СПОСОБ БЕЗОТХОДНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЭКСКРЕМЕНТОВ ПТИЦ И ЖИВОТНЫХ Российский патент 1998 года по МПК A23K1/00 C05F3/00 

Предполагаемое изобретение относится к области микробиологии, в частности к биологическим способам обработки экскремента (помета) птиц и животных и получения из них кормов, кормовых добавок и удобрений.

В настоящее время существует серьезная проблема удаления, переработки, рационального использования отходов птицеводческих и животноводческих хозяйств. Также представляет проблему экологический аспект загрязнение атмосферы, неприятный запах, распространение болезней.

Например, на птицефабрике, содержащей 1 млн. голов птицы, ежегодно накапливается 55 тыс. т помета (15 т помета в 1 сут.).

Существуют различные пути решения этих проблем. Ввиду того, что помет животных богат полезными веществами (например, азотом), его используют в качестве органических удобрений. Этот метод носит сезонный характер, и помет скапливается во множестве, вызывая вышеназванные проблемы.

Наиболее рациональным путем можно назвать утилизацию экскрементов для производства сухих белковых кормов, богатых протеином, для сельскохозяйственных животных и птиц.

Таким образом, решается еще один комплекс задач, остро стоящих в настоящее время в отечественном сельском хозяйстве, недостаток кормов.

Различают три вида обработки помета: реагентный, термический, биохимический.

Реагентные способы основаны на обработке экскрементов (помета) реагентом химическим веществом.

Реагентные способы обработки описаны, например, в а.с. СССР N 718078, А 23 K 1/00, а. с. СССР N 1526625, А 23 К 1/16, а.с. СССР N 895393, А 23 К 1/00.

Недостатком способов является низкая технологичность, не решены вопросы утилизации твердой фракции помета.

Термические способы обработки основаны на сушке помета.

Известные способы обработки описаны, например, в заявке Японии N 42-46056, А 23 К 1/22, патенте США N 3836676, А 23 К 1/175.

Предлагаемый способ относится к биохимическим способам обработки экскрементов.

Известен способ получения кормового белка по а.с. СССР N 479805, С 12 К 1/06, 1975 путем выращивания микроорганизмов (дрожжей) на гидролизате экскрементов животных.

Экскременты гидролизуют минеральной кислотой при 130 150^oC в течение 2 3 ч, охлаждают до 36 40^oC. Полученный гидролизат подвергают флотации, отделяют лигнин, обрабатывают УФ-лучами. После облучения субстрата его вторично подвергают флотации.

Недостатками способа являются необходимость использования кислотостойкого оборудования, образование вредных примесей в процессе гидролиза.

Известен способ получения корма путем сбраживания куриного помета по заявке N 56-11414, А 23 К 1/00, Япония. Способ заключается в том, что в питательной среде, содержащей в качестве источника азота куриный помет (или продукт его сушки или экстрагирования), и в качестве источника углерода глюкозу, этанол или метанол, культивируют в аэробных условиях один или два вида дрожжей Richia, Hansenula или Shizasaceharomyces octasporus и выделяют продукт культивирования, содержащий биомассу с повышенным содержанием белков.

Также известен способ получения кормового продукта (патент США N 367074), основанный на ферментации экскрементов птиц (животных) в смеси с морепродуктами под воздействием аэробных бактерий.

Известен способ ферментации дрожжей на курином помете в смеси с крахмалосодержащими добавками (отруби, отходы от разделки куриных, коровьих, свиных туш), см. заявку N 51-13703, Япония.

Недостатком вышеуказанных способов является необходимость внесения дополнительного источника углеродного питания для выращивания микроорганизмов.

Известен способ получения кормового белка при культивировании дрожжей рода Saccharomyces на ферментативном гидролизате куриного помета (а.с. СССР N 718079, А 23 К 1/00).

Помет предварительно высушивают, подвергают термообработке, отделяют надосадочную жидкость, проводят ее ферментативный гидролиз и на полученном субстрате осуществляют ферментацию дрожжей.

