Способ биоконверсии органических отходов в кормовую добавку и удобрение

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для получения кормовых добавок к рациону крупного рогатого скота, свиней и птицы, а также удобрений. Способ включает приготовление исходной смеси, состоящей из органических отходов и торфа, загрузку смеси в реактор, продувку ее кислородсодержащим газом в продольном и поперечном направлениях во время протекания биоконверсионного процесса, проводимого при повышенной температуре, выгрузку смеси из реактора. В исходную смесь вводят биологически активные вещества. Биоконверсионный процесс ведут в две стадии, первая из которых протекает в течение 70 - 72 ч, а вторая - в течение 46-48 ч. Температурный интервал проведения первой стадии равен 37 - 39^oС, а второй стадии - 75 - 85°С, с последующим охлаждением до температуры окружающей среды. Продувку кислородсодержащим газом осуществляют периодически. В качестве биологически активных веществ используют комплексную микроэлементную добавку. Способ позволяет улучшить характеристики кормовой добавки и повысить питательную ценность удобрения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Область техники Изобретение относится к сельскохозяйственной отрасли, в которой используются способы биоконверсии органических отходов для получения кормовых добавок к рациону крупного рогатого скота, свиней и птицы.

Предшествующий уровень техники Разработки по изучению переработки органического сырья сводятся к поиску экономически выгодных и экологически приемлемых технологий получения продуктов с заранее заданными свойствами. Решение проблемы рационального использования многотоннажных отходов сельского хозяйства ведет к сбережению природных ресурсов, расширению кормовой базы животноводства, значительному уменьшению загрязнения окружающей среды.

Известен способ приготовления органического удобрения и корма из птичьего помета, включающий его термическую обработку. Для этого проводят вакуум-отсос паров и газов из исходного продукта при температуре 130-150^oC и остаточном давлении 150-250 мм рт.ст. в присутствии фосфорной кислоты из расчета pH среды в конечном продукте от 6.2 до 6.5, после чего пары и газы пропускают через слой частиц едкого калия (А. с. СССР N 478829, МКИ C 05 F 3/00, 1975).

Недостатком этого метода является применение для его осуществления фосфорной кислоты, благодаря чему существенно усложняется технология и возникает загрязнение окружающей среды. Кроме того, проведение процесса переработки птичьего помета при температуре, превышающей 70-80^oC, ведет к гибели всех видов микроорганизмов, содержащихся в нем, что является неэффективным, так как они могут успешно применяться в биоферментационном процессе.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения удобрения из органических отходов, включающий смешивание их с влагопоглощающим материалом, облучение влажной смеси, загрузку облученного сырья в реактор, продувку его кислородосодержащим газом в направлении снизу вверх с последующей выдержкой отработанного сырья в реакторе и выгрузку готового продукта, причем облучение влажной смеси осуществляют СВЧ-лучами, загрузку облученного сырья в реактор ведут при повышенной температуре 70-80^oC, продувку сырья осуществляют дополнительно в поперечном направлении при постоянном удалении отработанного газа, а выдержку сырья ведут в течение 60-70 часов при 70-80^oC и после выгрузки готового продукта досушивают до влажности 20-25% (Патент РФ N 2071458, МКИ⁶ C 05 F 9/00, 3/00, 1997).

Недостатком этого метода является то, что его практическая реализация требует использования СВЧ-лучей. Это приводит, во-первых, к усложнению аппаратурного оформления технологической установки, а значит к удорожанию конечного продукта; во-вторых, СВЧ-лучи вызывают не только рост термофильных бактерий, но и гибель мезофилов. Проведение процесса при 70-80^oC также делает невозможным влияние мезофильных бактерий на конечный результат, что ухудшает питательную ценность получаемых удобрений и кормовых добавок.

Сущность заявляемого изобретения Задачей, решаемой при создании предлагаемого изобретения, является переработка органических отходов путем их биоконверсии в высокоценную кормовую добавку и удобрение за счет обогащения исходной смеси биологически активными веществами.

Технический результат изобретения - улучшение характеристик кормовой добавки, используемой в рационе крупного рогатого скота, свиней, птиц, и удобрения, применяемого в сельскохозяйственном производстве, выражающееся в высокой питательной ценности.

