Способ комплексной переработки сена из луговых растений
METHOD FOR COMPLEX PROCESSING OF HAY FROM MEADOW PLANTS

Настоящее изобретение относится к области сельского хозяйства, конкретно, касается технологии комплексной переработки сена, полученного из различных видов луговых растений, которая направлена на производство полезных в сельском хозяйстве и в других отраслях промышленности продуктов, таких как целлюлоза и обогащенные корма для животных, а также иных продуктов, предназначенных для применения в области сельского хозяйства и в других отраслях.
Из уровня техники известен источник информации, описывающий способ получения суспензии на основе травяных волокнистых материалов для изготовления листов или плит, включающий следующие стадии: сбор луговой травы; очистка луговой травы механическим способом или посредством продувки воздухом и/или промывкой водой; резка луговой травы с получением длины от 100 до 0,1 мм; измельчение фибриллированием луговой травы; изготовление таблеток из луговой травы; суспендирование луговой травы в воде; добавление фракций целлюлозных волокон и/или бумажных отходов и/или вспомогательных веществ в суспензию (ЕА 029141 В1, 28.02.2018).
Известен источник информации, описывающий способ отделения компонентов от растительного материала, содержащего, по меньшей мере, лиственные и/или стеблевые части, при этом данный материал, по меньшей мере, частично распускают на волокна, а затем разделяют на фракцию волокон и поток сока так, что фракция волокон главным образом содержит твердые ткани, такие как эпидермис, склеренхима и сосудистые пучки, а поток сока главным образом содержит мягкие ткани, такие как паренхима и цитозоль (RU 2213169 C2, 27.09.2003).
Известен источник информации, описывающий способ получения целлюлозы, включающий использование недревесного растительного сырья с содержанием нативной целлюлозы не более 50% и водного раствора едкого натра, при этом исходное сырье промывают водой при температуре 40 - 70°С и атмосферном давлении в течение 0,5 - 4 ч, осуществляют делигнификацию водным раствором азотной кислоты концентрацией 2 - 8%, обработку ведут при температуре 90 - 95°С в течение 4 - 20 ч с последующем отделением твердой фазы и ее дальнейшей обработкой водным раствором едкого натра концентрацией 1 - 4%, при температуре 60 - 95°С в течение 1 - 6 ч, затем полученную целлюлозу фильтруют, промывают водой и снижают ее влагосодержание (RU 2448118 C1, 20.04.2012).
2
3
2
3
Наиболее близким к предложенному техническому решению является источник информации, описывающий непрерывный способ производства целлюлозной массы из травянистого растительного сырья, включающий следующие этапы: подготовка травянистого растительного сырья посредством измельчения на части длиной 1,5 - 30 см и диаметром 0,5 - 15 мм и удаления частиц пыли из указанного сырья с помощью вентилятора; и непрерывная варка не содержащего пыли травянистого растительного сырья, подготовленного ранее, в варочной установке, представляющей собой вертикальную колонку с гладкими внутренними стенками, в верхнюю часть которой конвейер непрерывно подает травянистое растительное сырье, при этом параллельно с подачей не содержащего пыли сырья в верхнюю часть указанной варочной установки непрерывно подают химикаты для варки (группа, состоящая из NaOH и NaCl или NaSO), пресная вода, восстановленная вода и пар, температура варки составляет 70 - 100°С, и в ходе описывающего способа непрерывной варки формируется суспензия со следующим составом: весовой процент NaOH 0,9 - 1,5, весовой процент NaCl или NaSO0,15 - 0,4; и весовой процент травянистого растительного сырья 15 - 18; где концентрация ингредиентов рассчитывается от веса жидкой фазы; разложение нецеллюлозного материала из травянистого растительного сырья происходит во время перехода массы из верхней в нижнюю часть указанной варочной установки исключительно под воздействием силы тяжести, которое длится от 40 минут до 20 часов и сваренная масса концентрируется в нижней части варочной установки и непрерывно со скоростью, равной скорости подачи, выводится из нижней части варочной установки с помощью конвейера, что позволяет компенсировать гидравлическое давление (RU 2636556 C1, 23.11.2017).
