Способ переработки целлюлозногорастительного материала ha kopm

 

ОПИСАНИЕ

ИЗ О БР ТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К ПАТЕНТУ (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 31.08.77 (21) 2519878/30-15 (51)М. Кл.

3 (23) Приоритет — (32) A 23 К 1/12

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (33) (31) Опубликовано 07.02.81.Бюллетень М 5 (53) УДК 636. 085 (088. 81

Дата опубликования описания 080281 (72) Автор изобретения

Иностранец

Джеймс В. Джелкс (США) (71) заявитель (54 ) СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО

РАСТИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА НА КОРМ

Изобретение относится к области кормопроиэводства для животных,в особенности к способу обработки целлюлозного растительного материала, и может быть использовано при выращивании животных.

Известен способ обработки целлюлозного растительного материала, включающий иэмельчение целлюлоэного материала, смешивание с раствором кислоты — серной, соляной, уксусной, фосфорной, и последующую обработку повышечной температурой и давлением 9-10,5 кг/см2 в присутствки металлического катализатора (железа или марганца) и нейтрализацией конечного продукта до рН 4-7 (1j .

Однако известный способ является сложным, он осуществляется в несколько стадий, на первой из которых проходит окисление, а на второй — гидролйз. Между стадиями окисления и гидролиэа проводят продувку образующихся окисляющихся газов.

Известен также способ обработки целлюлозного растительного сырья, включающий иэмельчение древесного сырья с увлажнением и смешиванием с минеральной неокисляющей кислотой серной или соляной, и последующую термообработку при давлении 7 атм в течение 30 мин. После термообработки сырье нейтрализуют до значения рН, обуславливающего пригодность продукта для скармливзния 1„2Д .

Однако известный способ не позволяет повысить усвояемость корМового продукта из целлюлоэчого растительного материала, поскольку он в основном направлен лишь на проведение гидролиэа целлюлозного компонента и не разрушает лигнинцеллюлозную свэяь, которая влияет на перевариваемость и усвояемость кормового продукта.

Цель изобретения — устранение отмеченных недостатков, т.е. обеспечение повышения усвояемости корма иэ целлюлозного растительного сырья.

Поставленная цель достигается способом, в котором в качестве кислоты для смешивания с исходным сырьем используют азотную кислоту, которую добавляют к сырью до достижения рН смеси 1-3, а термическую обработку сырья ведут при темпарату;ре 168-178 С под давлением 7-8, 76 кг/см о в в течение 30-60 мин. Азотную кислоту добавляют в количестве 0,2803В47

2 83 ° С целью интенсификации процесса перед термической обработкой к сырью добавляют железо в качестве катализатора в количестве до 0,1%.

Увлажнение исходного сырья проводят до влажности 25-501. Нейтрализацию обработанного продукта проводят амS миаком до рН 4-7. В случае исполь эоэания исходного сырья, имеющего невысокий уровень кислотности, азотную кислоту применяют в смеси с неокисляющей минеральной кислотой, доводя рН смеси до 1-3 перед термической обработкой.

В качестве неокисляющей кислоты используют фосфорную, соляную, серную или уксусную. Необходимое соотношение 15 между азотной и неокисляющей кислотой устанавливают с помощью дрожжевого теста.

Изобретение включает способ обработки органического материала для повышения его усвояемости животными, содержащей стадии смешивания тонко измельченного органического раститель ного материала с водой,,азотной кис- 25 лотой и такой неокисляющей кислотой, как серная, фосфорная, соляная или уксусная для получения смеси, в состав которой входит от около 10 до

50% воды, от 1/4 до 1Ъ кислорода в щ расчете на вес сухого органического материала, причем рН смеси составляет от 1 до 3, и это рН получают за счет добавления соответствующего процента азотной кислоты и неокисляющей кислоты в соответствии с природой используемого органического растительного материала, и варки полученной смеси в автоклаве, с использованием пара, под давлением от 7 до 8,75 кг/см в течение от 30 до 60 мин, причем @ время варки зависит от природы используемого органического растительного материала и стабильностя связи лигкин-целлюлоза в исходном сырье. Перед аркой в смесь можно добавить железо в качестве катализатора для предотвращения образования свободных нитратов в обрабатываемом материале. Затем вываренный материал можно нейтрализовать, чтобы получить величину рН, под щ ходящую для пиши животных, т.е. составляющую от 4 до 7. Обработанный таким образом материал можно затем дать в пищу животно либо непосредственно как он есть, либо, предпочтительно, использовать вместе с другой пищей для животных, например, с зерном,сеном, силосом, крупами или травой для создания баланса питательных веществ для роста животных.

