Способ переработки перо-пухового и кератинсодержащего сырья
METHOD FOR PROCESSING PLUMULACEOUS FEATHER AND KERATIN-CONTAINING RAW MATERIALS

Предлагаемое изобретение относится к технологии получения белкового продукта из перо-пухового и иного кератинсодержащего сырья и может быть применено в животноводстве при изготовлении кормовых добавок для сельскохозяйственных животных и птицы.
В качестве источника белка для кормления птицы и сельскохозяйственных животных используют отходы кератинсодержащего сырья, например, отходы птицеперерабатывающей промышленности, отходы потрошения птицы: перо, пух, кровь, головы, крылья, потроха и т.д. Среди отходов потрошения птицы практически 50% белка содержится в перо-пуховом сырье.
Для кератинов типичным показателем является большое количество серы (2-6%), что обусловлено высоким содержанием серусодержащих аминокислот - цистеина и метионина. Не менее важную роль, наряду с цистеином, играет цистин как восстановительная система при дыхании клеток. При этом тиоловые группы двух молекул цистеина легко окисляются и, соединяясь между собой, образуют дисульфидную группу цистина. Преобладание процессов окисления над восстановлением способствует процессу кератинизации (ороговению).
В результате наличия большого числа дисульфидных мостиков между соседними пептидными цепями кератин отличается высокой прочностью и устойчивостью к воздействию различных химических (вода, эфиры, спирты, растворы солей, слабые кислоты и щелочи) и физических (свет, температура) факторов; не расщепляется ферментами пищеварительных соков человека, животных и птицы; практически не усвояем [1, 2, 3].
Исследования показали, что действительная перевариваемость и биологическая ценность муки из перо-пухового и кератинсодержащего сырья зависят от способа обработки.
Основными способами перевода кератина в усваиваемую форму являются гидротермический, кислотный, щелочной и ферментативный гидролиз. Кроме перечисленных выше способов гидролиза для перевода кератинсодержащего сырья в растворимое состояние, используют такие соединения, как мочевина, сульфиды натрия, тиогликолят натрия, меркаптоэтанол, углекислый натрий, диметилформамид, диметилсульфоксид и т.д. (См. Журнал, Мясная индустрия СССР, 1978, №5, с 25-27. И журнал Мясная индустрия, 1981, №8, с 33-38), однако подобные способы имеют больше исследовательский, чем практический характер.
Глубокий кислотный гидролиз кератина пера приводит к разрыву всех молекулярных связей, возможен даже гидролиз до получения смеси свободных аминокислот. Но при этом практически полностью разрушается триптофан и (частично) серии и треонин, аспарагин и глутамин превращаются соответственно в аспарагиновую и глутаминовую кислоты, а освобождающийся аммиак образует соответствующую соль аммония [6].
На основании полученных экспериментальных данных установлено, что глубокий щелочной гидролиз кератинов приводит к разрушению таких аминокислот, как метионин, цистеин и цистин, к частичной рацемизации аминокислот и образованию циклопептидов (при рН свыше 12 и температуре свыше 90°С). Глубокий щелочной гидролиз также сопровождается образованием аммиака и альдегидов, которые вступают в реакцию конденсации с аминогруппами (См. Журнал, Мясная индустрия СССР, 1981, №11, с 32-35, и журнал Мясная индустрия СССР, 1981, №12, с 30-32).
Анализ накопленного опыта позволяет сделать вывод, что жесткие режимы химических способов обработки приводят к потерям незаменимых аминокислот, рацемизации аминокислот белковых гидролизатов, образованию циклопептидов и снижению биологической ценности конечных продуктов.
Наибольшее распространение получил гидротермический способ. Кератин эластичен, способен растягиваться при обработке горячим паром и сокращаться при высушивании, что объясняется переходом спирализованного кератина в кератин, имеющий складчатую структуру. Механизм перехода связан с проникновением молекул воды внутрь фибриллярной структуры и их конкуренции при образовании водородных связей. При этом происходит уменьшение числа межмолекулярных водородных связей в белке. Чем выше температура, тем меньше число межмолекулярных водородных связей, то есть меньше прочность исходного кератина.
Несмотря на то, что гидротермическим способам обработки кератинсодержащего сырья посвящено большое число публикаций, конечные результаты (усвояемость животными и птицей) имеют большой разброс. В последние годы благодаря тонким химическим исследованиям и исследованиям на животных и птице доказано, что гидролиз кератина в водной среде наиболее эффективен при температурах свыше 150°С (См. Патент США №4232123, Заявлено 9.06.78, Опубл. 04.11.80., М.: ЦНИИТЭИ, Мясная промышленность (экспресс-информация), 1982, №14, с 37-47, Вестник с.-х. науки. 1980. N12. с 119-121).
