Изобретение относится к масложировой промышленности. Способ предусматривает подготовку, экстракцию с отделением соответствующего экстракта, с использованием в процессе каждой стадии экстракции периодического сбрасывания и повышения до исходного значения с отделением соответствующего экстракта. Перед экстракцией проводят пропарку исходного сырья с одновременной отгонкой эфирных масел и терпенов, затем ведут экстракцию водным 70% этиловым спиртом, с последующим разделением экстракционной массы на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента. Твердую фазу промывают экстрагентом, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием с последующим отжимом экстракта. Твердый шлам экстрагируют смесью 20% этилового спирта - 80% неполярного углеводорода алифатического ряда с последующим разделением экстракционной массы на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием. Твердый шлам промывают экстрагентом, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием с последующим отжимом экстракта. Полученные продукты направляют на выделение целевых продуктов. Изобретение позволяет увеличить ассортимент извлекаемых продуктов при упрощении технологического процесса. 4 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области комплексной переработки растительного сырья с выделением нативных компонентов: эфирных масел, биофлавоноидов, активных натуральных пищевых кислот, витаминов, микро- и макроэлементов и т.д., которые могут быть использованы в качестве биологически активных добавок в пищевых и фармацевтических композициях, обладающих широким биологическим действием.
Растительное сырье является нативным природным биополимером, состоящим из нерастворимых в воде углеводов (целлюлоза, гемицеллюлоза) и лигнина, содержит растворимые в воде сахара, крахмал, пектины, соли и другие компоненты, а также экстрактивные вещества - эфирные масла, терпены, растительные полифенолы, стерины, лигнаны, танниды, липиды, жирные кислоты, азотсодержащие соединения.
При комплексной переработке растительного сырья из него получают:
Эфирные масла, терпены, используемые в парфюмерии, медицине, пищевой и консервной промышленности (Сокольников Н.П., Кондратицкий А.П., Технология эфиромасличного производства, М., 1958);
Витамины, применяемые в производстве пищевых добавок, фармацевтической промышленности;
Полифенолы - находящие применение в качестве антиоксидантов в органическом синтезе, в технике, сельском хозяйстве, производстве пищевых добавок, сырья в ветеринарии, фармацевтической промышленности;
Органические соединения - олигосахариды, используемые в качестве связующего при производстве таблеток, красок, эмульгаторов, биологически активных веществ, в качестве клея;
Технические продукты - нативный нерастворимый биополимер древесины, содержащий лигнин и целлюлозу, используемый в качестве сырья для производства микроцеллюлозы, технической целлюлозы, компонентов кормов крупного рогатого скота, сорбентов, угольных материалов, технического углерода, находящего применение в качестве сорбента для очистки почвы, воды, технологических стоков, для сбора нефти, нефтепродуктов, для производства корундов, при выплавке металлов, в качестве пигментных наполнителей и т.д. (Холькин Ю.И., Технология гидролизных производств. М.: Лесная промышленность, 1989).
Существующие способы переработки растительного сырья с хорошим выходом и высокой степенью чистоты предполагают уже на стадии экстракции, получение компонентов концентрированного лекарственного вещества или их комбинации с отделением соответствующего экстракта, который предусматривает возможность получения двух и более экстрактов или их купажа в качестве целевых продуктов (RU 2045917 С1, 20.10.1995) и применение их в индивидуальном виде либо композиции, выполненной в жидкой форме, в форме пилюль, таблеток, капсул, гранул. Для полноты извлечения и избежания потери экстрагируемых веществ из растительных объектов используют многократную экстракцию.
Технически задача может осуществляться экстрагированием в вакуумно-импульсном режиме при сбросе давления для вскипания экстрагента, выдержке под вакуумом, восстановлении исходного атмосферного давления и нагревании смеси до исходной температуры и отделением экстракта после 5 циклов изменения давления. Это позволяет нагреть сырье до температуры, не вызывающей денатурацию материала, осуществить смачивание и пропитку нагретого и дегазированного сырья нагретым растворителем в вакуумно-импульсном режиме (RU 2163827 С2, 03.10.2001).
Недостатком этого способа является работа под вакуумом и низкий коэффициент использования сырья, так как в сверхкритических условиях извлекается только жирорастворимая часть, в то время как все водорастворимые вещества остаются в твердом шламе, который далее не перерабатывается, а значительное измельчение сырья не обеспечивает полного извлечения каротиноидов и токоферолов, так как сырье размером менее 0,3 мм подвержено слипанию, что затрудняет процесс экстракции (Э.А. Шафтан и др. Использование экстракта из Rosa L. для косметических целей. Растительные ресурсы, 1976. Т.XIV, в.2, с.208-211).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и комплексности использования сырья является способ переработки экстракцией измельченных ягод шиповника водой и неполярным сжиженным газом. Давление в экстракционной смеси периодически сбрасывают до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, и повышают до исходного значения. Это сокращает продолжительность технологического цикла с выделением комплекса целевых продуктов, включающего экстракцию из деструктурированного сырья природных веществ (RU 2251918 , A23L 1/212, 2005). Изобретение позволяет создать оптимально-эффективные условия для получения экстрактов с максимальным выходом действующих веществ, в частности витамина С.
