Патент на изобретение №2151133

(54) СПОСОБ БИОКОНВЕРСИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ В КОРМОВУЮ ДОБАВКУ И УДОБРЕНИЕ

(57) Реферат:

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

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 18.11.2003

Извещение опубликовано: 10.12.2004 БИ: 34/2004