Основным существенным недостатком указанных изобретений является неполное извлечение полезных продуктов (компонентов) из недревесного растительного сырья.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа комплексной переработки сена из луговых растений, обеспечивающего максимальное извлечение из него полезных продуктов, в том числе, за счет проведения стадии предварительного фракционирования измельченного сена на листовую и стеблевую фракции.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в максимально полном извлечении полезных продуктов из недревесного растительного сырья, таких как целлюлоза, целлюлозосодержащих волокон, липидно-пигментного комплекса и белка, а также получение обогащенного гранулята или брикетов сена, предназначенного для корма сельскохозяйственных животных, с одновременным снижением расхода реагентов, воды, времени, энергии и в конечном счете сокращение затрат и повышения качества целлюлозы.
Для достижения указанного технического результата предложен способ комплексной переработки сена из луговых растений, согласно которому предварительно сено измельчают до размера частиц 10 - 30 мм (причем данный размер частиц имеет не менее 80% от всего объема сена) и разделяют методом аэросепарации на стеблевую и листовую фракции, после чего стеблевую фракцию подвергают варке с получением целлюлозы в количестве 20 - 50% от количества исходного сырья и целлюлозосодержащего волокна от 1,2 - 20% от количества исходного сырья, а листовую фракцию с содержанием протеина более 20% в сухом веществе направляют на последовательную обработку, на первом этапе которой методом мацерации этиловым спиртом получают липидно-пигментный комплекс, на втором этапе методом трехступенчатой экстракции раствором сульфата аммония с последующим осаждением получают концентрат белка. Полученный в результате последовательной обработки шрот направляют на стадию варки, а листовую фракцию с содержанием протеина менее 20% в сухом веществе направляют на гранулирование или брикетирование для производства гранулята сена или брикетов с пониженным содержанием клетчатки.
Также, возможно полученный белок добавлять в листовую фракцию при производстве гранулята или брикетов сена с пониженным содержанием клетчатки для обогащения белком.
Также, для решения проблемы эффективной переработки низкосортного и некондиционного сена, возможно в качестве сырья использовать сено с содержанием сырой клетчатки более 30% от общей массы сена.
Сырьем для реализации предложенного способа является луговое сено, полученное из растений луга.
2
Луг представляет собой сложное растительное сообщество - фитоценоз, растения которого представлены преимущественно многолетними травами мезофитами, то есть растениями, требующими для нормального роста и развития повышенного содержания влаги. По характеру происхождения луга делят на естественные луга и искусственные луга. Естественные луга покрыты дикорастущими травами, а искусственные луга представляют собой кормовые угодья, созданные путем посева многолетних бобовых и злаковых кормовых трав. Все кормовые растения лугов делятся в сельскохозяйственной практике на четыре хозяйственные группы: злаковые, бобовые, осоковые и разнотравье. О кормовой ценности луга и травянистой растительности можно судить по ботаническому составу, то есть видовому составу трав. Он определяет богатство фитоценоза и влияет на возможность хозяйственного использования луга. Наиболее богатыми считают естественные луга, сформированные в долинах рек, где на 1 м может произрастать до 80 видов растений. Высокопитательное сено получают из многолетних и однолетних бобовых и злаковых трав в чистом виде, из их смесей, а также из травостоя природных угодий. В зависимости от ботанического состава и условий произрастания трав сено классифицируют следующим образом:
- сеяное бобовое (бобовых растений более 60%);
- сеяное злаковое (злаковых более 60%, бобовых менее 20%);
- сеяное бобово-злаковое (бобовых от 20 до 60%);
- естественных кормовых угодий (злаковое, бобовое, разнотравное).
