Способ биоконверсии растительных отходов и установка для его осуществления

 

Изобретение предназначено для использования в сельском хозяйстве, в частности в комбикормовой промышленности при переработке различных видов растительного сырья, включая отходы растениеводства, мукомольного, элеваторного производства, а также пищевой, спиртовой и пивоваренной промышленности. Способ включает следующие этапы: подготовку сырья, засев микробной культурой, ферментацию и пастеризацию. Перед ферментацией растительные отходы подвергают импульсной тепловой обработке. В подготовленное сырье вводят путем засева в качестве источника ферментных препаратов смесь культур микроорганизмов, состоящую из дрожжей, бактерий и грибов, вырабатывающих ферменты, обладающие амилолитическими и целлюлозолитическими свойствами, проводят ферментацию полученной биомассы, пастеризацию, в процессе которой производят повторяющийся 3 - 5 раз импульсный нагрев и последующее снижение температуры до 30^oС. В смеси культур микроорганизмов используют дрожжи Sacharomyces cerevisial diataficus, бактерии Acinetobacter и мицелиальные грибы Polyporus Squamosus Endomycopsis fibuliger. Установка содержит горизонтальную емкость, установленную с возможностью вращения на пустотелой оси, источник давления, рециркуляционный воздухопровод, выполненный в виде трубы, соединяющей выход емкости со входом источника давления, и снабженный регулятором подачи свежего воздуха, управляемым от датчика кислорода, и ограничителем давления воздуха. Ось вращения емкости состоит из двух консольных полых полуосей, соединенных нагревателем, выполненным в виде плоского пустотелого элемента, жестко закрепленного на полуосях и соединенного с нагнетательным выходом источника давления и входом рециркуляционного воздухопровода. Внешний контур этого элемента повторяет конфигурацию внутренней поверхности емкости и снабжен щеточной окантовкой, очищающей емкость. Изобретение обеспечивает получение белковых кормовых добавок с повышенным содержанием белка из различных видов растительных отходов и безотходный процесс производства таких добавок. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в комбикормовой промышленности при переработке различных видов растительного сырья, включая отходы растениеводства, мукомольного, элеваторного производства, а также пищевой, спиртовой и пивоваренной промышленности.

Известны способы получения кормовых белковых добавок, включающие подготовку сырья, добавление минеральных солей, ферментацию полученной биомассы смесью культур микроорганизмов (дрожжей, грибов) (см. RU 2050142 C1, 20.12.95, SU 751385 A, 30.07.80).

К недостаткам известных способов можно отнести большие энергозатраты на осуществление процесса и получение готового продукта.

Известно также устройство для переработки пищевых и растительных отходов, содержащее горизонтальную емкость, установленную с возможностью вращения на пустотелой оси, являющейся одновременно воздухо- и паропроводом, и источник давления (SU 1583070 A1, 07.08.80).

В этом известном устройстве подогретый пар или воздух поступает в полую центральную ось и по стойкам направляется в клинообразный трубопровод и далее через его отверстия поступает и проходит через обрабатываемую массу, обеспечивая протекание технологического процесса.

К недостаткам этого известного устройства можно отнести сложность его конструкции и ограниченность применения.

Наиболее близким по технической сущности является способ приготовления корма из растительного сырья для сельскохозяйственных животных, предусматривающий измельчение сырья, добавление минеральных солей, нагревание и выдерживание при температуре нагревания, гидролиз сырья смесью целловиридина ГЗх с пектофоетидином ГЗх в количестве 0,3-0,5% от массы сырья, охлаждение гидролизата, засев его дрожжами, культивирование их при аэрации с последующей сушкой полученного корма, в котором минеральные соли вводят в гидролизат перед засевом дрожжей (SU 1255096 A1, 07.09.86).

Недостатком известного способа является ограниченность его применения.