Недостатками способа являются необходимость предварительной сушки помета, проведение его ферментативного гидролиза, периодический процесс ферментации.

Известен способ обработки экскрементов животных с получением бактериального белка путем их аэробного разложения (патент США N 3878303, 1975).

Экскременты разбавляют водой, отстаивают, осадок приводят в мелкодисперсное состояние и вновь смешивают с жидкой средой, полученной после отстаивания экскрементов. Вносят бактериальную культуру, находящуюся в экспоненциальной фазе роста, затем добавляют стабилизирующий пену агент, являющийся поверхностно-активным веществом или защищающим коллоидом. С помощью воздуха жидкая среда переводится в стабильную пену. Пена транспортируется в ферментационные сосуды, представляющие собой естественные лагуны или железобетонные бассейны, где она выдерживается от 3 до 48 ч для обеспечения достаточно полного разложения отходов. По окончании ферментации жидкая фаза отделяется сепарацией и направляется на рециркуляцию или сброс, а бактериальные клетки концентрируются и высушиваются с получением белковой биомассы.

Недостатком известного способа является низкая эффективность процесса ферментации, необходимость внесения стабилизатора пены и отведения значительных площадей под ферментационные сосуды; загрязнение сбрасываемых сточных вод примесями поверхностно-активных веществ и, следовательно, необходимость наличия дополнительной системы их очистки.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому является способ выращивания бактерий или получения корма для скота (патент США N 3860487, 1975).

Способ осуществляется следующим образом.

Тщательно измельченный до одного сантиметра в диаметре помет помещается в сосуд под давлением, в который добавляются вода и щелочь органической или неорганической природы. Количество воды в 1 3 раза больше, чем измельченного помета, а концентрация щелочи составляет 1 4% от веса воды. Процесс автоклавирования осуществляется в течение 15 мин при температуре вводимой водо-щелоче-пометной смеси 16 32^oC. Вываренный материал подвергают сепарации.

Твердая фракция помета, не подвергшаяся разложению в автоклаве, высушивается, измельчается, смешивается с измельченными яичной скорлупой и перьями и используется в качестве корма.

Жидкая фракция после сепарирования используется либо для извлечения побочных продуктов, например гормонов, стероидов, аминокислот, либо служит средой для культивирования бактерий, либо используется для гидропоники.

В случае культивирования бактерий получают 1 г бактериальной биомассы с 8 л жидкости. Полученную биомассу стерилизуют, высушивают, измельчают и используют в качестве корма.

Недостатком известного способа является необходимость проведения щелочного гидролиза. Вследствие несовершенного и неэффективного процесса ферментации (режим и параметры проведения этого процесса в патенте отсутствуют) съем бактериальной биомассы с 1 л жидкой среды незначителен. Способ не является безотходным, поскольку не предусмотрено использование или очистка сбрасываемых жидкостных потоков, следовательно, не решены вопросы охраны окружающей среды.

Заявляемый способ переработки экскрементов птиц и животных позволяет получить следующий технический результат при осуществлении способа в сравнении с известными способами в частности с прототипом:
полная утилизация экскрементов (сельскохозяйственных отходов);
как следствие этого:
комплексный подход к переработке экскрементов;
получение нескольких продуктов переработки;
безотходная технология переработки и тем самым решение задач сельского хозяйства, изложенных в разделе описания "Уровень техники";
охрана окружающей среды от вредных выбросов и стоков (проблем экологии);
обеспечение санитарно-гигиенических условий на фабриках и фермах;
а также:
удешевление и экономия комбикормов и повышение их усвояемости.

