Russian Federation
A modular plant for the production of protein and vitamin supplements with a capacity of 250 kg per dry matter per day has been developed. As the installation is supposed to be located directly at the consumer, it became possible to exclude from the technological scheme the most energy-intensive and "dirty" stages of production, which are mandatory for large plants: separation, evaporation, drying and packaging. The finished product in this case is "suspension milk", containing 8% of dry matter, which is fed to the feed preparation department. Undoubted advantages include the exclusion of the need for transportation and storage of finished products. It is important that the main waste of agricultural production is used (rye and wheat bran, substandard grain, flour, etc.).
protein, fermentation, compound feed, plasmolysis, biotechnology, microorganisms, biosynthesis, hydrolysis.
По данным ряда специалистов мировой дефицит белка к началу ХХI в. оценивается в 30–35 млн т в год. Основным путем снижения и ликвидации этого дефицита является производство биомассы с помощью микробиологического синтеза, обладающей рядом преимуществ по сравнению с другими источниками белковых веществ. Микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы, которая в 500–5000 раз выше, чем у растений или животных. Микробные клетки способны накапливать очень большое количество белка (дрожжи – до 60%, бактерии – до 75% по массе). Кроме того, в микробиологическом производстве за счет высокой специфичности микроорганизмов отсутствует многостадийность. Сам процесс биосинтеза протекает в мягких условиях: при температуре 30–45 °С, рН 3 - 6 и давлении » 0,1 мПа [1, 2, 3].
Биотехнология в промышленных масштабах в значительной степени получила развитие благодаря производству антибиотиков медицинского и ветеринарного назначения, начатому после Второй мировой войны во всех промышленно развитых странах. В последние десятилетия число веществ, производимых методом микробиологического синтеза, резко увеличилось и продолжает интенсивно расти.
Особенностью развития биотехнологии в нашей стране является высокий удельный вес промышленного производства белка одноклеточных. Получение микробной биомассы как источника полноценного белка, вводимого в корма сельскохозяйственным животным, очень актуально, так как компенсирует его недостаток в традиционных для нашей страны растительных кормах.
Во многих развитых странах источником дополнительного белка для кормопроизводства служат соевые бобы или шрот, содержащие большое количество полноценного белка, аминокислотный состав которого принят за стандарт. В России, как известно, основная часть пахотных земель находится в зоне рискованного земледелия и не пригодна для выращивания сои. Поэтому ежегодно наша страна закупает миллионы тонн соевого шрота за рубежом по цене 250–300 американских долларов за 1 т, попадая тем самым в продовольственную зависимость от других стран [20, 21, 22, 23].
Именно это заставило нашу страну искать свой альтернативный путь снабжения животноводства дополнительным белком. С появлением гидролизного производства отходы после брожения и отделения спирта стали использовать для выращивания кормовых дрожжей. В настоящее время насчитываются десятки гидролизных заводов, производящих сотни тысяч тонн кормовых дрожжей с содержанием белка до 40%. Существенно восполнил дефицит белка ввод в эксплуатацию в 60-е годы прошлого столетия новых заводов, производящих БВК (белково-витаминный концентрат) из углеводородов нефти. Белок биомассы дрожжей и бактерий полноценен по аминокислотному составу, содержит целый ряд биологически активных веществ (витаминов, кофакторов и т.п.), что определяет его высокую кормовую ценность. А по содержанию большинства незаменимых аминокислот – лизина, треонина, триптофана и других – практически не уступает или даже превосходит стандарт.
При всестороннем исследовании микробной биомассы была выявлена ее чрезвычайно высокая технологическая и экономическая эффективность для мясного и молочного животноводства и птицеводства. Кормовые дрожжи содержат в 5 раз больше белка, чем ячмень или овес. Кроме того, в дрожжах имеются практически все витамины группы В и целый ряд ростовых веществ. Таким образом, 1 т кормовых дрожжей (в сухом виде) обеспечивает экономию до 7 т зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины, 5 т мяса птицы или до 15 тыс. штук яиц [4, 5, 6, 7].
