Способ обработки грубых кормов
Владельцы патента RU 2352140:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Вятская государственная сельскохозяйственная академия (ФГОУ ВПО ВГСХА) (RU)
Изобретение относится к сельскохозяйственной промышлленности. Способ предусматривает измельчение и пропитку исходного материала в растворе хлорида натрия и воздействие электрическим током и продуктами гидролиза хлора. Пропитку раствором хлорида натрия ведут суспендированием исходного материала в роторно-пульсационном аппарате и воздействуют на суспензию электрическим током и продуктами гидролиза хлора в бездиафрагменном электролизере при рН 8,0-10,0 проводят раздревеснение исходного материала. Затем квазитвердую фазу отделяют, смешивают со свежим раствором хлорида натрия и воздействуют электрическим током и продуктами гидролиза хлора в бездиафрагменном электролизере при рН 2,5-6,5 до содержания CO2 в газовой фазе 0,1-0,3%, после чего нейтрализуют. Изобретение позволяет повысить питательность и усвояемость корма, увеличить содержание легкоусвояемых углеводов и биолигически активных соединений, а также снизить энергозатраты. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, к технологии обработки грубых кормов (отходы древесины, солома и др.) и позволяет повысить выход, питательную ценность и биологическую активность получаемых продуктов при одновременном снижении энергозатрат.
Известен способ обработки грубых кормов (преимущественно соломы) измельчением и пропиткой исходного материала химическим реагентом с последующим воздействием несимметричным электрическим током напряженностью 10-30 В/см (А.с. СССР 704585, А23К 1/12, 1979, БИ №47.
Недостатками способа являются слабая эффективность воздействия несимметричного электрического тока и, как результат, недостаточное раздревеснение (разрушение лигниноуглеводного комплекса) исходного материала, низкое содержание в готовом продукте сахаров (в частности, глюкозы) и отсутствие биологически активных соединений (в частности, янтарной кислоты), а также потребность в специальном дорогостоящем оборудовании и значительные энергозатраты.
Известен способ обработки грубых кормов (преимущественно соломы) измельчением и пропиткой исходного материала раствором хлорида натрия и воздействием электрическим током в катодной камере диафрагменного электролизера при рН>10 с последующим удалением раствора, отстаиванием, фильтрацией и нейтрализацией (Патент РФ 2201101, А23К 1/12, 1/00, 2003).
Недостатками способа являются воздействие электрическим током на исходный материал в катодной камере электролизера с диафрагмой, что не позволяет провести глубокий гидролиз целлюлозы, приводит к низкому содержанию в готовом продукте сахаров, отсутствию биологически активных веществ; кроме того, процесс не технологичен (отключение тока на 3 минуты через 1 минуту обработки).
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению является способ обработки грубых кормов (в частности, соломы), предусматривающий для повышения питательности измельчение и пропитку исходного материала раствором хлорида натрия с последующей обработкой этого раствора воздействием постоянным электрическим током в бездиафрагменном электролизере, непрерывный отвод из электролизера раствора с продуктами гидролиза хлора и обработку этим раствором грубого корма с циркуляцией раствора в электролизер (А.с. СССР 1489691, А23К 1/12, 1989, БИ №24).
Недостатками способа являются недостаточное раздревеснение (разрушение лигниноуглеводного комплекса) и низкое содержание в продуктах глюкозы и биологически активных соединений (отсутствие янтарной кислоты). Это обусловлено отсутствием прямого воздействия электрического тока на исходный материал и продукты раздревеснения, а также воздействием на исходный материал различных продуктов гидролиза хлора, форма существования которых (и окислительная способность) зависят от рН раствора хлорида натрия. Кроме того, существует опасность загрязнения продуктов хлорорганическими соединениями, которые образуются в растворе с рН<2 в результате окисления продуктов раздревеснения растворенным хлором. Далее, велики потери в циркуляционном контуре окислителя (снижение окислительной способности продуктов гидролиза хлора) и продуктов обработки исходного материала. Одновременно, способ характеризуется большими затратами электроэнергии (циркуляционный контур, низкая окислительная способность продуктов гидролиза хлора в области 6,5<рН<8,0) и необходимостью в дорогостоящем дополнительном оборудовании.
