Способ получения перьевой муки и устройство для его осуществления
METHOD OF OBTAINING FEATHER MEAL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к кормопроизводству и может быть использовано на предприятиях по переработке непищевых отходов птицеводства. 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.
В качестве кератинсодержащего сырья животного происхождения применяются отходы животноводства, в частности рога, кожа, волосы, шерсть, щетина, пух-перо сельскохозяйственных животных и птицы [EP97/05885].
Среди отходов потрошения птицы практически 50% белка содержится в перо-пуховом сырье.
Белок пера - кератин (от греческого keras - рог) - с давних пор привлекал внимание исследователей. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что основной структурой кератина является спираль. Две спирали, обвивая друг друга и соединяясь между собой водородными и дисульфидными связями, образуют протофибриллу, единую левую суперспираль. Суперспирализованные димеры кератина объединяются в тетрамеры, которые агрегируют, с образованием протофибрилл диаметром 3 нм. Протофибриллы, соединенные в одиннадцатижильный канат, образуют микрофибриллу. Наконец, восемь протофибрилл образуют микрофибриллы диаметром 10 нм. Последние погружены в аморфный матрикс, отличающийся высоким содержанием серосодержащих соединений. Несколько сотен микрофибрилл образуют пучок, который под микроскопом выглядит как макрофибрилла.
Для кератинов типичным показателем является большое количество серы (2-6%), что обусловлено высоким содержанием серосодержащих 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 [Справочник по производству пищевых животных жиров. / С.Г. Либерман, В.П. Петровский // М.: Пищевая промышленность, 1972. с. 488; Мясная индустрия, Обзор, инф., М., 1980, с. 28, 3; Мясная индустрия, 1981, №11, с. 32-35].
Исследования показали, что действительная перевариваемость и биологическая ценность муки из перо-пухового сырья зависят от способа обработки.
Основными способами перевода кератина в растворимое (усваиваемое) состояние являются гидротермический, кислотный, щелочной и ферментативный. 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. [Мясная индустрия СССР, 1978, №5, с. 25-27; 1981, №8, с. 33-38], однако подобные способы имеют больше исследовательский, чем практический характер.
Белковый продукт из кератинсодержащего сырья в уже разработанных известных способах получают при его механической, химической либо физико-химической обработке с применением различных химических реагентов.
В качестве химических реагентов при обработке кератинсодержащего сырья применяются неорганические соединения, такие как серная кислота и оксид кальция [SU 1028236], соляная кислота и оксид кальция [RU 2083129], ортофосфорная и азотная кислоты, пероксид натрия и перекись водорода [RU 2113225], аммиак и мочевина [RU 2007096]. Химической обработке кератинсодержащего сырья предшествует его механическая обработка (сортировка, измельчение, промывка), как это указано в цитированных патентах, а также применяется и физико-химическая обработка, например ультразвуком [US 1161064]. В последнем цитированном способе получения белкового гидролизата из кератинсодержащего сырья процесс гидролиза проводят ферментативным методом с применением протеолитического фермента амилоризина П 10Х. В этом способе предварительная обработка ультразвуком с частотой 0,9-1,2 МГц проводится в течение 45-60 минут до ферментативного гидролиза, а стадия гидролиза проводится в течение 6-7 часов при 43-47°С. После гидролиза полученную смесь фильтруют и выделяют белковый гидролизат следующего состава, мас.%: общего азота 14-16,4, сырого протеина к сухому веществу 84-98,2, влаги 90-93%. Данный белковый гидролизат предложен как кормовая добавка, но не может быть применен для фармацевтических и косметических целей из-за своих качественных свойств - цвета, запаха, наличия солей. Указанное качество продукта объясняется недостаточной глубиной гидролиза в данном способе. Кроме того, обработка ультразвуком не является технологичной, так как не позволяет проводить обработку сырья в большом объеме, что тем самым не приводит к значительному разрыву дисульфидных связей в кератине сырья /пера/, что в конечном итоге отрицательно сказывается на глубине ферментативного гидролиза.