Недостатком известного способа является использование диоксида углерода, находящегося в сверхкритическом состоянии, что требует высушивание исходного сырья и приводит к потере части биологически активных веществ. Другим недостатком данного способа переработки сырья является то, что используемая упрощенная технология выделения не обеспечивает полное извлечение экстракта после завершения стадии, а утилизация отходов создает определенные трудности технического и экономического характера при промышленной переработке растений. Кроме того, предлагаемая технология не предусматривает процесса утилизации и возврата реагентов в цикл и соответственно повышает стоимость целевых продуктов.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа комплексной технологии переработки растительного сырья с использованием различных частей растений, различной степени влажности, увеличивающим ассортимент извлекаемых продуктов, при упрощении технологического процесса, за счет снижения диффузионного сопротивления экстракции, а также снижения энергозатрат за счет проведения экстракции с изменяемым составом экстрагента, исчерпывающего отделения жидкой экстракционной массы от проэкстрагированного сырья при сбросе давления и, как следствие, увеличение коэффициента использования сырья.
Поставленная задача решается за счет того что:
При подготовке сырья экстрагируемые плоды, листья, побеги, стволовую и корневую часть растений используют без предварительной сушки и измельчения плодов, а измельчение стволовой и корневой частей растений проводится до размера 10-30-50 мм с насыпной плотностью 0,25-0,4 т/м 3 ;
В способе комплексной переработки растительного сырья вводят стадию пропарки исходного сырья с одновременной отгонкой эфирных масел и последующей исчерпывающей абсорбцией их неполярными углеводородами и последующим выделением целевого продукта;
Экстракцию проводят, периодически сбрасывая давление в экстракционной смеси до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, сопровождающегося кавитационными процессами, при которых каждая частица слоя неперемешиваемого материала интенсивно и много раз омывается экстрагентом и повышения давления до исходного значения (обычно 5-6 циклов). Все это ведет к резкому повышению тепломассообмена и соответственно интенсификации процесса экстракции. Давление повышают до исходного значения, извлекают природные вещества из частично деструктурированного сырья, что обеспечивает повышение глубины экстрагирования биологического сырья за счет разрушения его клеточной структуры в процессе экстрагирования и сопровождается снижением его диффузионного сопротивления и соответственно развитием поверхности контакта фаз с экстрагентом, содержащим воду, спирт и эмульсию неполярного углеводорода алифатического ряда, имеющего температуру кипения не более 90°С в условиях разделения экстракционной массы на экстракт и твердую фазу, при их массовом соотношении соответственно (5,0-10,0):(0,5-1), причем массовое соотношение сырья и неполярного углеводорода, входящего в состав эмульсии, составляет от 1,0:5 до 1,0:10 и определяется насыпной плотностью сырья;
После проведения циклов периодического сбрасывания давления до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента, охлаждения и последующей конденсации паров растворителя, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента за счет образующегося избыточного давления;
Полученную после разделения экстракционной массы, твердую фазу промывают экстрагентом, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием и последующим отжимом экстракта;
Аналогично ведут процесс экстракции смесью 20% этилового спирта - 80% неполярного углеводорода алифатического ряда (гексан, петролейный эфир и др.);
Фракцию эфирных масел и терпенов направляют на выделение целевых продуктов;
Экстракты направляют на разделение. Из водно-спиртовой фазы выделяют водорастворимые витамины, олигосахариды и биофлавоноиды, а водно-углеводородно-спиртовой экстракт разделяют на расслаиваемые: водную фазу и углеводородную фазу масел, стеринов, липидов, жирных кислот, смол и биофлавоноидов, которые выводят из процесса в качестве целевого продукта, с последующим выделением из углеводородной фазы масел, стеринов, липидов, жирных кислот и смол, из водной фазы, содержащей водорастворимые витамины, олигосахариды и биофлавоноиды с последующей доочисткой биофлавоноидов дробной кристаллизацией.
Твердый шлам, оставшийся после экстракции смесью этилового спирта и неполярного углеводорода алифатического ряда, освобождают от следов экстрагента и получают минеральный комплекс, содержащий микро- и макроэлементы, который используют как кормовую добавку в корм животных.
Используемые на стадии абсорбции и экстракции растворители рециркулируют, дегазируют от воздуха, хранят и содержат под азотным "дыханием", возвращают в цикл после регенерации с использованием холодильников-конденсаторов.
