Способ обработки грубых кормов
Владельцы патента RU 2493722:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Вятская государственная сельскохозяйственная академия" (ФГБОУ ВПО ВГСХА) (RU)
Изобретение предназначено для использования в сельском хозяйстве и относится к обработке грубых кормов при подготовке к скармливанию. Способ включает пропитку раствором хлорида натрия исходного материала, измельчение его в роторно-пульсационном аппарате, циркуляцию полученной реакционной смеси через бездиафрагменный электролизер и роторно-пульсационный аппарат с аэрацией кислородсодержащим газом и воздействием электроокислительной системой, генерируемой на электродах из углеродсодержащего материала, до содержания CO2 в газовой фазе не более 0,3%. Продукт, полученный заявленным способом, обладает повышенной питательностью и биологической активностью компонентов. Процесс прост конструктивно, малозатратен, технологичен и экологически безопасен. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, конкретно к технологии обработки грубых кормов (отходы древесины, солома, лузга и др.) и позволяет повысить выход, питательную ценность и биологическую активность получаемых продуктов при одновременном снижении затрат и повышении технологичности процесса.
Известен способ обработки грубых кормов (преимущественно соломы) измельчением и пропиткой исходного материала химическим реагентом с последующим воздействием на реакционную смесь несимметричным электрическим током. (А.с. 704585 SU, A23K 1/12, 1978, БИ., №47).
Недостатками способа являются: низкая 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 и ее соединений), 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, периодическим воздействием электрическим током на полученную реакционную смесь в катодной камере диафрагменного электролизера, отстаиванием, фильтрацией и нейтрализацией раствора (Патент РФ 2201101, A23K 1/12, 1/00, 2003).
Недостатками способа являются: воздействие электрическим током на исходный материал в катодной камере электролизера, и как следствие, низкие гидролиз целлюлозы и содержание в готовом продукте Сахаров и отсутствие биологически активных веществ, не технологичность процесса (катодная камера, отключение тока на 3 минуты через 1 минуту обработки).
Известен способ обработки грубых кормов (в частности, соломы), предусматривающий измельчение и пропитку исходного материала раствором хлорида натрия, воздействие на раствор постоянным электрическим током в бездиафрагменном электролизере и обработку этим раствором грубого корма с циркуляцией раствора в электролизер (А.с. 1489691 SU, A23K 1/12, 1989, БИ №24).
Недостатками способа являются: низкое раздревеснение и низкое содержание в продуктах глюкозы и биологически активных соединений (отсутствие янтарной кислоты и ее соединений), не технологичность, значительные затраты электроэнергии и потеря ценных продуктов.
Наиболее близким к заявляемому является способ обработки грубых кормов того же назначения, предусматривающий пропитку раствором хлорида натрия и измельчение исходного материала в роторно-пульсационном аппарате, обработку полученной реакционной смеси в бездиафрагменном электролизере при pH 8-10 (раздревеснение), затем отделение квазитвердой фазы, смешение ее со свежим раствором хлорида натрия и продолжение обработки в электролизере при pH 2,5-6,0 до содержания CO2 в газовой фазе 0,1-0,3%, нейтрализацию продуктов (Патент РФ 2352140, A23K 1/00, БИ №11, 2009).
Недостатками известного способа обработки являются: низкое раздревеснение лигниноуглеводного комплекса, поскольку окислительная способностью хлора и продуктов его гидролиза в щелочной среде невысокие. Вследствие этого процесс обработки продолжителен, расход энергии большой (до 2,0 кВт·ч/кг продукта), что, помимо высоких затрат, приводит к потере сахаров и биологически активных компонентов (легко окисляемые соединения) и загрязнению продуктов растворенным хлором и его соединениями. Одновременно процесс нетехнологичен и трудно реализуем: ряд последовательных технологических стадий, необходимость остановки и перезагрузки электролизера.
Известные способы по совокупности признаков не обеспечивают глубину раздревеснения исходного материала, характеризуются низким содержанием в продуктах ценных питательных компонентов (глюкоза) и биологически активных веществ (янтарная кислота и ее соединения), загрязнением продуктов хлором и его соединениями, связаны с большими энергозатратами и не технологичны.
