Повышение питательности и продуктивного действия соломы методом термохимической деструкции

УДК 663.1.094.941

В. Н. Шекуров, Б. И. Таренко, М. М. Шекурова ПОВЫШЕНИЕ ПИТАТЕЛЬНОСТИ И ПРОДУКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ СОЛОМЫ МЕТОДОМ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ

Ключевые слова: термохимическая деструкция, технология переработки, повышение питательности соломы,

корм, экология.

Описывается оборудование и технология переработки соломы в корма с высокой питательной ценностью за счет увеличения выхода легкоусвояемых компонентов, например, глюкозы. Использование этой установки как в крупных так и мелких фермерских хозяйствах позволяет поднять эффективность производства молока и мяса.

Keywords: thermochemical destruction, processing technology, increasing the nutritional value of straw, food,

environment.

Describes the equipment and technology for processing of straw in forages with high nutritional value by increasing the yield of digestible components such as glucose. Use this aggregate for both large and small farms can raise the efficiency of milk and meat production.

При выращивании зерновых культур образуется очень много соломы. Использование соломы в качестве корма для животных сдерживается её низкой питательностью, слабой биологической ценностью, она плохо переваривается животными. Один килограмм соломы содержит 0,20-0,30 кормовых единиц, 5-12 г перевариваемого протеина. В то же время, содержание валовой энергии в 1 кг сухого вещества соломы и зерна примерно одинаково. Солома в настоящее время используется в основном в качестве подстилки и дешевого источника грубого корма для жвачных животных.

Органическое вещество соломы состоит на 80—90% из клетчатки и безазотистых экстрактивных веществ, соединенных в прочный лигнин-целлюлозный комплекс, который слабо поддается воздействию бактериальных ферментов желудочно-кишечного тракта животных. Воздействуя на солому физическими, химическими методами, разрушающими лигнин-целлюлозный комплекс [1-5], можно повысить питательность соломы. Эти приемы использовались в 50-80-х годах прошлого столетия, и давали хорошую отдачу, значительно повышали переваримость и питательную ценность соломы. В производственных условиях доказана эффективность переработки соломы, позволяющая повышать молочную продуктивность коров на 6-18%, приросты молодняка на откорме на 11-13% [4].

Кроме соломы, и другие отходы содержат целлюлозу. Это опилки и стружка деревообработки, жом, лузга, костра льна, кукурузные кочерышки и многое другое. Эффективная переработка целлюлозосодержащего сырья сделает возможным использовать бросовое сырьё в производстве кормов. Под переработкой понимается деструкции природных полимеров под действием термических, механических, химических, микробиологических и других процессов. Наиболее широко применяется баротермическая деструкция целлюлозы.

Известны способы обработки измельченного целлюлозосодержащего сырья двадцатипроцентным раствором щелочи [9], жидким аммиаком, водой с различными кислотными свойствами - анолитом и католитом [10], последовательной обработкой и одно-десяти процентным раствором щелочи, и затем одно-десяти процентным раствором соляной кислоты. Завершают обработку одно-десяти процентным раствором сульфата аммония, диоксидом серы с последующим пропариванием в автоклаве под давлением 3-4 атм. и температуре 1300-140°С после предварительного замачивания сырья в течение суток и пропаривания соломы после обработки в течении 3 часов, в присутствии соляной или серной кислоты в количестве 0,3-

0,5% от ее веса при давлении 3 атм. и температуре 1300-140°С с последующей нейтрализацией соломы мочевиной. Однако, качество получаемого этими способами корма по усвояемости, по

содержанию сахаров остается низким. Кроме того сами способы для практического использования не технологичны.

Устройства, до сих пор предлагаемые и применяемые [1-5], громоздки, дороги и не удобны в эксплуатации, особенно в условиях мелких фермерских хозяйств. Данные недостатки были исключены при создании компактной установки гидролиза соломы УГС-1 [4-8]. Она компактна, высокопроизводительна, обеспечивает получение кормов с высокой питательной ценностью за счет увеличения выхода легкоусвояемых компонентов, например, глюкозы и отсутствия в нем вредных веществ. Использование этой установки как в крупных так и мелких фермерских хозяйствах позволит поднять эффективность производства молока и мяса.