Технический результат достигается тем, что в способе получения кормовой добавки и удобрения из органических отходов, включающем смешение исходной смеси из органических отходов и торфа, загрузку смеси в реактор, продувку ее кислородосодержащим газом в продольном и поперечном направлениях на первой и второй стадиях биоконверсионного процесса при повышенной температуре, выгрузку смеси из реактора, при этом в исходную смесь дополнительно вводят биологически активные вещества. Органические отходы дополнительно включают в свой состав подстилочный материал (солома, опилки и т.д. - до 30%). Компоненты измельчают (с гранулометрическим составом от 0.1 до 20 мм) и гомогенизируют. В качестве биологически активных веществ используют комплексную микроэлементную добавку, включающую следующие компоненты, мас.%: Железо сернокислое - 3,40 - 4,60 Марганец сернокислый - 1,30 - 2,40 Кобальт сернокислый - 0,24 - 0,31 Цинк сернокислый - 2,70 - 3,40 Медь сернокислая - 0,70 - 0,90 Иодистый калий - 0,12 - 0,15
Ванадиевокислый аммоний - 0,01 - 0,02
Двухромовокислый калий - 0,13 - 0,16
Молибденовокислый аммоний - 0,05 - 0,15
Сернокислый магний - 5,00 - 7,00
Галлий азотнокислый - 0,04 - 0,06
Мышьяковистокислый натрий - 0,005 - 0,009
Селенистокислый натрий - 0,005 - 0,01
Индий азотнокислый - 0,03 - 0,04
Бромистый калий - 0,50 - 0,60
Рубидий азотнокислый - 0,05 - 0,09
Теллуровокислый натрий - 0,007 - 0,009
Висмут азотнокислый - 0,012 - 0,013
Никель азотнокислый - 0,015 - 0,023
Борная кислота - 0,78 - 1,18
Цезий азотнокислый - 0,031 - 0,047
Олово хлористое - 0,068 - 0,100
Вода - Остальное до 100
На первой стадии наблюдается развитие всех форм микроорганизмов, первоначально присутствовавших в смеси и осуществляющих ее активное разложение, причем активность микроорганизмов возрастает за счет введения комплексной микроэлементной добавки. На второй стадии фермент целлюлаза достигает максимальной активности, что приводит к деградации целлюлозосодержащих компонентов смеси. Тепловая энергия, выделяющаяся в процессе биоконверсии целлюлазы, необходима для пастеризации компонентов смеси и уничтожения патогенной микрофлоры. После этих двух основных технологических стадий биоконверсионного процесса проводят постепенное охлаждение смеси до температуры окружающей среды. В этот период наблюдается стабилизация продукта биоферментации по свойствам.

Процесс биоконверсии основан на создании условий, благоприятных для развития определенных видов микроорганизмов, которые первоначально содержатся в исходной смеси. В процессе развития микрофлора продуцирует определенные продукты метаболизма (ферменты, аминокислоты, витамины, углеводы и др.), содержание которых в многокомпонентной смеси позволяет активизировать определенный биохимический процесс. Особенностью микробиологических процессов являются узкие температурные пределы развития микробной популяции, что и обусловливает температурные режимы каждой стадии. Отклонение температуры более чем на 1-3^oC от приведенных граничных значений для каждой стадии приводят к серьезным нарушениям процесса биоконверсии, а значит к изменению химического состава готового продукта. Изменение временных интервалов стадий биоконверсионного процесса приводит также к изменению условий развития микроорганизмов, а следовательно, меняет состав готового продукта, особенно по содержанию протеина и жира.

Аэробные условия развития, достигаемые при помощи барботажа воздухом через объем смеси, способствуют развитию аэробной группы микроорганизмов. Анаэробные условия проведения процесса приводят к увеличению микроорганизмов, использующих минеральный азот, мобилизующих глюкозу, энтеробактерий и всех видов анаэробных бактерий. Использование при приготовлении исходной смеси торфа преследует две цели: во-первых, торф является влагопоглощающим материалом (это важно, поскольку средняя влажность экскрементов колеблется от 65 до 88%), а во-вторых, торф сам выступает в качестве сырья в процессе биоконверсии.

Предлагаемая добавка отличается от известных значительно более широким перечнем биологически активных микроэлементов. Причем помимо традиционных элементов, физиологическая роль которых хорошо известна, - железа, марганца, кобальта, цинка, меди, йода микродобавка содержит другие биологически активные элементы - галлий, селен, индий, бром, рубидий, теллур, висмут, цезий, олово и др. Широкий набор микроэлементов в комплексной микродобавке и их оптимальные пропорции, характерные для живых микроорганизмов, активизируют процессы биоферментации, улучшают качество продукции, насыщают ее биологически активными ферментами, белками, микроэлементами.

Получение кормовой добавки и удобрения из органических отходов путем приготовления исходной смеси, включающей измельчение ее компонентов до гранулометрического состава от 0.1 до 20 мм и обогащение комплексной микроэлементной добавкой, с последующей биоконверсией, осуществляемой в две стадии, первая из которых (стадия инкубации) протекает в течение 70 - 72 часов при температуре 37 - 39^oC, а вторая (стадия пастеризации) - 46-48 часов при температуре 75-85^oC, причем обе стадии носят как аэробный характер (в момент продувки), так и анаэробный (при отсутствии продувки), при этом после окончания второй стадии осуществляется постепенное охлаждение смеси до температуры окружающей среды (18 - 28^oC), является новым, по сравнению с прототипом.