Технический результат достигается тем, что в способе безотходной переработки экскрементов птиц и животных, являющихся единственным источником всех биогенных элементов, основанном на разбавлении экскрементов, отделении твердой фракции, ферментации микроорганизмов, высушивании и обеззараживании полученной биомассы, отличающемся от прототипа тем, что экскременты циклически непрерывно разбавляют до содержания сухих веществ 2 12% культуральной жидкостью, полученной после ферментации микроорганизмов, отстаивают, отделяют быстрооседающую в течение 3 5 мин твердую фракцию, получая углеводно-белковую добавку к комбикормам, фильтрат преобразуют в биостимулятор для выпойки птицы путем обеззараживания, а ферментацию микроорганизмов осуществляют непрерывно в ферментере при температуре 20 35^oC при pH 5,5 8 со скоростью протока 0,15 0,4 ч^-1 с последующим отделением белковой добавки к комбикормам.

Таким образом, очевидна причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом: получено несколько продуктов переработки углеводно-белковый концентрат (УБК), белковый концентрат (БК), добавки к комбикормам, а также жидкая фракция фильтрат, используемый в качестве биостимулятора для выпойки птицы.

Способ осуществляется следующим образом.

Помет любой влажности изначально разбавляют водой, а в последующих циклах культурной жидкостью до концентрации 2 12% по абсолютно сухому весу (AСB), тщательно перемешивают и отстаивают 3 5 мин. Быстрооседающая твердая фракция промытого помета с размером частиц 2 10 мм выгружается из отстойника и подается на вакуум-фильтр, а затем на сушилку-гранулятор с замкнутым контуром теплоносителя, где она обеззараживается и высушивается.

Фильтрат с вакуум-фильтра после обеззараживания при 90 120^oC в течение 15 60 мин используют для выпойки птиц в качестве биостимулятора.

Жидкая коллоидная фракция помета, полученная при его промывке, непрерывно подается в газлифтный колонный ферментер со скоростью протока 0,15 0,4 ч^-1. Ферментацию осуществляют при температуре 20 35^oС и pH 5,5 -8,0, интенсивном массообмене и расходе воздуха.

Создание эффективной гидродинамической обстановки в аппарате основано на принципе газлифта. Воздух, подаваемый в нижнюю часть колоны, активно смешивается с находящейся в ней жидкостью, образуя газожидкостную смесь, плотность которой резко снижается по отношению к плотности жидкости, находящейся в контуре циркуляции. За счет образовавшегося градиента плотности в объеме аппарата возникает естественная циркуляция газожидкостной смеси. Данное обстоятельство позволяет достичь высоких массообменных показателей биореактора при вводе энергии лишь газовой фазой. Огромное влияние на массообмен в аппарате оказывает также наличие давления гидростатического столба жидкости, при котором в значительной степени возрастает движущая сила процесса массопередачи.

Отсутствие застойных зон в объеме ферментера и движущихся частей, например приводов мешалок, обеспечивает возможность использования его при ведении процесса биосинтеза в асептических условиях. При этом исключаются затраты на комплектование его специальными торцевыми уплотнителями.

Высокая степень использования кислорода при проведении процессов биосинтеза и биоокисления позволяет значительно снизить затраты на стадии очистки отработанного воздуха.

При изготовлении аппаратов применяются стандартные машиностроительные изделия.

В качестве бактерий, используемых для ферментации, служит собственная бактериальная микрофлора помета, представленная непатогенными видами родов: Achromobacter, Bacillus, Bacterium, Pseudomonas, Nitrocystis, Paracoccys, Alkaligenes, Zymomonas, Microdacterium.

Обогащенный бактериальным белком помет отделяют на бактофуге от культуральной жидкости, обеззараживают при 90^oC 1 ч и подают на сушилку-гранулятор с замкнутым контуром теплоносителя.

Культуральную жидкость в полном объеме возвращают на стадию разведения помета.

Концентрат паров от сушилок используют для технологических целей (например, для гидросмыва помета).

Сухие продукты УБК и БК используют в качестве составных частей комбикормов.

К сведениям, подтверждающим возможность осуществления изобретения, относятся нижеследующие конкретные примеры, таблицы химического и аминокислотного состава получаемых продуктов (табл. 1 и 2), а также положительные результаты их применения в кормлении птицы, полученные во ВНИИ птицеводства.

Пример 1.