Задачей, решаемой при создании предлагаемого изобретения, является получение белковых кормовых добавок из различных видов отходов (отруби, пивная дробина, спиртовая барда, измельченные растительные отходы, такие как солома, ботва и др.). Биоконверсия исходного сырья должна охватывать не только углеводную, но и целлюлозную его части, подвергаемые воздействию целлюлитических ферментов, продуцируемых применяемой микрофлорой в процессе биосинтеза белка.

Технический результат изобретения состоит в том, что содержание белка в обрабатываемой массе повышается до 30-35%, что улучшает характеристики кормовой белковой добавки или высокобелкового корма в рационах животных и птицы, и обеспечивает безотходный процесс производства.

Технический результат достигается тем, что в подготовленное сырье вводят путем засева в качестве ферментных препаратов смесь культур микроорганизмов, состоящую из дрожжей, бактерий и мицелиальных грибов, вырабатывающих амилолитические и целлюлозолитические ферменты, при этом ферментацию полученной биомассы производят в течение 1-5 суток при поддержании ее температуры в пределах 30-35^oC, pH в пределах 4,5-6,5 и влажности в пределах 60-75% с постоянной аэрацией и периодическим или непрерывным перемешиванием, а при последующей тепловой обработке биомассы осуществляют ее плазмолиз посредством нагрева и затем ее обезвоживание путем активной продувки подогретым воздухом, температура которого не превышает 100^oC. При плазмолизе биомассы производят повторяющийся 3-5 раз импульсный нагрев ее до температуры 70^oC с выдержкой этой температуры в течение 0,3-0,5 часа и последующим снижением температуры до 30^oC. В смеси культур микроорганизмов используют дрожжи Candida scottti или Sacharomyces cerevisial diataficus, бактерии Acinetobacter, мицелиальные грибы Endomycopsis fibuliger. При использовании лигноцеллюлозных растительных отходов, например соломы или ботвы, при подготовке сырья названные отходы предварительно обрабатывают жидким триходермином. Получаемый после обезвоживания биомассы готовый продукт непосредственно направляют на фасовку или предварительно гранулируют, а затем расфасовывают.

Способ биоконверсии включает следующие этапы: подготовку сырья, засев микробной культурой, ферментацию и пастеризацию (путем плазмолиза).

Перед ферментацией растительные отходы, например отруби, подвергают импульсной тепловой обработке с нарастанием температуры субстрата от 30 до 70^oC с периодичностью 0,3-0,5 часа, от 3 до 5 раз, затем производят засев смешанной культурой из дрожжей, мицелиальных грибов и бактерий. Смесь состоит из дрожжей Candida scotti, грибов Endomycopsis и Poliporus, бактерий Acinotobacter. Затем полученную биомассу нагревают до температуры ферментации 30 - 35^oC и выдерживают на твердой фазе в течение 1-5 суток. Растительный субстрат, подвергаемый биоконверсии, должен иметь влажность в пределах 60-75%, количество засевной массы от 2 до 10% к объему субстрата. Ферментация осуществляется при постоянном или периодическом перемешивании субстрата, при постоянной аэрации, длительность процесса 1-5 суток. Состав минеральных компонентов среды зависит от вида перерабатываемого сырья, но должен включать элементы, которые необходимы для нормального синтеза белка. Основные элементы минеральной среды должны присутствовать в питательной среде из расчета на 1 г получаемой биомассы: N - 80 мг, PO - 40 мг, К - 25 мг, Mg - 3 мг, Fe - 1 мг, Zn - 0,6 мг, Mn - 0,1 мг. В состав среды могут добавляться различные биостимуляторы и биологически активные соединения (автолизат, кукурузный экстракт), отдельные дополнительные микроэлементы (Mo, Ni, Cr, Co) и т.д.

Ферментация осуществляется при температуре 30 - 35^oC, являющейся оптимальной для роста и развития большинства микроорганизмов, синтезирующих белок.

В процессе ферментации осуществляется контроль за развитием микроорганизмов - продуцентов белка по следующим технологическим параметрам: температура - 30 -35^oC pH - 4,5 - 6,5 перемешивание среды - периодическое или постоянное влажность смеси - 60-75% Контроль осуществляется не менее чем 1 раз в сутки.