Известные способы по совокупности признаков не обеспечивают глубину раздревеснения исходного материала, характеризуются низким содержанием в продуктах ценных питательных компонентов (глюкоза) и биологически активных соединений (янтарная кислота), а также связаны с большими энергозатратами.
Техническим решением предлагаемого изобретения является повышение питательности и усвояемости продуктов обработки грубых кормов, достигаемое увеличением глубины раздревеснения и содержания легкоусвояемых углеводов (глюкоза) и биологически активных соединений (янтарная кислота), и своевременным выводом ценных компонентов из рабочего цикла, а также снижение энергозатрат на процесс обработки.
Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки грубых кормов, предусматривающем измельчение и пропитку исходного материала раствором хлорида натрия, воздействие электрического тока и продуктов гидролиза хлора, пропитку ведут суспендированием исходного материала в растворе хлорида натрия и воздействуют электрическим током и продуктами гидролиза хлора на суспензию в бездиафрагменном электролизере. Сначала при рН 8,0-10,0 проводят раздревеснение исходного материала, затем квазитвердую фазу отделяют фильтрацией, смешивают со свежим раствором хлорида натрия и продолжают воздействие электрическим током и продуктами гидролиза хлора при рН 2,5-6,5 до содержания СО2 в газовой фазе 0,1-0,3%, после чего нейтрализуют. Причем суспендирование исходного материала в растворе хлорида натрия проводят в роторно-пульсационном аппарате, раздревеснение исходного материала заканчивают при расходе электроэнергии менее 1,0-1,2 кВт·ч/кг исходного материала, нейтрализацию осуществляют фильтратом, полученным при отделении квазитвердой фазы.
Заявленный способ подготовки кормов отличается иными технологическими элементами и параметрами процесса, что по совокупности признаков обеспечивает качественно новый (прогрессивный) вид обработки грубого сырья, позволяющий повысить питательность, усвояемость и биологическую активность компонентов получаемых кормовых препаратов.
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, направлены на достижение поставленных задач и не выявлены при исследовании данной и смежных областей научного поиска и отвечают критерию «изобретательский уровень».
Способ обработки грубых кормов реализуют в следующей последовательности.
Исходный материал (отходы древесины, солома, тростник, лузга семечек др.) измельчают (размалывают в шаровой мельнице) и пропитывают и раствором хлорида натрия (10,0-30,0 кг/м3), обрабатывая смесь в роторно-пульсационном аппарате (диспергирование и суспендирование) до образования суспензии. Полученную суспензию подают в бездиафрагменный электролизер, воздействуют постоянным электрическим током и продуктами гидролиза хлора, проводя при рН 8,0-10,0 раздревеснение (разрушение лигниноуглеводного комплекса) исходного материала, что соответствует расходу электроэнергии 1,0-1,2 кВт·ч/кг исходного материала. Затем фильтрацией отделяют квазитвердую фазу, смешивают ее со свежим раствором хлорида натрия (10,0-30,0 кг/м3) и на полученную смесь воздействуют электрическим током и продуктами гидролиза хлора при рН 2,5-6,5, проводя процесс в бездиафрагменном электролизере до содержания примеси СО2 в газовой фазе 0,1-0,3%. После этого полученный раствор нейтрализуют фильтратом, полученным при отделении квазитвердой фазы первого этапа обработки.
