Способ переработки растительного сырья и продуктов жизнедеятельности животных на основе биотического оборота

 

Изобретение относится к биологической переработке растительной продукции и биоконверсии сельскохозяйственных отходов и продуктов жизнедеятельности животных, а также к жизнеобеспечению человека. Способ предусматривает измельчение растительного сырья, смешивание его с продуктами жизнедеятельности животных, дополнительное внесение растительного сырья, прошедшего предварительную микробиологическую обработку, ферментацию смеси, внесение личинок беспозвоночных, выращивание их и последующее отделение. После ферментации обработанную смесь разделяют на крупную и мелкую фракции, крупную фракцию измельчают, мелкую фракцию разделяют на две части, одну из которых смешивают с измельченной крупной фракцией, дополнительно вносят продукты жизнедеятельности животных и направляют для выращивания личинок, а другую используют в качестве кормовой добавки, отделенные личинки используют в качестве биологически активной добавки для человека и животных, а оставшийся субстрат используют для получения биоудобрения и выращивания грибов. Способ позволяет утилизировать органические отходы и получить дешевые корма и удобрение. 5 з. п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к биологической переработке растительной продукции и биоконверсии сельскохозяйственных отходов и продуктов жизнедеятельности животных, а также к жизнеобеспечению человека.

Известны различные способы утилизации растительных и сельскохозяйственных отходов, в частности навоза и птичьего помета: метановое сбраживание для получения биогаза, длительное компостирование навоза или помета для получения органических удобрений, смешивание с различными наполнителями с этими же целями, химическая переработка помета. Применяют переработку помета насекомыми и червями [1].

Однако ни один из известных способов не решает задачу их комплексной переработки на основе биотического оборота, ни в одном из них не решается задача производства продуктов питания.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ переработки свиного навоза на кормовую добавку и удобрение, предусматривающий измельчение растительного сырья, смешивание его с продуктами жизнедеятельности животных, ферментацию смеси, внесение личинок беспозвоночных, в частности мух, выращивание их и последующее отделение. В результате переработки получают кормовую добавку и удобрение [2].

В известном способе растительное сырье используется как наполнитель для достижения оптимальной влажности субстрата. Содержание растительного сырья в субстрате составляет всего 5-10 мас.%.

Техническая сущность изобретения заключается в создании безотходной технологии переработки растительного сырья и продуктов жизнедеятельности животных на основе биотического оборота.

Биотический оборот - это циркуляция биогенных веществ, структурированной воды, микроорганизмов-симбионтов, а также энергии и информации по трофическим цепям [3].

Древесная масса до сих пор не используется человеком как продукт питания или как корм для домашних животных. Последние открытия российской науки позволяют изменить это положение.

Любая растительная продукция может быть использована человеком как основа автономного биотического оборота.

В живой природе древесина используется как корм многими насекомыми и микроорганизмами. Целлюлозу насекомые разлагают при помощи комплекса ферментов-целлюлаз, которые вырабатывают симбионтные микроскопические грибы и симбионтные бактерии. Растительноядные животные разлагают целлюлозу с помощью своих микроорганизмов-симбионтов - микроскопических грибов и бактерий, вырабатывающих комплекс ферментов - целлюлаз.

При разложении целлюлозы получается глюкоза, используемая микроорганизмами как энергия для фиксации атмосферного азота.

Большой интерес представляет использование продуктов жизнедеятельности насекомых, питающихся стволовой древесиной, например, из отряда жесткокрылых или чешуекрылых, ассимилирующих целлюлозу с помощью симбионтного пищеварения.

При построении своего автономного биотического оборота человек может использовать как самих насекомых, так и их "технологии". При этом надо отметить многовариантность цепочек биотического оборота.

В основе цепочек биотического оборота лежат: фиксация углерода растениями и водорослями (с выделением кислорода, потребляемого животными), получение углеводов, полиуглеводов - целлюлозы и лигнина, ассимиляция продуктов растениеводства животными, в том числе ферментативный гидролиз целлюлозы и лигнина, фиксация атмосферного азота и кислорода, синтез белковых соединений с выделением углекислого газа, потребляемого растениями. Частично фиксация атмосферного азота производится и растениями, в частности бобовыми, так же как и фиксация углерода производится частично животными с помощью различных пигментов, в том числе хлорофилла.

Сырьем для ферментативного гидролиза может быть любое растительное сырье: отходы деревообработки, солома, сорняки и другие не используемые в пищу растения.

Выращиванием быстрорастущих деревьев, в первую очередь тополя, интенсивно занимаются во всем мире. В России на плантациях годовой прирост тополя составляет 30 тонн продукции с га, из расчета по абсолютно сухому веществу. Это, как минимум, на порядок выше, чем урожайность другой растениеводческой продукции. При этом такой "урожай" на тополиных плантациях можно получить в первый год посадки.