В качестве неполярного углеводорода с температурой кипения не более 90°С, входящего в состав экстрагента, используют смеси неполярных углеводородов, получаемые из прямогонного бензина с температурой кипения не более 90°С, предварительно очищенные от полимерных примесных смол фильтрацией, а также н-гексан, нефрас и др.
Способ осуществляют следующим образом: для проведения технологического процесса используют отдельно либо в виде смеси плоды, листья, побеги, стволовую и корневую части растений без сушки и измельчения плодов, что позволяет получить отдельные компоненты и/или их композиции, а измельчение стволовой и корневой частей растений проводят в мельнице узла подачи в бункер-питатель до размера технологической щепы с насыпной плотностью 0,25-0,4 т/м 3 и подают в эмалированный реактор-экстрактор, имеющий паровую рубашку обогрева.
Используют реактор-экстрактор с сетчатым ложным днищем, а на сетчатое ложное днище экстрактора радиально уложены трубы с отверстиями 1,5×2,0 мм для подачи пара в реактор и отбора жидкой фазы.
Реактор предварительно нагревают до температуры 110-120°С. Через нижний патрубок реактора подают пар для смачивания сырья и нормализации влажности сырья, нагревают сырье до 105°С, отгоняют с паром эфирные масла, терпены. Отгон направляют на выделение целевых продуктов, которые разделяют известными методами.
В реактор из узла подачи вводят водный раствор 70% этилового спирта. Массовое соотношение твердой и жидких фаз целесообразно поддерживать в пропорциях: М измельч.сырье:М водн.этанол =1:4, объемный модуль 1:1, т.к. более высокое соотношение растворитель - экстрагируемый материал влечет за собой получение низкокоцентрированных экстрактов.
Подводящие и отводящие вентили закрывают и реакционную массу в экстракторе нагревают, пропуская в него пар для достижения давления в реакторе 0,5 МПа и температуры 125°С. Постоянное давление в реакторе в течение всего процесса экстракции поддерживают дополнительной подачей пара через радиально уложенные трубы ложного днища экстрактора.
Через 10 мин пропускания пара и достижения давления 0,5 МПа открывают шаровой кран для соединения с теплообменником типа "труба в трубе". После выдерживания в течение 10 мин для возврата экстрагента из теплообменника в экстрактор, кран перекрывают и подают пар для достижения давления 0,5 МПа. Эту операцию проводят 5-6 раз. Мягкие ткани растительного сырья (плоды, побеги, листья) деструктируются под механохимическим воздействием ударной волны, образующейся в условиях фазового перехода «жидкость-пар» и происходящего вскипания экстрагента. В стеблях и корневой части происходит выдавливание экстракта через стенки ситовидных клеток растений и экстракция ускоряется за счет кавитационных процессов, обусловленных кипением растворителя, сопровождающимся интенсивным перемешиванием и соответственно уменьшением времени диффузии.
Для быстрого удаления экстракта после достижения давления 0,5 МПа водно-спиртовой экстракт водорастворимых витаминов олигосахаров, флавоноидов отжимают через сетчатое ложное днище экстрактора с уложенными трубами с отверстиями 1,5×2,0 мм. После разделения полученной экстракционной массы твердую фазу промывают экстрагентом в пропорциях: М измельч.сырье:М водн.этанол =1:0,25-0,5, объемный модуль 10:1-2. Экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента и отжимом за счет образующегося избыточного давления. Для полного отжима экстракта из шлама эту операцию проводят 2-3 раза. Объединенный водно-спиртовой экстракт направляют в реактор для отгонки экстрагента. После отгонки 70% этилового спирта в аппарате вакуумной отгонки получают целевой продукт - водный раствор активных натуральных пищевых кислот, витаминов, олигосахаров, флавоноидов, который используют в виде концентрированного лекарственного вещества либо разделяют на отдельные компоненты известными методами. Отогнанный 70% раствор этилового спирта рециркулируют в процесс через узел подачи экстрагента.
В реактор, нагретый до температуры 105-110°С, содержащий шлам, после экстракции полярной фракции из узла подачи вводят спиртовой н-гексановый экстрагент (раствор 20% этилового спирта - 80% н-гексана). Массовое соотношение твердой и жидких фаз целесообразно поддерживать в пропорциях: М измельч.сырье:М гексан-этанол =1-4, объемный модуль 1:1.