Вначале в смесителе получают гомо- 40 генную смесь путем смешивания вместе воды, азотной кислоты, в случае необходимости железа, и неокисляющей кислоты. Азотная кислота должна обеспечить источник кис."орода для окис- Я ления растительного органического материала.

При обработке старой древесины, или древесины с низким уровнем усвояемости, часто бывает необходимым добавить железо в качестве катализатора. Для того, чтобы установить нужный остав для любого данного сырого ма-, териала, способ этот вначале пробуют без железного катализатора. Затем полученный материал испытывают. Если в продукте находят вредные количества свободных нитратов, то следует добавить железо. Роль железа в случае его использования сводится к высвобождению кислорода в смеси и действию в качестве катализатора в процессе окисления. Обычно, если сырьем является свежая древесина или солома, присутствие железного катализатора не является необходимым, однако, если исходным материалом являются опилки старых деревьев или древесный материал, отличающийся очень низкой усвояемостью то требуется испольэовать железный катализатор. Добавляют неокисляющую кислоту, например, серную фосфорную, соляную или уксусную. Затем смесь соединяют с органическим ра"тительным материалом и водой в смесителе для тщательного смачивания растительного органического материала подготовленной смесью.

Для эффективной обработки органического растительного материала его следует иэмельчит на мелкие кусочки или стружки, если исходное сырье уже не находится в таком состояниии. Опилки, которые получаются на деревообраб атывающих и редприятиях, представляют собой идеальный материал для настоящего способа без дальнейшей физической обработки. Отходы древесины, например, кора, получаемая при лесозаготовках, нуждаются в измельчении на мелкие кусочки. Рисовая шелуха не нуждается в дальнейшей обработке, однако пшеничная или овсяная солома или другие аналогичные материала нуждаются в измельчении. Обычно для использования в настоящем способе пригодны отдельные частицы, диаметр которых не превышает 0,435 см. Очевидно, что чем крупнее компоненты, тем более длительная обработка их необходима, и, наоборот, чем мельче компоненты, тем меньше времени требуется на их обработку. Процесс варки, который будет описан далее, в некоторой степени зависит от размеров частиц органического растительного материала, также как и от других химических факторов.

Смесь из смесителя перемещают в другой смеситель с органическим растительным материалом и добавляют достаточное количество воды так, чтобы полное содержание воды в смеси составляло от 20 до 50%. Полученная таким образом композиция должна иметь рН

803847

Железо добавляют, например, в виде круглого прутка, в количестве, сбответствующем до 0,1%, причем обычно это количество составляет приблизительно 0,044Ъ железа в расчете на вес высушенных опилок. Азотную кис. лоту и железо смешивают с небольшим количеством воды для того, чтобы установить концентрацию, достаточную для взаимодействия азотной кислоты с железом для растворения железа. При © обработке дубовых опилок обычно нет необходимости добавлять какую-либо неокисляющую кислоту, однако вбпрос о необходимости такого добавления будет зависеть от характеристик смешиваемого материала, которые оператор должен определить, измеряя окислительно-восстановительный потенциал и рН смешанного материала, прежде, чем под-, вергнуть его обработке в автоклаве.

Раствор кислоты, железа и воды затем тщательно смешивают с опилками и до бавляют дополнительное количество воды так, чтобы полное количество воды в смеси составляло 403. Затем смесь помещают в автоклав и подают в него пар до создания давления вплоть до

8,06 кг/смх, при температуре 175оС.

Такое давление поддерживают приблизительно от 30 до 60 мин, причем обычно это время составляет 45 мин когда обрабатывают тонко измельченные дубовые опилки. Опытныи оператор заметит, что конец процесса варки определяется тем, что после того, как смесь достигла максимальной температуры и выдерживалась под давлением от 7 до 8,76 кг/см ", можно наблюдать спад температуры приблизительно на

5 С после окончания окисления и гидролиза.

Кроме того, если из автоклава наблюдается небольшое просачивание газов, то опытный оператор определит. отчетливый запах, который заметно изменится после окончания процесса варки. После окончания процесса материал можно выгрузить из автоклава, независимо от того, какое количество времени прошло. Однако было обнаружено, что время, необходимое для полного завершения реакций окисления и гидролиза в автоклаве, составляет от 30 мин до одного часа.