Сырьевым ресурсом в биотическом обороте являются также фекалии, навоз, помет, активный ил очистных сооружений.

Таким, образом, растениеводство и животноводство превращаются в звенья единой технологической цепочки.

В известном способе переработки растительного сырья и продуктов жизнедеятельности животных, предусматривающем измельчение растительного сырья, смешивание его с продуктами жизнедеятельности животных, ферментацию смеси, внесение личинок беспозвоночных, их выращивание и последующее отделение, согласно изобретению переработку осуществляют на основе биотического оборота, для этого в измельченное растительное сырье дополнительно вносят растительное сырье, прошедшее предварительную микробиологическую обработку, источники углеводов и белков, целлюлозоразрушающие микроорганизмы, а после ферментации обработанную смесь разделяют на крупную и мелкую фракции, крупную фракцию измельчают, мелкую фракцию разделяют на две части, одну из которых смешивают с измельченной крупной фракцией, дополнительно вносят продукты жизнедеятельности животных и направляют для выращивания личинок, а другую используют в качестве кормовой добавки, отделенные личинки используют в качестве биологически активной добавки для человека и животных, а оставшийся субстрат используют для получения биоудобрения и выращивания грибов.

Способ осуществляется следующим образом (см. чертеж).

Растительное сырье, например древесину тополя, осины и др. деревьев, измельчают, транспортером подают в биореактор. В простейшем случае биореактор - это бетонная траншея с подпольными каналами для отвода воды и подачи подогретого воздуха. На транспортер со свежим сырьем сверху подсыпается растительное сырье, предварительно прошедшее микробиологическую обработку (см. пример). При просыпании измельченного растительного сырья в биореактор с высоты более одного метра происходит его перемешивание. Плотность насыпанного растительного сырья должна обеспечивать прохождение через нее жидких компонентов, т.е. не превышать 150 кг на кубометр. Затем смесь поливают жидкими экскрементами или раствором, содержащим целлюлозоразрушающие микроорганизмы (природные или искусственно созданные человеком сообщества) и источники углеводов и белка. Легкоусваиваемыми источниками углеводов и белка могут быть, например, листья и побеги растений, продукты переработки канализационных стоков и жидких экскрементов с помощью активного ила, водорослей и бактерий в аэротенках и метантенках. Вода после очистки снова подается для смыва фекалий, навоза или помета.

Поверхность измельченной древесины является идеальным местом проживания поликолоний микроорганизмов. Процесс ферментации начинают при исходной температуре перерабатываемого субстрата 155^oC. Влажность исходной перерабатываемой смеси колеблется в пределах 6525%. Через несколько суток (в зависимости от исходной влажности субстрата) температура ферментируемой смеси возрастает до 35-60^oC. По окончании процесса ферментации, который составляет 5-7 суток при траншейном способе и до 2 суток при использовании вращающегося барабана, субстрат подается на сепаратор, где ферментационная смесь разделяется на крупную и мелкую фракции. Крупную фракцию измельчают в молотковой мельнице, мелкую фракцию разделяют на две части, одну из которых смешивают с измельченной крупной фракцией, доводят смесь до полужидкого состояния (до влажности 70-82%), для чего добавляют воду, либо жидкий помет или навоз. Субстрат разливают в контейнеры слоем до 8 см, нагревают до температуры 20-35^oC и засевают личинками беспозвоночных, например, мух. В процессе выращивания личинок необходимо следить за своевременным удалением выделяемых газов. Выращенные до стадии предкуколки личинки отделяют от субстрата и используют в качестве биологически активной добавки для человека и животных, а оставшийся субстрат используют для получения биоудобрения и выращивания грибов. Максимальную производительность насекомых можно получить только при создании условий для кладки яиц и выращивания личинок близких к естественным. В результате переработки субстрата личинками мух из 1 тонны субстрата получают до 150 кг личинок и до 500 кг биоудобрения.

В личинках, используемых в качестве кормовой добавки для молоди рыб, поросят, цыплят и т.п. важно сохранить микроорганизмы и воду, ибо микроорганизмы-симбионты личинок мух становятся основой микрофлоры выращиваемых животных, а вода уже имеет нужную организмам структуру, поэтому организму не надо тратить энергию на структурирование воды.

Количество патогенной микрофлоры после переработки субстратов личинками мух уменьшается на порядок и достигает безопасного уровня. Стремление полностью уничтожить патогенные микроорганизмы приводит к тому, что одновременно с ними уничтожаются и микроорганизмы-симбионты. Кроме того, стерильная пища вредна, ибо присутствие патогенных микроорганизмов стимулирует иммунную систему. Важно только, чтобы их количество не превышало некий безопасный уровень.

