Способ получения энтомологической биомассы - сырья для производства кормовых добавок

Изобретение относится к биотехнологии и кормопроизводству и может быть использовано для получения личиночной биомассы двукрылого насекомого Hermetia illucens - сырья для производства питательной белково-липидной кормовой добавки.

Известен способ получения кормовой добавки биоконверсией органических отходов, который включает следующие операции: измельчение отходов, приготовление исходной смеси из органических отходов и торфа, загрузку смеси в реактор, продувку ее кислородсодержащим газом в продольном и поперечном направлениях, протекание биоконверсионного процесса в две стадии при повышенной температуре с последующим охлаждением смеси до температуры окружающей среды, при этом в исходную смесь дополнительно вводят биошрот от производства амилоризина (RU 2153262 С1, 27.07.2000). В качестве биологически активных веществ используют биошрот от производства амилоризина - твердые отходы поверхностного культивирования гриба Aspergillus oryzae на питательной среде, включающей пшеничные отруби, солодовые ростки и древесные опилки. Способ позволяет получить высокопитательную кормовую добавку за счет обогащения исходной смеси биологически активными веществами.

Недостатком данного способа является его высокая трудоемкость, потребность в специфическом оборудовании, малодоступность побочных продуктов синтеза амилоризина.

Известен способ получения кормовой добавки для жвачных животных, включающий увлажнение и гидробарометрическую обработку соломы. С целью повышения перевариваемости кормовой добавки перед гидробарометрической обработкой солому дополнительно смешивают с жидким пометом птиц в количестве, обеспечивающем массовое соотношение сухая солома : сухой помет (10:1)-(1:1), причем влажность смеси доводят до 40-60% (SU 1530162 А1, 23.12.1989).

Недостатком этого метода является необходимость предварительного высушивания соломы, что требует введения в технологический процесс дополнительной стадии, а значит и использования дополнительного технологического оборудования. Если же высушивание соломы осуществлять естественным путем, то это приводит к значительным затратам времени. Кроме того, гидробарометрическая обработка смеси делает необходимым применение в данном процессе оборудования для очистки отходящих вод, что ведет к удорожанию получаемой кормовой добавки.

Известен способ переработки отходов животного происхождения, включающий смешивание их с добавками и последующую осушку смеси, причем с целью сокращения длительности процесса и снижения потерь питательных веществ в качестве добавок используют природный цеолит, предварительно измельченный до размера частиц 0,5-3,0 мм и нагретый до 150-200°С, а смешивание осуществляют путем периодического нанесения отходов на нагретый цеолит до достижения относительной влажности полученной массы 40-55% и содержания цеолита в готовом продукте 10-40% от общей массы (SU 1461397 А1, 28.02.1989).

Недостатком этого способа является то, что его практическая реализация требует использования разогретого до температуры 150-200°С цеолита. Это приводит к усложнению аппаратурного оформления технологической установки, а значит к удорожанию конечного продукта.

Известен способ получения биомассы для производства кормовых добавок путем переработки твердых осадков сточных вод мясокомбинатов, согласно которому на основе отделяемых осадков готовят питательный бульон, вносят в него микроорганизмы, наращивают микробную биомассу, а впоследствии ее отделяют. Полученная биомасса используется для выработки высокопитательных протеиновых добавок в животные корма.

Процесс биоконверсии твердых осадков в белковую добавку предполагает соблюдение очередности ряда процессов. На первом этапе к твердому осадку из расчета его содержания 100 г/л воды добавляют 50 мл концентрированной серной кислоты до смещения (или коррекции) рН до 4,0-6,0. Затем суспендированный осадок подвергается гидролизу при температуре 120-130°С в течение 2-2,5 часов, гидролизат нейтрализуют до рН 7,4-7,6 20%-ным раствором гидроокиси натрия. Образовавшийся осадок удаляют из раствора фильтрованием или центрифугированием. Затем гидролизат разливают в колбы по 100 мл и производят посев культуры Bacillus mucilaginosus штамм ВКМВ 1A46D из расчета 0,1-0,2 г на 1 л гидролизата. Для этого готовят 1%-ную микробную суспензию на стерильном физиологическом растворе и вносят по 2 мл этой суспензии на 100 мл среды (гидролизата). Культивирование осуществляют при температуре 37-38°С в течение 24 часов. Микробные клетки выделяют из культуральной жидкости центрифугированием, трехкратно промывают физиологическим раствором для удаления остатков среды и взвешивают. Выход с 1 л гидролизата твердых отходов из стока мясокомбината составляет 21,2 г сырой биомассы (RU 2074253 С1, 27.02.1997).