На рис. 1. представлен общий вид УГС-1 в разрезе. Устройство для переработки корма содержит и - образный корпус с двумя вертикальными колоннами (высотой 1,5-2 м диаметром 20-40 см), соединенными в верхней части паропроводом 7 (диаметром 3,2 см), сообщающимися в нижней части. (Горизонтальная часть устройства имеет длину 3-5 м). В средней части левой и в нижней части правой колонн расположены краны 4 и 5, для подачи сырья и выгрузки продукции. В середине горизонтальной части устройства расположен кран 6 для подачи острого пара. В крышках колонн установлены датчики 8, 9, 10, 11 для контроля уровня (верхнего и нижнего) находящейся в аппарате суспензии, манометры Р1 и Р2 - для регистрации давления, клапан 12 для стравливания давления, электромагнитный клапан 13 для дополнительной импульсной подачи острого пара. Датчики 9 и 11 расположены несколько выше (0,2-1,0 м) кранов 4 и 5. Датчики 8 и 10 на расстоянии 0,3-0,5 м от верхнего уровня колонн. На паропроводе, соединяющем обе колонны, расположен электромагнитный клапан 14 для выравнивания уровня суспензии. Клапаны 13 и 14 регулируются блоком управления 15. Питание на датчики подается через блок управления 15.

Рис. 1 - Общий вид УГС-1

Предлагаемая установка работает следующим образом: сырье предварительно измельченное до размера частиц 1-17 мм, и подаваемое в ёмкость 1 с водно-кислотным раствором соляной кислоты (концентрация 0,3 - 0,4%) нагретым до температуры 80° - 900 С в соотношении (растительное сырьё: жидкость) до 1:8 через кран 2 подается насосом 3 в виде густой суспензии в левую колонну (рис.1). В середину устройства через кран 6 непрерывно поступает острый перегретый пар для создания в аппарате температуры 120-150°С и рабочего давления 0,2-0,5 МПа. Сверху левой колонны через электромагнитный клапан 13 по паропроводу

поступает острый пар импульсно для создания периодических сжатий суспензии с частотой 1-6 импульсов в минуту, создавая дополнительное давление 0,03-0,05 МПа сверх рабочего с последующим снижением давления до рабочего за счет конденсации водяного пара.

Острый пар через электромагнитный клапан 13 поступает в левую колонну аппарата в течение 1-3 сек (время одного импульса) вытесняет суспензию до уровня датчика 9 и создает превышение давления 0,03-0,05 МПа над рабочим давлением. Вытесняемая суспензия перемещается на расстояние 0,4-0,5 м. Через 1-3 сек клапан 13 закрывается и открывается клапан 14 на паропроводе 7, соединяющем обе колонны аппарата, уровни суспензии в обеих колоннах аппарата выравниваются. Клапаны 13 и 14 работают в противофазе.

Датчики контроля уровня 8 и 10 сигнализируют о переполнении аппарата и о необходимости приостановке подачи суспензии через кран 4. Датчик контроля уровня 9 сигнализирует о завершении подачи острого пара через электромагнитный клапан 13, чем и определяется продолжительность импульса поступления острого пара. Датчик контроля уровня 11 сигнализирует о чрезмерном опорожнении аппарата и, соответственно, о необходимости перекрыть кран 5 правой колонны.

Режим работы УГС-1 отрегулирован таким образом, что растительное сырье может пребывать в аппарате 1-3 часа. Прогидролизованное растительное сырье вытекает из аппарата через кран 5 правой колонны в устройство для разделения на твердую и жидкую фазы. Обе фазы могут использоваться на корм крупного рогатого скота сразу, либо после приготовления различных композиций. Жидкая фаза содержит сахара до 45% от сухого остатка, твердая фаза

- 3,5-4% от сухого остатка.

Размеры установки определяются потребностью заказчика в объеме корма. При размерах: высота колонн 1,5 м, длина горизонтального участка - 3 м, диаметр труб - 0,2 м, объем установки составляет 6 м3, производительность составляет 200-600 кг/час (в зависимости от времени переработки). Все процессы загрузки, разгрузки и переработки сырья являются непрерывными, автоматизированными, что значительно упрощает и облегчает труд, снижает трудозатраты. Компактность установки делает её удобной для применения в любом хозяйстве. Окупаемость УГС-1 - от 6 месяцев до одного года.

В табл. 1 представлены данные по составу и питательной ценности корма на примере соломы пшеницы, переработанной на данной установке.

