Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
The modular farmer installation of the protein-vitamin supplement production with the simultaneous disposal of grain production wastes has been developed. The technological scheme of the instal-lation is missing the dirtiest and energy-intensive stages. (separation, drying and packaging).
farm plant, waste management, bread production, mineral additives.
Ежегодно в нашей стране образуются сотни тысяч тонн отходов зернопроизводства и некондиционного зерна, которые в ряде случаев нельзя напрямую использовать в кормовых целях. Одним из возможных путей утилизации этих отходов служит их микробиологическая переработка с получением ценной белково-витаминной добавки. Микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы, которая в 500–5000 раз выше, чем у растений или животных. Микробные клетки способны накапливать очень большое количество белка (дрожжи – до 60%, бактерии – до 75% по массе). Белок биомассы дрожжей и бактерий полноценен по аминокислотному составу, что определяет его высокую кормовую ценность. Кормовые дрожжи содержат в 5 раз больше белка, чем ячмень или овес. Одна тонна кормовых дрожжей (в сухом виде) обеспечивает экономию до 7 т зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины, 5 т мяса птицы или до 15 тыс. штук яиц.
Разработана модульная установка для утилизации отходов зернопроизводства с получением белково-витаминной добавки (БВД), содержащей до 45% белка. Этот продукт по своим питательным свойствам не уступает соевому шроту. За модуль принята установка, перерабатывающая 300–350 кг растительных отходов в сутки (100–115 т/год). Это количество обеспечивает белком 250 свиней и 50 голов КРС. Модульный принцип установки позволяет комплектовать производство практически любой производительности. Установка предназначена для работы в фермерских хозяйствах, т.е. по месту потребления БВД и поэтому в ее схеме отсутствуют наиболее энергоемкие и «грязные» стадии – выпарка, сепарация, сушка и фасовка, что повышает экологическую чистоту и рентабельность производства.
Сырьем, после соответствующей подготовки, также могут древесное сырье, хлопковая шелуха, кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, рисовая шелуха, гуза-пай (стебли хлопчатника), отходы пивоваренного производства, верховой малоразложившийся торф, свекловичная меласса, молочная сыворотка.
Для аэробных микроорганизмов необходим кислород, он окисляет органические субстраты и обеспечивает клетки энергией. Растворимость кислорода в ферментационных жидкостях составляет не более 4–7 мг/л. Такое количество кислорода обеспечивает потребность культуры в течение нескольких минут, поэтому обязательным условием является аэрация культуральной жидкости. Потребность культуры микроорганизмов в кислороде зависит от ряда факторов, в частности концентрации микроорганизмов в культуральной жидкости, вида используемого углеродсодержащего субстрата (при росте дрожжей на средах с сахарами максимальная удельная потребность в кислороде составляет около 0,8 г на 1 г биомассы, на средах с органическими кислотами – 2,0, на н-парафинах – до 3), вида и штамма применяемых микроорганизмов.
Получение биомассы является основным процессом в технологической схеме производства кормовых дрожжей. Нормальным считается выход кормовых дрожжей (в сухом виде) 40–50% от использованного сахара. Иными словами, для культивирования пригодны микроорганизмы, обладающие способностью ассимилировать все питательные вещества с высоким экономическим коэффициентом. В зависимости от используемой в производстве культуры дрожжей выращивание проводят при температуре 32–36 °С. С понижением температуры замедляется жизнедеятельность дрожжей, а при повышении температуры выше 38–40 °С резко уменьшается активность поглощения кислорода, снижаются выход дрожжей и содержание белка в клетках. При выращивании дрожжей выделяется от 10,5 • 103 до 14,7 • 103 Дж на 1 кг сухих дрожжей. До 40% тепла, образующегося в процессе роста дрожжей, уносится продуваемым воздухом, а остальное количество отводится с помощью охлаждающих устройств.
Продуценты белка должны удовлетворять ряду требований: иметь минимальное время генерации; накапливать до 40–70% белка от своей массы, максимально усваивая питательные вещества среды; должны быть непатогенными и не выделять в среду токсические метаболиты; иметь высокую устойчивость и выживаемость в нестерильных условиях выращивания; легко отделяться от жидкой фазы.