Обработка кератинсодержащего сырья при более низких температурах даже в течение продолжительного срока практически бесполезна с позиции усвояемости животными и птицей.
Известен способ обработки перо-пухового сырья при температуре 185°С в специальных аппаратах высокого давления (0,8-1,0 мПа) до полного растворения (См. патент FZ 2241257, (Rybak Boris), 21.03.75). Это закрытые аппараты периодического действия, поэтому они не нашли широкого практического применения.
Известен способ переработки кератинсодержащего сырья на корм животным, включающий гидролиз сырья путем водно-тепловой обработки. Перед гидролизом сырье измельчают, гидролиз проводят при температуре 120-140°С в течение 20-40 минут, с последующим экструдированием при давлении 4,0-5,0 мПа в течение 15-30 секунд (См. патент SU 1757580 А1, 30.08.1992).
К недостатком этого известного способа можно отнести возможность проведения экструзии при влажности сырья не выше 25%, большой расход пара температурной обработки и продолжительность процесса, при этом снижается биологическая ценность конечного продукта.
Известен способ производства мясной муки, включающий чередование циклов механического сжатия сырья с одновременным измельчением и тепловой обработкой сырья и вакуумирования (См. патент SU 627810 А, 15.10.78 (УНИИ птицеводства и др.).
Однако этим известным способом невозможно получить кормовой продукт из пера.
Близким способом обработки пера является способ, при котором измельченное перо подвергают влаготепловой обработке при температуре 180-240°С в течение 2-10 минут с быстрым переводом в атмосферу с низким давлением. При этом происходит гидротермический гидролиз пера и его стерилизация (См. патент US 4203892, 20.05.80).
Однако этот известный способ также имеет недостатки, в частности требуется использование дорогостоящего оборудования и значительные энергетические затраты.
RU 2279810
Наиболее близким способом - прототипом является способ, при котором предусматривают нагрев, стерилизацию и сушку, используют сырье исходной влажности 35-95%, далее осуществляют уплотнение и нагрев в канале смесителя - измельчителя при непрерывной подаче, при давлении 0,4-10,0 мПа и температуре сырья 60-120°C с последующей гидротермической обработкой сырья при температуре 150-250°С в течение 5-300 секунд с одновременным тонким измельчением и истиранием, затем переработанное сырье выводят в зону атмосферного давления, причем процесс тонкого измельчения и водный гидролиз кератина совмещены и проходят в тонком слое до 20 миллиметров. В результате перевариваемость получаемой белковой кормовой добавки из перо-пухового сырья, по мнению авторов, достигает 80,3% (См. патент  С2).
К недостаткам известного способа - прототипа можно отнести потери механической прочности сырья при влажности выше 50% и температуре 60-120°С, приводящие к различной степени прогрева сырья, глубины проведения гидролиза и росту энергетических затрат. При этом возможно разрушение уплотняющей пробки, что приводит к неизбежному выбросу всей перегретой массы из зоны гидролиза на вход канала смесителя. При этом после остановки процесса и при его дальнейшем запуске, сырье переходит в состояние схожее с древесиной, а в большинстве случаев сырье оплавляется до полимеризации и превращается в пластик, что требует дополнительных затрат на запуск процесса и на очистку засоренного клапана.
В связи с тем, что за последние годы повысились требования к качеству кормовой белковой муки из перо-пухового и кератинсодержащего сырья и составили по переваримости не ниже 85% потребовалась разработка более эффективного способа переработки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности технологического процесса, заключающейся в улучшении качества белковой добавки и повышении усвояемости готового продукта, упрощении технологии, снижении энергетических затрат, устойчивости реакции гидролиза.
Поставленный технический результат достигается использованием сочетания общих с прототипом известных признаков при получении кормовой белковой муки из перо-пухового и кератинсодержащего сырья, включающих операции уплотнения сырья, нагрева, гидролиза, измельчения, выхода готового продукта и новых признаков, заключающихся в том, что перо-пуховое и кератинсодержащеее сырье непрерывно подают в шнековый загрузчик, в котором от сырья путем отжима отделяют свободную влагу до влажности 35-45%, после чего отжатое сырье, передают в полость сдвоенных шнеков, в центральной части которых смонтированы уплотняющие сырье конусы, перед которыми вращением шнеков создают давление от 1,0 МПа до 20.0 МПа, при помощи которого сырье без подогрева спрессовывают до образования плотной холодной пробки, и далее после прохождения конусов, уплотненное сырье шнеками разрыхляют и подвергают нагреву до температуры 180-260°С и гидролизу, при этом, в процессе отжима, уплотнения, нагрева сырья и гидролиза его измельчают вращающимися шнеками, а после выхода из полости шнеков сырье подвергают охлаждению путем выгрузки в приемную проветриваемую камеру.