Целью предлагаемого изобретения является: повышение качества и питательности продуктов обработки грубых кормов, достигаемые увеличением глубины раздревеснения и гидролиза до легкоусвояемых углеводов (глюкоза) и биологически активных веществ (янтарная кислота и ее соединения); своевременным выводом ценных компонентов из рабочего цикла; снижение энергозатрат на процесс обработки; обеспечение технологичности и доступности процесса.
Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки грубых кормов, предусматривающем пропитку раствором хлорида натрия и измельчение исходного материала в роторно-пульсационном аппарате, подачу полученной реакционной смеси в бездиафрагменный электролизер и воздействие в электролизере на реакционную смесь электроокислительной системой (электрический ток, хлор и продукты его гидролиза) до содержания CO2 в газовой фазе не более 0,3%, процесс проводят циркулируя реакционную смесь через электролизер и роторно-пульсационный аппарат и осуществляя аэрацию реакционной смеси кислородсодержащим газом, а генерирование электроокислительной системы ведут на электродах из углеродсодержащего материала. Кроме того, циркуляцию реакционной смеси проводят в турбулентном режиме при величине Re>4000, а аэрацию кислородсодержащим газом осуществляют в роторно-пульсационном аппарате и в бездиафрагменном электролизере, используя в качестве кислородсодержащего газа воздух и газовую фазу электролизера; в качестве углеродсодержащего материала применяют стеклоуглерод, углеграфит, графитированную ткань, графитированное волокно и углеграфитовые газодиффузионные электроды.
Заявленный способ обработки грубых кормов отличается иными технологическими элементами и параметрами процесса, что по совокупности признаков обеспечивает качественно новый (прогрессивный) вид обработки грубого сырья, позволяющий повысить качество, питательность, усвояемость и биологическую активность компонентов получаемых кормовых препаратов, снизить затраты и повысить технологичность процесса.
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, направленные на достижение поставленных задач, не выявлены при исследовании данной и смежных областей научного поиска и отвечают критерию «изобретательский уровень».
Способ обработки грубых кормов реализуют в следующей последовательности.
Размолотый исходный материал (отходы древесины, солома, тростник, лузга семечек др.) пропитывают раствором хлорида натрия (5,0-30,0 кг/м3) и измельчают обработкой в роторно-пульсационном аппарате (диспергирование и суспендирование) до образования реакционной смеси.
Полученную реакционную смесь подают в бездиафрагменный электролизер и воздействуют электроокислительной системой (постоянный электрический ток и окислители), осуществляя циркуляцию реакционной смеси через электролизер и роторно-пульсационный аппарат и проводя аэрацию кислородсодержащим газом. Электроокислительную систему генерируют на электродах из углеродсодержащего материала - стеклоуглерод, углеграфит, графитированная ткань, графитированное волокно и углеграфитовые газодиффузионные электроды, а аэрацию ведут используя в качестве кислородсодержащего газа воздух и газовую фазу электролизера. Циркуляцию реакционной смеси по контуру бездиафрагменный электролизер - роторно-пульсационный аппарат проводят в режиме турбулентности потока (бурное, беспорядочное, неупорядоченное, хаотичное движение частиц потока, характеризующееся интенсивным перемешиванием и массообменом), что достигается при величине критерия Рейнольдса больше критических значений (Re>4000).
Пропитка раствором хлорида натрия исходного материала и измельчение его при обработке в роторно-пульсационном аппарате (интенсивное перемешивание и турбулентность потока, эффект кавитации, ультразвуковое воздействие, звуковое давление, разнонаправленные потоки, трение обрабатываемого материала о рабочие органы аппарата и др.) позволяют получить реакционную смесь, которая в режиме турбулентности потока (Re>4000) сохраняет устойчивость (не разделяется на фракции) в циркуляционном контуре.
