Способ переработки хвойных пород древесины

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ переработки хвойных пород древесины. Способ включает инкубацию яиц мух Hermetia illucens на питательной среде до появления личинок, отделение личинок и заселение ими субстрата хвойных пород древесины, биоконверсию субстрата личинками и отделение биомассы личинок от биогумуса. Изобретение обеспечивает получение биогумуса и биомассы насекомых с высоким содержанием протеина, обогащённой микроэлементами и органическими веществами. 2 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Изобретение относится к экологии, безотходным и ресурсосберегающим технологиям, в частности к способам утилизации и переработки трудно-разлагаемых древесных отходов, а также к биотехнологии и сельскому хозяйству, в частности кормопроизводству, к способу переработки растительного сырья, в высокопитательный корм для сельскохозяйственных животных, объектов аквакультуры и способам производства удобрений.

При существующих способах заготовки и переработки древесного сырья используется около половины биомассы дерева, остальное идет в отходы. Объемы древесных отходов (сучья, кора, горбыли, опилки и стружка) колоссальны и большая их часть складируется непосредственно в местах самих лесозаготовок или на свалках. Лишь незначительная часть отходов поступает на вторичную переработку.

Существует несколько путей переработки древесных отходов (лигноцеллюлозного сырья). Наиболее доступны брикетирование и пеллетирование опилок и щепы для применения в качестве топлива. Отходы также используются в качестве строительных материалов, для синтеза промышленных соединений, например формальдегидных смол, композитных материалов и т.п. Высокая поглотительная способность древесных отходов, обуславливает возможности их применения в качестве сорбентов широкого спектра действия.

Другим способом переработки лигноцеллюлозного сырья является гидролизное производство. Из опилок после химической переработки можно получить этиловый спирт, кормовые белковые дрожжи, фурфурол, жидкую углекислоту и другие ценные продукты.

Особый интерес представляет использование древесных отходов для целей сельского хозяйства. Существует несколько вариантов применения, в частности, прямое внесение лигноцеллюлозного сырья в почву в качестве мульчи или удобрения.

Применение лигноцеллюлозного сырья в качестве удобрений имеет как положительные эффекты, так и отрицательные, поскольку требуют дополнительных химических модификаций, внесения высоких доз минерального азота и утилизации продуктов распада. При внесении не обработанного сырья в почву происходит значительное ее подкисление, что имеет негативный эффект на многие с/х культуры, для предотвращения закисления проводят химическую нейтрализацию с использованием щелочей, извести или фосфоритной муки. Лигноцеллюлозное сырье обладает также способностью к физическому и химическому поглощению минеральных веществ, в частности ведет к обеднению почв азотом. Для нейтрализации этих процессов сырье подвергают окислению азотной кислотой, с последующей нейтрализацией углеамонийными солями или обработкой раствором аммиака, мочевиной и т.п. Питательную ценность удобрений на основе лигноцеллюлозного сырья повышают внесением как минеральных, так и органических соединений, например обогащением азотом из птичьего помета, торфом и другими добавками.

Альтернативой прямому применению является компостирование. Компостирование можно подвергать практически любые отходы: гидролизный лигнин, опилки, щепу, кору и т.п. Главной проблемой компостирования является длительность процесса, занимающего от 2-3хмесяцев до нескольких лет. Таким образом, существующие методы переработки древесных отходов (лигноцеллюлозного сырья) являются либо ресурсозатратными, требующими специальной химической или физической обработки, либо низкорентабельными (использование в качестве топлива) или же требуют продолжительного времени (компостирование).

Предлагаемый способ подразумевает переработку трудно-разлагаемых древесных отходов, а именно, отходов, полученных после обработки хвойных пород древесины, с получением белкового продукта – биомассы насекомых, с содержанием протеина более 40%, и биогумуса. В основе данного способа лежит возможность получения высококачественного белкового продукта как основной альтернативы рыбной муке или частичной ее замены и экологически чистого биоудобрения, пригодного для органического земледелия.