Затем материал из смесителя перемещают в автоклав, где его обрабатывают паром из бойлера для повышения давления до от 7 до 8,76 кг/см при температуре 178 С. Материал выдерживают при этой температуре и давлении в течение от 30 мин до одного часа, причем нужное время зависит от химического состава обрабатываемого материала, в частности от прочности связи линии.-целлюлоза, так же как и от сте- М пени измельчения материала. В процессе варки, который проводят в автоклаве, материал вначале окисляют при взаимодействии с кислородом, которыйвыделился из азотной кислоты, а затем гидролизуют при взаимодействии воды с окисленными продуктами при повышенном давлении и температуре в автоклаве.

После окончания процесса варки в р автоклаве прореагировавшие продукты извлекают. Обычно рН этих продуктов составляет от 1 до 4 в зависимости от типа органического растительного материала. Желательно, чтобы рН смеси было повышено в нейтрализаторе или еще в автоклаве. Эту стадию можно осуществить, добавляя аммиак к обрабатываемому материалу. Желательно повысить рН обработанного материала до уровня между 4,0 и 7 для более эф- 40 фективного использования в качестве пищи для животных. После этого обработанный материал выгружают в бункер для хранения для последующего использования. Если продукт подлежит дли- ф5 тельному хранению, то его можно высушить. Обработанный материал можно непосредственно подавать в качестве питания домашнему скоту или, предпочтительно, смешать его с другими пи-ур щевыми продуктами, включая зерно, сено, мочевину, или скомбинировать их так, чтобы сбалансировать питательный рацион для домашнего скота.

В качестве конкретного примера применения настоящего изобретения, ил люстрирующего пропорции используемого материала, взяли в качестве сырья опилки твердых древесных пород, полученные в качестве побочного продукта деревообрабатывающей промыыпен- фф ности

Использовали азотную кислоту крепости 42 градуса SoMe (67, 18Ъ НЦО ) уд.вес 1,4078, в концентрации 2,83 от веса обрабатываемой древесины. фЯ

О, 5 до 3, 5, а уровень содержания в ней кислорода должен составлять от

1/4 до 1 вес.Ъ от веса органического растительного:латериала, причем кислород образуется за счет азотной кислоты. Количество азотной кислоты в ин гервале от О, 2-2, 8% от сухого веса целлюлозного материала обеспечивает нужную величину рН смеси и уровень содержания кислорода.

После этого давление в автоклава можно снизить и извлечь питательный материал. При желании его можно затем нейтрализовать, добавляя аммиак или другое нетоксичное основание.

После чего продукт готов для подачи его в качестве пищи непосредственно домашнему скоту, высушивания и/или упаковки для погрузки, или для смешивания его с другими пищевыми материалами, .как уже было указано ранее.

Как уже указывалось ранее, некоторые типы древесины, например карня, 803847 отличаются невысокой степенью кислотности, и когда используют тот же самый процент азотной кислоты, что и в предыдущем примере, уровень рН будет слишком высок. Поэтому чтобы установить соответствующий уровень рН, нужный для стадий окисления и гидро— ! .лиза, необходимо понизить рН до приемлемого уровня,так,чтобы в результате реакции разрушалась связь лигнина и целлюлозы и происходил гидролиз целлю-, лозы. По этой причине к азотной кислоте добавляют неокисляющую кислоту.

Можно использовать любую нетоксичную неокисляющую кислоту, однако предпочтительными являются серная, фосфорная, соляная или уксусная, благодаря их доступности и экономичности, серная и фосфорная кислоты являются желательными благодаря их необходимым для питания производным. Это особенно справедливо, когда используют 2Q фосфорную кислоту.

Для любого сырья, содержащего целлюлозу, отношение азотной кислоты и к неокисляющей кислоте можно установить следукщим образом. Во-первых, проводят ряд загрузок исходного сырья, и используя различное количество одной только азотной кислоты с железным катализатором в том случае, когда не- ЗО обходимо удалить избыток нитратов в обрабатываемом материале. рН каждой загрузки проверяют и записывают прежде, чем подвергнуть материал обработке в автоклаве. Во-вторых, проводят тесты на дрожжевую усвояемость для каждого из конечных продуктов, для того, чтобы определить, в какой загрузке продукты получили наилучшую дрожжевую усвояемость. Это и указывает на оптимальное количество азот- @ ной кислоты для дачного сырья. Испытание на дрожжевую усвояемость исполь- зуют благодаря его быстроте и деше- визне, бла- îäàðÿ то,м у,,что оно не требует сложной аналитической аппара- Я туры и является .хорошим способом для определения количества сахара и сахарных эквивалентов, которые становятся доступным после процесса . арки. В-третьих, если рН, получен- gp ное при этом выбранном уровне азотной кислоты в смеси перед варкой, менее 3, добавляют достаточное количество неокисляемой кислоты для снижения рН до величины между 1 и 3. Окажется, что при использовании дополнительной неокисляющей кислоты для доведения рН до предпочтительного уровня между 1 и 3, усвояемость дрожжей конечного продукта повысится.Некоторые виды сырья, которые обычно 40 являются кислыми, такие как большин ство дубовых опилок, вообще не потребуют добавления или, по крайней мере, потребукт добавления меньшего количество неокисляющей кислоты. . Я