Через 10 мин для смачивания сырья экстрагентом и достижения давления 0.5 МПа, которое поддерживают дополнительной подачей пара в рубашку реактора, открывают шаровой кран для соединения с теплообменником типа "труба в трубе". После выдерживания в течение 10 мин для возврата экстрагента из теплообменника кран перекрывают и подают пар в рубашку для достижения давления 0.5 МПа. Эту операцию проводят 5-6 раз. Для удаления экстракта после достижения давления 0.5 МПа отжимают водный н-гексан-спиртовой экстракт жирорастворимого липидно-каротиноидного комплекса в виде эмульсии, образующейся за счет остатка воды в сырье, от твердого шлама, содержащего лигнин и целлюлозу. После разделения полученной экстракционной массы твердую фазу промывают экстрагентом в пропорциях: М измельч.сырье:М гексан-этанол =1:0,5-1, объемный модуль 10:1-2. Экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента и отжимом за счет образующегося избыточного давления и направляют на выделение. Для полного отжима экстракта от твердого шлама эту операцию проводят 2-3 раза. Объединенный вода-н-гексан-спиртовой экстракт направляют на выделение целевых продуктов. Целевой продукт - экстракт жирорастворимого липидно-каротиноидного комплекса, который используют в виде концентрированного лекарственного вещества, либо разделяют на отдельные компоненты известными способами. Отогнанную водно-н-гексановую эмульсию отстаивают и н-гексан рециркулируют в процесс через узел подачи экстрагента.
Твердый шлам, оставшийся после спиртово-н-гексановой экстракции, освобождают от следов экстрагента, при этом отгонку следов растворителя из отработанного шрота производят путем воздействия на него перегретых паров воды и нагрева шрота в зоне выгрузки. Выделенный продукт сушат, получают минеральный комплекс, содержащий микро- и макроэлементы, который используют как кормовую добавку в корм животных.
Таким образом, предлагаемый способ комплексной переработки в едином технологическом процессе позволяет осуществлять более эффективное использование растительного сырья при его комплексной переработке с получением наиболее ценных биологически активных пищевых компонентов. За счет внедрения стадии пропарки с отгонкой эфирных масел, терпенов, ступенчатой экстракции с использованием растворителей различной полярности достигается комплексная переработка растительного сырья и возможность расширения ассортимента биологически активных добавок, а отжим экстракта из твердого шлама за счет избыточного давления позволяет достигать исчерпывающего отделения экстракта.
Предлагаемый способ позволяет использовать сырье различной степени влажности и повысить коэффициент его использования за счет более полного отделения экстракта, а переработка отдельно либо в виде смеси плодов, листьев, побегов, стволовой и корневой частей различных видов растений позволяет получить либо отдельные компоненты и/или их композиции и, следовательно, увеличить ассортимент извлекаемых продуктов, при снижении энергозатрат в производстве продукции, упростить технологию процесса, что в результате дает возможность рационально использовать сырьевые ресурсы растительного сырья.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ комплексной переработки растительного сырья, предусматривающий подготовку, экстракцию с отделением соответствующего экстракта, с использованием в процессе каждой стадии экстракции периодического сбрасывания давления до значения, обеспечивающего вскипание экстрагента и повышения до исходного значения с отделением соответствующего экстракта, отличающийся тем, что перед стадией экстракции проводят пропарку исходного сырья с одновременной отгонкой эфирных масел и терпенов, затем ведут экстракцию водным 70% этиловым спиртом, с последующим разделением экстракционной массы на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента за счет образующегося избыточного давления, твердую фазу промывают экстрагентом, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием с последующим отжимом экстракта, далее твердый шлам экстрагируют смесью 20% этилового спирта - 80% неполярного углеводорода алифатического ряда с последующим разделением экстракционной массы на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием экстрагента за счет образующегося избыточного давления, твердый шлам промывают экстрагентом, экстракционную массу разделяют на жидкую фазу и твердый шлам вскипанием с последующим отжимом экстракта, а затем фракцию эфирных масел и экстракты направляют на выделение целевых продуктов, а твердый шлам, оставшийся после экстракции смесью этилового спирта - неполярного углеводорода алифатического ряда, освобождают от следов экстрагента нагреванием и получают минеральный комплекс, содержащий микро- и макроэлементы, которые используют как кормовую добавку в корм животных.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья используют плоды, листья, побеги, стволовую и корневую часть растений.
3. Способ по п 2, отличающийся тем, что экстрагируемые плоды, листья, побеги, стволовую и корневую часть растений используют без предварительной сушки и измельчения плодов.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что стволовую и корневую части растений измельчают до размера 10-30-50 мм и с насыпной плотностью 0,25-0,4 т/м 3 .
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что массовое соотношение твердой и жидких фаз при экстрагировании водным раствором этилового спирта и этилового спирта - неполярного углеводорода алифатического ряда относительно сырья составляет соответственно 1:4, объемный модуль 1:1.
В настоящее время наиболее перспективным способом утилизации растительных отходов и отходов овощеводства является биоконверсия. Суть технологии биоконверсии заключается в следующем: сырьевые компоненты (отходы) содержащие сложные полисахариды - пектиновые вещества, целлюлозу, гемицеллюлозу и др. подвергаются воздействию комплексных ферментных препаратов, содержащих пектиназу, гемицеллюлазу и целлюлазу. Ферменты представляют собой очищенный внеклеточный белок и способны к глубокой деструкции клеточных стенок и отдельных структурных полисахаридов, т.е. осуществляется расщепление сложных полисахаридов на простые с последующим построением на их основе легко усвояемого кормового белка.