Биоконверсия (биодергадация) древесных отходов (лигноцеллюлозного сырья) является одним из наименее затратных и относительно быстрых способов утилизации сырья с получением ценных белковых продуктов и высокоэффективных удобрений. Известны способы биопереработки древесных отходов с помощью различных культур микроорганизмов и грибов (микро- и макромицетов), а также переработки червями (в частности, дождевыми червями, калифорнийским червем и др.). При этом в литературе нет описаний промышленной переработки древесных отходов с помощью насекомых, широко используемых для утилизации множества других органических отходов. Считается, что древесные отходы, в частности отходы хвойных пород древесины, содержат в своём составе органические инсектициды и репелленты (терпены, алкалоиды, фенол и др.) токсичные для большинства насекомых, используемых в биоконверсии.

Известен способ переработки органических отходов (свиного навоза) личинками мух Hermetia illucens (Linnaeus, 1758) («черная львинка», «черный солдат»), по которому содержат имаго (взрослых мух) в инсектарии, получают яйцекладки, помещают образовавшиеся из яиц личинки в резервуар с навозом, выдерживают массу для переработки навоза и отделяют биомассу личинок (Larry Newton et al. "Using the Black Soldier Fly, Hermetia illucens, as a Value-Added Tool for the Management of Swine Manure", June 6, 2005, страница в Интернете http://www.organicvaluerecovery.com/studies/studies_htm_files/bsf_value_added.pdf).

Известен способ культивирования личинок синантропных мух на нативном свином навозе с получением биомассы личинок для кормовых целей, а также биоудобрения (RU 2088080 С1, опуб. 27.08.1997). Сущность данного способа сводится к получению яйцекладок мух в репродукторе, инкубации и подросту личинок в предкультиваторе, переработке кормового субстрата и накоплению биомассы личинок в культиваторе, с последующей сепарацией личинок последнего возраста от биогумуса. Благодаря стадии 2-этапного культивирования личинок данный способ позволяет сократить общее время процесса биоконверсии, а также рабочую площадь культиватора.

Однако данный способ не подходит для переработки субстратов с высоким содержанием растительных полимеров (целлюлозы, древесины, геминоцеллюлозы, лигнина), поскольку синантропные (домовые) мухи не способны перерабатывать растительные полимеры. К тому же, домовая муха является потенциальным разносчиком бактериальных и грибных инфекций.

Известен способ переработки органических отходов личинками мух Hermetia illucens с получением белка животного происхождения и биогумуса, заключающийся в том, что готовят субстрат из коровьего навоза, который обезвоживают, ферментируют в течение 1-2 суток с использованием кисломолочных бактерий, заселяют полученный субстрат личинками мух Hermetia illucens возраста 3-4 суток, осуществляют биоконверсию субстрата в течение 5-6 суток и отделяют полученную биомассу личинок от полученного биогумуса (CN 104844288 А, 19.08.2015). На субстрат, полученный из 100 кг коровьего навоза, заселяют 20 кг личинок и после переработки получают 32,3 кг биомассы личинок, то есть происходит увеличение биомассы личинок всего в 1,6 раза. То есть низкий выход биомассы личинок и данный способ не предполагает биоконверсию трудно-разлагаемых пород древесины (хвойные), что является первостепенной задачей нашего изобретения.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является RU 2 654 220 C1 (ООО "Биогенезис"), 17.05.2018 из которого известен способ переработки органических отходов с помощью личинок Hermetia illucens II-III возраста, заселяя субстрат этими личинками с плотностью 2,5-5,0 экз/см². Осуществляют биоконверсию субстрата в течение 7-14 суток и отделяют биомассу личинок от полученного биогумуса. Однако в качестве субстрата для переработки используют навоз сельскохозяйственных животных, или птичий помет, или смесь птичьего помета с соломой, или спиртовую барду, или пивную дробину, или зерновые отходы, или отруби, или неликвидные семена сельскохозяйственных культур, или жмых, или шрот, или пищевые отходы.