Для производства кормового белка используют различные штаммы дрожжей видов Candida utilis, Candida arborea, Candida tropicalis, Candida scottii, Candida guilliermondii и др. Они способны расти на разнообразных субстратах и давать высокий выход биомассы. Производство кормовых дрожжей – процесс нестерильный, поэтому в ферментерах развиваются не монокультуры, а ассоциации культур, принадлежащие к 5–8 различным видам, что повышает общий выход биомассы. Смешанные культуры более устойчивы к колебаниям состава субстрата и технологического режима, а также к появлению посторонней микрофлоры. С учетом того, что клетки дрожжей накапливают до 60% белка, а бактериальные клетки до 75%, целесообразно при получении белково-витаминных добавок использовать ассоциативную культуру бактерий и дрожжей. Важнейшими в составе питательных сред являются нелетучие органические вещества, в том числе моносахара. Моносахара состоят из пентоз (ксилоза и арабиноза) и гексоз (глюкоза, галактоза). Кормовые дрожжи в первую очередь усваивают гексозы. На скорость накопления биомассы дрожжей больше всего влияет концентрация сахара в субстрате. Практически содержание общих редуцирующих веществ (РВ) в гидролизатах колеблется от 2 до 3,5%. Однако при этой концентрации РВ выращивание дрожжей идет замедленно с неполной утилизацией углеводов, т.к. дрожжи не обеспечены достаточным количеством растворенного кислорода. Пока на практике трудно обеспечить рост подачи кислорода с ростом РВ в суспензии, поэтому целесообразно в настоящее время работать на растворах с содержанием РВ 1,2–1,8%.
Модульная фермерская установка
В настоящее время наряду с крупными откормочными хозяйствами развитие получили относительно небольшие фермерские хозяйства. Поэтому представилось целесообразным разработать и оснастить эти хозяйства экономичными, индивидуальными модульными установками по производству белково-витаминных добавок, т.е. совместить территориально производство и потребление. Такие установки обладают рядом несомненных преимуществ. В частности, возможностью создавать установки разной производительности. За модуль принята установка производительностью 250 кг в сутки белково-витаминной добавки (БВД) в пересчете на сухой продукт. Поскольку установка расположена непосредственно у потребителя, то возможно исключить наиболее энергоемкие и грязные стадии производства, обязательные для крупных заводов: сепарацию, выпарку, сушку и упаковку. Готовой продукцией является «суспензионное молочко», содержащее 8% сухих веществ, которое подается в отделение подготовки кормов. Отпадает необходимость в транспортировке и складировании готовой продукции. Появляется возможность использования собственных отходов сельскохозяйственного производства (ржаные и пшеничные отруби, некондиционное зерно, мучка и др.).
Наличие подобных установок в фермерских хозяйствах освобождает предпринимателей от необходимости приобретать дорогостоящие белковые добавки (соевый шрот, рыбная мука, гидролизные дрожжи, мясокостная мука, подсолнечный шрот и др.).
Технологическая схема производства
Зерновое сырье (рис. 1), измельченное до размера частиц I мм, в количестве 70 кг загружается в аппарат предподготовки 2, разбавляется водой до объема 0,6 м3 (модуль разбавления 1:7) и нагревается до 65–68°С. Нагрев осуществляется паром со скоростью 1,5°С/мин. В результате тепловой обработки происходит осахаривание сырья под действием собственных ферментов. Применяемый режим нагрева способствует максимальному выходу органических веществ в раствор. Затем суспензию охлаждают до температуры 40°С и перекачивают в производственный ферментер 1, а в аппарате предподготовки готовится новая порция суспензии. Из ферментера чистой культуры 9 суспензия в количестве 30–50 л подаётся в производственный ферментер, туда же поступают питательные соли и аммиачная вода. Рабочий объем среды в ферментере 1 после одной загрузки суспензии составляет 0,65 м3. После подготовки следующей порции суспензии растительного сырья, она также перекачивается в ферментер 1, в результате чего объем культуральной жидкости увеличивается до 1,3 м3. Температура выращивания составляет 32–34°С и поддерживается за счет подачи охлаждающей воды из сборника 7 насосом 8. Подтитровка среды осуществляется аммиачной водой из емкости 5. После ферментации в течение 5 часов, 0,6 м3 дрожжевой суспензии насосом 6 откачивается в плазмолизатор 4, где под действием пара при 105°С в течение часа осуществляется тепловая обработка. Затем готовую суспензию охлаждают до 50°С и направляют на потребление.
