Способ переработки целлюлозногоРАСТиТЕльНОгО МАТЕРиАлА HA KOPM Советский патент 1981 года по МПК A23K1/12 

1

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

Известен способ обработки целлюлозного растительного материала, включающий измельчение целлюлозного матер1иала, смешивание с раствором кислоты - серной, соляной, уксуной, фосфорной, и последующую обработку повышенной температурой и давлением 9-10,5 кг/см в присутствии металлического катализатора {железа или марганца) и нейтрализацией конечного продукта до рН 4-7 lj| .

Однако известный способ является сложным, он осуществляется в несколко стадий, на первой из которых проходит окисление, а на второй - гидролиз. Между стадиями окисления и гидролиза проводят продувку образующихся окисляющихся газов.

Известен также способ обработки целлюлозного растительного сырья, включающий измельчение древесного сырья с увлажнением и смешиванием с минеральной неокисляютей 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 скармливания C2J.

Однако известный способ не позволяет повысить усвояемость кормового продукта из целлюлозного растительного материала, поскольку он

0 в основном направлен лишь на прове,дение гидролиза целлюлозного компонента и не разрушает лигнинцеллюлозную свзяь, которая влияет на перевариваемость и усвояемость кормового

5 продукта.

Цель изобретения - устранение отмеченных недостатков, т.е. обеспечение повышения усвояемости корма из целлюлозного растительного сы0рья.