Таблица 1 - Химический состав и питательность корма, полученного на УГС-1

Показатели Ед. изм. В пересчете на сухое вещество

Пшеничная солома без обработки Пшеничная солома после обработки Жидкая фракция гидролизата

Сухое вещество % 91,2 17,5 2,4

Сырой протеин % 5,15 3,42 8,3

Сырая клетчатка % 37,39 46,85 20,8

Сырой жир % 1,09 0,6 2,9

Безазотистые экстрактивные вещества % 41,74 38,3 41,6

Кормовые единицы кг 0,28 0,51 0,8

Обменная энергия МДж/кг 2,50 5,6 9,1

Перевариваемый протеин г/кг 7,23 16,0 54,1

Кальций г/кг 3,18 2,28 0,9

Фосфор г/кг 1,43 0,6 0,8

Сахара г/кг 11,5 34,8 458

Фурфурол отсутствует

По данным Регионального центра государственного контроля качества лекарств при ИОФХ им. А.Е.Арбузова РАН гидролизат содержал пектиновые вещества, глюкозу и растворимые белки, соответственно, 8,85%, 30,98% и 8,2% от сухого вещества.

Из Заключения ФГУ «Федерального центра токсикологической и радиационной безопасности животных» следует:

- по классификации химических веществ по степени опасности солома-гидролизат биовитаминная добавка относится к IV классу — незначительно опасные веществ (ГОСТ 12.1.007.76.);

- отсутствует острая и хроническая накожная токсичность;

- отсутствует раздражающее действие на слизистую оболочку глаз и кожу;

- обладает низкими кумулятивными свойствами;

- обладает слабовыраженным аллергизирующим действием;

- не вызывает ухудшения росто-весовых, гематологических биохимических показателей и состояния внутренних органов крыс и кроликов при применении в течение 30 суток в дозе 1,25 мг/кг и считает, что препарат безопасен и противопоказания для скармливания откормочным и продуктивным животным отсутствуют.

Как можно видеть из результатов таблицы 1 предлагаемое устройство обеспечивает деструкцию клетчатки соломы в целом и существенное повышение концентрации сахаров. Такая клетчатка лучше переваривается симбиотическими микроорганизмами, в результате улучшаются условия для эффективного использования питательных веществ рациона и повышения продуктивности животных.

По заключению Государственного научного учреждения ТНИИСХ РАСН с учетом дефицита сахара в рационах крупного рогатого скота, переработанную в предлагаемом устройстве солому можно рекомендовать скармливанию дойным коровам до 25-30 кг, молодняку на откорме - 10-15 кг.

Опытно-промышленный образец установки опробован в Сельскохозяйственном производственном комплексе «Родина» Алексеевского района Республики Татарстан, полученные на нем корма применяются в откормочном комплексе.

Применение кормов, полученных на УГС-1 дают увеличение надоев молока (на ~ 28%) и привеса молодняка телят на 600-700 г в сутки.

Таким образом, предлагаемое устройство и способ обработки сырья содержащего целлюлозу, например соломы, увеличивает содержание легкоусвояемых компонентов, помогающих полнее усваивать кормовой рацион в целом.

Разработанные способ и установка гидролиза соломы хорошо выстраиваются в линию приготовления кормов обогащенных не только сахарами, но и другими очень важными для животных компонентами, такими как, белки и витамины.

В литературе описаны многие из линий приготовления кормов. Например, линия для приготовления корма из грубого растительного сырья включающая измельчитель, устройство для обработки сырья, диспергатор с циркуляторными емкостями, разделитель на фазы, смесители, дозаторы, бункеры для сбора конечного продукта, соединенные системой трубопроводов [12]. Качество корма в ней обеспечивается обработкой сырья в диспергаторе, где происходит более мелкое дробление частиц волокна растительного материала и его дегазация и ионизация при обработке водой. Однако эта линия не позволяет получать корм с высоким содержанием легкоусвояемых компонентов, например сахаров. Линия для переработки грубого растительного сырья, содержит соединенные транспортерами три загрузочных устройства, три дозатора сырья, измельчитель с рабочей емкостью для циклической переработки сырья. Измельчение сырья происходит с помощью двух молотковых роторов. Однако получаемый корм на этой линии отличается недостаточной усвояемостью из-за малой степени измельчения перерабатываемого сырья. Имеется линия [13] для приготовления кормов из соломы, силоса, корнеплодов, включающая транспортеры, загрузочное устройство, очиститель сырья от механических примесей, магнитную колонку,

дозаторы сырья и воды, измельчитель с емкостью для циклической переработки сырья, выполненный в виде роторного аппарата высокочастотного гидроударного действия. Линия позволяет получить пастообразную водную суспензию, используемую в качестве корма животным. Но, содержание легкоусвояемых компонентов, например сахаров, в них невелико. На механизированной поточной линии, обработка соломы ведется изотермическим способом. Линия позволяет получать кормосмеси, насыщенные дрожжевыми компонентами, ферментами, соломой. Но данная линия сложна по устройству, солома в ней перерабатывается неэффективно, нет глубокого расщепления клетчатки.