Получаемая белково-витаминная смесь после ферментации подвергается пастеризации и обезвоживанию.

Пастеризацию осуществляют путем импульсно-тепловой обработки, т.е. объем биомассы нагревают до температуры 70^oC и выдерживают в течение 0,3-0,5 часа, затем температура снижается до 30^oC, цикл повторяют 3-5 раз. После пастеризации биомасса подвергается сушке в самой установке воздухом, подогретым до 100^oC. Влажность готового продукта составляет 20-25%. Получаемый после обезвоживания биомассы готовый продукт непосредственно направляют на фасовку или предварительно гранулируют, а затем расфасовывают. Готовый продукт может быть использован непосредственно, если установка расположена на животноводческом или птицеводческом предприятии.

При биоконверсии лигноцеллюлозных растительных отходов, например соломы, ботвы и др., перед ферментацией их обрабатывают культуральной жидкостью, содержащей бактерии и вырабатываемые ими амилолитические, целлюлозолитические ферменты, например триходермином.

Примеры осуществления способа.

Пример N 1.

Ассоциация микроорганизмов, состоящая из Endomycopsis sp., Polyporus squamosus и Acinetobactor sp.

Выращивание проводят при температуре 32-34^oC, pH 4,5-6,0 на среде следующего состава: смесь ржаных и пшеничных отрубей (1:1).

Подготовка зерносырья: гидромодуль (смесь пшеничных отрубей по инструкции). Осахаривание собственными ферментами осуществляется при температуре 55^oC в течение 40 мин.

Состав минеральной среды, на которой проводят процесс ферментации: азот аммонийный - 1300 мг/л; фосфор (P₂O₅) - 1500 мг/л; калий - 1400 мг/л; магний - 210 мг/л; железо - 3,1 мг/л; цинк - 2,3 мг/л; марганец - 1,5 мг/л.

Процесс ферментации осуществляется в течение 48 часов при постоянном микробиологическом контроле. Количество белка в биомассе составляет 42,5%.

Пример N 2.

Ассоциация микроорганизмов состоит из дрожжей Saccharomyces cerevisiae diastaticus ВКПМ 1218, гриба Endomycopsis sp. и бактерий Acinetobacter sp.

Процесс ферментации осуществляют при аэрации, влажности субстрата 65-70%, в который после термообработки в течение 30-40 минут при температуре 75^oC добавляют необходимые минеральные соли в количествах, указанных в примере N 1. Процесс ферментации осуществляют при pH 4,5-5,0 и температуре 32-34^oC в течение 48-52 часов.

В результате получается белковый кормовой продукт с содержанием сырого протеина 45,3%.

Предлагаемый способ можно широко применять непосредственно на животноводческих комплексах, птицефермах и комбикормовых предприятиях для переработки органических отходов в кормовые добавки с заданным и стабильным химическим составом.

Для осуществления способа биоконверсии растительных отходов предлагается установка, показанная на чертеже.

Установка представляет собой твердофазный биореактор, состоящий из вращающейся горизонтальной ферментационной емкости 1, установленной на двух консольных полых полуосях 2 и 3, соединенных плоским контактным нагревателем 4, выполненным в виде плоского пустотелого элемента, жестко закрепленного на полуосях 2 и 3 и соединенного с нагнетательным выходом 5 источника давления (вентилятора) 6 и входом рециркуляционного воздухопровода 7. Указанный нагреватель 4 выполнен в виде полой плоской панели, через которую проходит подогретый воздух. Внешний контур панели повторяет конфигурацию внутренней поверхности ферментационной емкости 1 и снабжен щеточной окантовкой 8, выполненной из деформируемого материала и обеспечивающей очистку емкости 1 от налипающих частиц ферментируемой биомассы.

Рециркуляционный воздухопровод 7 имеет регулятор подачи свежего воздуха 9, управляемый датчиком кислорода 10, и ограничитель давления 11, установленный на указанном воздуховоде 7.

