СПОСОБ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ БЕЛОКСОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
METHOD OF INDUSTRIAL PROCESSING OF PROTEIN-BEARING ORGANIC WASTES

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к способам переработки белоксодержащих отходов жизнедеятельности животных и птиц, преимущественно птичьего помета.
Сброс белоксодержащих отходов жизнедеятельности животных и птиц в окружающую среду приводит к их накоплению и загниванию, что негативно сказывается на экологическом состоянии территории, поэтому для предотвращения загрязнений проводится, как правило, термохимическая или биотехнологическая конверсия получаемой биомассы отходов (свиного, коровьего навоза, птичьего помета).
Из уровня техники известен способ утилизации птичьего помета, включающий предварительное его высушивание, смешение с минеральными добавками, гранулирование полученной смеси при влажности 20-25% с последующим досушиванием гранул до влажности 12-14%, при этом перед переработкой удаленный из птичника помет делят на две части, причем одну часть помета используют в качестве биотоплива с получением тепловой энергии и концентрированных зольных элементов питания растений - золы, а другую часть помета обрабатывают стабилизатором, выдерживают в течение времени стабилизации, досушивают до требуемой влажности и смешивают с золой помета, после чего смесь гранулируют, при этом досушивание производится воздухом, нагретым в результате сжигания первой части помета (см. патент на изобретение RU 2399641 «Способ утилизации птичьего помета», дата подачи 10.03.2009 г., опубликовано 20.09.2010 г.).
Недостатки данного способа обусловлены тем, что при производстве биотоплива в отходах получают большое количество зараженной воды - примерно 2 части воды к 1 части помета, которая нуждается либо в обеззараживании, либо уничтожении, что, в свою очередь, требует значительных энергетических затрат.
Известен способ термической переработки органосодержащего сырья в газообразное и жидкое топливо путем нагрева сначала в камере сушки, а затем без доступа воздуха в камере пиролиза с переводом продуктов пиролиза в уголь и газообразное топливо - парогазовую смесь с последующей конденсацией части парогазовой смеси в жидкое топливо, сушка органосодержащего сырья осуществляется в бункере при температуре 160-200°C, сушильным агентом полученным смешением топочных газов, прошедших рубашку камеры пиролиза, с воздухом, а часть несконденсированной парогазовой смеси после предварительного подогрева до температуры 450-520°C подается в камеру пиролиза в количестве, обеспечивающем время пребывания продуктов пиролиза в камере пиролиза не более 2 с и избыточное давление в камере пиролиза на уровне 500-1000 Па (см. патент на изобретение RU 2395559 «Способ термической переработки органосодержащего сырья», дата подачи 10.03.2009 г., опубликовано 27.07.2010 г.).
Недостатки данного способа переработки органосодержащего сырья связаны со значительными энергозатратами, необходимыми для его реализации.
Также известен способ анаэробной переработки органических отходов, заключающийся в том, что в анаэробный биореактор помещают влажную предварительно подготовленную органическую биомассу с анаэробными бактериями - закваской, и обеспечивают ее сбраживание с нагреванием, при этом из анаэробного биореактора производят отбор биогаза и жидкого органического удобрения, причем управление процессом осуществляют с помощью программируемого компьютера, всю исходную биомассу предварительно измельчают и перемешивают, а также смешивают с переброженным шламом для дополнительного осеменения и предварительно нагревают, после чего ее помещают в анаэробный биореактор и интенсивно перемешивают в течение всего процесса с периодичностью несколько раз в час (см. патент RU 2315721 «Способ анаэробной переработки органических отходов и установка для его осуществления», дата подачи 03.04.2006 г., опубликовано 27.01.2008 г.).
Недостатками анаэробного способа переработки являются необходимость применения в технологической цепи большого количества биореакторов, если переработка осуществляется на крупной птицефабрике, что, в свою очередь, требует использования значительных производственных площадей, а также увеличения продолжительности производственного цикла. Помимо того, при осуществлении данного способа возникают проблемы с утилизацией огромного объема загрязненной воды.
Известен способ переработки птичьего помета, включающий обработку птичьего помета минеральными кислотами, смешивание свежего птичьего помета с раствором серной или фосфорной кислоты, при этом концентрация раствора серной или фосфорной кислоты составляет от 25 до 35%, а значения pH достигают 5,0-6,5 (см. патент на изобретение RU 2357944 «Способ переработки птичьего помета», дата подачи 15.11.2007 г., опубликовано 10.06.2009 г.).