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 об ga6oTKy сырья ведут при температуIpe 168-178 с под давлением 7-8,76 кг/см в течение 30-60 мин. Азотную 0 кислоту добавляют в количестве 0,22,8%. 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 25-50%. Нейтрализацию обработанного продукта проводят аммиаком до рН 4-7. В случае использования 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, серну или уксусную. Необходимое соотношени 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 растител него материала с воддой, азотной кислотой 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 1% кислорода з расчете на вес сухого органического материала, причем рН смеси составляет от 1 до 3, и это рН получают за счет добавления соответствующего про цента азотной кислоты и неокисляющей кислоты в соответствии с природой ис пользуемого органического растительного материала, и варки полученной смеси в автоклаве, с использованием пара, под давлением от 7 до 8,75 кг в течение от 30 до 60 мин, причем время варки зависит от природы испол зуемого органического растительного материала и стабильностя связи лигкин-целлюлоза в исходном сырье. Пере аркой в смесь можно добавить железо в качестве катализатора для предотв щения образования свободных нитрато в обрабатываемом материале. Затем вы варенный материал можно нейтрализовать, чтобы получить величину рН, п ходящую для пиши животных, т.е. сос ляющую от 4 до 7. Обработанный таким образом материал можно затем дать в пищу животным либо непосредственно как он есть, либо, предпочтительно, использовать вместе с другой пищей для животньлх, например, с зерном,се ном, силосом, крупами или травой д создания баланса питательных вещест для роста животных. Вначале в смесителе получают гом генную смесь путем смешивания вмест воды, азотной кислоты, в случае необходимости железа, и неокисляющей кислоты. Азотная кислота должна обе печить источник кислорода для окисЛенин растительного органического материала. При обработке старой древесины, или древесины с низким уровнем усвояемости, часто бывает необходимым добавить железо в качества катализатора. Для того, чтобы установить нужный jcocTaa для любого данного сырого ма-j 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, присутст вие железного катализатора не является необходимым, однако, если исходным материалом являются опилки старых деревьев или древесный материал, отличающийся очень низкой усвояемостью то требуется использовать железный катализатор. Добавляют неокисляющую кислоту, например, серную фосфорную, соляную или уксусную. Затем смесь соединяют с органическим растительным материалом и водой в смесителе для тщательного смачивания растительного органического материала подготовленной смесью. Для эффективной обработки органического растительного материала его следует измельчит на мелкие кусочки или стружки, если исходное сырье уже не находится в таком состояниии. Опилки, которые получаются на деревообрабатывающих предприятиях, 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 компбзиция должна иметь рН 0,5 до 3,5, а уровень содержания в ней кислорода должен составлять от 1/4 до 1 вес,% от веса органическог растительного материала, причем кис лород образуется за счет азотной ки лоты. Количество азотной кислоты в ервале от 0,2-2,8% от сухого веса ;еллюлозного материала обеспечивает нужную величину рН смеси и уровень содержания кислорода. Затем материал из смесителя пере мещают в автоклав, где его обрабаты вают паром из бойлера для повышения давления до от 7 до 8,76 кг/см при температуре 178-с. Материал выдержи вают при этой температуре и давлени в течение от 30 мин до одного часа, причем нужное время зависит от хими ческого состава обрабатываемого мате риала, в частности от прочности свя линин-целлюлоза, так же как и от сте пени измельчения материала. В процес се варки, который проводят в автоклаве, материал вначале окисляют при взаимодействии с кислородом, который выделился из азотной кислоты, а затем гидролизуют при взаимодействии воды с окисленньзми продуктами при по вышенном давлении и температуре в ав токлаве. После окончания процесса варки в автоклаве прореагировавшие продукты извлекают. Обычно рН этих продуктов составляет от 1 до 4 в зависимости от типа органического растительного материала. Желательно, чтобы рН смес было повьпиено в нейтрализаторе или еще в автоклаве. Эту стадию можно осуществить, добавляя аммиак к обрабатываемому материалу. Желательно по высить рН обработанного материала до уровня между 4,О и 7 для более эф фективного использования в качестве пищи для животных. После этого обработанный материал выгружают в бункер для хранения для последующего исполь зования. Если продукт подлежит длительному хранению, то его можно высушить. Обработанный материал можно непосредственно подавать в качестве питания домашнему скоту или, предпочтительно, смешать его с другими п щевыми продуктами, включая зерно, сеНо, мочевину, или скомбинировать их так, чтобы сбалансировать питательный рацион для домашнего скота. В качестве конкретного примера применения настоящего изобретения, и люстрирующего пропорции используемого материала, взяли в качестве сырья опилки твердых древесных пород, полученные в качестве побочного продук та деревообрабатывающей промышленности. Использовали азотную кислоту крепости 42 градуса Боме (67,18% НМОз) уд.