Однако в начале 90-х годов в силу ряда причин, в частности резкого роста цен на нефтепродукты, прекратилась деятельность восьми крупных заводов по производству БВК, общей производительностью 1,2 – 1,3 млн т в год (в масштабах бывшего СССР).
Усилиями научных организаций в короткие сроки были разработаны и освоены технологии производства белковых добавок на основе дешевых отходов сельскохозяйственных производств (отруби пшеничные и ржаные, некондиционное зерно, мучка и пр.), причем разработанные технологии позволяли полностью использовать технологическое оборудование заводов, производящих БВК.
Выпуск нового продукта был освоен на Светлоярском, Кстовском и Уфимском заводах. Однако в настоящее время успешно работает только Кстовский завод. В 2001 г. им было произведено и реализовано свыше 20 000 т белково-витаминной добавки. На остальных заводах выпуск белково-витаминных добавок прекращен.
Это обстоятельство вызвано несколькими причинами:
- крупными масштабами заводов и соответственно большими основными фондами, т.е. очень высокими накладными расходами или низкой рентабельностью;
- наличием в технологической линии производства белково-витаминной добавки, конечной формой которой является порошок энергоемких и трудоемких стадий – сепарации, выпарки, сушки и упаковки. Кроме того, на этих стадиях теряется до 5–7% продукта и образуются газовоздушные выбросы и промышленные сточные воды;
- высокими расходами на транспортировку и хранение сырья и готовой продукции.
В то же время крупные колхозы и совхозы, имевшие большие откормочные комплексы и нуждавшиеся в централизованных поставках крупных партий белково-витаминных добавок, прекратили свое существование, а развитие получили относительно небольшие фермерские хозяйства. Поэтому представилось целесообразным разработать и оснастить подобные фермерские хозяйства экономичными, индивидуальными модульными установками по производству белково-витаминных добавок (рис. 1).
Такие установки обладают рядом несомненных преимуществ:
· возможность, в зависимости от размеров сельскохозяйственной фермы, создавать модульные установки заданной производительности. За модуль принята установка производительностью 250 кг в сутки БЕЛКОВИТа (товарное название белково-витаминной добавки) в пересчете на сухой продукт (на 250 голов свиней и 50 голов КРС);
· поскольку установка расположена непосредственно у потребителя, то представляется возможным исключить из технологической схемы наиболее энергоемкие стадии производства, обязательные для крупных заводов: сепарацию, выпарку, сушку и упаковку. Готовой продукцией в данном случае является «суспензионное молочко», содержащее 8% сухих веществ, которое подается в отделение подготовки кормов;
· отпадает необходимость в транспортировке и складировании готовой продукции;
· использование собственных отходов сельскохозяйственного производства (ржаные и пшеничные отруби, некондиционное зерно, мучка и др.).
Отруби имеют следующий средний химический состав:
- сырой протеин 15–17%
- крахмал 45–50%
- клетчатка 5–9%
- влажность 14–16%
- зольность 4–6%
Перед подачей на ферментацию отруби необходимо обработать тем или иным способом для того, чтобы из них в жидкую фазу выделились редуцирующие вещества (РВ), т.е. сахара – гексозы (глюкоза, манноза и галактоза) и пентозы (ксилоза и арабиноза). Сахара легко растворяются в воде и прекрасно усваиваются всеми живыми организмами [7, 8, 9, 10].
В растительной клетке на образование из простых сахаров сложных полисахаридов (крахмал, клетчатка) затрачивается немалая доля солнечных лучей, поэтому, чтобы разложить молекулу полисахарида обратно на простые сахара, надо израсходовать столько же энергии.
Гидролиз отрубей (разложение полисахаридов при помощи воды) можно проводить различными способами:
- термообработка в присутствии МЭК (мультиэнзимной композиции) или отдельных ферментов (амилосубтилин, глюковаморин, целловиридин и др.);
- термообработка в присутствии кислот (фосфорная, серная кислоты) с последующей нейтрализацией.
Однако оба эти варианта технологически сложны и требуют больших экономических затрат.