То есть аналог не предполагает осуществление прямой биоконверсии трудно-разлагаемых пород древесины (хвойные).

Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении получения биогумуса и высококачественного белкового продукта – биомассы насекомых с высоким содержанием протеина, обогащённой микроэлементами и органическими веществами. Биомасса насекомых пригодна для изготовления кормов для сельскохозяйственных животных и аквакультуры. Биогумус пригоден для прямого применения в качестве удобрения. Производство биомассы насекомых и биогумуса за счет биоконверсии трудно-разлагаемых пород древесины, а именно, древесины хвойных пород, происходит напрямую, не требует дополнительной предварительной химической или биологической обработки древесины чем-либо, что, соответственно, делает заявленный способ более доступным, как с производственной, так и с экономической точек зрения.

Технический результат обеспечивается за счет способа переработки хвойных пород древесины, заключающегося в том, что яйца мух Hermetia illucens инкубируют до появления личинок на питательной среде, отделяют личинок, и заселяют ими предварительно ничем не обработанный субстрат хвойных пород древесины с плотностью от 10 до 100 экз/см², прямая биоконверсия субстрата осуществляется личинками в течение 3-7 суток при температуре от 25 до 29°С, после чего отделяют биомассу личинок от полученного биогумуса.

В частности, предпочтительно использование личинок мух Hermetia illucens для заселения на необработанный субстрат хвойных пород древесины отбирают размером от 5 до 12-15 мм. Личинки указанного размера показали лучшую эффективность переработки.

При этом под предварительной обработкой предполагают химическую или микробную ферментацию, гидролиз, предварительное смешивание древесного субстрата (опилок) с органическими субстратами.

Нами установлено, что личинки Hermetia illucens (рус: Черная львинка, вид двукрылых из семейства львинок. Лат. Hermetia illucens (Linnaeus, 1758)) способны на прямую переработку (биоконверсию) измельченных древесных отходов всех типов, в том числе и отходов хвойных, без необходимости какой-либо предварительной химической или биологической обработки, в том числе микробного ферментированния, гидролиза и т.п.

При биоконверсии с помощью Hermetia illucens измельченные фрагменты древесных отходов напрямую поедаются личинками и, в результате переработки в ходе жизнедеятельности личинок, на выходе образуется биогумус, обогащённый микроэлементами и органическими веществами, пригодный для прямого применения в качестве удобрения.

Сами личинки Hermetia illucens, выращенные на древесных отходах представляют собой продукт, пригодный для применения в качестве живого корма для домашних и сельскохозяйственных животных, птицы, рыбы, а в переработанном виде как высококачественный белковый продукт – протеин насекомых.

Таким образом, утилизация трудноразлагаемых отходов древесины (в частности древесины хвойных пород) в ходе прямого поедания личиночными стадиями Hermetia illucens – является новым технологическим решением.

Экспериментально было установлено, что прямая биоконверсия за счет деятельности Hermetia illucens позволяет чрезвычайно быстро (в срок от 3х до 7 дней) переработать значительные объёмы древесных отходов хвойных пород, без применения каких-либо процедур предварительной обработки (химической или биологической обработки, в том числе микробного ферментирования, гидролиза и т.п.).

Способ осуществляют следующим образом.

Предварительно получают яйца мух Hermetia illucens, которые инкубируют на питательной среде до появления личинок.

В частности, использовались стадии личинка (личинка I) и предкуколка (личинка II), что по размеру составляет от 5 до 12-15 мм. Однако, это не ограничивает данное решение, поскольку, как показали проведенные испытания, независимо от размеров обеспечивается переработка отходов древесины.

Заселяют предварительно ничем не обработанный субстрат хвойных пород древесины этими личинками с плотностью от 10 до 100 экз/см² (плотность посадки зависит от размера личинок). Субстрат располагают в штабелируемых контейнерах.