Известный способ позволяет снизить возникающее при хранении птичьего помета и производстве удобрений негативное воздействие на окружающую среду, однако не позволяет получать в конечном продукте какие-либо полезные вещества, пригодные для их дальнейшего применения.
Также известен способ получения пищевого белкового изолята из подсолнечного шрота, который экстрагируют водным раствором хлористого натрия с целью выделения белка, затем отделяют нерастворимый осадок фильтрованием для получения экстракта, обрабатывают экстракт реагентом кислотного типа для осаждения белка и связывания фенольных соединений. В качестве реагента кислотного типа используют водный раствор янтарной кислоты концентрации 3-5%, осаждение проводят при перемешивании в течение 20-30 минут при температуре 45-55°C и соотношении весовых частей экстракта и янтарной кислоты 1:10-1:12, далее проводят разделение центрифугированием твердой и жидкой фаз, промывку твердого остатка и сушку (см. патент RU 2340203 «Способ получения пищевого белкового изолята из подсолнечного шрота», дата подачи 02.07.2007 г., опубликовано 10.12.2008 г.).
Химический состав подсолнечного шрота, являющегося продуктом растительного происхождения, беднее по химическому составу белоксодержащих отходов жизнедеятельности млекопитающих и птиц, в частности, птичьего помета, в которых помимо минеральных веществ содержатся животные белки и аминокислоты, что обусловлено рационом питания млекопитающих и птиц.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ выделения и очистки веществ, в качестве которых применяют белоксодержащие культуральные жидкости, включающий экстракцию аминокислот из водной фазы, осуществляемую с использованием органических и неорганических растворителей при различных значениях pH (см. Смирнова С.В., Автореферат диссертации «Новые экстракционные системы для выделения и определения аминокислот: Ионные жидкости как экстрагенты», Москва, 2002 г.).
Птичий помет богат питательными веществами, такими, как животные аминокислоты и белки, жиры, минеральные вещества, в том числе, азот, фосфор, калий, кальций и другие. Процентное содержание этих веществ в птичьем помете определяется условиями содержания птицы, рационом питания и возрастом птицы. Например, в сухом курином помете содержится от 3% до 5% жиров, около 2% фосфора, около 5% азота, около 500 мг/кг железа, около 200 мг/кг марганца.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности промышленной переработки белоксодержащих отходов жизнедеятельности животных и птиц, преимущественно птичьего помета, с разделением на полипептиды, аминокислоты, минеральную и жировую составляющие с целью их дальнейшего использования в качестве сырья, например, для производства удобрений, кормовых добавок.
Указанный технический результат достигается тем, что способ промышленной переработки белоксодержащих отходов, включающий экстракцию аминокислот из водной фазы с использованием органических или неорганических реагентов, согласно изобретению в качестве белоксодержащих отходов используют отходы жизнедеятельности животных и птиц, преимущественно птичий помет, экстракцию проводят поэтапно, предварительно отделяя жировую составляющую с помощью органических растворителей, а затем выделяют органическую часть, включающую полипептиды и аминокислоты, и минеральную, которую затем удаляют, а оставшуюся массу отправляют на сушку, температурный режим которой определяют в зависимости от используемого реагента, причем при применении органического реагента во время сушки происходит его испарение и последующая конденсация, после чего реагент поступает на повторное применение, а в случае использования неорганического реагента органическая часть связывается с ним в комплекс с получением осадка, который затем извлекают.
В качестве органических растворителей используют, например, керосин, бензин или бутанол.
В качестве органических реагентов используют, например, динонилсульфокислоту, хлороформ, гептан, этиловый спирт, краун-эфиры.
В качестве неорганических соединений применяют ионные жидкости, например, электроактивированные водные растворы хлорида натрия.
Влажность отходов составляет 70-72%.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «новизна».
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примерах конкретного осуществления.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
В случае загрязнения отходов жизнедеятельности животных и птиц такими включениями, как пух и/или перо, осуществляют предварительную обработку исходного белоксодержащего сырья путем механического или гравитационного отделения от него пуха и пера. В зависимости от влажности исходного сырья производят или его сушку, или разбавление водой для получения водной фазы с влажностью примерно 70-72%.
Далее отходы поступают в экстрактор, в котором с помощью органических растворителей, таких как керосин, бензин или бутанол, отделяют жировую составляющую.