Учитывая предполагаемые условия эксплуатации фермерских установок (сельская местность), был разработан простой и экономичный способ предподготовки органического сырья, исключающий применение кислот или ферментов.
Во всех случаях смесь зерновых отходов предварительно измельчали и использовали фракции размером менее 1 мм. Крупный остаток использовался непосредственно при приготовлении комбикормов.
Способ обработки зерноотходов заключался в следующем. Известно, что в составе отрубей сохраняются собственные ферменты, вырабатываемые во время выращивания злаков, а также ферменты микроорганизмов, попадающие на их поверхность из атмосферы – нативные ферменты. Использование этих ферментов для достаточно полного гидролиза отрубей известными методами не приводили к положительным результатам. Была поставлена задача разработать технологию обработки отрубей, используя их собственные ферменты, и получить на их основе полноценную питательную среду для выращивания микроорганизмов [18, 19, 24].
Основным показателем полноты извлечения сахаров из твердой фазы является максимальный переход полисахаридов в растворимое состояние. Было показано, что определяющим фактором полноты гидролиза является не конечная температура суспензии, а темп нагрева. Более того, выяснилось, что при резком нагреве возможно ингибирование нативного гидролиза. Как показали эксперименты, темп нагрева определяет физико-химические превращения в структуре исходного сырья и максимальный выход растворимых веществ в жидкую фазу сопровождается резким возрастанием вязкости суспензии.
На рис. 2 представлены результаты исследований зависимости количества веществ, перешедших в раствор, в зависимости от темпов и длительности нагрева.
Видно, что максимальный выход имеет место при темпах нагрева 1–1,5 0С в минуту, при этом оптимальная длительность процесса составляет 40–50 мин. На рис. 2 показана зависимость вязкости суспензии от температуры при различных темпах нагрева. Как и следовало ожидать, с повышением температуры и переходом полисахаридов в растворимое состояние вязкость суспензии плавно снижалась, а к концу этого этапа наблюдался резкий скачок вязкости до 20 сПз, т.е. происходил физико-химический процесс образования коллоидной системы – клейстерилизация. Этому состоянию соответствует перевод максимального количества исходного сырья (до 75%) в жидкое состояние. Использование в параллельных опытах дополнительно введенных ферментов (рис. 1, кривая 6) дали практически те же результаты [11, 12, 13].
Наиболее объективным методом сравнения различных вариантов технологий является сам процесс ферментации при:
- использовании постоянного состава засевной культуры (симбиоз дрожжей и бактерий);
- одинаковом составе питательных солей (табл. 1);
- постоянных температуре, рН и составе органического сырья (8%-я суспензия ржаных и пшеничных отрубей) после различных вариантов предподготовки.
Таблица 1
|
№ п/п |
Наименование материалов |
Расход на 1 кг готовой продукции, кг |
|
1 |
Сульфат аммония |
0,04 |
|
2 |
Калий хлористый |
0,008 |
|
3 |
Магний сернокислый |
0,019 |
|
4 |
Железо сернокислое |
0,002 |
|
5 |
Цинк сернокислый |
0,001 |
|
6 |
Марганец сернокислый |
0,0005 |
|
7 |
Аммиачная вода |
0,03 л |
|
8 |
Аммофос |
0,03 |
Основные результаты экспериментов представлены на рис. 3.
Критерием оценки являлся прирост биомассы. Видно, что ферментация на органическом сырье, подготовленном с помощью предложенного способа, несколько выше (на 3–5%). Процесс ферментации заканчивается при достижении 6–6,5% сухих веществ в культуральной жидкости к концу 6-го часа накопления биомассы.
Анализ состава готового продукта показал:
- сырой протеин 38–45%
- лизин 2,2–4%
- витамины В1-6мг/кг; В2-45; В3-70; В4-3000; В6-30
- макроэлементы железо, фосфор, магний, кальций, сера
- микроэлементы цинк, кобальт, медь
На рис. 4 представлена блок-схема модульной установки для производства белково-витаминного комплекса «БЕЛКОВИТ».