При температуре от 25 до 29°С осуществляют прямую биоконверсию субстрата в течение 3-7 суток.

Проводят сепарацию биомассы личинок от полученного биогумуса, термообработку и фасовку биогумуса и биомассы личинок.

Под предварительной обработкой предполагают химическую или биологическую обработку, в том числе микробную ферментацию, гидролиз, предварительное смешивание опилок с органическими субстратами.

Под органическими субстратами предполагают: навоз, помет, пивную дробину, спиртовую барду, бытовые и промышленные органические отходы, отходы скотобоен, предприятий животноводства, птицеводства и аквакультуры.

Введение стадии сепарации личинок I-II возрастов (размером от 5 до 12-15 мм) обеспечило эффективное использование личинок: исключение из расчета неоплодотворенных и погибших яиц, а также точный расчет необходимого количества личинок для заселения определенного объема субстрата, сокращение площади маточного помещения.

Эффективность переработки субстрата зависит от размера Hermetia illucens т.е. возраста. Наиболее эффективно работают личинки среднего размера (стадия личинка I-II) от 5 и до 12-15 мм при температурах в диапазоне от 25 до 29°С. Но можно использовать и личинок других размеров, и другие температуры, это не ведет к изменению сути изобретения, а именно - переработки опилок, хотя изменение температурного режима и размера (стадии) личинок ведет к снижению эффективности этой переработки.

Заявленный способ поясняем следующими примерами.

Пример 1

В целях проведения производственных испытаний была сформирована совокупность из десяти контейнеров с субстратом, изготовленным на основе трудно-разлагаемых пород древесины (сосна). 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 размером от 5- 10 мм. Функциональная площадь контейнера составляла 2108 см². Плотность расселения личинок составляла десять особей на 1 см², т.е. 21080 особей на контейнер. Процесс биоконверсии осуществлялся на протяжении 7 суток при температуре от 25 до 29°С.

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 54±4,3%.

Пример 2

В целях проведения производственных испытаний была сформирована совокупность из десяти контейнеров с субстратом, изготовленным на основе трудно-разлагаемых пород древесины (ель). 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 размером 11-15 мм. Функциональная площадь контейнера составляла 2108 см². Плотность расселения личинок составляла 50 особей на 1 см², т.е. 105400 особей на контейнер. Процесс биоконверсии осуществлялся на протяжении 3 суток при температуре от 25 до 29°С.

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 53,5±3,9%.

Пример 3

Была сформирована совокупность из десяти контейнеров с субстратом, изготовленным на основе трудно-разлагаемых пород древесины (ель). 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 размером 16-20 мм. Функциональная площадь контейнера составляла 2108 см². Плотность расселения личинок составляла 100 особей на 1 см², т.е. 210800 особей на контейнер. Процесс биоконверсии осуществлялся на протяжении 3 суток при температуре от 25 до 29°С.

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 200,1±18,2 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 48,3±1,9%.

Таким образом, была доказана эффективность переработки древесины с помощью личинок Hermetia illucens при подобранных нами условиях.

1. Способ переработки хвойных пород древесины, заключающийся в том, что яйца мух Hermetia illucens инкубируют до появления личинок на питательной среде, отделяют личинок и заселяют ими предварительно ничем не обработанный субстрат хвойных пород древесины с плотностью от 10 до 100 экз./см², прямая биоконверсия субстрата осуществляется личинками в течение 3-7 суток при температуре от 25 до 29°С, после чего отделяют биомассу личинок от полученного биогумуса.

2. Способ по п.1, где под предварительной обработкой предполагают химическую или микробную ферментацию, гидролиз, предварительное смешивание древесного субстрата с органическими субстратами.

3. Способ по п.1, где личинок мух Hermetia illucens для заселения на необработанный субстрат хвойных пород древесины отбирают размером от 5 до 12-15 мм.