Недостатками указанного изобретения является низкий выход целевого продукта, многостадийность процесса (кислотный гидролиз, нейтрализация, фильтрование или центрифугирование, проведение микробиологических пассажей). Также к отрицательным сторонам можно отнести энергоемкость процедур и потребность в особом оборудовании для осуществления специфических технологических процедур (гидролиз, стерилизация). Кроме того, реализация рассматриваемого способа предполагает участие квалифицированного персонала, в частности, микробиологов.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ получения биологически активной кормовой добавки для сельскохозяйственных животных и птицы с пробиотиком и белком насекомых, который предусматривает смешивание 1 массовой части биомассы личинок Hermetia illucens, выращенных на пшеничном зерне и предварительно промытых водопроводной водой, с содержанием протеина в биомассе не менее 36 мас.%, с 1 массовой частью сырого пробиотического продукта, полученного твердофазной ферментацией штамма Bacillus subtilis ВКПМ В-8130 на стерильном носителе. Последний представляет собой свекловичный жом, пропитанный питательной средой, содержащей мелассу, калий фосфорнокислый двузамещенный, магний сернокислый, автолизат дрожжей и воду до влажности не более 35%. Полученную смесь гомогенизируют до получения частиц размером 1-2 мм и проводят комбинированный процесс твердофазной ферментации-высушивания при температуре греющего агента не выше 55°С до достижения конечной влажности не более 10 мас.%, количества жизнеспособных клеток Bacillus subtilis ВКПМ В-8130 не менее 107 КОЕ/г (RU 2576200 С1, 27.02.2016).

Недостатком указанного способа является выращивание личинок на относительно дорогом и востребованном в других практических сферах материале - цельном зерне пшеницы. Кроме того, в описанном способе предполагается изготовление сложной композиции кормовой добавки, включающей не только энтомологический белок, но и дополнительные материалы и культуру бактерий, что увеличивает стоимость продукта и предполагает необходимость реализации дополнительных манипуляций.

Техническая проблема изобретения заключается в возможности обеспечения животноводческой отрасли сельского хозяйства сбалансированными по составу кормовыми белками и жирами. Техническая проблема решается способом получения биомассы для производства кормовой добавки, заключающимся в том, что выращивают личинки двукрылого насекомого Hermetia illucens на питательном субстрате, при этом в качестве питательного субстрата используют смесь твердых фракций сточных вод мясокомбинатов с сухими отрубями зерна культурных злаков в диапазоне массовых пропорций от 2:1 до 5:1 при влажности смеси 65 -75%, и осуществляют выращивание личинок в течение 10-15 суток.

Предпочтительно выращивать личинки при плотности посадки личинок на питательном субстрате 2-5 особей на 1 см².

В предлагаемом изобретении основным субстратом для выращивания личинок мухи Hermetia illucens с целью получения энтомологической биомассы является материал твердых фракций, образующихся в результате механической и физико-химической очистки сточных вод мясокомбинатов. Данный материал не представляет практической ценности и утилизируется регламентируемыми методами, требующими дополнительных энергетических и материальных затрат без получения выгоды.