Известен способ получения белкового гидролизата из кератинсодержащего сырья, который включает обработку исходного сырья водным раствором сульфита натрия под давлением 0,1-0,3 МПа. Предпочтительно в качестве кератинсодержащего сырья используют пух-перо птицы, предварительно обезжиренное, а затем обработанное водным раствором сульфита натрия, предпочтительно 0,1-1,0%-ной концентрации и при оптимальном весовом соотношении исходного сырья и водного раствора сульфита натрия, равном 1:10-1:20. Стадию ферментативного гидролиза сырья проводят предпочтительно в присутствии фермента с протеолитической активностью не менее 10000 ед. на 1 кг сырья при оптимальной скорости непрерывного перемешивания реактантов 90-150 об/мин. Выделение конечного продукта из гидролизата осуществляют предпочтительно сепарацией и/или фильтрацией с последующей сушкой, предпочтительно распылительной [RU 2229821].
В данном способе, выбранном в качестве прототипа, оговорены условия проведения предварительной физико-химической обработки, предшествующей ферментативному гидролизу, состав обрабатывающего химического реагента (водный раствор сульфита натрия предпочтительно 0,1-1%-ной концентрации), а также применение ферментативных препаратов с протеолитической активностью не менее 10000 ед/кг, например датского препарата Савиназа, выпускаемого фирмой Ново-Нордиск.
Ферментативный гидролиз может дополняться измельчением. Гидролиз проводят до полного растворения исходного сырья при визуальном наблюдении. Конечный продукт гидролиза является сложным по составу и содержит растворимый белок, пептиды, аминокислоты. Для выделения конечного продукта гидролизат может быть подвергнут любым известным методам обработки, а именно сепарации, фильтрации, упариванию и сушке. Предпочтительным методом сушки для данного способа является распылительная сушка, обеспечивающая наиболее оптимальную конфигурацию конечного продукта.
Устройство для осуществления способа-прототипа, также выбранное в качестве прототипа [RU 2229821], включает:
- узел обезжиривания исходного сырья;
- камеру обработки исходного сырья водным раствором сульфита натрия под давлением 0,1-0,3 МПа;
- узел ферментативного гидролиза (ферментатор);
- узел выделения готового продукта (сепаратор  или фильтр);
- сушилка, предпочтительно распылительная;
- измельчитель готового продукта.
Способ-прототип характеризуется большой сложностью (много последовательных операций), требует применения сложного оборудования, в частности для осуществления выделения конечного продукта (сепараторы или система фильтров), а также его сушки и измельчения. Вследствие этого, себестоимость продукта очень высока и конечный продукт является неконкурентоспособным.
Качество получаемого продукта не соответствует современным требованиям по усвояемости кормов и кормовых добавок, поскольку аминокислотная составляющая в структуре кератина включает неразрушенные дисульфидные связи, кроме того, нагрев полученного продукта в процессе сушки также снижает качество получаемого продукта.
Устройство для получения перьевой муки включает большое количество узлов, то есть также характеризуется большой сложностью и высокой стоимостью.
Задачей настоящего изобретения является упрощение технологии получения белкового гидролизата из кератинсодержащего сырья, в частности перьевой муки из пухо-перьевой смеси, при одновременном повышении качества аминокислотной составляющей и, в целом, повышения усвояемости получаемого корма.
Достигаемый технический результат – оптимальный режим ферментации пухо-перьевой смеси, исключение высокотемпературного воздействия на обрабатываемый продукт, а также совмещение операций измельчения и удаления влаги.
Для решения указанной задачи в способе получения перьевой муки, включающем предварительную подготовку сырья, осуществление ферментативного гидролиза, выделение конечного продукта, сушку и измельчение, согласно изобретению ферментацию проводят при влажности пера 50 – 70%, температуре 30–60°С в течение 4-12 часов, затем продукт ферментативного гидролиза подвергают в камере воздействию скоростного вихреобразного потока воздуха до расщепления структурных элементов с получением тонкодисперсного аэрозоля с одновременным разделением его на две вращающиеся фракции, при этом наружная фракция имеет повышенную температуру, обеспечивающую удаление влаги из аэрозоля.
Вихреобразный поток движется со скоростью более 200 м/сек.
Температура продукта в течение всего процесса не превышает 80°С.