Разрыхление уплотненного после прохождения уплотнительных конусов сырья осуществляют при помощи уменьшенного диаметра и шага, по меньшей мере, 2-х витков шнека, выполненных в начале зоны нагрева сырья.
Новизной предложенного способа является подача перо-пухового и кератинсодержащего сырья непрерывно в шнековый загрузчик, в котором от сырья путем отжима отделяют свободную влагу до влажности 35-45%, после чего отжатое сырье, передают в полость сдвоенных шнеков, в центральной части которых смонтированы уплотняющие сырье конусы, перед которыми вращением шнеков создают давление от 1,0 МПа до 20.0 МПа, при помощи которого сырье спрессовывают до образования плотной холодной пробки, и далее после прохождения конусов, уплотненное сырье шнеками разрыхляют и подвергают нагреву до температуры 180-260°С и гидролизу, при этом, в процессе отжима, уплотнения, нагрева сырья и гидролиза его измельчают вращающимися шнеками, а после выхода из полости шнеков сырье подвергают охлаждению путем выгрузки в приемную проветриваемую камеру.
Так, подача перо-пухового и кератинсодержащего сырья в загрузочное шнековое устройство, в котором сырье отжимают до влажности 35-45% позволяет стабилизировать и выровнять влажность сырья во всем его объеме, что создает благоприятные технологические условия для осуществления последующих операций уплотнения, нагрева и гидролиза.
Уменьшение проходного сечения в сдвоенном шнековом устройстве позволяет до заданной степени уплотнить сырье - создать пробку из холодного (не нагретого) сырья, представляющую собой искусственный барьер, отделяющий зону уплотнения сырья от последующей зоны термообработки. Позволяет организовать устойчивую, прочную пробку, не разрушаемую от воздействия параметров среды, в которой происходит нагрев и гидролиз. Упрощает технологию запуска и остановки процесса. Такое предварительное уплотнение не меняет структуру сырья, находящегося в полости шнеков и сохраняет ее до следующего запуска процесса. Высокая прочность сырьевой пробки, созданной при низкой (комнатной) температуре без подогрева, гарантирует надежную защиту персонала от случайного выброса среды из зоны гидролиза. Такое уплотнение сырья способно удерживать высокое давление в зоне гидролиза в течении длительного времени.
Нагрев сырья до температуры 180-260°С и осуществляемый при этом гидролиз в сочетании с образованием устойчивой, прочной пробки, не разрушаемой от воздействия параметров среды, позволяют повысить усвояемость конечного продукта до 85-90% и более.
Охлаждение сырья на выходе из полости шнеков в приемную проветриваемую камеру способствует всхлапыванию пузырьков влаги, находящейся в теле обработанного продукта и как следствие к его измельчению и повышению усвояемости животными.
Признаки разрыхления уплотненного после прохождения уплотнительных конусов сырья при помощи уменьшенного диаметра и шага, по меньшей мере, 2-х витков шнека, выполненных в начале зоны нагрева сырья позволяет равномерно распределить сырье в полости шнеков и обеспечить качественный нагрев и полный гидролиз всей массы сырья, способствует достижению поставленного предлагаемым изобретением технического результата.
Согласно проведенного патентно-информационного поиска, сочетания известных и новых признаков предложенного способа в известных источниках информации не обнаружено, что позволяет отнести их к обладающим новизной.
Отсутствие источников информации, в которых использовались бы предлагаемые существенные признаки, позволяет отнести их к соответствующим изобретательскому уровню.
Сочетание предложенных признаков с описанием осуществления предлагаемого способа позволяет признать их промышленно выполнимыми.
На фиг. 1 схематично представлена шнековая установка при помощи которой осуществляется предлагаемый способ.
На фиг. 2 схематично в увеличенном масштабе представлено сечение А-А, на котором показана общая зона измельчения сырья шнеками и уменьшенное при помощи конусов проходное сечение шнековой установки в месте уплотнения сырья.
Шнековая установка, при помощи которой осуществляется предлагаемый способ, включает загрузочное устройство, состоящее из загрузочной воронки 1, двух продольно соединенных шнеков 2 с пересекающейся (общей) зоной 3 воздействия витков шнеков на сырье и общего корпуса 4 с патрубками 5 отвода из полости шнеков отжатой из сырья влаги.