В качестве исходных сырьевых компонентов могут быть использованы следующие отходы:
1. Растительные компоненты сельскохозяйственных культур: стебли зерновых и технических культур, корзинки и стебли подсолнечника, льняная костра, стержни кукурузных початков, картофельная мезга, трава бобовых культур, отходы сенажа и силоса, отходы виноградной лозы, чайных плантаций, стебли табака.
2. Отходы зерноперерабатывающей промышленности: отруби, отходы при очистке и сортировке зерновой массы (зерновые отходы), зерновая сорная примесь, травмированные зерна, щуплые и проросшие зерна, семена дикорастущих растений, некондиционное зерно.
3. Отходы консервной, винодельческой промышленности и фруктовые отходы: кожица, семенные гнезда, дефектные плоды, вытерки и выжимки, отходы винограда, отходы кабачков, обрезанные концы плодов, жмых, дефектные кабачки, отходы зеленого горошка (ботва, створки, россыпь зерен, битые зерна, кусочки листьев, створки), отходы капусты, свеклы, моркови, картофеля.
4. Отходы сахарной промышленности: свекловичный жом, меласса, рафинадная патока, фильтрационный осадок, свекловичный бой, хвостики свеклы.
5. Отходы пивоваренной и спиртовой промышленности: сплав ячменя (щуплые зерна ячменя, мякина, солома и др. примеси), полировочные отходы, частицы измельченной оболочки, эндосперма, битые зерна, солодовая пыль, пивная дробина, меласса, крахмалистые продукты (картофеля и различных видов зерна), послеспиртовая барда, бражка.
6. Отходы чайной промышленности: чайная пыль, сметки, волоски, черешки.
7. Отходы эфирно-масличной промышленности: отходы травянистого и цветочного сырья.
8. Отходы масло - жировой промышленности: подсолнечная лузга, хлопковая шелуха.
9. Отходы кондитерской и молочной промышленности.
Таким образом, любое растительное сырье и его производные, как лигноцеллюлозный источник, доступны для микробиологической биоконверсии в углеводно-белковые корма и кормовые добавки.
Наряду с переработкой кондиционных растительных и зерновых компонентов, технология позволяет восстановление и многократное увеличение прежних кормовых свойств сырья, зараженного патогенной микрофлорой, испорченного насекомыми или частично разложившегося из-за неправильного хранения.
После завершения процесса биоконверсии получаемым конечным продуктом, является кормовая добавка - углеводно-белковый концентрат (УБК), который приобретает кормовые свойства в 1,8-2,4 раза превосходящие фуражное зерно хорошего качества, а также обладает рядом существенных и необходимых свойств, которыми не обладает традиционное зерновое сырье.
Особенностью конечной продукции, получаемой по альтернативной технологии микробиологической биоконверсии, в основном является то, что по своей сути, сырье для производства кормовой добавки УБК проходит обработку в среде аналогичной микрофлоре начального участка пищевода, т.е. первый этап пищеварения - «подготовка корма к перевариванию» начинается вне пищевода. Поэтому процесс переваривания таких кормов уже непосредственно в пищеводе животных, птиц и рыбы характеризуется высокими уровнем биологических процессов и переваримостью корма, а также сниженными ферментными и энергетическими затратами организма на всем этапе пищеварения.
Таким образом получаемая кормовая добавка - УБК, отличается высокой питательностью (протеин 22…26%), более легкой усвояемостью, биологической активностью, а также ферментной, витаминной и минеральной ценностью.
Кормовая добавка УБК, используется как основной компонент при производстве комбикормов в соотношении 1:1, как добавку к грубым растительным кормам, при производстве простых кормовых смесей с измельченным фуражным зерном, отрубями, зерно отходами и пр., с нормой ввода до 25…65%.
Средние затраты на производство 1 кг. высококачественного корма по рассматриваемой технологии не превышают 1 руб., а по кормовой ценности превышают показатели фуражного зерна в 1,8-2,4 раз.
Как и в традиционных кормах, продукция, полученная по альтернативной технологии компании Биокомплекс, соответствует принятым стандартам по питательности и содержанию необходимого набора витаминов и микроэлементов, ветеринарно безопасна, сертифицирована и является экологически чистой. В зависимости от вида исходного сырья и требований к готовой продукции, весь процесс микробиологической обработки может проходить от одного и до трех этапов, а длительность полного цикла производства может находиться в переделах от 4 до 6 суток. С увеличением длительности процесса снижаются финансовые затраты на переработку сырья и повышаются зоотехнические показатели конечной продукции.
Технология предусматривает круглогодичный режим работы предприятия, низкие требования к квалификации большинства рабочих, малые энергетические затраты.
Технология - экологически безопасная, не имеет сточных вод и выбросов.