Проведение процесса биоконверсии в две стадии: стадия инкубации и стадия пастеризации, позволяет наилучшим образом использовать все колонии бактерий, содержащихся в навозе, птичьем помете и торфе для получения готового продукта со стабильным и достаточно богатым по минеральным веществам, витаминам, белкам и аминокислотам составом. Предварительное обогащение загрузочной смеси комплексной микроэлементной добавкой позволяет еще больше повысить питательность готового продукта как при его использовании в качестве удобрения, так и в качестве кормовой добавки.

Краткое описание чертежей
Для пояснения способа получения кормовой добавки и удобрения из органических отходов приведены чертежи, где на фиг. 1 изображен биореактор (общий вид), а на фиг. 2 - пробоотборник, с помощью которого осуществляют отбор образцов для контроля за протеканием процесса биоконверсии.

Лучший вариант осуществления изобретения
Биореактор для осуществления способа получения кормовой добавки и удобрения из органических отходов состоит из корпуса 1, внутри которого размещена барботажная сетка 2, закрытого сверху крышкой 3. Через эту крышку 3 проходит приспособление 4 для вытягивания барботажной решетки 4. Биореактор устанавливают на подставку 5 в термостат, а контроль за температурой осуществляют по термометру 6. Для продувки смеси кислородсодержащим газом установлены барботажные трубки 7 - продольная аэрация, 8 - поперечная аэрация.

Для проведения процесса получения кормовой добавки и удобрения из органических отходов готовят смесь (исходный субстрат) из навоза и торфа, взятых в пропорции 50% на 50%. Для реактора с полезным объемом 1.75 дм³ необходимо 1540 г смеси (616 г навоза, 924 г торфа), компоненты тщательно перемешивают и пропускают через шнековую мельницу. Полученное сырье снова перемешивают и измельчают до получения практически монодисперсной системы. Далее полученную смесь обогащают (путем орошения при перемешивании) комплексной микроэлементной добавкой: на 1 кг сухого вещества смеси берут 2 мл раствора микродобавки, снова перемешивают и загружают в корпус биореактора 1 на барботажную сетку 2 и закрывают крышкой 3. Биореактор устанавливают на подставку 5 в термостат и термостатируют до температуры 35-40^oC (контроль осуществляется по термометру 6), продувают воздухом через барботажные трубки 7, 8. После этого начинается двухстадийный биоконверсионный процесс.

На первой стадии (стадии инкубации) проводят нагревание смеси до температуры 37 - 39^oC с продувкой воздухом через каждые 24 часа, при продолжительности процесса в течение 70 - 72 часов. На второй стадии (стадии пастеризации) проводят нагревание исходной смеси до 75 - 85^oC с продувкой воздухом через каждые 12 часов. Продолжительность процесса 46 - 48 часов. После этих двух основных технологических стадий биоконверсионного процесса проводят постепенное охлаждение смеси до температуры 22 - 28^oC. Контроль за протеканием биоконверсионного процесса осуществляют с периодичностью в 3 часа и использованием специального пробоотборника с привлечением методов микробиологического и химического анализа.

Пример 1
Проверка эффективности воздействия комплексной микроэлементной добавки проводилась на смеси 50% торфа и 50% навоза. В один из ферментеров в смесь не добавлялся комплекс микроэлементов. В другой ферментер добавлялась комплексная микроэлементная добавка, приготовленная из химически чистых реактивов. Для приготовления комплексной микроэлементной добавки последовательно растворяют в заданном объеме воды отвешенные навески реактивов. Полученным раствором равномерно орошают смесь, которую затем перемешивают. В таблице 1 приведены сравнительные данные влияния микроэлементной добавки на содержание биологически активных веществ в конечном продукте после 5 суток биоконверсии.

При введении комплексной микроэлементной добавки численность микроорганизмов, преобразующих органомассу в биоферментере, была значительно более высокой, превышая органомассу прототипа в 2-25 раз по отдельным физиологическим группам. Наиболее важным признаком формирования продукта явилось активное развитие аминокислотосинтетиков: при введении в исходную смесь для биоферментации комплексной микроэлементной добавки численность аминокислотосинтезирующих микроорганизмов достигала максимальной величины 133,3 млн/г субстрата (без добавки - только 6 млн/г), в связи с чем в конечном продукте наблюдали увеличение доли сырого протеина.