Наружная и внутренняя фракция аэрозоля вращаются в одну сторону.
Предварительная подготовка сырья включает удаление излишней влаги путем отжима шнековым прессом или центрифугированием.
Задачей в отношении заявляемого устройства для получения перьевой муки является упрощение и снижение себестоимости применяемого оборудования, а также создание условий для повышения качества аминокислотной составляющей и, в целом, повышения усвояемости получаемого корма.
Технический результат – отказ от использования нескольких отдельных устройств (узлов), использующихся для выделения и обработки готового продукта, замена их на одно устройство.
Для решения поставленной задачи в устройстве для получения перьевой муки, включающем смеситель-ферментатор, а также узлы выделения, сушки и измельчения конечного продукта, согласно изобретению узел выделения, сушки и измельчения конечного продукта выполнен в виде газодинамической машины, в камере которой установлен с возможностью вращения высокоскоростной ротор.
Ротор выполнен с возможностью вращения со скоростью не менее 200 м/сек.
Камера выполнена цилиндрической или конической.
Причинно-следственная связь
Перо является анизотропным материалом с волокнистой и пластинчатой внутренней структурой. При помещении продукта ферментативного гидролиза в камеру высокоскоростной газодинамической машины, поток продукта вихреобразно закручивается с огромной скоростью. Перо в потоке образующегося вихря с большой скоростью ударяется друг о друга и о ротор, при этом происходит расщепление структурных элементов по поверхности срастания слоев и их спаянности. За счет такого расщепления продукт приобретает структуру тонкодисперсного аэрозоля, то есть качественно измельчается.
Но кроме того в результате вихревого эффекта происходит температурное разделения аэрозоля в камере, имеющей преимущественно цилиндрическую или коническую форму. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре — поток с более низкой температурой. Давление в наружном потоке превышает давление во внутреннем потоке. В результате, аэрозоль передает свою влагу воздуху, то есть конечный продукт хорошо высушивается без применения специальных сушилок, без внешнего температурного воздействия только за счет механического воздействия на продукт. Температура продукта не поднимается выше 80°С.
Совмещение операций выделения, измельчения и удаления влаги (сушки) обеспечивает упрощение технологии.
За счет поддержание заданной влажности и температуры в смесителе-ферментаторе, а также необходимой длительности процесса обеспечивается качественная ферментация пухо-перьевой смеси, при которой рвутся дисульфидные связи в структуре кератина, что в дальнейшем обеспечивает доступность аминокислот при использовании конечного продукта в кормовых целях.
Выполнение устройства для выделения, измельчения и сушки готового продукта в виде газодинамической машины с высокоскоростным ротором также обеспечивает достижение указанного технического результата:
- исключения отдельных конструктивных узлов: сепаратора или фильтра, а также измельчителя, то есть упрощение конструкции;
- использование камеры с высокоскоростным ротором обеспечивает вихреобразное вращение продукта, в процессе которого в результате взаимного столкновения элементов перьевого продукта и столкновения с ротором происходит расщепление структурных элементов по поверхности срастания слоев и их спаянности и измельчение продукта до аэрозольного состояния;
- использование камеры с высокоскоростным ротором позволяет получить эффект, заключающийся в разделении вращаемой среды на два потока: внешнего, периферийного с более высоким температурным полем и давлением и внутреннего, за счет данного эффекта происходит удаление влаги из аэрозоля, то есть его сушка.
Проведенные патентные исследования показали соответствие заявляемого способа условиям охраноспособности изобретения: «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемый способ может быть реализован в промышленных масштабах, следовательно, он соответствует условию «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется блок-схемой линии по переработке пухо-перьевого сырья (фиг. 1).
Устройство для получения перьевой муки включает установленные последовательно и связанные между собой блоки:
- пресс или центрифуга 1 для механического отжима излишней влаги из подготовленного сырья;
- накопительный бункер 2 со шнеком;
- двухвальный смеситель-ферментатор 3;
- газодинамическая машина 4 с высокоскоростным ротором, представляющая собой вихревую сушилку-измельчитель;
- циклон-накопитель 5 со шлюзовым затвором;
- устройство 6 для упаковки полученной перьевой муки в тару (мешкотарник).