Отруби и солевые компоненты направляются на соответствующие узлы приготовления питательной среды. При заданном модуле разбавления (1:7) суммарный объем исходной суспензии составляет 560–600 л. В течение суток проводится 5 операций приготовления питательной среды. Ферментация осуществляется в накопительном режиме с периодическим сливом 560–600 л (половина рабочего объема ферментера) готовой суспензии на плазмолиз (инактивация микроорганизмов) и доливом соответствующего количества свежеприготовленной питательной среды. Качество культуры микроорганизмов контролируется и поддерживается на узле подготовки засевной культуры. После проведения плазмолиза суспензии при температуре 100–110 0С в течение 60 мин. она подается на узел подготовки кормов и далее идет непосредственно на скармливание животным [14, 15, 26].
Установка проста в изготовлении и эксплуатации. В зависимости от местных условий установки по производству «БЕЛКОВИТа» могут работать как в непрерывном, так и в периодическом режиме (1 – 3 смены в сутки).
Наличие подобных установок в фермерских хозяйствах освобождает предпринимателей от необходимости приобретать дорогостоящие белковые добавки (соевый шрот, рыбная мука, гидролизные дрожжи, мясокостная мука, подсолнечный шрот и др.).
В настоящее время разработан полный комплект проектной, рабочей и технологической документации установок. Расчеты показали, что при стоимости модуля установки в 1,2 – 1,4 млн руб. срок ее окупаемости составит 7 – 9 мес. с дальнейшей ежегодной прибылью 1,5 – 1,6 млн руб.
В масштабах Российской Федерации потребность в модульных установках по производству белково-витаминной добавки БЕЛКОВИТ составляет десятки тысяч.
Широкое внедрение фермерских модульных установок по производству БЕЛКОВИТа обеспечит независимость животноводства нашей страны от импортных и отечественных поставок дефицитных белковых добавок и будет способствовать обеспечению населения страны отечественными продуктами питания [10, 16, 17, 18, 19].
1. LUKANIN A.V., KRIVOY B.A., VYShELESSKIY A.B. MODUL'NYE FERMERSKIE USTANOVKI PO PROIZVODSTVU KORMOVOY DOBAVKI BELKOVIT [TEKST] / A.V. LUKANIN, B.A. KRIVOY, A.B. VYShELESSKIY // KOMBIKORMA. – 2002. – № 5. – S. 26.
2. LUKANIN A.V., KRIVOY B.A. HRANENIE I PERERABOTKA SEL'HOZSYR'Ya [TEKST] / A.V. LUKANIN, B.A. KRIVOY, A.B. // TEORETIChESKIY ZhURNAL. RASHN. – 1995. – № 6. – S. 41.
3. Lukanin A.V. Napravlenie i rezul'taty ozdorovleniya okruzhayuschey sredy mikrobiologicheskih proizvodstv [TEKST] / A.V. LUKANIN // Gidroliznaya i lesohimicheskaya promyshlennost'. – 1993. – № 2. – S. 1–4.
4. Krivoy B.A., Lukanin A.V. Sposob polucheniya biomassy iz othodov zernoproizvodstva. Patent №2091492 ot 24.04.95.
5. Lukanin A.V. A. s. SSSR № 978901, Massoobmennyy apparat, V 01 D 53/18, 1982.
6. Lukanin A. V., Solomaha G.P. Gidrodinamika techeniya i massoperenos v produvaemom zakruchennom sloe zhidkosti // TOHT.— 1988-T. XXII.– № 4. – c. 435–441.
7. Flow hydrodynanics and vass transfer in a bubbling liquid layer /A.V. Lukanin Lukanin A.V., Solomakha G.P. Teoreticheskie osnovy himicheskoy tehnologii. 1988. T. 22. № 4. S. 435.
8. Lukanin A.V. Modernizaciya promyshlennogo fermentera ADR -900 -76 dlya proizvodstva belkovoy kormovoy dobavki iz rastitel'nogo syr'ya [TEKST] / A.V. LUKANIN // Biotehnologiya. – 2003. – № 6. – S. 84.