Создание производственного комплекса для переработки отходов на основе альтернативной технологии микробиологической биоконверсии в корма может быть реализовано как для решения отдельных задач, так и многофункцинального назначения.
Кроме того, ЗАО Биокомплекс осуществляет реанимацию, модернизацию или перепрофилирование действующих и остановленных производств под выпуск комбикормов и кормовых добавок. Например, модульные фермерские комплексы могут быть смонтированы на основе имеющихся производственных помещений, оборудования колхозных кормоцехов, комбикормовых заводов и других пищевых и зерноперерабатывающих производств и пр.
Ключевым элементом технологической цепи является биореактор, в котором и осуществляется процесс микробиологической биоконверсии отходов в корма. Реакторы являются универсальными и позволяют работать с любым сырьем и получать различные кормовые добавки.
Технологическая схема производственного комплекса по микробиологической переработке растительных отходов в корма, показана на рисунке 5.
Рис. 5.: Технологическая схема микробиологической переработки растительных отходов в корма: 1 - прием сыпучего и влажного сырья; 2 - прием жидкого сырья; 3 - бункеры-дозаторы; 4 - смеситель; 5 - био-реактор; 6 - компрессор; 7 - парогенератор; 8 - сушилка; 9 - измельчитель; 10 - отгрузка в мешки
Влажная (55%) смесь различных отходов загружаются в биореактор. С момента загрузки сырья, в биореакторе процесс микробиологической биоконверсии протекает в течении 4-6 дней (в зависимости от желаемых зоотехнических параметров конечной продукции). В результате получается влажная кормовая добавка - углеводно-белковый концентрат (УБК). Затем ее сушат до влажности 8 - 10% и измельчают. После измельчения концентрат можно использовать для производства комбикормов, где в качестве основного компонента используется УБК (65 - 25% в зависимости от рецепта и целевого назначения комбикорма).
Комбикорма, полученные по технологии ЗАО «Биокомплекс» на основе кормовой добавки УБК, обладают совершенно уникальными качественными показателями:
Комбикорм обладает высокой биологической активностью, а его переваривание характеризуется более сжатым по времени процессом пищеварения и высоким уровнем биологических процессов. Таким образом, продуктивность кормления и эффективность выращивания животных, птиц и рыбы при использовании Комбикорма на основе УБК на 15-20% выше, чем при скармливании аналогичных комбикормов, приготовленных по традиционной технологии. Кроме того, комбикорм обладает лечебно-профилактическим и стимулирующим эффектом для иммунной, кроветворной систем и кишечного тракта, а также способствует удалению вредных веществ из организма (солей тяжелых металлов, радионуклидов и т.д.).
В отличие от классической технологии высокотемпературного гранулирования, комбикорм, произведенный по технологии Биокомплекс, проходит низкотемпературное гранулирование без использования пара. Что исключает деструкцию белка и обеспечивает сохранность витаминов в корме даже при длительном хранении.
Комбикорм скармливается по традиционным зоотехническим нормам и правилам, абсолютно безопасен в использовании, не вызывает аллергических симптомов и других побочных явлений или противопоказаний.
Представляет интерес и способ получения удобрения из органических отходов животноводства, птицеводства и растениеводства . Способ включает: смешение в однородную биомассу навоза, птичьего помета и измельченных растительных отходов; разделение биомассы на жидкую и твердую фракции самовытеком жидкости из биомассы и сбором ее в накопителе; раздельное обеззараживание жидкой и твердой фракций биотермической ферментацией. Жидкую фракцию обеззараживают анаэробной ферментацией в сборнике при температуре 35-40оС, в течение 2-3 суток. Твердую фракцию обеззараживают аэробной ферментацией в открытых буртах, при температуре 65-70оС. Недостатки способа: повышенная загазованность рабочей зоны токсичными газообразными продуктами ферментации, в частности, фосфинами, сероводородом, меркаптанами, аммиаком; зараженность рабочей зоны термоустойчивыми патогенными микроорганизмами. Известно, что термоустойчивые микроорганизмы не погибают даже при температуре выше 100оС.
При приготовлении удобрения из органических отходов животноводства, птицеводства и растениеводства, навоз и птичий помет смешивают с измельченными растительными отходами в однородную биомассу. Полученную биомассу разделяют на жидкую и твердую фракции сепарацией Жидкую фракцию обеззараживают и детоксицируют обработкой в электролизере с нерастворимыми электродами, и после обработки засевают штаммами микроорганизмов аэробной и / или анаэробной ферментацией. Твердую фракцию обеззараживают и детоксицируют озоно-воздушной смесью и ультрафиолетовым излучением. После предварительной обработки жидкую фракцию приливают к твердой фракции. Увлажненную биомассу загружают в барабан, засевают штаммами аэробной и / или анаэробной микрофлоры, перемешивают и, подогревом теплым воздухом, в ней активируют ферментативные процессы. После активации ферментативного процесса в биомассе, ее выгружают в бурты.