Установка гидролиза соломы УГС-1 разлагает клетчатку наиболее полно, чем устройства предлагаемые другими авторами. Клетчатка превращается в соединения, которые в виде моно- и дисахаридов для микроорганизмов являются самыми доступными источниками энергии.

В линии (рис.2) для приготовления корма из грубого растительного сырья [8] продукты из УГС-1 обогащаются дрожжевыми компонентами и витаминами. Линия осуществляет безотходную, экологически чистую технологию производства кормов. Линия включает в себя последовательно соединенные: измельчитель сырья 1, дозатор 2, ленточный транспортер 3, смеситель 4, из которого через кран 5 насосом 6 по трубопроводу 7 и кран 8 измельченное сырье подается в установку гидролиза соломы 9, где происходит переработка сырья, а переработанное сырье через кран 16 насосом 17 по трубопроводу 18 подается в теплообменник 19, из которого сырье по трубопроводу 21 поступает в разделитель 22, последний трубопроводом 23 соединен с реактором 24, в свою очередь соединенный через кран 32, насос 34 трубопроводом 33 с теплообменником 35, из которого по трубопроводу 36 готовая дрожжевая суспензия уходит на корм. Теплообменник 35 соединен трубопроводом 39 с теплообменником 19, а трубопроводом 37 через дозатор 38 со смесителем 4. Устройство 9 через кран 12 трубопроводом 11 соединен с перегревателем пара 10, а также через электромагнитный клапан 13 трубопроводом 14 с парогенератором 15.

Линия по переработке грубого растительного сырья (рис.2.) работает следующим образом: Исходное сырье, например, солома, поступает в измельчитель 1, где происходит измельчение сырья, затем измельченное сырье подается в дозатор 2, откуда ленточным транспортером 3 подается в смеситель 4, куда поступает также техническая вода и соляная кислота. Здесь компоненты перемешиваются до образования суспензии, которая через кран 5 насосом 6 по трубопроводу 7 через кран 8 поступает в устройство 9 (УГС-1). Снизу в него

через перегреватель 10, паропровод 11, кран 12 поступает перегретый острый пар для создания рабочей температуры 120-150°С и давления 0,2-0,5 МПа. Сверху для интенсификации процесса импульсно (1-6 импульсов в минуту) из парогенератора 15 по паропроводу 14 через электромагнитный клапан 13 поступает острый пар, создавая в устройстве 9 импульсное превышение давления 0,03-0,05 МПа над рабочим давлением и последующим отпуском до рабочего давления.

Рабочий режим в технологическом процессе отрегулирован таким образом, что сырье находится в устройстве 9 от одного до тех часов, а затем переработанное сырье из него перекачивается через кран 16 насосом 17 по трубопроводу 18 в теплообменник 19, в котором охлаждается технологической водой, поступающей по трубопроводу 20. Из теплообменника 19 по трубопроводу 21 сырье поступает в разделитель 22, где разделяется на жидкую и твердую фазы. Твердая фаза идет на корм, а жидкая по трубопроводу 23 поступает в реактор 24. Сюда подается дрожжевая затравка. Температура в реакторе 28-32°С, давление 1 атм. В реактор 24 компрессором 25 через фильтр 26 по трубопроводу 27 через кран 28 подается воздух. Газ из реактора стравливается через кран 30, трубопровод 29 и фильтр 31 в атмосферу. Из реактора 24, где жидкая фаза корма обогащается дрожжевой компонентой, через кран 32 насосом 34 по трубопроводу 33 дрожжевая суспензия поступает в теплообменник 35, где нагревается до температуры 80-85°С и по трубопроводу 36 отправляется на корм животным. Из теплообменника 35 вода по трубопроводу 37 через дозатор 38 поступает в смеситель 4.

Таким образом, достоинства установки УГС-1: простота конструкции, небольшие габариты, высокая производительность (которую по необходимости можно наращивать), простота в эксплуатации (обслуживается 1 чел.), низкие трудозатраты при монтаже (обслуживается 1 чел.), возможность использования для переработки другого грубого растительного сырья, эффективная термохимическая обработка соломы - позволяют снизить себестоимость 1 кг корма, изготавливаемого на УГС-1 до 1 руб., тогда как известные кормовые добавки имеют данный показатель в районе 3-5 руб. за 1 кг. По подсчетам специалистов, каждый вложенный в производство рубль оборачивается в 7 рублей прибыли.