вес 1,4078, в концентрации 2,8% от веса обрабатываемой древесины. Железо добавляют, например, в виде круглого прутка, в количестве, с 3ответствующем до 0,1%, причем обычно это количество составляет приблизительно 0,044% железа в расчете на вес высушенных опилок. Азотную кислоту 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 вопрос о необходимости такого добавления будет зависеть от характеристик смешиваемого материала, которые оператор должен определить, измеряя окислительно-восстановительный потенциал и рН смешанного материала, прехдце, чем под вергнуть его обработке в автоклаве. Раствор кислоты, железа и воды затем тщательно смешивают с опилками и ДО-Y. бавляют дополнительное количество воды так, чтобы полное количество воды всмеси составляло 40%. Затем смесь помещают в автоклав и подают в него дар до создания давления вплоть до 8,06 кг/см, при температуре . Такое давление поддерживают приблизительно от 30 до 60 мин, причем обычно это время составляет 45 мин когда обрабатывают тонко измельченные дубовые опилки. Опытный оператор заметит, что конец процесса варки определяется тем, что после того, как смесь достигла максимальной температуры и вьщерживалась под давлением от 7 до 8,76 кг/см, можно наблюдать спад температуры приблизительно на 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 р„дролиза в автоклаве, составляет от 30 мин до одного часа. - После этого давление в автоклаве ожно снизить и извлечь питательный атериал. При желании его можно заем нейтрализовать, добавляя аммиак ли другое нетоксичное основание. осле чего продукт готов для подачи го в качестве пищи непосредственно омашнему скоту, высушивания и/или паковки для погрузки, или для смеивания его с другими пищевыми маериалами, .как уже указано раее. Как уже указывалось ранее, некоорые типы древесины, например кария. отличаются невысокой степенью кислот ности, и когда используют тот же самый процент азотной кислоты, что и в пре-дьдущем примере, уровень рН будет слишком высок. Поэтому чтобы установить соответствующий уровень рН, нужный для стадий окисления и гидроЛИза, необходимо понизить рН до приемлемого уровня, так ,чтобы в результат реакции разрушалась связь лигнина и це люлозы и происходил гидролиз целлю-j 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 осо бенно справедливо, когда используют фосфорную кислоту. Для любого сырья, содержащего цел люлозу, отношение азотной кислоты и к неокисляющей кислоте можно установить следующим образом. Во-первых, п водят ряд 3arv2y3OK исходного сырья, используя различное количество одной только азотной кислоты с железным катализатором в том случае, когда не обходимо удалить избыток нитратов в обрабатываемом материале. рН каждой загрузки проверяют и записывают преж де, 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 азотной кислоты для данного сырья. Испы тание нэ дрожжевую усвояемость испол зуют благодаря его быстроте и дешевизне, благодаря тому, что оно не требует сложной ана;п-1тической аппар туры и является сорошим способом для определения количества сахара и сахарных эквивалентов, которые становятся доступным после процесса арки. В-третьих, если рН, полученное при этом выбранном уровне азотной кислоты в смеси перед варкой, менее 3, добавляют достаточное коли чество неокисляемой кислоты для сни жения рН до величины между 1 и 3. О жется, что при использовании дополнительней неокисляющей кислоты для доведения рН до предпочтительного. уровня между 1 и 3, усвояемость дрож жей конечного продукта повысится.Не которые виды сырья, которые обычно являются кислыми, такие как большин ство дубовых опилок, вообще не jnoтребуют добавления или,.по крайней мере, потребуют добавления меньшего количество .неокисляющей кислоты. В результате применения способов тошцего изобретения получают заные улучшения в химическом сове обрабатываемого материала по внению с материалом сырья. В катве примера анализа /в % от сухого ества можно привести данные, поенные для опилок древесины дуба: Протеин1,44 (в т.ч. аммиак 0,28) Жир0,60% Влага9,8% Сырая клетчатка 55,2% Зола1,2% БЭВ (безазотистые экстрактивные вещества )31,76% Итого:100% Углеводы (сырая клетчатка + БЭВ)86,96% Те же самые дубовые опилки были аботаны в соответствии со спосо, описанным в настоящем изобрете, и анализ высушенного конечного дукта дал: Протеин1,54% (в том числе аммиак 0,30j Жир 0,48% Влага4,5% Сырая клетчатка 27,4% Зола1,05% БЭВ65,03 Итого:100% Углеводы (сырая клетчатка + БЭВ) . 