Помет с влажностью 80% (ACВ 20%) разводят до 4% AСB (на 1 т помета расходуется 4 куб.м. воды), перемешивают и отстаивают в течение 3 мин. Быстрооседающий осадок с ACВ 12% выгружают из отстойника и подают на вакуум-фильтр, а затем на сушилку-гранулятор. Получают углеводно-белковый концентрат помета (ACВ 90%) и фильтрат для выпойки птицы.

Жидкую фракцию с ACВ 2,86% подают на стадию ферментации. Ферментацию осуществляют непрерывно со скоростью протока 0,35 ч^-1, t 30^oC и естественном pH.

Полученную суспензию с AСB 3,1 разделяют на бактофуге на культурную жидкость, которую возвращают на стадию разбавления исходного помета, и на обогащенный белком помет (сгущение до 40% ACВ), который после обеззараживания подают на сушилку-гранулятор. Получают концентрат помета белковый (ACВ 90%).

Таким образом, при описанных технологических условиях из 1 т сырого помета получают: 83 кг углеводно-белкового концентрата помета, 151 кг белкового концентрата помета, 0,5 куб.м биостимулирующей воды для выпойки птицы и 4 куб.м культуральной жидкости для возврата на стадию разбавления помета.

Пример 2.

Измененные параметры. Влажность исходного помета 75% Разведение до 6% ACВ. Время отстаивания 4 мин. Скорость протока на ферментацию 0,3 ч^-1.

Пример 3.

Измененные параметры. Влажность исходного помета 70% Разведение до 8% ACВ. Время отстаивания 5 мин.

Скорость протока на ферментацию 0,2 ч^-1.

Резюмируя вышеизложенное, можно сделать вывод об очевидной необходимости скорейшего внедрения в сельское хозяйство предложенного технического решения, разрешающего неотложные проблемы утилизации отходов, дефицита кормовых добавок для скота и птицы, экологии.

Конкретная реализация способа не требует больших затрат или разработки новых технологических конструкций, т.к. оборудование, необходимое для использования, стандартное, используемое в микробиологической, медицинской и химической промышленности.

В настоящее время произведена апробация способа в лабораторных условиях и на Загорской птицефабрике (г. Сергиев-Посад, Московской области).

Способ безотходной переработки экскрементов птиц и животных относится к биотехнологическим способам утилизации отходов сельского хозяйства. Предлагаемый способ обеспечивает комплексный подход к решению задачи утилизации отходов, позволяет получить несколько кормовых продуктов переработки и решить задачи охраны окружающей среды. Способ заключается в разбавлении экскрементов, отделении твердой фракции, ферментации жидкой фракции, высушивании и обеззараживании полученной биомассы. Разбавление экскрементов осуществляют циклически непрерывно до определенного содержания сухих веществ культуральной жидкостью, полученной после ферментации, отделение твердой фракции ведут путем отстаивания, затем подвергают ее вакуум-фильтрации с отделением фильтрата, гранулируют и сушат, получая углеродно-белковую добавку к комбикормам, а фильтрат преобразуют в биостимулятор для выпойки птицы. 2 табл.

Способ безотходной переработки экскрементом птиц и животных, включающий разбавление экскрементов, отделение твердой фракции, ферментацию жидкой фракции, высушивание и обеззараживание полученной биомассы белковой добавки к комбикормам, отличающийся тем, что разбавление экскрементов осуществляют циклически непрерывно до достижения содержания сухих веществ 2 12% культуральной жидкостью, полученной после ферментации, отделение твердой фракции ведут путем отстаивания в течение 3 5 мин, после чего ее подвергают вакуум-фильтрации с отделением фильтрата, гранулируют и сушат, получая углеводно-белковую добавку к комбикормам, фильтрат преобразуют в биостимулятор для выпойки птицы путем обеззараживания, а ферментацию жидкой фракции осуществляют непрерывно в ферменторе при 20 35^oС при pH 5,5 8,0 со скоростью потока 0,15 0,4 ч^- 1.