Предложенный способ получения биомассы осуществляется следующим образом. Твердофазные фракции сточных вод мясокомбинатов с начальной влажностью 80-90% смешивают с сухими отрубями зерна культурных злаков в диапазоне весовых пропорций от 2:1 до 5:1 до достижения итоговой влажности 65-75%. Полученную смесь распределяют по контейнерам слоем 10-15 см, заселяют личинками мухи Hermetia illucens 2-3 возрастной стадии (т.е. 7-10 суточного возраста) с плотностью посадки 2-5 особей на 1 см² и подвергают энтомологической биоконверсии в течение 10-15 суток. Выбор конкретного временного интервала культивирования личинок преимущественно определяется их онтогенетическими особенностями, проявляющимися в виде метаморфозов и, в свою очередь, является генетически детерминированным признаком в отношении используемой лабораторной популяции насекомого. Внесение отрубей производится с целью приобретения субстратом определенных характеристик влажности и консистенции, что играет важную роль в реализации физиологического и продуктивного потенциала личинок насекомого. По завершению периода переработки личинки отделяют от остатков субстрата с помощью сита или виброгрохота, высушивают до 5% остаточной влажности и измельчают. Полученная биомасса, богатая полноценными белками и липидами может быть использована в качестве кормовой добавки в рационах сельскохозяйственных животных.

Известно, что муха черная львинка (Hermetia illucens L., семейства Diptera Muscidae) может использоваться в качестве продуцента кормового белка (Кожебаев Б.Ж. Муха (Diptera Muscidae), в частности, как источник кормового белка для птиц на востоке Казахстана. (Дисс. на соиск. уч. ст. канд. с/х. н., Семипалатинск, 2003). Личинки этого насекомого способны перерабатывать широкий спектр органических отходов, включая осадки сточных вод и отходы обработки рыбы и мяса, некондиционные фрукты, овощи, пищевые отходы и пищевые продукты, утратившие потребительские качества. Процесс переработки сопровождается интенсивным накоплением энтомологической биомассы. Полученную из личинок мухи биомассу используют, как правило, в высушенном виде. Согласно данным проведенных научных исследований, мука из высушенных личинок содержит 48-52% белка и до 27% жира, причем при развитии на некоторых питательных субстратах содержание жира в личинках превышает 45% и наблюдается обогащение биомассы кальцием, фосфором, железом ( Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 2013, LXI, No. 1, p.77-83; Stamer A. Insect proteins - a new source for animal feed. EMBO Reports. 2015. №16. P. 676-680; Tschirner M., Simon A. Influence of different growing substrates and processing on the nutrient composition of black soldier fly larvae destined for animal feed. Journal of Insects as Food and Feed. 2015. №1. P. 1-12; Maurer V., Holinger M., Amsler Z., Wohlfahrt J., Stamer A., Leiber F. Replacement of soybean cake by Hermetia illucens meal in diets for layers. Journal of Insects as Food and Feed. 2016. №2. P. 83- 90, Veldkamp Т., Bosch G. Insects: A protein-rich feed ingredient in pig and poultry diets. Animal Frontiers. 2015. №5. P. 45-50). Параллельно образующийся дополнительный конечный продукт - энтомологический зоогумус, может с успехом использоваться как компонент субстратов для выращивания растений (Sheppard et. al., 2002. Rearing methods for the black soldier fly (Diptera: Stratomyiadae)).

Пример 1

В целях проведения производственных испытаний была сформирована совокупность из десяти контейнеров с субстратом, изготовленным на основе твердых фракций сточных вод и отрубей зерна культурных злаков, смешанных в весовой пропорции 3:1 до достижения 65-70% влажности. Субстрат помещали в контейнеры слоем 10 см, что в пересчете на сухое вещество соответствовало 3,6±0,3 кг (или в среднем 12,1 кг при 65-70% влажности), и заселяли личинками Hermetia illucens 2-3 возрастной стадии (т.е. 7-10 суточного возраста). Функциональная площадь контейнера составляла 2108 см². Плотность расселения личинок составляла две особи на 1 см², т.е. 4216 особей на контейнер. Процесс биоконверсии осуществлялся на протяжении 10 суток.

По итогам культивирования проводили оценку накопления биомассы личинок Hermetia illucens и степени конверсии субстратного материала. Для получения объективных результатов расчет проводили на сухое вещество. Так, суммарная биомасса сухих личинок в испытываемых образцах субстрата достигала 245,6±18,6 г на 3,6 кг сухого субстрата. Оценка эффективности процесса биоконверсии перерабатываемого субстрата, осуществляемая путем сопоставления остаточных количеств не переработанного материала с количественными величинами конечного целевого продукта, показала среднее значение на уровне 52±4,3%.