Наиболее распространенные методы консервирования зеленой массы - ее высушивание или хранение во влажном состоянии в анаэробной и кислой среде. Первым методом заготавливают сено и травяные искусственно высушенные корма, вторым - силос. На основе сочетания этих двух методов заготавливают сенаж и влажное сено.
Требования к качеству сена регламентируют отраслевым стандартом ГОСТ 10243-2000.
Содержание влаги должно быть не более 17%, цвет сена - от зеленого до желто-зеленого и запах, свойственный свежему сену.
Также к сену применим ГОСТ Р 55452-2013, который нормирует следующее:
- массовая доля сырого протеина в сухом веществе (%, не менее):
для бобового сена 1-го класса - 15,
2-го - 13,
3-го - не менее 10%;
злакового - соответственно 13%, 10% и 8%;
сеяного бобово-злакового- 14%, 11% и 9%;
сена естественных сенокосов - 11%,9% и 7%;
- массовая доля в сухом веществе сырой клетчатки (%, не более):
для сена сеяного бобового 1-го класса 28,
2-го - 30,
3-го - 31;
сеяного злакового соответственно - 30%, 32% и 33%;
сеяного бобово-злакового - 29%, 31% и 32%;
сена естественных сенокосов 30%, 32% и 33%.
При этом наиболее полезен корм, собранный в фазе бутонизации и начале цветения. Перерастающий травостой снижает качество кормов, а собранный в стадии колошения - вообще некондиционный.
Известно, что сено из луговых трав богато не только клетчаткой, но и иными полезными компонентами (белки, жиры, минеральные вещества) однако, качественный и количественный состав листовой и стебельной части сена не идентичен, и каждая из этих частей предпочтительна для получения отдельных продуктов (стебель - целлюлоза, листья - белок), в связи с чем, возникла необходимость разделения измельченного сена на две фракции (листовую и стеблевую).
Из проведенных исследований следует, что разделение исходного сырья на две фракции более чем в два раза снижает содержание лигнина в стеблевой фракции с 60,38 до 26,56 и экстрактивных веществ с 1,47 до 0,65, что важно, так как, получение целлюлозы сопряжено с удалением лигнина и экстрактивных веществ. Очевидно, что снижение содержания балластных веществ позволит снизить расход реагентов, воды, времени, энергии и в конечном счете сократить затраты и повысить качество целлюлозы.
Согласно проведенным исследованиям предложена следующая технология для реализации способа комплексной переработки сена из луговых растений.
Пример реализации способа.
Сырье с содержанием сырой клетчатки от 16 до 36% от общей массы сена и состоящее из луговых растений измельчают до размера частиц 10 - 30 мм и направляют на стадию разделения на две фракции: тяжелую фракцию (стебли) и легкую фракцию (листья). Процесс разделения проводят методом аэросепарации, с использованием, к примеру, аэросепаратора типа ЗИГ-ЗАГ производительностью 50 кг/ч, при восходящем потоке воздуха от 650 до 700 об/мин. При этом, установлена закономерность, что в связи с тем, что сырье довольно пластичное и хорошо реагирует на динамические изменения процесса, то усиление восходящего потока воздуха (650 об/мин-700 об/мин) обеспечивает изменение соотношения в пропорции стеблевая/листовая фракции. Это позволяет оперативно реагировать на технологические потребности производства. После получения листовой и стеблевой фракций их направляют на дальнейшую переработку.