В ферментационной емкости 1 выполнены герметизирующие люки 12 для подачи в емкость 1 перерабатываемой биомассы и выгрузки готового продукта из емкости 1.

Установка имеет привод 13 вращения ферментационной емкости 1, связанный с последней системой шестерен, а также терморегулирующее устройство 14 и кислородомер 15.

Установка работает следующим образом. Компоненты перерабатываемой биомассы через герметизирующие люки 12 подаются в ферментационную емкость 1, куда через полую полуось 2 подается нагретый воздух и/или пар. После этого включается привод 13, которым емкость 1 приводится во вращение через систему шестерен. По истечении периода перемешивания и ферментации температура подаваемого воздуха посредством терморегулирующего устройства 14 повышается до температуры пастеризации (плазмолиза), после этого через те же люки 12 осуществляется выгрузка готового продукта. Контроль температуры циркулирующего воздуха и содержание в нем кислорода осуществляется с помощью терморегулирующего устройства 14 и кислородомера 15.

Далее цикл повторяется.

Формула изобретения

1. Способ биоконверсии растительных отходов, включающий подготовку сырья, добавление минеральных солей, введение в подготовленное сырье ферментных препаратов, ферментацию полученной биомассы при стабильной температуре и ее последующую тепловую обработку, отличающийся тем, что предварительно растительные отходы подвергают импульсной тепловой обработке с нарастанием температуры субстрата от 30 до 70^oC с периодичностью 0,3 - 0,5 ч, 3 - 5 раз, затем в подготовленное сырье вводят путем засева в качестве продуцентов ферментов смесь культур микроорганизмов, состоящую из дрожжей, бактерий и мицелиальных грибов, вырабатывающих амилолитические и целлюлозолитические ферменты, при этом ферментацию полученной биомассы производят в течение 1 - 5 суток при поддержании ее температуры в пределах 30 - 35^oC, рН в пределах 4,5 - 6,5 и влажности в пределах 60 - 75% с постоянной аэрацией и периодическим или непрерывным перемешиванием, а при последующей тепловой обработке биомассы осуществляют ее пастеризацию (плазмолиз) посредством нагрева и затем ее обезвоживание путем активной продувки подогретым воздухом, температура которого не превышает 100^oC.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при пастеризации биомассы производят повторяющийся 3 - 5 раз импульсный нагрев ее до 70^oC с выдержкой этой температуры в течение 0,3 - 0,5 ч и последующим снижением температуры до 30^oC.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в смеси культур микроорганизмов используют дрожжи Sacharomyces cerevisial diataficus, бактерии, например Acinetobacter, и мицелиальные грибы, например Polyporus Squamosus, и дрожжевые грибы, например Endomycopsis fibuliger.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что при использовании лигноцеллюлозных растительных отходов, например соломы или ботвы, при подготовке сырья названные отходы предварительно обрабатывают жидким триходермином.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что получаемый после обезвоживания биомассы готовый продукт непосредственно направляют на фасовку или предварительно гранулируют, а затем расфасовывают.

6. Установка для биоконверсии растительных отходов, включающая горизонтальную емкость, установленную с возможностью вращения на пустотелой оси, являющейся одновременно воздухо- и паропроводом, и источник давления, отличающаяся тем, что она содержит рециркуляционный воздухопровод, выполненный в виде трубы, соединяющей выход емкости со входом источника давления, и снабженный регулятором подачи свежего воздуха, управляемым от датчика кислорода, и ограничителем давления воздуха, а пустотелая ось вращения емкости состоит из двух консольных полых полуосей, соединенных плоским контактным нагревателем, выполненным в виде плоского пустотелого элемента, жестко закрепленного на полуосях и соединенного с нагнетательным выходом источника давления и входом рециркуляционного воздухопровода, причем внешний контур названного элемента повторяет конфигурацию внутренней поверхности емкости и снабжен щеточной окантовкой, выполненной из деформируемого материала и обеспечивающей очистку емкости от налипающих частиц ферментируемой биомассы.

РИСУНКИ

Рисунок 1