92,43% В другом случае необработанные лки карий имели следующий состав: Протеин1,03% (в том числе аммиак 0,20) Жир0,44% Влага8,4% Сырая клетчатка 58,8% Зола0,60% БЭВ30,73% Итого: .100% Углеводы (сырая клетчатка + БЭВ)89,53%. Состав высушенного обработанного ериала из карий имел следующий : Ам14иакО , 2 3 « Протеин1,18% (в том числе амг/1иак 0,23) Жир0,41% Влага2,3% Сырая клетчатка 32,4% Зела1,9% БЭВ61,81% Итого:100% Углеводы (сырая клетчатка + БЭВ)94 ,21% Из данных видно, что в обоих чаях у обработанного материала ержание сырой клетчатки значительниже, а содержание БЭВ и углевозначительно выше. Образцы сырого материала содержаводы меньше, чем обычно, так как ред проведением анализов образцы находились в открытых контейнерах. Содержание воды в более свежих опил ках составило приблизительно 25%, х тя этот-уровень может сильно колебаться в зависимости от сорта древе сины, времени года, когда дерево бы срублено, и степени сушки, которую проводили с момента порубки дерева до операции распила,при которой получают опилки. Были проведены следую щие испытания для определения усвояемости целлюлозного материала, обработанного в соответствии с описан ным выше способом, питательный рацио овец включал обработанную соответст вующим образом древесину. Сырье получали из сучьев истволов деревьев, которые были срезаны во время прокладки линии электропередачи, и состояли преимущественно из дуба, карий, вяза и тополя. Усвояемость определяли взвешивая подаваемую пищу и вычитая вес фекалий, используя способ, который давно известен как способ определения усвояемос ти. Результаты показали, что усвояемость древесины, обработанной по. способу, описанному в изобретении, составляет между 57 ,7% и 80,1% . Не про водились никаких тестов на предмет усвояемости необработанного сырьевого материала, однако известно, что усвояемость необработанной древесины составляет: красный дуб - 3%, белый дуб -4%, восточный тополь - 4%, американский вяз - 8% и кария овальная - 5%. Способ обработки, описанный в настоящем изобретении, повышает усвояемость двумя основными путями. Вопервых, часть целлюлозы превращается в сахар и эквиваленты сахара. Во-вто рых, разрушаются связи целлюлозы и лигнина, за счет чего повышается содержание целлюлозы, доступной для ус воения животныг/1И. Целлюлозный материал, обработанны в соответствии с настоящим изобретением, лучше использовать в различных смесях для питания животных. Использовать одну только обработанную древесину в качестве питания животных нежелательно, так как хотя процент содержания карбогидратов в ней высок, она содержит мало протеина и ви таминов. 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 кг зерна, 8 кг соевых бобов, 1,2 кг мочевины, витамины А, Д, Е и минеральные мик | одобавки. ;: 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 животных 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 в качестве питания для животньох практически нелимитировгша во 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 в пищевой рацион мясного и молочного скота обработанного целлюлозного материала достигают повышенное усвоение, что сказывается в большем приросте живого впса и высоких удоях молока. Железный катализатор используют для предотвращения появления избытка свободных нитратов в обрабатываемом материале. Когда в качестве сырья используют свежую древ-есину, то она обычно легко взаимодействует с разбавленной азотной кислотой и органической кислотой и при этом образуется небольшое количество нитратов. Однако, когда в качестве исходного материала имеется целлюлоза, в которой целлюлоза более прочно связана с лигнином, или иначе, она имеет более восстановительный потенциал, железо используют для уничтожения стабильности нитратов. Высокое содержание нитратов в 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 удоев молока, или такой, который приводит к ухудшению здоровья животных. Формула изобретения 1. Способ переработки целлюлозного растительного материала на , корм включающий измельчение сырья, Увлажнение, смешивание с раствором инеральной кислоты, последующую erd термическую обработку при повышенном давлении и нейтрализацию обработанно го продукта, отличающийся тем, что, с целью повышения усвояемо ти целлюлозного растительного матери ала, в качестве кислоты для смешивания с исходным сырьем используют азо ную кислоту, которую добавляют к сырью до достижения рН смеси 1-3, а. термическую обработку сырья ведут пр температуре 168-178 С под давлением 7-8,76 кг/см в.течение 30-60 мин. 2.Способ по п. 1, отличающийся 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 чающийся тем, что, с целью и тенсификации процесса, перед термической обработкой к сырью добавляют железо в качестве катализатора в количестве до 0,1%. 4.Способ по п. 1, отличающийся тем, что увлажнение исходного сырья проводят до влажности 25-50%. 5.Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что нейтрализацию об работанного продукта проводят аммиаком до рН 4-7. 6.Способ по п. 1, отлича ющ и и с я 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 п, 6, о т л и ч а ющ и и с я тем, что в качестве неокисляющей кислоты используют фосфорную, соляную, серную или уксусную. 8.Способ по пп. б и 7, о т л ичающийся тем, что необходимое соотношение между азотной и неокисляющей кислотой устанавливают с помощью дрожжевой пробы. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США W 3939286, кл. 426-312, 1976. 2.Котовский Л.В. Древесина как кормовой продукт . М., 1934, с.3738.