Способ переработки органических отходов личинками мух Hermetia illucens с получением белка животного происхождения и биогумуса
METHOD FOR PROCESSING AN ORGANIC WASTE BY LARVAE OF THE FLY HERMETIA ILLUCENS OBTAINING ANIMAL PROTEIN AND BIOHUMUS

Изобретение относится к сельскохозяйственному производству. Способ включает биоконверсию широкого спектра сельскохозяйственных (органических) отходов, в том числе навоза и помета, спиртовой барды, пивной дробины, зерноотходов, неликвидных семян различных с/х культур, отходов боен, отходов сахарного производства, различные жмыхи и шроты, отходов молочного производства, пищевые отходы и пр., с помощью личинок мух Hermetia illucens.
Предлагаемый способ подразумевает переработку органических отходов с получением белкового продукта (содержание протеина более 40%) и биогумуса. Основной целью данного способа является получение высококачественного белкового продукта как основной альтернативы рыбной муке или частичной ее замены и экологически чистого биоудобрения, пригодного для органического земледелия.
Известен способ получения биогумуса путем переработки навоза сельскохозяйственных животных и смесей на основе навоза с целлюлозным наполнителем с помощью компостных червей (Eisenia fetida, Eisenia anrei) (RU 2550037 C2, опуб. 10.05.2015). К недостаткам данного способа относится длительность процесса переработки (2-6 месяцев) и необходимость предварительной подготовки субстрата путем компостирования или промывки водой до достижения ключевых параметров (кислотность, содержание аммиака, спиртовое брожение) до порога нормальной жизнедеятельности компостных червей.
Также есть способы культивирования личинок синантропных мух с использованием многоярусных транспортных устройств в виде транспортеров как с перегородками против миграции личинок, так и без них (RU 2170011 С1, опуб. 10.07.2001). Транспортеры расположены в изолированных каналах, обдуваемых нагретым воздушным потоком. Однако это довольно громоздкие и дорогие конструкции, корме того, имеются недостатки, связанные с отделением биомассы личинок, и определенные ограничения - с влажностью кормового субстрата.
Имеется способ переработки навоза непосредственно в каналах навозоудаления свинарников с использованием транспортера и порционной подачей перерабатываемого навоза, при этом не происходит перемешивания обитаемых и необитаемых личинками слоев субстрата (RU 2390126 С2, опуб. 27.05.2010). Биомасса личинок в процессе переработки концентрируется в верхних слоях субстрата, что облегчает их отделение. Переработка навоза свиней данным способом может осуществляться непосредственно внутри свиных комплексов, благодаря чему не требуется лишних затрат на строительство помещений для культивирования личинок. Однако это достаточно специализированный способ, применимый в конкретных условиях на конкретном пищевом субстрате.
Известно, что личинки двукрылых (Diptera) продуцируют кормовой белок. Мука, полученная после высушивания личинок, содержит 48-52% белка и до 27-35% жира. Полученную личиночную биомассу используют в натуральном или в высушенном виде. Научные исследования, проведенные на рыбах, птице, свиньях, подтверждают возможность применения в их рационе муки из личинок мух. Кроме того, существует способ получения пробиотической кормовой добавки, содержащей белок личинок мух Hermetia illucens, выращенных на зерновой пшенице (RU 2576200 С1, опуб. 27.02.2016). Данный способ показал эффективность применения личинок для обогащения пробиотического препарата, что отразилось на его биологической активности и подтвердилось представленным материалом.
Известен способ переработки органических отходов (свиного навоза) личинками мух Hermetia illucens («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. Данный способ не лишен некоторых недостатков, в частности он не подходит для переработки субстратов с высоким содержанием растительных полимеров (целлюлозы, геминоцеллюлозы, лигнина), поскольку синантропные (домовые) мухи не способны перерабатывать растительные полимеры. К тому же, домовая муха является потенциальным разносчиком бактериальных и грибных инфекций.
Наиболее близким к предложенному является 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. Недостатком известного способа является низкий выход биомассы личинок.
Техническая проблема, которую решает предлагаемый способ, заключается в том, чтобы быстро и без значительных затрат утилизировать органические отходы широкого спектра, в том числе навоз сельскохозяйственных животных, помет птицеводческих фабрик, в высокоэффективное экологически чистое удобрение, получать продукт животного происхождения с высоким содержанием белка (биохимический состав личинок, выращенных на разных кормовых субстратах, представлен в таблице 2), создать безотходное, высокорентабельное, экологически чистое сельскохозяйственное производство.
2
Техническая проблема решается способом переработки органических отходов, заключающимся в том, что получают яйца мух Hermetia illucens, затем инкубируют яйца и подращивают личинок на питательной среде, отделяют личинки II-III возраста, заселяют субстрат этими личинками с плотностью 2,5-5,0 экз/см, осуществляют биоконверсию субстрата в течение 7-14 суток и отделяют биомассу личинок от полученного биогумуса.