Аэрацию реакционной смеси кислородсодержащим газом, проводимую в межэлектродном пространстве бездиафрагменного электролизера (анодно генерируемый кислородсодержащий газ) и в роторно-пульсационном аппарате (воздух и продукты газовой фазы электролизера), осуществляют в результате «захвата» газа потоком циркулирующей и интенсивно перемешиваемой (режим турбулентности) реакционной смеси. Это приводит к насыщению реакционной смеси кислородсодержащим газом (содержание газа в реакционной смеси до 3-5%, концентрация растворенного кислорода не менее 7,5-11,5 мг/л) и позволяет постоянно пополнять расход кислорода на химические и электрохимические окислительные процессы. В результате возрастает эффективность работы роторно-пульсационного аппарата (увеличиваются степень диспергирования, звуковое давление и устойчивость реакционной смеси) и происходит интенсификация массообменных окислительных процессов, вследствие генерирования в бездиафрагменном электролизере на электродах (анод и катод) из углеродсодержащего материала интермидов (окислителей) с высокими окислительными потенциалами.
При окислении на аноде воды генерируется перекись водорода (окислительный потенциал до 1,77 В), при восстановлении на катоде кислорода - радикалы HO* и HO2* и ион HO- (окислительные потенциалы до 2,8 В). Кроме того, применение электродов из углеграфитового материала позволяет повысить выход кислорода на аноде (положительно влияет на насыщение реакционной смеси кислородом и на выход интермидов на катоде) и несколько снизить образование хлора и продуктов его гидролиза (повышается качество продуктов - меньше содержание растворенного хлора и его соединений). Как следствие этого, резко возрастает скорость процесса раздревеснения исходного материала, повышается выход полезных продуктов (глюкоза и биологически активные компоненты) и их качество, снижается время обработки, уменьшается расход электроэнергии и обеспечивается технологичность процесса. При этом значения величины pH обрабатываемого раствора уже не являются определяющими (что важно при обработке грубых кормов в условиях прототипа) поскольку скорость окислительных процессов высокая; упрощается контроль параметров процесса - шире используемый интервал pH раствора. В совокупности перечисленные факторы позволяют при снижении общих затрат на процесс повысить технологичность процесса и питательность получаемых продуктов.
Обработку грубых кормов проводят при оптимальных параметрах процесса. Отсутствие циркуляции и снижение турбулентности потока реакционной смеси (Re менее 4000), и как следствие, нарушение режима аэрации; использование для аэрации обескислороженного газа; применение электродных материалов не содержащих углерод - не позволяют достичь поставленной цели. Концентрация кислородсодержащего газа (3-5%) и растворенного в реакционной смеси кислорода (7,5-10,5 мг/л) зависит от режима циркуляции и достигается при турбулентности потока, соответствующей величине Re>4000; турбулентность потока при значениях Re<4000 приводит к снижению устойчивости газодисперсной системы, что может явиться причиной ее расслоения в рабочем контуре и не обеспечивает требуемого насыщения реакционной смеси кислородом.
Наличие в газовой фазе примеси CO2 свидетельствует о глубине окисления органических соединений - полное деструктивное окисление приводит к образованию CO2 и H2O. При содержании CO2 менее 0,3% доля деструктивных процессов незначительна и преимущественно обусловлена окислением легко окисляемых органических соединений (фоновых примесей раствора хлорида натрия); содержание CO2 в газовой фазе 0,3% (и выше) свидетельствует о завершении процесса обработки, поскольку деструкции могут подвергаться полезные продукты.
По совокупности перечисленные факторы позволяют увеличить выход ценных компонентов в продукте, сократить продолжительность процесса и снизить расход электроэнергии, повысить технологичность и уменьшить затраты.
Обработку грубых кормов в условиях предлагаемого процесса проводят по непрерывной схеме, осуществляя циркуляцию реакционной смеси по контуру - электролизер - роторно-пульсационный аппарат - электролизер с непрерывным (периодическим) отводом продуктов (жидкая и квазитвердая фазы) и подачей свежего сырья.
Результаты апробации предлагаемого способа и сравнительная оценка с известным способом обработки грубых кормов приведены в таблицах.
Примеры.