Пропитка исходного материала раствором хлорида натрия, проводимая обработкой смеси в роторно-пульсационном аппарате (интенсивное перемешивание, эффект кавитации, разнонаправленные потоки), позволяет получить устойчивую суспензию. Обработка суспензии в бездиафрагменном электролизере при непосредственном воздействии на исходный материал и компоненты разрушенного лигниноуглеводного комплекса электрического тока, анодных и катодных процессов и продуктов гидролиза хлора позволяет в совокупности с оптимальными условиями повысить питательность и усвояемость (более высокое содержание сахаров, наличие глюкозы) и биологическую активность (янтарная кислота) получаемых продуктов, снизить потери и время обработки, уменьшить энергозатраты.
Раздревеснение исходного материала проводят при оптимальном значении рН 8,0-10,0; при рН менее 8,0 раздревеснение незначительно, при рН более 10,0 интенсивность раздревеснения меняется мало, но снижается содержание сахаров, биологически активных веществ, янтарной кислоты, глюкоза - отсутствует. При расходе электроэнергии менее 1,0 кВт·ч/кг исходного материала раздревеснение протекает медленно, затраты электроэнергии более 1,2 кВт·ч/кг мало влияют на процесс, но значительно повышают затраты на обработку.
Отделение фильтрацией квазитвердой фазы (продукт раздревеснения исходного материала, представляющий практически чистую целлюлозу) позволяет использовать квазитвердую фазу для последующей обработки, сохранить ценные компоненты фильтрата и использовать фильтрат (рН 8,0-10) для нейтрализации.
Обработка в бездиафрагменном электролизере квазитвердой фазы при оптимальных условиях процесса позволяет эффективно проводить гидролиз целлюлозы до сахаров, в том числе глюкозы, и получать (действие электродных и объемных процессов) биологически активные соединения, в частности янтарную кислоту. При значении рН менее 2,5 и более 6,5 выход сахаров и биологически активных веществ уменьшается, а выход глюкозы и янтарной кислоты незначителен. Появление в газовой фазе примеси СО2 свидетельствует о деструкции (окисление до СО2 и Н2O) органических соединений. При содержании СО2 0,1-0,3% доля деструктивных процессов незначительна и связана с окислением фоновых органических примесей в растворе хлорида натрия, содержание СО2 более 0,3% свидетельствует о завершении процесса обработки, поскольку начинается деструкция продуктов обработки.
Все это по совокупности дает возможность повысить содержание ценных компонентов в продукте, уменьшить общую продолжительность воздействия электрического тока, отказаться от использования дополнительных материалов (щелочь) и снизить затраты на процесс обработки.
| Таблица 1 | ||||||||
| Определение оптимальных условий обработки грубых кормов (соломы) предлагаемым способом (плотность тока 250 А/м2, температура 60°С) | ||||||||
| Этап обработки | Параметры процесса | Состав продуктов, % | ||||||
| рН | Расход электроэнергии, кВт·ч/кг исходного материала | Клетчатка | Глюкоза | Другие сахара | Янтарная кислота | Другие биологически активные вещества | СО2 в газовой фазе электроли-зера, % | |
| Раздревеснение | 6,0-8,0 | 1,0-1,2 | 93,2 | - | 0,3 | 0,6 | 1,1 | 0,1-0,3 |
