью активного нарастания массы ферментных микроорганизмов осуществляется моделирование газовой среды в барокамере за счет регулярной подачи подогретой до 40°C смеси кислорода и азота с периодичностью не реже, чем через каждый час. Снижение концентрации сахаров, потребляемых микроорганизмами в биомассе, ускоряет ферментационные процессы, что приводит к дальнейшему разрушению сложных полисахаридов, в основном клетчатки. Кроме того, наличие азота приводит к дополнительному нарастанию микробного белка. В зависимости от типа СОР и содержания уровня клетчатки процесс ферментирования сокращается до 3-6 ч.

Энергозатраты на ферментирование 1 кг СОР и моделирование газовой среды в барокамере в течение 6 ч не превышают 0,49 кВт.

6) Разгерметизация барокамеры и выгрузка влажного кормового концентрата

По завершении процесса твердофазного ферментирования открывают крышку люка и выгружают полученную биомассу - жидкий кормовой концентрат влажностью 45-55%, содержащий моносахара, микробный белок и легкоусваиваемые углеводы.

7) Однородное смешивание влажного кормового концентрата и зерновой основы.

Известно, что операция сушки влажного ферментированного концентрата при помощи оборудования конвейерного типа [7] составляет до 30-35% себестоимости производства комбикормов. С целью снижения энергозатрат и исключения потерь ценных элементов питания, содержащихся в жидкой фазе концентрата при выпаривании, осуществляют механическое однородное смешивание влажного кормового концентрата с измельченными зерновыми культурами (влажностью не выше 14%) в соотношении от 1:1 до 1:4. Суточная норма скармливания влажного кормового концентрата продуктивным животным разного возраста составляет не более 50%. Перемешивание компонентов осуществляют с помощью смесителей-дозаторов. Исходя из выбранного соотношения добиваются влажности смеси 20-25%, которая является оптимальной для достижения связывающих свойств гранул в процессе гранулирования корма.

Энергозатраты на однородное смешивание 1 кг компонентов корма в смесителе-дозаторе в течение 3 мин не превышают 0,0017 кВт.

Энергозатраты на дозирование и подачу 1 кг сыпучих компонентов корма в гранулятор не превышают 0,005 кВт.

Энергозатраты на гранулирование 1 кг сыпучих компонентов корма (гранулятор производительностью 300 кг/ч) не превышают 0,037 кВт.

Общие энергозатраты на производство 1 кг сухого кормового концентрата на основе СОР и зернового сырья составляют 0,7 кВт.

Себестоимость СОР (стат. данные [8] сбора в России соломы и сена - 96%, лузги подсолнечника - 2%, прочих - 2%) находится в диапазоне 25-40% от себестоимости зерновых культур фуражного класса. При такой себестоимости ускоренное ферментирование СОР является экономически эффективным в последовательности предлагаемого способа, состоящего из 7 технологических операций.

В литературе до настоящего времени авторами не обнаружена описанная последовательность операций предлагаемого способа ускоренного твердофазного ферментирования отходного растительного сырья для производства кормов. Применение этих технологических операций позволяет снизить удельные энергозатраты процесса и повысить энергетическую ценность (питательность) готового кормового концентрата. Ускорить интенсивность протекания твердофазного ферментирования стало возможно за счет использования операций: пропаривания (пастеризации), охлаждения пастеризованной биомассы, твердофазного ферментирования в моделируемой газовой среде, однородного смешивания влажного кормового концентрата и зерновой основы для последующего гранулирования. Это позволяет сделать заключение, что заявляемое техническое решение соответствует первому условию патентоспособности изобретения - новизна.

В отличие от приведенных описаний изобретений (патенты РФ 2122330, 2292158, 2376864, 2384203) заявляемый способ позволяет получить готовый кормовой концентрат с ценными элементами питания при помощи твердофазного ферментирования СОР в моделируемой газовой среде. Это обеспечивает заявленный технический результат.

Техническое решение, достигающее этот результат, не вытекает явным образом из известного на сегодняшний день уровня техники. Поэтому предлагаемое техническое решение соответствуют второму условию патентоспособности изобретения - изобретательный уровень.

Технология ускоренного твердофазного ферментирования отходного растительного сырья разработана и реализована на оборудовании ООО «Биотехника». Получены образцы гранулированного кормового концентрата и проведена оценка экономической эффективности ферментирования отходного растительного сырья. Поэтому заявленное техническое решение соответствует третьему условию патентоспособности изобретения - промышленная применимость.

Таким образом, заявленный способ позволяет эффективно осуществлять ускоренное твердофазное ферментирование отходного растительного сырья с целью увеличения энергетической ценности (питательности) готового корма и снижения энергозатрат переработки.

Источники информации

1. Патент РФ 2384203, А23К 1/06, C12N 1/20, опубл. 20.03.2010. Бюл. №8.

2. Патент РФ 2376864, А23К 1/14, А23К 1/20, опубл. 27.12.2009. Бюл. №36.

3. Алексеева, З.Н. АКТИВИРОВАННЫЕ КОРМА ИЗ ОТХОДОВ ЗЕРНОВОГО ПРОИЗВОДСТВА В ЖИВОТНОВОДСТВЕ: автореф. дис. … докт. с.-х. наук: 06.02.02 / Алексеева Зинаида Николаевна. - Барнаул, 2009. - 43 с.

4. Патент РФ 2292158, А23К 1/12, опубл. 27.01.2007. Бюл. №3.

5. Патент РФ 2122330, А23К 1/12, опубл. 27.11.1998.

6. Данилова, Н.И. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ В ПТИЦЕВОДСТВЕ И СВИНОВОДСТВЕ: автореф. дис. … докт. биол. наук: 16.00.04 / Данилова Надежда Ивановна. - Казань: 2009. - 32 с.

7. http://nppekspro.com/sushilnyi-kompleks-500-kgchas

8. Голубев И.Г., Шванская И.А., Коноваленко Л.Ю., Лопатников М.В. Рециклинг отходов в АПК: справочник. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. - 296 с.