Обработку соломы (ржаная) и опилок (осиновые, еловые) проводили в лабораторном бездиафрагменном электролизере при параметрах процесса, соответствующих заявляемому техническому решению и прототипу:
- общие параметры - соответствуют прототипу и заявляемому решению: плотность тока 250 А/м2, содержание хлоридов 20 г/л, температура 50°C;
- параметры процесса в условиях прототипа: анод оксидный рутениево-титановый, катод - титан, обработка в два этапа: при pH 6,0-8,0 (раздревеснения исходного материала), затем при pH 2,5-6,5 (гидролиз клетчатки);
- параметры процесса в условиях заявляемого решения: циркуляция реакционной смеси (турбулентный режим при величине Re>4000); аэрация реакционной смеси кислородсодержащим газом (воздух и газовая фаза электролизера); материал электродов - стеклоуглерод, углеграфит, графитированная ткань, графитированное волокно, газодиффузионный углеграфит; плотность тока 250 А/м2 (для углеграфитового газодиффузионного электрода до 1000 А/м2).
Результаты лабораторных испытаний приведены в таблицах 1 и 2.
| Таблица 1 | ||||||
| Результаты обработки растительного сырья в условиях прототипа и заявляемого способа | ||||||
| Техническое решение | Сырье | Состав жидкой фазы | Количество электричества, кА·ч/кг сырья | |||
| Глюкоза, мас.% от сырья | Янтарная кислота, мас.% от сырья | Ионы ClO-, кг/м3 |
Ионы ClO3-, кг/м3 | |||
| Прототип | Опилки (осинов) | 1,7 | 5,2 | 0,090 | 0,100 | 0,95 |
| Заявляемое (стеклоуглерод) | Опилки (осинов.) | 8,0 | 6,1 | 0,080 | 0,042 | 0,75 |
| Заявляемое (углеграфит) | Опилки (осинов) | 6,5 | 5,3 | 0,084 | 0,057 | 0,80 |
| Заявляемое (графитирован. ткань) | Опилки еловые | 7,3 | 6,4 | 0,078 | 0,050 | 0,76 |
| Заяваляемое (углеграфитовые газодиффузион.) | Опилки осиновые | 8,5 | 6,6 | 0,050 | 0,013 | 0,65 |
| Заявляемое (углеграфитовые газодиффузионные) | Опилки еловые | 8,3 | 6,3 | 0,040 | 0,009 | 0,60 |
| Солома ржаная | 8,6 | 6,6 | 0,035 | 0,012 | 0,59 |
| Таблица 2 | ||||
| Показатели питательной ценности ржаной соломы, обработанной в условиях прототипа и заявляемого способа | ||||
| Показатели обработки ржаной соломы по прототипу и заявляемому способу | ||||
| Состав продукта обработки | Прототип | Заявляемый способ* | ||
| Исходный материал | Продукт обработки | Исходный материал | Продукт обработки | |
| Клетчатка, % | 39,6 | 25,0 | 39,6 | 20,0 |
| Сахара, %: | ||||
| - глюкоза | 0,0 | 1,7 | 0,0 | 8,6 |
| - другие | 0,5 | 5,2 | 0,5 | 9,8 |
| Биолог, актив. соединения, %: | ||||
| - янтарная к-та | 0,0 | 3,4 | 0,0 | 5,2 |
| - другие | 0,0 | 12,9 | 0,0 | 11,9 |
| Питательность, корм. ед. | 0.27 | 0,70 | 0,27 | 1,3 |
| Энергозатраты, кВт·ч/кг сырья | - | 3,6 | - | 2,7 |
| - реакционная смесь pH 3,0-8,5; электроды - углеграфитовые газодиффузионные. |
1. Способ обработки грубых кормов, предусматривающий пропитку раствором хлорида натрия и измельчение исходного материала в роторно-пульсационном аппарате, подачу полученной реакционной смеси в бездиафрагменный электролизер и воздействие в электролизере на реакционную смесь электроокислительной системой до содержания CO2 в газовой фазе не более 0,3%, отличающийся тем, процесс проводят циркулируя реакционную смесь через электролизер и роторно-пульсационный аппарат, осуществляя аэрацию реакционной смеси кислородсодержащим газом и генерируя электроокислительную систему на электродах из углеродсодержащего материала.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что циркуляцию реакционной смеси проводят в турбулентном режиме при величине Re>4000.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа используют воздух и газовую фазу электролизера.
4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что аэрацию реакционной смеси кислородсодержащим газом проводят в роторно-пульсационном аппарате и в бездиафрагменном электролизере.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют стеклоуглерод, углеграфит, графитированную ткань, графитированное волокно и углеграфитовые газодиффузионные электроды.