Рабочая часть шнековой установки, выполнена из продольно соединенных двух шнеков 6, установленных в корпусе 7 со смонтированными в их центральной части конусами 8, перед которыми формируется холодное уплотнение 9 из сырья (пробка). За конусами по ходу перемещения сырья, в начале второй рабочей части шнеков 6 выполнены меньшего размера разрыхляющие уплотненное, прошедшее конусы 8 сырье, витки 10. Снаружи корпуса 7 второй рабочей части шнеков 6, где происходит нагрев и гидролиз сырья, смонтировано обогревающее устройство 11, в котором циркулирует теплоноситель, который быстро, в течение нескольких секунд нагревает разрыхленное сырье 12 до температуры 180-260 градусов. На выходе продукта из полости шнеков смонтирована технологическая проветриваемая емкость 13 с узлом выгрузки готового продукта 14. Параллельно смонтированные сдвоенные шнеки 6 имеет общую зону 15 перемешивания, перетирания и измельчения сырья. Уменьшенное проходное сечение 16 выполнено в корпусе 7 шнеков 6 напротив большего основания конусов 8.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом: Влажное перо-пуховое и кератинсодержащего сырье после отделения избытка воды, необходимой для транспортировки из убойного цеха, подается в загрузочную воронку 1. Захваченное шнеками 2 сырье подается в канал (корпус шнеков), образованный двумя продольно соединенными параллельными цилиндрами с размещенными в них шнеками 2. Вода, находящаяся в перо-пуховой массе, либо ином кератинсодержащем сырье отжимается витками шнеков и удаляется из корпуса 4 шнеков 2 при помощи отводных патрубков 5 влаги. Отжим влаги происходит по мере уплотнения сырья и увеличения плотности. Отжатое до влажности 35-45 процентов сырье поступает в начальную рабочую часть шнеков 6, где осуществляется дальнейшее без подогрева уплотнение холодного сырья до образования сырьевого уплотнения, так называемой холодной «пробки» 9 между корпусом 7 шнеков 6 и конусами 8.
При переходе сырья во вторую (последующую) рабочую часть шнеков 6, уменьшенная в диаметре часть витков 10 шнеков начинает разрыхлять уплотненное конусами 8 сырье, прошедшее через проходное сечение 16 между корпусом 7 и конусами 8. Следующие витки шнеков 6, по мере нагрева, продолжают разрыхлять сырье, равномерно распределять по внутреннему объему полости корпуса шнеков, перемешивают и измельчают его. Под воздействием температуры, давления и механического воздействия, сырье переходит в состояние мелкоизмельченной массы, похожей на тесто с включениями отдельных волокон. Кроме того, шнеки выполняют транспортную функцию - перемещают перо-пуховую кератинсодержащую массу (сырье) внутри канала, при заданных параметрах - температуре 180-260°С, давлении от 1,0 МПа до 5.0 МПа.
В загрузочном шнеке вращение шнеков выполнено в противоположные стороны для лучшего захвата сырья. На выходе шнеков 6 смонтирована технологическая проветриваемая, соединенная с атмосферой емкость 13, позволяющая вывести из зоны высокого давления и температуры переработанное сырье в емкость с атмосферным давлением. При постоянном поступлении обработанного сырья в технологическую емкость 13 осуществляют его проветривание воздухом комнатной температуры, во время которого из сырья также удаляют часть влаги. При этом в клетках сырья происходит взрывное вскипание и разрушение сырья на мелкие частицы. После чего обработанное сырье направляют на сушку, приводя влажность готовой продукции до требуемой в 8,0 - 12,0%.. После процесса обработки получают рассыпчатую мелкоизмельченную фракцию (порошок), которую можно использовать как белковую добавку для кормления птицы и других видов животных без дополнительного подсушивания.
Конкретный пример осуществления предлагаемого способа.
Влажное перо общим весом 1,2 т.после отделения избытка воды, непрерывно с производительностью 400 кг/час подавали в загрузочную воронку 1. Воду, находящуюся в перо-пуховой массе (сырье) отжимали шнеками и удаляли из корпуса 4 шнеков 2 при помощи отводных патрубков 5 влаги. Отжим влаги происходил по мере уплотнения сырья и увеличения плотности. Отжатое до влажности 40 процентов сырье поступало в рабочую часть шнеков 6, в которой осуществлялось дальнейшее без подогрева уплотнение сырья до образования сырьевого холодного уплотнения 9, так называемой «холодной пробки» между корпусом 7 шнеков 6 и конусами 8.