Полученную стеблевую фракцию направляют на стадию варки. При этом следует отметить, что при реализации предложенного способа может быть применена любая известная из уровня техники варка: сульфатная варка, натронная варка, водный гидролиз, варка с перекисью водорода. К примеру, варку стеблевой фракции по технологии водного гидролиза проводят при температуре около 170°С; продолжительности стоянки при заданной температуре около 30 мин, продолжительности размола около 10 мин. Пероксидную варку стеблевой фракции без хелатирования проводят по режиму расход NaOH около 20%, температура варки около 140°С; продолжительность стоянки при заданной температуре около 180 минут, расход перекиси водорода около 3 кг/т. Сульфатную варку стеблевой фракции осуществляют по следующему режиму: расход активной щелочи, % от исходного сырья около 12; температура варки около 150°С; продолжительность стоянки при заданной температуре около 10 - 30 мин, продолжительность размола до промывки около 2 мин. Необходимо отметить, что приведенные параметры осуществления процессов являются приблизительными и подбираются в зависимости от качественного и количественного состава стеблевой фракции. В результате проведенного процесса варки получают целлюлозу в количестве 20 - 50% от количества исходного сырья и целлюлозосодержащее волокно от 1,2 - 20% от количества исходного сырья. Полученные в результате продукты могут использоваться, как независимые продукты в сельском хозяйстве и других отраслях промышленности, могут быть в дальнейшем направлены на дополнительную переработку, в том числе для получения производных целлюлозы, таких как микроцеллюлоза, наноцеллюлоза, или например, на стадию размола, промывки, фильтрации и сушки для получения бумаги/картона.
Полученную листовую фракцию направляют на дальнейшую переработку в зависимости от содержания в ней протеина.
Листовую фракцию с содержанием протеина более 20% в сухом веществе направляют на последовательную обработку.
Экспериментально были определены следующие данные по исследуемому образцу сена:
Показатель
Образец №1
Гранулометрический состав (фракция, составляющая 80% массы образца), мм
12 - 20
Влажность, %
7,08±0,04
Зольность, %
4,9±0,1
Содержание кремния в золе, % SiO2
28,7±0,2
Содержание хлорофиллов (а+в), мг/г
0,740
Содержание каротиноидов, мг/г
0,09
Содержание сырого жира, %
2,36
Содержание сырого протеина (белка), %
3,1
Экстракция липидно-пигментного комплекса и выделение белка осуществляются последовательной обработкой растительного сырья. На первом этапе которой, методом мацерации этиловым спиртом получают липидно-пигментный комплекс. Экстракцию проводят в две ступени примерно по 20 минут каждая. При этом, в качестве экстрагента используют этиловый спирт, гидромодуль составляет 1:20, температура процесса составляет около 60°С, а время всего процесса около 40 минут. Использование в качестве экстрагента этилового спирта обусловлено тем, что он наиболее полно извлекает липидно-пигментный комплекс. Выход твердого экстракта достигает 2,17%, что соответствует 92%-му извлечению сырого жира. После удаления липидно-пигментного комплекса наблюдается увеличение содержания сырого протеина с 3,1 до 3,24%. Данный факт обуславливается извлечением из образца сена небелковой части - липидно-пигментного комплекса. Предварительное удаление липидно-пигментного комплекса спиртами положительно сказывается на выходе белкового концентрата (увеличивается с 2,1% до 2,6-3%) и его качестве (содержание белка в концентрате увеличивается с 19,5 до 20-23%) на второй стадии процесса. Степень извлечения белка увеличивается с 12,8% до 16-22% при предварительной мацерации спиртами.