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Кератинсодержащее сырье, в частности перьевая мука из пухо-перьевой смеси, проходит предварительную подготовку, обеспечивающую однородность сырья, необходимую влажность и др. Для этого исходное перо-пухового сырье отжимают для удаления излишней влаги в  центрифуге, через шнековый пресс или другим механическим путем до влажности 50-70%.
Подготовленное сырье помещают в смеситель-ферментатор, добавляют фермент и кофермент и проводят ферментацию при влажности пера 50–70%, температуре 30–60°С в течение 4–12 часов. За счет поддержание заданной влажности и температуры в смесителе-ферментере, а также необходимой длительности процесса обеспечивается качественная ферментация пухо-перьевой смеси, при которой рвутся дисульфидные связи в структуре кератина, что в дальнейшем обеспечивает доступность аминокислот при использовании конечного продукта в кормовых целях.
Обоснование параметров процесса ферментации
Влажность пера менее 50% и более 70% может привести к невозможности проведения процесса ферментации.
Если температура в смесителе-ферментаторе будет ниже 30°С или выше 60°С, то это приведет  к невозможности проведения процесса ферментации.
Срок обработки зависит от факторов температуры, влажности и сорности сырья, при этом при обработке менее 4 часов процесс ферментации будет неполным, а при обработке более 12 часов будет излишним.
Определить то, что ферментация закончилась можно и визуально, перо легко рвется, и стебли становятся ломкими.
Размягченное и набухшее перо, являющееся анизотропным материалом с волокнистой и пластинчатой внутренней структурой, помещают в камеру газодинамической машины и подвергают воздействию скоростного вихреобразного потока воздуха. Поток движется со скоростью более 200 м/сек. Вследствие взаимного столкновения в вихревом потоке, образуемом рабочим органом–ротором, а также столкновения с вращающимся на большой скорости ротором, частицы дополнительно начинают вращаться вокруг своей оси. Поскольку прочность частицы на разрыв на порядок меньше, чем на удар-сжатие, происходит разрыв частиц от вращения. Сырой материал под действием мощного вихревого потока соударяется и превращается в тонкодисперсную аэрозоль, где вещество передает свою влагу воздуху в результате эффекта разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре — закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в ту же сторону, что и на периферии.
При скорости менее 200 м/сек измельчение будет неполным, недостаточно качественным, кроме того, не будет обеспечен эффект разделения аэрозоли.
Измельчение осуществляют в камере аппарата, который  представляет собой газодинамическую машину с высокоскоростным ротором (скорость выше 200 м\сек). Вследствие взаимного столкновения в вихревом потоке, образуемом рабочим органом–ротором, а также столкновения с вращающимся на большой скорости ротором, частицы дополнительно начинают вращаться вокруг своей оси. Поскольку прочность частицы на разрыв на порядок меньше, чем на удар-сжатие, происходит разрыв частиц от вращения. Сырой материал под действием мощного вихревого потока соударяется и превращается в тонкодисперсную аэрозоль, где вещество передает свою влагу воздуху в результате эффекта разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре — закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в ту же сторону, что и на периферии.
При этом сушка происходит без специального подогрева, только за счет аэродинамического воздействия. После этого получаемый продукт фасуется.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает упрощение технологии получения белкового гидролизата из кератинсодержащего сырья, в частности перьевой муки из пухо-перьевой смеси, при одновременном повышении качества аминокислотной составляющей и, в целом, повышении усвояемости получаемого корма, за счет оптимизации режима ферментации пухо-перьевой смеси, исключения высокотемпературного воздействия на обрабатываемый продукт, а также совмещения операций измельчения и удаления влаги.
Кроме того, заявляемое устройство обеспечивает упрощение и снижение себестоимости применяемого оборудования, а также создание условий для повышения качества аминокислотной составляющей и усвояемости получаемого корма за счет отказа от использования нескольких отдельных устройств (узлов), использующихся для выделения и обработки готового продукта, замена их на одно устройство – газодинамическую машину с высокоскоростным ротором, которое продукт измельчается и подсушивается без дополнительного нагрева.
После этого получаемый продукт – перьевая мука - фасуется.