При этом предпочтительно в качестве питательной среды для подращивания личинок использовать питательную смесь на основе зерновых.
Кроме того, в качестве субстрата для переработки можно использовать 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.
2
Технический результат, достигаемый предложенным способом, заключается в том, что сепарация личинок II-III возраста и заселение ими субстрата обеспечивает более экономное расходование посадочного материала, что напрямую связано с количеством маточников, позволяет исключить из расчета неоплодотворенные яйца, которые по разным причинам могут откладывать мухи, а также точно рассчитать необходимое количество личинок для заселения определенного типа кормового субстрата (экз/см).
Предлагаемый способ переработки органических отходов с получением биомассы личинок насекомых и биогумуса состоит из следующих стадий: получение яиц мух Hermetia illucens, инкубация яиц и подрост личинок на питательной среде, сепарация личинок II-III возрастов, заселение этими личинками органического субстрата, расположенного в штабелируемых контейнерах, биоконверсия органического субстрата, сепарация биомассы личинок от биогумуса, термообработка личинок, фасовка биогумуса. Введение стадии сепарации личинок II-III возрастов позволяет более эффективно использовать посадочный материал: исключить из расчета неоплодотворенные и погибшие яйца, а также точно рассчитать необходимое количество личинок для заселения определенного объема кормового субстрата, сократить площадь маточного помещения. Благодаря гомогенизации кормового субстрата и контролю его влажности в процессе переработки отделение биомассы личинок от биогумуса осуществляется путем просеивания через сито, что упрощает конструкцию установки и позволяет структурировать биогумус.
2
В предлагаемом способе яйца сначала помещают в инкубатор на специально приготовленную питательную смесь из соотношения 1 г яиц на 0,15 кг смеси. Далее осуществляют сепарацию личинок, сепарацию личинок II-III возраста и их взвешивание для определения их количества. Заселяют субстрат личинками с плотностью 2,5-5,0 экз/см.
Процесс биоконверсии органических отходов предлагаемым способом продолжается от 7 до 14 суток в зависимости от кормового субстрата и условий внешней среды. Навоз и другие субстраты перерабатываются полностью, данные по конверсии разных отходов представлены в таблице 1. Средняя масса одной личинки Hermetia illucens на питательных субстратах составляет 200 мг.
Предлагаемый способ обеспечивает возможность переработки кормовых субстратов с высоким содержанием целлюлозы, так как особенности пищеварения личинок муха черная львинка (Hermetia illucens), в отличие от личинок домовых мух, позволяют переваривать субстраты с высоким содержанием целлюлозы.
Чтобы инициировать процесс размножения и яйцекладки у домашней мухи, ей необходима определенная белковая диета.
Используемая в данном способе муха Hermetia illucens на стадии имаго не питается, для успешного процесса размножения ей необходим источник воды и света, по спектру близкий к естественному освещению.
2
Жизненный цикл мухи Hermetia illucens (от яйца до яйца) составляет около 40 суток. На вторые сутки после появления мухи приступают к спариванию, а еще через 2 суток - к откладке яиц. Яйца ежедневно извлекают из маточника, взвешивают и переносят на питательную среду для инкубации и подрастания личинок до II-III возраста. В качестве питательной среды для подроста личинок используют смесь дробленой пшеницы с кормовыми дрожжами (5-7%), влажностью 65%. Могут использоваться и другие зерновые. Продолжительность данной стадии составляет около 7 суток. Личинок II-III возраста сепарируют с помощью ручного сита (ячейка 2 мм) и заселяют (плотностью 2,5-5 экз/см) на измельченные и гомогенизированные органические отходы влажностью 65-80%, которые находятся в штабелируемых пластиковых контейнерах. Толщина слоя отходов составляет около 10 см. В результате микробиологических процессов температура кормового субстрата может повышаться до 50°С при температуре в помещении 20°С. Продолжительность стадии переработки составляет 7-14 суток, в зависимости типа органических отходов и абиотических условий. По завершении процесса биоконверсии влажность биогумуса составляет менее 30%, и биомассу личинок отделяют от него с помощью вибросита (ячейка 4 мм). Личинок (влажность личинок 70%) сушат при 90°С, а биогумус фасуют. Показатели конверсии и выход биомассы личинок, полученные на разных кормовых субстратах, представлены в таблице 1. В результате переработки отходов данным способом происходит убыль субстрата до 80% (по сухому веществу). С тонны кормового субстрата возможно получать до 198 кг личинок (по сухому веществу).
По данным, представленным в таблице 1, видно, что, хотя наиболее низкие показатели конверсии кормовых субстратов и выход биомассы личинок наблюдаются на субстратах с высоким содержанием растительных биополимеров, в принципе возможна их переработка предложенным способом.
В таблице 2 приведен химический состав личинок, выращенных на разных органических субстратах.
В таблице 3 приведен аминокислотный состав личинок, выращенных на различных субстратах.