Затем биомассу с помощью, например, шнека, транспортера, контейнера или самотеком, загружают в экстрактор, в который добавляют реагент, в частности, органический, причем реагент может быть добавлен во время транспортировки отходов. В экстракторе происходит разделение биомассы на органическую часть, состоящую из полипептидов и аминокислот, и минеральную часть, которую затем удаляют из экстрактора, а оставшийся состав направляют на сушку в теплообменный аппарат, в качестве которого может быть использован, например, испаритель, при этом температуру сушки устанавливают в зависимости от используемых реагентов. Во время сушки происходит испарение органических реагентов, которые после этого поступают в радиатор и охлаждаются, а затем отправляются для повторного использования в новом технологическом цикле.
Кроме того, в качестве реагентов для проведения экстракции могут быть использованы неорганические соединения, например, ионные жидкости.
Неорганические соединения связываются с органической частью с получением осадка, который затем извлекают.
Для проведения более эффективной экстракции может быть осуществлено предварительное перемешивание отходов с органическими реагентами в баке-накопителе.
После экстракции водный раствор минеральных веществ сушат и отправляют на дальнейшую переработку.
Удаление воды из жидкой органической составляющей может быть осуществлено с применением, например, фильтров, сепараторов, центрифуг или сушилок.
Выбор конкретного вида экстракции и технологической схемы переработки определяется в зависимости от состава исходного сырья - белоксодержащих отходов, зависящего от его происхождения, и целей переработки - получения тех или иных аминокислот и полипептидов.
Осуществление заявляемого изобретения подтверждается примерами конкретного выполнения.
Пример 1.
Жидкостная экстракция полипептидов и аминокислот.
Экстракцию полипептидов и аминокислот из водного раствора птичьего помета проводили с добавлением смеси хлороформа и гептана и последующего добавления динонилсульфокислоты. Для повышения извлечения может быть добавлен краун-эфир.
Обезжиривание помета осуществляли следующим образом. 100 кг куриного помета с влажностью 70±2% подавали в ящичный экстрактор, где смешивали с 34 литрами бензина марки АИ-92. Смесь находилась в экстракторе при постоянном перемешивании 4 часа без подогрева. В результате разделения смеси отделили 0,93 кг жиров.
Для экстракции полипептидов и аминокислот в центробежный экстрактор подавали 1 часть обезжиренной биомассы с влажностью 70±2% и 1 часть смеси динонилсулфокислоты (20%), хлороформа (50%) и гептана (30%), а также краун-эфиры (0,1-0,3% от массы птичьего помета) для повышения степени извлечения аминокислот.
После разделения получили смесь полипептидов (8,6% от исходного сырья) в хлороформе и гептане и водный раствор, содержащий минеральную часть, включающую неорганические вещества.
Пример 2.
Осаждение полипептидов и аминокислот выполняют с помощью ионной жидкости, например, электроактивированных водных растворов хлорида натрия.
Процесс обезжиривания птичьего помета осуществляли, аналогично примеру 1.
Затем в ящичный экстрактор подавали 1 часть обезжиренной массы с влажностью 70±2% и 1 часть электроактивированного раствора хлорида натрия (pH~1). Смесь полипептидов и аминокислот (около 8% от массы), выпавшую в осадок, отделяли и сушили.
Уникальное сочетание таких свойств ионных жидкостей, как гидрофобность и термическая устойчивость, делает их эффективными растворителями для экстракции именно органических соединений.
Пример 3.
Получение полипептидов и смеси аминокислот методом парофазной экстракции.
Во флотационной установке через 1 часть обезжиренного птичьего помета с pH~1-2 пропустили 7 частей пара этилового спирта при температуре 78°C. На выходе получили 7 частей конденсата спирта, содержащего 7,6% органических соединений от конденсата, в том числе 6% полипептидов и аминокислот от первоначальной массы. В остатке - минеральная составляющая и нерастворимые в сольвенте органические соединения.
Пример 4.
Экстракционное вымораживание.
Брали 1 часть обезжиренного птичьего помета (pH~3) и растворяли в 1 части воды, после чего отправили на заморозку в холодильник (t°=-20°C) на 7 часов. Затем водный раствор полипептидов и смеси аминокислот отделили ото льда, в котором остались неорганические соединения и сахара. К полученному раствору добавили 300 мл 96%-ного этилового спирта. Выпавший в осадок белок отфильтровали. Выход белка составил примерно 8% от первоначальной массы птичьего помета.
Заявляемое техническое решение способствует применению белоксодержащих отходов жизнедеятельности животных и птиц, преимущественно птичьего помета, в качестве сырья для получения методом экстракции полипептидов и аминокислот, используемых в дальнейшем при производстве удобрений, кормов или пищевых добавок.