Способ подготовки растительного сырья
Гидролиз отрубей (разложение полисахаридов при помощи воды) можно проводить различными способами: термообработка в присутствии ферментов (амилосубтилин, глюковаморин, целловиридин и др.), либо в присутствии кислот (фосфорная, серная кислоты и др.) с последующей нейтрализацией. Однако оба эти варианта технологически сложны и требуют больших экономических затрат. Учитывая условия эксплуатации фермерских установок (сельская местность), был разработан простой способ подготовки органического сырья, исключающий применение кислот или ферментов. Его суть заключается в следующем. Известно, что в составе отрубей сохраняются собственные ферменты, вырабатываемые во время выращивания злаков, а также ферменты микроорганизмов, попадающие на их поверхность из атмосферы – нативные ферменты. Была разработана технология обработки отрубей, используя их собственные ферменты с получением полноценной питательной среды. Основным показателем полноты извлечения сахаров из твердой фазы является максимальный переход полисахаридов в растворимое состояние. Было показано, что определяющим фактором полноты гидролиза является не конечная температура суспензии, а темп нагрева, который определяет физико-химические превращения в структуре исходного сырья и максимальный выход растворимых веществ в жидкую фазу. Этот процесс сопровождается резким возрастанием вязкости суспензии до 20 сПз, что объясняется образованием коллоидной системы (клейстерилизация). Этому состоянию соответствует перевод максимального количества исходного сырья (до 75%) в жидкое состояние.
Было выяснено, что максимальный выход редуцирующих веществ имеет место при темпах нагрева 1–1,5 0С в минуту, при этом длительность процесса составляет 40–50 мин. В качестве растительного сырья были изучены отруби ржаные, пшеничные, некондиционные зерно и зернопродукты. Узел подготовки растительного сырья (рис. 2) состоит из установки предварительной механической подготовки сырья (I), которая включает ситовой сепаратор отделения механических включений и дробилку с ситом с ячейкой I мм. При заданной потребности в исходном сырье 337,5 кг/сутки оборудование подбирали с учетом того, что за один проход через дробилку получалось 50% отрубей с размером менее 1 мм, которые использовались при ферментации. Повторное дробление отрубей не проводилось, а крупные фракции направлялись на приготовление кормовой смеси.
Другие стадии производства и технологическое оборудование модульной установки
При разработке аппаратов одним из основных критериев была их невысокая стоимость, простота конструкции и изготовления, а также надежность в работе. Эти требования обусловлены условиями эксплуатации установок (сельская местность) и невысокой рентабельностью основной части фермерских хозяйств. Поэтому нами были разработаны аппараты собственной конструкции в упрощенном варианте, которые в разы дешевле стандартных, предназначенных, как правило, для работы в стерильных условиях и при повышенных давлениях. При разработке аппаратов были определены нагрузки по охлаждающей воде, воздуху, пару и соответственно рассчитаны размеры всех штуцеров и патрубков, а также геометрия аппаратов в целом.
Узел биосинтеза включает отделение чистой культуры и отделение производственной ферментации, а также емкость V= 0,5 м3 для аммиачной воды. Отделение чистой культуры является очень важной составляющей технологии производства кормовой добавки, поскольку обеспечивает производственную ферментацию целевым штаммом-продуцентом кормового белка. Ферментер чистой культуры. При рабочем объеме производственного ферментера I м3, достаточен объем засевной культуры 30–50 л с концентрацией по биомассе, близкой к производственной (8%). Аппарат имеет геометрический объем 0,1м3, диаметр 500 мм, с перемешивающим устройством, охлаждающей рубашкой и размещенным в цилиндрической части барботером. Производственный ферментер. В связи с нестабильностью состава суспензий зернового сырья, был принят цикличный метод работы, где операции предподготовки исходного сырья и режима ферментационного выращивания длятся одно время – 5 часов. Объем производственного ферментера был принят равным удвоенному объему аппарата предподготовки зернового сырья. Это аппарат барботажного типа объемом 2,5 м3, диаметром 1,2 м, имеющий сетчатый аэратор, циркуляционный стакан, выполненный из двух соосно расположенных обечаек, в зазор между которыми подается охлаждающая вода. В пусковой период в ферментер загружаются 0,65 м3 подготовленной суспензии растительного сырья (после чего операция предподготовки повторяется), раствор питательных солей в расчете на 1,2м3 исходной суспензии (избыток питательных солей не приводит к ингибированию процесса) и засевная культура объемом 30–50 л с концентрацией 8% абсолютно сухого вещества (АСВ). Процесс выращивания длится 4–5 часов при температуре 32–34°С и рН – 4,5–6,0. При достижении в режиме накопления заданной (8 %) концентрации в аппарат подается вторая, подготовленная к этому времени порция (0,65 м3) суспензии сырья. Далее в том же режиме осуществляется второй цикл накопления. По завершении процесса половина объема аппарата (0,6 м3) откачивается на стадию плазмолиза и вновь загружается 0,65 м3 подготовленной суспензии и т.д.