Предлагаемый способ приготовления удобрения из органических отходов имеет следующие отличительные признаки от, описанных в литературе, способов:
Первый - разделение биомассы на фракции осуществляется сепарированием, что значительно ускоряет процесс разделения биомассы на твердую и жидкую фракции и, тем самым, уменьшает загазованность рабочей зоны токсичными выделениями продуктов анаэробной ферментации исходной биомассы;
Второй - обеззараживание с одновременной детоксикацией жидкой фракции осуществляется в электролизере с нерастворимыми электродами;
Под действием межэлектродного разряда и промежуточных продуктов электролиза: радикалов водорода, кислорода, гидроксильных групп, - идет разрушение защитной оболочки микроорганизмов, необратимая деструкция ферментных, белковых систем и ДНК. Эффективность подавления патогенной микрофлоры в рабочей зоне электролизера до 99,9%.
Детоксикация (обезвреживание) водорастворимых продуктов анаэробной ферментации (естественного гниения) навоза и птичьего помета: фосфина (РН3), фосфинов (R-РН2), сероводорода (Н2S), меркаптанов (R-SН), аммиака (NН3), происходит в процессе окисления этих продуктов в прианодном пространстве электролизера и идет до образования фосфорной, серной, азотной кислот и их производных, соответственно, по уравнениям:
R-PH2 > R-H2PO4;
где R - алкил, арил, гетерил.
Образующиеся в ходе окисления кислоты нейтрализуются основаниями жидкой фракции, в частности, с аммиаком с образованием нетоксичных средних, кислых, основных солей, которые входят в минеральную составляющую органических удобрений.
Третий - перед биотермическим ферментативным обеззараживанием твердую фракцию обрабатывают озоно-воздушной смесью и ультрафиолетовым излучением с целью её обеззараживания и детоксикации.
Как и жидкая фракция, твердая фракция, содержащая навоз и птичий помет, - это концентрированный источник патогенных микроорганизмов и газообразных токсичных веществ. Применение озона для обеззараживания и детоксикации твердой фракции определяется следующей целесообразностью. С одной стороны - озон - самый сильный после фтора и экологически чистый окислитель. Бактерицидное и противовирусное действие озона распространяется на все виды патогенной микрофлоры. Эффективность антимикробных, фунгицидных, спороцидных свойств озона, при прямом контакте и оптимальной концентрации, составляет 99,99%.
Непосредственные причины гибели бактерий и вирусов при действии озона - локальные повреждения плазматической мембраны микроорганизмов и изменение их внутриклеточного содержимого: окисление белков, нарушение клеточных механизмов.
С другой стороны - озон, как энергичный окислитель химических соединений, окисляет токсичные продукты естественного гниения: фосфин, фосфины, сероводород, меркаптаны, аммиак до фосфорной, сернистой, серной, азотной кислот и их производных, соответственно, по следующим уравнениям:
3РН3 + 4О3 > 3Н3РО4;
3R-PH2 + 4O3 > 3R-H2PO4;
3H 2 S + 4O 3 > 3H 2 SO 4 ;
H 2 S + O 3 > H 2 SO 3 ;
R-SH + O 3 > R-SO 3 H;
3R-SH + 4O 3 > 3R-HSO 4 ;
NH 3 + O 3 > HNO 3 +H 2 O
В количественном отношении только аммиак окисляется незначительно из-за его высокого окислительно-восстановительного потенциала.
Образовавшиеся в ходе окисления кислоты дают с избытком аммиака нетоксичные соли аммония.
Поскольку обеззараживающая эффективность озона определяется непосредственным контактом озона с объектом, в частности, с поверхностью частиц биомассы, то, с целью повышения степени обеззараживания биомассы, в усторойстве обеззараживания предусматривается дополнительная обработка ее ультрафиолетовым излучением.
Наибольшим бактерицидным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 205-310 нм. Более чувствительны к воздействию УФ излучения (УФИ) вирусы и бактерии в вегетативной форме (палочки, кокки). Менее чувствительны грибы и простейшие микроорганизмы. Наибольшей устойчивостью обладают споровые формы бактерий и грибов.
Гибель микроорганизмов на поверхностях, прямо расположенных в 2 м от импульсного источника УФИ, через 15 минут достигает 99,99% при дозе 50 м. Дж/см2. При этом на поверхностях, повернутых к источнику на 45-90 градусов, гибель микробов варьирует уже в пределах 57,6-99,99%.
Обеззараживающий эффект ультрафиолетового излучения, в основном, обусловлен фотохимическими реакциями, в результате которых происходят необратимые повреждения ДНК, РНК и клеточных мембран, что вызывает гибель микроорганизмов. Ультрафиолетовые лучи распространяются по прямой и действуют преимущественно на нуклеиновые кислоты, оказывая на микроорганизмы как летальное, так и мутагенное воздействие. Бактерицидными свойствами обладают только те лучи, которые адсорбируются протоплазмой микроклетки.