При переходе сырья во вторую рабочую часть (за конусами) шнеков 6, уменьшенная в диаметре часть витков 10 шнеков начинала разрыхлять ранее уплотненное, прошедшее через проходное сечение 16 между корпусом 7 и конусами 8 сырье. Шнеки 6 с витками, расположенными по ходу за витками 10, продолжали разрыхлять сырье, перемешивать, распределять по объему полости корпуса шнеков и измельчать его по мере нагрева. Под воздействием температуры в 200°С в течение 140 с, давления в 3.0 МПа и механического воздействия сырье переходило в состояние мелкоизмельченной массы, похожей на тесто с включениями отдельных волокон. Кроме того, шнеки выполняли транспортную функцию - перемещали перо-пуховую кератинсодержащую массу (сырье) внутри канала.
На выходе шнеков 6 смонтирована технологическая проветриваемая емкость 13 с атмосферным давлением в ее полости, которая позволила выводить из зоны высокого давления и температуры обработанное сырье. При выходе обработанного сырья в проветриваемую емкость в последнюю постоянно вентилятором 17 подавали наружный воздух с температурой +19°С. При этом из сырья, находившегося во взвешенном состоянии в емкости 13 осуществлялось частичное удаление влаги. Сушку обработанного сырья проводили в отдельной сушильной камере (на чертеже не показана), приводя влажность готовой продукции до требуемой в 8,0-12,0%.
После процесса обработки получили рассыпчатую мелкоизмельченную фракцию (порошок), которую можно использовать как белковую добавку для кормления птицы и других видов животных без дополнительного подсушивания. Готовую продукцию по окончании ее проветривания и продувки воздухом при помощи механизма 14 выгрузки передавали в сушильную камеру после чего ее упаковывали в бумажную тару по 30 кг. весом.
При уменьшении или увеличении параметров температуры, давления и временных параметров, технический результат не достигается, либо ведет к излишним затратам.
При сокращении времени тепловой обработки, снижении температуры и давлении ниже указанных параметров, степень гидролиза кератина также снижается. При повышении температуры, давления и продолжительности тепловой обработки выше указанных параметров возникают пригары сырья в рабочей зоне и ухудшается качество гидролизованной кормовой муки из пера или иного кератинсодержащего сырья.
Предлагаемый способ позволяет упростить конструкцию установки и упростить технологию переработки перо-пухового кератинсодержащего сырья.
Профилирование шнеков (подбор их диаметров, шагов винтовых поверхностей) позволяют сохранить величину механической мощности, при снижении энергозатрат на обогрев до 10%.
В настоящее время на предприятии разработана техническая документация, изготовлен опытный образец оборудования и проведены опытные работы по определению осуществимости и полезности предлагаемого способа. При этом определялись следующие параметры и показатели технологического процесса:
Динамика общей обсемененности технических отходов потрошения птицы при разных режимах обработки.
Зависимость перевариваемости готового продукта от температуры сырья, поддерживаемой на стадии уплотнения сырья, от температуры нагрева и продолжительности нагрева в течении, от давления в рабочей зоне, от продолжительности гидролиза, от продолжительности высокотемпературного нагрева, от степени предварительного измельчения сырья, от степени измельчения пера с одновременным перетеранием и без него при постоянном нагреве и продолжительности процесса.
Проводились исследования по давлению пара в рабочей зоне нагрева и продолжительности высокотемпературного нагрева в течение.
Результаты исследований по молекулярно-массовому распределению показали, что при кратковременной высокотемпературной обработке белковые соединения затронуты гидролизными процессами значительно глубже, чем при гидротермической обработке по общепринятой технологии.
Аналогичные результаты получены в исследованиях с другими видами кератинсодержащего сырья (щетиной, шерстью и др.).
Аминокислотный состав подтверждает высокую биологическую ценность кормовой белковой добавки из пера, полученной по заявляемому способу обработки.
Проведены исследования по определению относительной биологической ценности кормовой белковой добавки из пера микробиологическим методом.
Результаты, полученные в исследованиях с тетрахименой пириформис, показали, что относительная биологическая ценность (ОБЦ) кормовой белковой добавки из пера (опыт) выше, чем из кормовой добавки из пера (прототип).
Испытания кормовой белковой добавки из пера на бройлерах показали ее высокую биологическую ценность и возможность замены рыбной муки в кормовых рационах. Реализация предлагаемого способа переработки перо-пухового сырья позволит перевести кератин пера в усваиваемую животными форму, тем самым снизить потребность в рыбной муке в 2 раза.
По результатам комплексных испытаний предлагаемого способа будет принято решение о его широком использовании в производстве.