Затем, обработанное сено направляют на трехступенчатую экстракцию белка растворами сульфата аммония (0,5, 2,5, 5% соответственно). Растворы сульфата аммония и сырье предварительно охлаждали до 5°С, при этом гидромодуль составил 1:20, продолжительность экстракции составляет около 15 минут на каждую ступень. В полученном экстракте белок находится в коллоидно-дисперсном состоянии и для его осаждения необходимо эмпирически определить изоэлектрическую точку - рН нулевого заряда коллоидной частицы. В изоэлектрической точке происходит агломерация белковых глобул и осаждение белка. К раствору белка добавляли порциями 5% раствор серной кислоты с контролем рН и мутности раствора (турбидиметрическое титрование). Значение рН, которому соответствует максимальная величина мутности раствора (минимальное значение коэффициента светопропускания - Т, %) соответствует изоэлектрической точке 3,15 ед. рН. Для определения мутности (коэффициента светопропускания) экстракта использован фотоэлектроколориметр КФК-3. При этом, для осаждения белка из, к примеру, 300 мл экстракта требуется затратить 550 мкл 5% раствора серной кислоты. Осадок белка (белковый концентрат) промыт от сульфата аммония 10 мл дистиллированной воды (до отсутствия в промывных водах иона аммония). Выход белкового концентрата составил 2,1% от исходной массы сырья. Содержание азота в белковом концентрате составило 3,13%, что соответствует содержанию белка в нем 19,5%. Степень извлечения белка составила 12,8% от присутствующего в образце. Содержание сырого протеина после проведения экстракции белка составило 2,7%, что согласуется с данными о степени извлечения белка. Выделенный из образца белок является «солерастворимым». Присутствующий в растительном сырье белок также может быть извлечен экстракцией водой («водорастворимый») или щелочью («щелочерастворимый»). В аналогичных условиях был выделен концентрат «щелочерастворимого» белка (0,05% раствор гидроксида натрия) (Патент РФ 2134991, 1999 г.). Выход его составил 0,29% при содержании азота в нем 16%, степень извлечения белка составила 1,5% от присутствующего в исходном сырье. Для водорастворимого белка выход концентрата составил 0,21%, содержание в нем азота 25,8%, степень извлечения белка 1,8% от исходного сырья. При этом механическое сложение выходов фракций белка некорректно, т.к., например, водорастворимая фракция может входить в щелочерастворимую и солерастворимую белковые фракции. В растворе, после осаждения белкового концентрата, обнаружено среднее содержание органического углерода 840 мг/л, что соответствует извлечению БЭВ (в пересчете на крахмал) 10,9% исходного сырья. Определение органического углерода проводили методом высокотемпературного каталитического сжигания на анализаторе общего органического углерода TOC-L CSN (Shimadzu, Япония), при этом общий органический углерод (ТОС) - определяется как разность между общим и неорганическим углеродом. Принцип определения общего углерода (ТС) основан на прямом сжигании пробы в специализированной трубке сжигания ТС, заполненной катализатором окисления и нагретой до 680°С. В процессе сжигания пробы весь углерод превращается в углекислый газ. В дальнейшем продукты сжигания в кювете бездисперсионного инфракрасного детектора (NDIR) происходит определение двуокиси углерода. Метод определения неорганического углерода основан на измерении содержания двуокиси углерода, выделяющейся в газовую фазу при реакции кислоты с карбонатами и гидрокарбонатами, и общий объем газообразной двуокиси углерода измеряется тем же NDIR-детектором. Таким образом, удается извлечь в концентрат до 13% белка, содержащегося в исходном сырье.
Полученный, в результате последовательной обработки шрот направляют на стадию варки, и далее на получение целлюлозы.
Листовую фракцию с содержанием протеина менее 20% в сухом веществе направляют на гранулирование или брикетирование. При этом, возможно использование любого известного гранулятора или брикетировщика, которые подбирают с учетом требований производства. Для брикетирования травяной резки используют, например, брикетные прессы ОКС-2, ОПК-2, пресс-брикетировщик ПБШ-2 (штемпельный) и пресс-брикетировщик кольцевого типа конструкции ВИМ. Гранулированная масса или брикеты уже являются самостоятельными ценными продуктами. При этом, полученный гранулят или брикет может быть дополнительно обогащен белком, предварительно выделенным из листовой фракции богатой протеином.
В результате реализации предложенного способа получают целлюлозу, целлюлозосодержащие волокна, липидно-пигментный комплекс, белок, обогащенный гранулят или брикет, то есть осуществляют максимальное извлечение полезных веществ из сена луговых растений.