| 8,0-10,0 | 1,0-1,2 | 67,6 | 0,2 | 0,5 | 0,7 | 3,2 | 0,1-0,3 | |
| 10,0-11,0 | 1,0-1,2 | 64,1 | - | 0,1 | 0,5 | 3,6 | 0,1-0,3 | |
| 8,0-10,0 | 0,6-0,8 | 78,2 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 2,5 | 0,1-0,3 | |
| 8,0-10,0 | 1,4-1,6 | 65,5 | 0,1 | 0,2 | 0,5 | 3,5 | 0,2-0,3 | |
| Гидролиз* | 1,5-2,0 | 2,0-2,4 | 38,2 | 0,9 | 3,3 | 0,6 | 6,6 | 0,1-0,3 |
| 2,5-6,5 | 2,0-2,4 | 30,0 | 1,5 | 4,7 | 2,7 | 9,7 | 0,1-0,3 | |
| 7,0-8,0 | 2,0-2,4 | 51,4 | 0,4 | 2,5 | 1,5 | 5,5 | 0,1-0,3 | |
| 2,5-6,5 | 1,4-1,8 | 46,3 | 0,8 | 3,3 | 2,5 | 6,5 | 0,1-0,3 | |
| 2,5-6,5 | 2,6-3,0 | 30,0 | 1,0 | 4,0 | 2,9 | 10,5 | 0,4-0,6 | |
| Общий эффект в оптимальном режиме | 3,0-3,6 | 30,0 | 1,7 | 5,2 | 3,4 | 12,9 | 0,1-0,3 | |
| *На гидролиз подавали квазитвердую фазу, полученную в оптимальном режиме раздревеснения: рН 8,0-10,0; расход электроэнергии 1,0-1,2 кВт·ч/кг исходного материала |
| Таблица 2 | ||||||
| Состав продуктов обработки грубых кормов (древесные опилки) предлагаемым способом (плотность тока 250 А/м2, расход электроэнергии 2,0-2,4 кВт·ч/кг исходного материала) | ||||||
| Проба | Температура, °С | Состав продуктов, % | ||||
| Клетчатка | Глюкоза | Другие сахара | Янтарная кислота | Другие биологически активные вещества | ||
| 1 | 40 | 38,1 | 1,4 | 4,3 | 2,6 | 11,1 |
| 2 | 40 | 38,6 | 1,2 | 4,5 | 2,7 | 11,2 |
| 3 | 40 | 37,8 | 1,4 | 4,1 | 2,5 | 11,6 |
| 4 | 50 | 35,6 | 1,5 | 4,8 | 2,9 | 12,5 |
| 5 | 50 | 34,7 | 1,5 | 4,7 | 3,1 | 13,1 |
| 6 | 60 | 30,2 | 1,7 | 5,3 | 3,4 | 13,3 |
| 7 | 60 | 30,4 | 1,7 | 5,2 | 3,3 | 13,5 |
| Таблица 3 | ||||
| Показатели обработки грубых кормов (солома) в условиях прототипа и предлагаемого способа (плотность тока 250 А/м2, температура 60°С) | ||||
| Показатели | Способы обработки | |||
| Известный (по прототипу) | Предлагаемый | |||
| Исходный материал | Продукт | Исходный материал | Продукт | |
| Клетчатка, % Глюкоза, % Другие сахара, % Янтарная кислота, % Другие биологически активные вещества, % Питательность, корм. ед. Энергозатраты, кВт·ч/кг сахаров |
49,0 0,0 0,6 0,0 0,0 0,26 - |
32,5 0,0 5,0 0,0 10,8 0,64 271 |
49,6 0,0 0,5 0,0 0,0 0,27 - |
30,0 1,7 5,2 3,4 12,9 0,70 160 |
1. Способ обработки грубых кормов, предусматривающий измельчение и пропитку исходного материала в растворе хлорида натрия и воздействие электрическим током и продуктами гидролиза хлора, отличающийся тем, что пропитку раствором хлорида натрия ведут суспендированием исходного материала в роторно-пульсационном аппарате и воздействуют на суспензию электрическим током и продуктами гидролиза хлора в бездиафрагменном электролизере при рН 8,0-10,0, проводя раздревеснение исходного материала, затем квазитвердую фазу отделяют, смешивают со свежим раствором хлорида натрия и воздействуют электрическим током и продуктами гидролиза хлора в бездиафрагменном электролизере при рН 2,5-6,5 до содержания СО2 в газовой фазе 0,1-0,3%, после чего нейтрализуют.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что раздревеснение заканчивают при расходе электроэнергии 1,0-1,2 кВт·ч/кг исходного материала.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что квазитвердую фазу отделяют фильтрацией, а нейтрализацию проводят полученным фильтратом.