Из таблицы 1 следует, что при прочих равных условиях - температуре, влажности, соотношении компонент, pH и т.д. добавление в исходную смесь комплексной микроэлементной добавки способствует повышению протеина на 25% и жира на 12% в конечном продукте, он обогатился также жизненно необходимыми макро- и микроэлементами - фосфором, калием, селеном, бромом, рубидием, сурьмой, йодом на 10-90%, практически не изменилось содержание серы, кальция, марганца, железа, кобальта, кадмия.

Пример 2
Проверка эффективности воздействия комплексной микроэлементной добавки проводилась на смеси 60% торфа и 40% навоза. В один из ферментеров в смесь не добавлялся комплекс микроэлементов. В другой ферментер добавлялась комплексная микроэлементная добавка, приготовленная из химически чистых реактивов. Для приготовления комплексной микроэлементной добавки последовательно растворяют в заданном объеме воды отвешенные навески реактивов. Полученным раствором равномерно орошают смесь, которую затем перемешивают. В таблице 2 приведены сравнительные данные влияния микроэлементной добавки на содержание биологически активных веществ в конечном продукте после 5 суток биоконверсии.

При введении комплексной микроэлементной добавки численность микроорганизмов, преобразующих органомассу в биоферментере, была значительно более высокой, превышая органомассу прототипа в 2-25 раз по отдельным физиологическим группам. Наиболее важным признаком формирования продукта явилось активное развитие аминокислотосинтетиков: при введении в исходную смесь для биоферментации комплексной микроэлементной добавки численность аминокислотосинтезирующих микроорганизмов достигала максимальной величины 133,3 млн/г субстрата (без добавки - только 6 млн/г), в связи с чем в конечном продукте наблюдали увеличение доли сырого протеина.

Из таблицы 2 следует, что при прочих равных условиях - температуре, влажности, соотношении компонент, pH и т.д. добавление в исходную смесь комплексной микроэлементной добавки способствует повышению протеина на 25% и жира на 12% в конечном продукте, он обогатился также жизненно необходимыми макро- и микроэлементами - фосфором, калием, селеном, бромом, рубидием, сурьмой, йодом на 10-90%, практически не изменилось содержание серы, кальция, марганца, железа, кобальта, кадмия.

Промышленная применимость
Предлагаемый способ можно широко применять для переработки органических отходов, образующихся на больших животноводческих комплексах и птицефермах, в кормовые добавки и удобрения с заданным и стабильным химическим составом.

Формула изобретения

1. Способ биоконверсии органических отходов в кормовую добавку и удобрение, включающий смешение исходной смеси, состоящей из органических отходов и торфа, загрузку смеси в реактор, продувку ее кислородсодержащим газом в продольном и поперечном направлениях во время протекания биоконверсионного процесса, проводимого при повышенной температуре, выгрузку смеси из реактора, отличающийся тем, что в исходную смесь вводят биологически активные вещества, биоконверсионный процесс ведут в две стадии, первая из которых протекает в течение 70 - 72 ч, а вторая - в течение 46 - 48 ч, при этом температурный интервал проведения первой стадии равен 37 - 39^oC, а второй стадии - 75 - 85^oC, с последующим охлаждением до температуры окружающей среды, причем продувку кислородсодержащим газом осуществляют периодически.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве биологически активных веществ используют комплексную микроэлементную добавку, включающую следующие компоненты, мас.%:
Железо сернокислое - 3,40 - 4,60
Марганец сернокислый - 1,30 - 2,40
Кобальт сернокислый - 0,24 - 0,31
Цинк сернокислый - 2,70 - 3,40
Медь сернокислая - 0,70 - 0,90
Иодистый калий - 0,12 - 0,15
Ванадиевокислый аммоний - 0,01 - 0,02
Двухромовокислый калий - 0,13 - 0,16
Молибденовокислый аммоний - 0,05 - 0,15
Сернокислый магний - 5,00 - 7,00
Галлий азотнокислый - 0,04 - 0,06
Мышьяковистокислый натрий - 0,005 - 0,009
Селенистокислый натрий - 0,005 - 0,01
Индий азотнокислый - 0,03 - 0,04
Бромистый калий - 0,50 - 0,60
Рубидий азотнокислый - 0,05 - 0,09
Теллуровокислый натрий - 0,007 - 0,009
Висмут азотнокислый - 0,012 - 0,013
Никель азотнокислый - 0,015 - 0,023
Борная кислота - 0,78 - 1,18
Цезий азотнокислый - 0,031 - 0,047
Олово хлористое - 0,068 - 0,100
Вода - Остальное до 100.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после окончания процесса биоконверсии проводят охлаждение смеси до температуры 18 - 28^oC.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед проведением биоконверсии компоненты смеси измельчают до гранулометрического состава от 0,1 до 20 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4