В результате применения способов настоящего изобретения получают заметные улучшения в химическом составе обрабатываемого материала по !

=равнению с материалом сырья, В качестве примера анализа /в Ъ от сухого вещества) можно привести данные, полученные для опилок древесины дуба:

Протеин 1,44 (в т.ч. аммиак 0,28)

Жир 0,60%

Влага 9,8%

Сырая клетчатка 55,2Ъ

Зола 1,2%

БЭВ (безазотистые экстрактивные вещестВа 31,76%

Итого; 100Ъ

Углеводы (сырая клетчатка + БЭВ} 86, 96Ъ

Те же самые дубовые опилки были обработаны в соответствии со способом, описанным в настоящем изобретении, и анализ высушенного конечного продукта дал:

Протеин 1,54Ъ

{в том числе аммиак 0,30 )

Жир 0,48%

Влага 4,5Ъ

Сырая клетчатка 27,4%

Зола 1,05%

БЭВ 65,03

Итого: 100Ъ

Углеводы (сырая клетчатка + БЭВ} 92,43%

В другом случае необработанные опилки карин имели следующий состав:

Протеин 1, 033 (в том числе аммиак 0,20 )

Жир 0,44Ъ

Влага 8,4Ъ

Сырая клетчатка 58,8%

Зола 0,60%

БЭВ 30,73Ъ

Итого: 100%

Углеводы (сырая клетчатка + БЭВ} 89,53%.

Состав высушенного обработанного материала иэ карии имел следующий вид:

Аммиак 0,23%

Протеин 1,18% (в том числе аммиак 0,23)

Жир 0,41Ъ

Влага 2,3%

Сырая клетчатка 32,4%

Зсла 1,9Ъ

БЭВ 61,81%

Итого: 100Ъ

Углеводы (сырая клетчатка + БЭВ} 94, 21Ъ

Из данных видно, что в обоих случаях у обработанного материала содержание сырой клетчатки значительно ниже, а содержание БЭВ и углеводов значительно выше.

Образцы сырого материала содержали воды меньше, чем обычно, так как п еред проведением анализов образцы

803847

15

Формула изобретения находились в открытых контейнерах.

Содержание воды в более свежих опилках составило приблизительно 25%, хотя этот уровень может сильно колебаться в зависимости от сорта древесины, времени года, когда деревс было срублено, и степени сушки, которую проводили с момента порубки дерева до операции распила,при которой получают опилки. Были проведены следующие испытания для определения усвояемости целлюлозного материала, обработанного в соответствии с описанным выше способом, питательный рацион овец включал обработанную соответствующим образом древесину.

Сырье получали из сучьев и стволов деревьев, которые были срезаны во время прокладки линии электропередачи, и состояли преимущественно иэ дуба, карии, вяза и тополя. уснояемость определяли взвешивая подаваемую пищу и вычитая вес фекалий, используя способ, который давно известен как способ определения уснояемости. Результаты показали, что усвоя- 25 емость древесины, обработанной по . способу, описанному в изобретении, составляет между 57,7% и 80,1%. Не проводились никаких тестов на предмет усвояемости необработанного сырьево- Я го материала, однако известно, что усвояемость необработанной древесины составляет: красный дуб — 3%, белый дуб -4%, носточный тополь — 4%, американский вяэ — 8% и карня аваль- Я ная — 5%.

Способ обработки, описанный в настоящем изобретении, повышает уснояемость двумя основными путями. Воперньм, часть целлюлозы превращается н сахар и эквиваленты сахара. Во-вторых, разрушаются связи целлюлозы н лигнина, за счет чего повышается содержа ие целлюлозы, доступной для усвоения животными.