Пример 2

В целях проведения производственных испытаний была сформирована совокупность из десяти контейнеров с субстратом, изготовленным на основе твердых фракций сточных вод и отрубей зерна культурных злаков, смешанных в весовой пропорции 2:1 до достижения 65-70% влажности. Субстрат помещался в контейнеры слоем 15 см, что в пересчете на сухое вещество соответствовало 4,5±0,5 кг (или в 13,8 кг при 65-70% влажности), и заселялся личинками Hermetia illucens 2-3 возрастной стадии (т.е. 7-10 суточного возраста). Функциональная площадь контейнера составляла 2108 см². Плотность расселения личинок составляла две особи на 1 см², т.е. 4216 особей на контейнер. Процесс биоконверсии осуществлялся на протяжении 10 суток.

По итогам культивирования проводили оценку накопления биомассы личинок Hermetia illucens и степени конверсии субстратного материала. Для получения объективных результатов расчет проводили на сухое вещество. Так, суммарная биомасса сухих личинок в испытываемых образцах субстрата достигала 290,3±20,3 г на 4,5 кг сухого субстрата. Оценка эффективности процесса биоконверсии перерабатываемого субстрата, осуществляемая путем сопоставления остаточных количеств не переработанного материала с количественными величинами конечного целевого продукта показала среднее значение на уровне 51,7±3,9%.

Пример 3

В целях проведения производственных испытаний была сформирована совокупность из десяти контейнеров с субстратом, изготовленным на основе твердых фракций сточных вод и отрубей зерна культурных злаков, смешанных в весовой пропорции 5:1 до достижения 7-75% влажности. Субстрат помещался в контейнеры слоем 10 см, что в пересчете на сухое вещество соответствовало 3,6±0,3 кг (или в среднем 12,4 кг при 70-75% влажности), и заселялся личинками Hermetia illucens 2-3 возрастной стадии (т.е. 7-10 суточного возраста). Функциональная площадь контейнера составляла 2108 см². Плотность расселения личинок составляла пять особей на 1 см², т.е. 10540 особей на контейнер. Процесс биоконверсии осуществлялся на протяжении 15 суток.

По итогам культивирования проводили оценку накопления биомассы личинок Hermetia illucens и степени конверсии субстратного материала. Для получения объективных результатов расчет проводили на сухое вещество. Так, суммарная биомасса сухих личинок в испытываемых образцах субстрата достигала 518,7±28,2 г на 3,6 кг сухого субстрата. Оценка эффективности процесса биоконверсии перерабатываемого субстрата, осуществляемая путем сопоставления остаточных количеств не переработанного материала с количественными величинами конечного целевого продукта показала среднее значение на уровне 63,2±7,2%.

Пример 4

В целях проведения производственных испытаний была сформирована совокупность из десяти контейнеров с субстратом, изготовленным на основе твердых фракций сточных вод и отрубей зерна культурных злаков, смешанных в весовой пропорции 5:1 до достижения 70-75% влажности. Субстрат помещался в контейнеры слоем 15 см, что в пересчете на сухое вещество соответствовало 4,6±0,5 кг (или в среднем 16,4 кг при 70-75% влажности), и заселялся личинками Hermetia illucens 2-3 возрастной стадии (т.е. 7-10 суточного возраста). Функциональная площадь контейнера составляла 2108 см². Плотность расселения личинок составляла пять особей на 1 см², т.е. 10540 особей на контейнер. Процесс биоконверсии осуществлялся на протяжении 15 суток.

По итогам культивирования проводили оценку накопления биомассы личинок Hermetia illucens и степени конверсии субстратного материала. Для получения объективных результатов расчет проводили на сухое вещество. Так, суммарная биомасса сухих личинок в испытываемых образцах субстрата достигала 627±48,5 г на 4,6 кг сухого субстрата. Оценка эффективности процесса биоконверсии перерабатываемого субстрата, осуществляемая путем сопоставления остаточных количеств не переработанного материала с количественными величинами конечного целевого продукта показала среднее значение на уровне 66,5±6,7%.