Плазмолиз культуральной жидкости. По завершении ферментации половина (0,6 м3) суспензии откачивается в плазмолизатор. Плазмолиз микроорганизмов является важной частью производственного процесса получения белково-витаминной добавки. Тем более это актуально при условии нестерильного производства, т.к. возможно попадание в культуральную жидкость посторонней микрофлоры и нет гарантии, что эта микрофлора будет не патогенной. Плазмолиз осуществляют нагреванием суспензии микроорганизмов до 110–115оС и выдерживанием ее при этой температуре в течение одного часа.
1. Andreev A.A., Bryzgalov L.N. Proizvodstvo kormovyh drozhzhey [Tekst]/ A.A. Andreev, L.N. Bryzgalov. - M.: Les¬naya prom., 1973. - 296 s.
2. Beker M.E. Vvedenie v biotehnologiyu [Tekst]/M.E. Beker. - M.: Pischevaya prom., 1978. - 230 s.
3. Biotehnologiya [Tekst] / Pod red. A. A. Baeva. - M.: Nauka, 1984. - 309 s.
4. Biotehnologiya mikrobnogo sinteza [Tekst] / Pod red. M. E. Bekera. - Riga: Zinatne, 1980. - 350 s.
5. Bortnikov I.I., Bosenko A.M. Mashiny i apparaty mikrobio¬logicheskih proizvodstv [Tekst]/I.I. Bortnikov, A.M. Bosenko. - Minsk: Vysheyshaya shkola, 1982. - 288 s.
6. Gaponov K.P. Processy i apparaty mikrobiologicheskih proiz¬vodstv.- M.: Legkaya i pischevaya promyshlennost', 1981. - 240 s.
7. Gracheva I.M., Gavrilova N.N., Ivanova L.A. Tehnologiya mikrobnyh bel¬kovyh prepa-ratov, aminokislot i zhirov. M.: Pischevaya prom., 1980.- 448 s.
8. Kalunyanc K.A., Golger L.I., Balashov V.E. Oborudovanie mikrobiologicheskih proizvodstv [Tekst]/K.A. Kalunyac, L.I. Golger, V.E. Balashov. - M.: Agropromizdat, 1987. - 398 s.
9. Mosichev M.S., Skladnev A.A., Kotov V.B. Obschaya tehnologiya mikrobiologicheskih proizvodstv [Tekst]/M.S. Mosichev, A.A. Skladnev, V.B. Kotov. - M.: Legkaya i pi-schevaya promyshlennost', 1982. - 263 s.
10. Pert S. Dzh. Osnovy kul'tivirovaniya mikroorganizmov i kletok. - M.: Mir, 1978. -331 s.
11. Sokolov V.N., Yablokova M.A. Apparatura mikrobiologicheskoy promyshlennosti [Tekst]/V.N. Sokolov, M.A. Yablokova. - M.: Mashinostroenie, 1988. - 280 s.
12. Yakovlev V.I. Tehnologiya mikrobiologicheskogo sinteza [Tekst]: uchebnoe posobie dlya PTU / V.I. Yakovlev. - L: Himiya. 1987. - 272 s.
13. Lukanin A.V., Krivoy B.A., Stolbun S.Yu., Tarasova T.A. Podgotovka rastitel'nogo syr'ya k fermentativnomu vyraschivaniyu metodami termoreagentnoy obrabotkizh [Tekst] / A.V. Lukanin, B.A. Krivoy, S.Yu. Stolbun, T.A. Tarasova // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. RASHN. №6. - 1995. - S. 41-43.
14. Sposob polucheniya biomassy iz othodov zernoproizvodstva, Lukanin A.V., Krivoy B.A., Nosov V.V., i dr., Patent RF №2091492 ot 27.09.97g.
15. Lukanin A.V., Sister V.G. Sposob polucheniya kormovoy belkovo-vitaminnoy dobavki. Vyshelesskiy A.B., Krivoy B.A., Patent RF №2290831 ot 10.01.2007.
16. Lukanin A.V. Modul'nye ustanovki dlya polucheniya belkovo-vitaminnyh dobavok [Tekst] / A.V. Lukanin // Kombikorma. - №5. - 2008. - S. 52-53.
17. Lukanin A.V. Novaya tehnologiya proizvodstva kormovyh dobavok dlya kombikormovoy promyshlennosti [Tekst] / A.V. Lukanin // Kombikorma. - 2009. - №1. - S. 51-52.
18. Lukanin A.V. Inzhenernaya ekologiya: zaschita litosfery ot tverdyh promyshlennyh i bytovyh othodov [Tekst]: uchebnoe posobie/ A.V. Lukanin. - M., INFRA-M. 2018. - 556 s.