Для обеспечения максимального эффекта обеззараживания поверхности частиц твердой фракции, они непрерывно переворачиваются. Последнее достигается перемещением твердой фракции по технологической линии с помощью шнека - в случае обработки озоно-воздушной смесью и вибростола - в случае ультрафиолетового облучения.
Четвертое - после обеззараживания и детоксикации, непосредственно перед укладкой в бурты, твердая фракция засевается необходимыми штаммами ферментов, увлажняется обезвреженной жидкой фракцией и подвергается ферментативной активации в биобарабане при 45-55оС.
Использование предлагаемого способа приготовления удобрения из органических отходов уменьшает выброс токсичных газообразных продуктов и патогенных микроорганизмов в окружающую среду, обеспечивает санитарно-гигиенические условия труда в производственных помещениях и создает условия для ускоренного получения экологически чистого органического удобрения из отходов животноводства, птицеводства и растительного материала.
Предлагаемое техническое решение может использоваться в сельском хозяйстве для ускоренного приготовления органических удобрений из отходов животноводства, птицеводства и растениеводства.
Способ приготовления удобрения из органических отходов осуществляется с помощью устройства, которое включает в себя: смеситель биомассы 1, сепаратор 2, емкость-накопитель жидкой фракции 3, электролизер 4, емкость для обезвреженной жидкой фракции 5, засевной бак 6, ленточный транспортер твердой фракции 7, измельчитель 8, шнековое устройство с кожухом 9, озонатор 10, вибростол 11, ультрафиолетовые лампы 12, шнековый конвейер 13, ороситель 14, биобарабан 15, воздуходувку 16, ленточный транспортер - укладчик 17, бурты 18.
Навоз, птичий помет (в виде пульпы) и измельченные растительные отходы подаются в смеситель 1. Органические отходы в виде пульпы перемешиваются до однородной биомассы и перекачиваются в сепаратор 2 для разделения биомассы на жидкую и твердую фракции. Жидкая фракция с соотношением фосфора, азота и калия - 1,4:1,0:1,6 и содержанием коллоидных взвешенных веществ не менее 1%, подается в усреднительную емкость-накопитель 3, далее - в электролизер с нерастворимыми электродами. Электрохимическую обработку жидкой фракции ведут при плотности тока на электродах 2 А/дм2, площади электродов 0,5 м 2 на 1 м 3 /час обрабатываемой жидкости, при расстоянии между электродами 30 мм, время обработки жидкости 5-10 мин. Обезвреженную жидкую и детоксицированную фракцию собирают в емкости 5 и далее перекачивают в засевной бак 6, где засевают штаммами микроорганизмов аэробной или анаэробной ферментации и возвращают в твердую фракцию (шнек 13) через оросительное устройство 14. Избыток обезвреженной жидкости используется для орошения сельскохозяйственных культур.
Отсепарированная твердая фракция: пористая, рассыпчатая биомасса с низкой адгезией, из сепаратора 2 подается на ленточный транспортер 7 и в измельчитель 8, с выходными параметрами измельчения - 5-25 мм.
Измельченная биомасса подается в шнековое устройство 9, где осуществляется обеззараживание и детоксикация твердой фракции путем прокачки озоно-воздушной смеси из озонатора 10 через шнековое устройство. Соотношение озона в озоно-воздушной смеси и сероводорода и меркаптанов в биогазовых выделениях твердой фазы составляет 2-4:1, соответственно. Степень обеззараживания и детоксикации твердой фракции регулируется концентрацией озона в озоно-воздушной смеси, скоростью её прокачки через шнековое устройство и временем контакта. При выходе из шнекового устройства 9 твердая фракция попадает на наклонный вибростол 11 с закрепленными над ним ультрафиолетовыми лампами 12, где производится дополнительное обеззараживание биомассы от патогенной микрофлоры. Технические характеристики ультрафиолетовых излучателей: диапазон длин волн от 185 до 400 нм, длительность импульса излучения от 1 мкс до 10 мкс, плотность импульсной мощности излучения до 120 квт/м2.
Дальнейшее обеззараживание твердой фракции осуществляется посредством биотермической ферментации. С этой целью твердую фракцию перемещают с вибростола 11 на шнековый конвейер 13. При движении в конвейере, она обогащается через ороситель 14 штаммами ферментации из засевного бака 6 и увлажняется жидкой фракцией и выгружается в биобарабан 15. В биобарабане увлажненная твердая фракция перемещается и перемешивается, подогревается до температуры 45-550С теплым воздухом из воздуходувки 16 до активации ферментативного процесса. После биотермической ферментации в биобарабане, масса укладывается в бурты 17 для дозревания на 45-60 суток.