Целлюлозный материал, обработанный 45 в соответствии с настоящим изобретением, лучше использовать в различных смесях для питания животных. Исполь- . зовать одну только обработанную древесину в качестве питания животных $f) нежелательно, так как хотя процент содержания карбогицратон н ней высок, она содержит мало протеина и витаминон.

Баланс рациона, который, как оказалось, не только правилен с точки зрения содержания питательных веществ но и приятен на вкус, как молочному, так и мясному скоту, является следующим:

40 кг обработанной древесины, 40

40 кг зерна, 8 кг соевых бобов, 2,2 кг мочевины, нитамины А, Д, Е и минеральные мик родобавки. 65

Состав питательной .смеси для корма животных может сильно изменяться в зависимости от конечной цели, причем питательный баланс и приятный вкус достигаются при минимальных затратах.

Различные породы жинотных требуют различный питательный состав, при этом жвачные животные лучше усваивают обработанный целлюлозный материал, нежели нежвачные животные.

Использование обработанной древесины для питания животных дает три основных преимущества. Во-первых, доступность целлюлозного материала н качестве питания для жинотных практически нелимитирована но многих частях мира, тогда как количество пахотной земли. ограничено. Во-вторых, обработка целлюлозного материала гораздо дешевле, чем стоимость зерна, сена или других источников карбогидратов в пище животных. В-третьих, обработанный целлюлозный материал является, по-видимому, более приятным на вкус, для животных, нежели многие виды пищи.

При включении н пищевой рацион мясного и молочного скота обработанного целлюлозного материала достигают повышенное усвоение, что сказывается н большем приросте живого веса и высоких удоях молока.

Железный катализатор используют для предотвращения появления избытка свободных нитратов и обрабатываемом материале. Когда в качестве сырья используют свежую древесину, то она обычно легка взаимодействует с разбавленной азотной кислотой и органической кислотой и при этом образуется небольшое количество нитратов. Однако, когда н качестве исходного материала имеется целлюлоза, в которой целлюлоза более прочно связана с лигнином, или иначе, она имеет более ниэ» кий восстановительный потенциал, железо используют для уничтожения стабильности нитратов. Высокое содержание нитратов н рационе животных может привести к смертельному исходу, и желательным является содержание нитратов на уровне ниже ста частей на миллион частей корма. Вредным уровнем содержания нитратов в пище животных является любой уровень, который может привести к замедлению скорости роста животных, к снижению удоен молока, или такой, который приводит к ухудшению здоровья животных.

1. Способ переработки целлюлоэного растительного материала на корм включающий иэмельчение сырья, увлажнение, смешивание с раствором минеральной кислоты, последующую erd термическую обработку при повышенном

803847

Составитель Л. Мурая

Техред E.Ãàâðèëåøêî Ко ектор М.Шароши

Ре акто О.Иванова

Тираж 575

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 давлении и нейтрализацию обработан ого продукта, отличающийся тем, что, с целью повышения усвояемости целлюлозного растительного материала, в качестве кислоты для смешивания с исходным сырьем используют азот- ную кислоту, которую добавляют к сырью до достижения рН смеси 1-3, а. термическую обработку сырья ведут при температуре 168-178 С под давлением

7-8,76 кг/см в течение 30-60 мин.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что азотную кислоту добавляют к исходному сырью в количестве 0,2-2,8%.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью ин-.15 тенсификации процесса, перед термической обработкой к сырью добавляют железо в качестве катализатора в Уоличестве до 0,1Ъ.

4. Способ по и. 1, о т л и ч а ю- Щ шийся тем, что,влажнение исходного сырья проводят до влажности 25-50%.

5. Способ по и. 1, о т л и ч а ишийся тем, что нейтрализацию обработанного продукта проводят аммиаком до рН 4-7.

6. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что в случае использования исходного сырья, имеющего невысокий уровень кислотности, азотную кислоту применяют в смеси с неокисляющей минеральной кислотой, доводят рН смеси до 1-3 перед термической обработкой.

7. Способ по и, 6, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве неокисляющей кислоты используют фосфорную, соляную, серную или уксусную.

8. Способ по пп. 6 и 7, о т л ич а ю шийся тем, что необходимое соотношение между азотной и неокисляющей кислотой устанавливают с помощью,црожжевой пробы.

Источники информации, принятые во внимание при зкспертизе

1. Патент США Р 3939286, кл. 426-312, 1976.

2. Котовский Л.В. Древесина как кормовой продукт . N., 1934, с.3738.