На сегодняшний момент реактор по гидролизу и линия запатентованы, подготовлена техническо-конструкторская документация на опытно-промышленное производство данных установок.

Литература

1. Нуртдинов, Р.М. Разработка биотехнологического комплекса переработки растительного сырья и отходов сельскохозяйственного производства / Р.М.Нуртдинов и др.// Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, №2. - С.143 - 147.

2. Мухачев, С.Г. Биотехнологический комплекс учебной лаборатории энерго- и ресурсосбережения / С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, Р.Т. Елчуев, Р.Т. Валеева, Р.М. Нуртдинов, А.М. Буйлин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - №6. - С. 241 -244

3. Пат. 2038031, Российская Федерация, МПК А23Ш7/00. Устройство для обработки соломы на корм / Каткевич Ю.Ю. Грудулс А.А.; Звиргздиньш Э.Р.; Виестур У.Э.; Дзелзкалейс Я.Я.; заявитель Институт химии древесины АН Латвийской ССР, патентообладатель Каткевич Ю.Ю.. - № 4752834/15; заявл. 1989.10.24; опубл. 1995.06.27.

4. Бикташев, Р.У. Повышение питательности и продуктивного действия грубых кормов электрохимической деструкцией клетчатки: Автореф. дис. ... д-ра сел./хоз. Наук / Р.У. Бикташев. -Ульяновск, 2002. - 46с.

5. Пат. № 2028789 Российская Федерация, МПК А23К1/12, А23Ш7/00. Способ обработки сломы и устройство для его осуществления / Теслер П. А.; Прохоров Д. В.; заявители Теслер П. А.; Прохоров Д. В.; патентообладатели Теслер П. А.; Прохоров Д. В. - № 5008213/15, заявл. 1991.10.09; опубл. 1995.02.20.

6. Пат. 2300296 Российская Федерация, МПК А23К 17/00 (2006.01). Устройство для переработки грубого растительного сырья на корм / Шекуров В.Н.; заявитель и патентообладатель Шекуров В.Н. -№ 2005118933/13; заявл.10.06.05; опубл.10.06.07, Бюл.№16.

7. Пат.№229215В Российская Федерация, МПК A23K. Способ переработки грубого растительного сырья на корм / Шекуров В.Н.; заявитель и патентообладатель Шекуров В.Н. - №200511В9З5, заявл. 10.0б.2005; опубл. 27.01.2007.

В. Пат. №4В714 Российская Федерация, Линия для приготовления корма из грубого растительного сырья / Шекуров В.Н.; заявитель и патентообладатель Шекуров В.Н. - №200511В951, заявл. 10.0б.2005.

9. Пат. № 2141229 Российская Федерация, МПК A23K1/12. Способ переработки растительного сырья / Богомолов В.В., Гончаров О.П., Данилина З.И., Ильюкевич Е.К., Пальмина Г.З., Сурушкин Н.Д.; заявитель и патентообладатель ЗОА "Тосненский комбикормовый завод" - № 97105441/13; заявл. 1997.03.31; опубл. 1999.11.20.

10. Пат. № 2091039 Российская Федерация, МПК A23K1/12. Способ получения кормовой добавки из крупного растительного сырья / Вольф В.В., Панов А.Н., Галинуров Н.Е.; заявитель и патентообладатель Индивидуальное частное предприятие "Мастер" - №9402В45З/1З, заявл. 1994.07.27; опубл. 1997.09.27.

11. Пат. № 213309В Российская Федерация, МПК A23K1/12. Способ обработки соломы на корм / Алиев З.М., Хизриев О З., Хизриева И.Х.; заявитель и патентообладатель Дагестанский государственный университет - № 9В10245В/1З, заявл. 199В.02.12; опубл. 1999.07.20.

12. Пат № 2091040 Российская Федерация, МПК A23K1/12, A23N17/00. Линия для приготовления корма из грубого растительного сырья / Вольф В.В., Панов А.Н.; заявитель и патентообладатель Индивидуальное частное предприятие "Мастер" - № 9403Вб 12/13, заявл. 1994.10.14; опубл. 1997.09.27.

13. Пат. № 2223013 Российская Федерация, МПК A23N. Технологическая линия для приготовления кормов "тихенко-аргус" / Тихенко В.Н., опубл. 2004.02.10.

© В. Н. Шекуров - канд. техн. наук, доц. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизации производств КНИТУ, 6a1@mail.ru; Б. И. Таренко - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, ikgiap@kstu.ru; М. М. Шекурова - ст. препод. каф. менеджмента и предпринимательской деятельности КНИТУ, sh.mery@mail.ru.