9. Lukanin A.V. Processy i apparaty biotehnologicheskoy ochistki stochnyh vod [TEKST]: uchebnoe posobie /A.V. LUKANIN. – M.: NAUChNO-IZDATEL'SKTY CENTR INFRA-M, 2016.
10. Lukanin A.V. Inzhenernaya ekologiya: processy i apparaty ochistki stochnyh vod i pererabotki osadkov [TEKST] / A.V. LUKANIN. – M., 2017.
11. Lukanin A.V. Tehnologiya pererabotki avtolizatov pivnyh drozhzhey [TEKST] / A.V. LUKANIN // Kombikorma. – 2009. – № 1. – S. 51–52.
12. Lukanin A.V. Pererabotka biogaza stanciy aeracii [TEKST] / A.V. LUKANIN // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. – 2012. – №9. – S. 4-8; 2012. № 9. S. 4-8.
13. Lukanin A.V. Pererabotka biogaza stanciy aeracii [TEKST] / A.V. LUKANIN // Ekologiya proizvodstva. – 2012. – № 8. – S. 44.
14. Lavrushina Yu.T., Lukanin A.V., Mart'yanov A.A., Saharova A.I., Tarasova E.V. Sposob utilizacii biogaza metantenkov. Patent na izobretenie RUS 2414282 26.06.2009
15. Lukanin A.V. Novyy vysokoeffektivnyy promyshlennyy fermenter bol'shoy edinichnoy moschnosti dlya proizvodstva belkovoy kormovoy dobavki [TEKST] / A.V. LUKANIN // Nauka i promyshlennost' Rossii. – 2003. – № 2-3. – S. 61.
16. Lukanin A.V. Processy i apparaty biotehnologicheskoy ochistki stochnyh vod [TEKST]: uchebnoe posobie / A.V. LUKANIN. – M.: NAUChNO-IZDATEL'SKIY CENTR INFRA-M, 2016.
17. Lukanin A.V. Inzhenernaya biotehnologiya, osnovy tehnologii mikrobiologicheskih proizvodstv [TEKST]: uchebnoe posobie / A.V. LUKANIN – M.: NAUChNO-IZDATEL'SKIY CENTR INFRA-M, 2016.
18. Lukanin A.V. Modul'naya ustanovka dlya polucheniya belkovovitaminnyh dobavok [TEKST] / A.V. LUKANIN // Kombikorma. – 2008. – №5. – S. 52–53.
19. Krivoy B.A., Lukanin A.V., Sister V.G. Sposob polucheniya kormovoy belkovo-vitaminnoy dobavki. Vyshelesskiy A.B. Patent na izobretenie RUS 2290831, 30.11.2004.
20. Vyshelesskiy A.B., Krivoy B.A., Lukanin A.V., Sister V.G. Sposob polucheniya kormovoy dobavki. Patent na izobretenie RUS 2295869, 30.11.2004.
21. Lukanin A.V. Modul'naya ustanovka po proizvodstvu belkovo-vitaminnyh dobavok – magistral'noe napravlenie v obespechenii zhivotnovodstva polnocennymi kormami [TEKST] / A.V. LUKANIN // Nauka i promyshlennost' Rossii. – 2002. – № 10. – S. 34.
22. Lukanin A.V., Vyshelesskiy A.B., Krivoy B.A. Fermerskaya ustanovka dlya proizvodstva belkovoy dobavki [TEKST] / A.V. LUKANIN // Kombikorma. – 2002. – №5. – S. 26.
23. Lukanin A.V., Tahtarova T.V., Hodin A.A. Sposob proizvodstva belkovo-vitaminnoy dobavki dlya fermerskih hozyaystv. Patent na izobretenie RUS 2465780, 17.03.2011.
24. Lukanin A.V. Pererabotka othodov hleboproizvodstva s polucheniem belkovo-vitaminnoy dobavki [TEKST] / A.V. LUKANIN // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. – 2013. – №1. – S. 11–15.