Помимо описанного выше комплексного биотического оборота, можно организовать "разделенные биотические обороты". Например, после переработки опилок насекомыми-древоточцами, обладающими симбионтным пищеварением, субстрат, содержащий продукты их жизнедеятельности с большим количеством целлюлозоразрушающих микроорганизмов можно засыпать в биобарабан, добавить опилок, увлажнить и в результате микробиологической переработки сразу же получить корм.

Кроме того, при налаженной системе удаления навоза, помета и т.п. с оптимальной влажностью до 80%, их можно перерабатывать с помощью личинок мух без добавления наполнителя.

Пример осуществления заявленного способа.

Процесс переработки проводят во вращающемся ферментере. В измельченное растительное сырье в виде опилок тополя, в качестве микробиологической целлюлозоразрушающей добавки вносят древесные отходы, переработанные насекомыми-древоточцами, ассимилирующими древесину с помощью симбионтного пищеварения (10-20 кг на 1 т перерабатываемого растительного сырья), добавляют куриный помет до 70%-ной влажности, и легкоусваиваемое микроорганизмами глюкозосодержащее сырье, например, водоросли в количестве 1-2% от веса полученной смеси. Процесс ферментации проводят в течение 1-2 суток. Полученный субстрат сепарируют. Крупную фракцию частично используют как микробиологическую добавку при переработке следующей партии растительного сырья, другую часть измельчают в молотковой мельнице. Часть мелкой фракции используют как удобрение и кормовую добавку, другую часть направляют на переработку личинками мух. Для этого субстрат доводят до 80%-ной влажности, размещают в контейнерах слоем до 8 см, нагревают до 28^o-32^o и заселяют личинки мух. Периодически удаляют выделяющиеся в процессе жизнедеятельности личинок газы. Через 4-5 суток личинки в стадии предкуколки отделяют от субстрата.

Личинки мух используют в качестве биологически активной добавки для человека и животных, как сырье для производства пробитиков и других лекарственных препаратов, на корм скоту, а оставшийся после отделения личинок субстрат используют для получения биоудобрения и составляющей грунтов в теплицах для грибоводства или растениеводства, а также при выращивании черенков осины и тополя. Биоудобрения используют и на открытых плантациях осины и тополя. При этом ежегодный прирост осины и тополя может составить 80 т. Этого количества достаточно для получения 10 т мяса - свиного, куриного и др.

Способ позволяет утилизировать органические отходы любой влажности. Поскольку 90% загрязнений рек и грунтовых вод связано именно с сельскохозяйственным производством, внедрение способа позволит очистить внутренние водоемы от потоков навоза и помета, даст не только дешевые корма и продукты питания, но и во многом изменит принципы ведения сельскохозяйственного производства. Вполне возможно, что для переработки фитомассы могут быть использованы такие насекомые, как термиты, саранча, тля или другие "вредители". Важно выбрать насекомое высокой биопроизводительности, использующее данный субстрат в своей естественной жизни.

Источники информации 1. Патент РФ N 2055823, 10.03.96, кл. С 05 М 1/08.

2. Патент РФ N 2050138, 20.12.95, кл. А 23 К 1/00 (прототип).

3. Шапиро В.А. Драма жизни. М.: Велес, 1999.

Формула изобретения

1. Способ переработки растительного сырья и продуктов жизнедеятельности животных, предусматривающий измельчение растительного сырья, смешивание его с продуктами жизнедеятельности животных, ферментацию смеси, внесение личинок беспозвоночных, выращивание их и последующее отделение, отличающийся тем, что переработку осуществляют на основе биотического оборота, для этого в измельченное растительное сырье дополнительно вносят растительное сырье, прошедшее предварительную микробиологическую обработку, источники углеводов и белка, после ферментации обработанную смесь разделяют на крупную и мелкую фракции, крупную фракцию измельчают, мелкую фракцию разделяют на две части, одну из которых смешивают с измельченной крупной фракцией, дополнительно вносят продукты жизнедеятельности животных и направляют для выращивания личинок, а другую используют в качестве кормовой добавки, отделенные личинки используют в качестве биологически активной добавки для человека и животных, а оставшийся субстрат используют для получения биоудобрения и выращивания грибов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья используют всю биомассу любых быстрорастущих растений, в том числе и древесины, такой, как тополь и осина.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что растительное сырье, дополнительно вносимое в измельченное растительное сырье, подвергают предварительной микробиологической обработке с помощью насекомых, обладающих симбионтным пищеварением, употребляющих в пищу древесину.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед ферментацией в смесь дополнительно вносят целлюлозоразрушающие микроорганизмы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что источники углеводов и белка получают при биологической переработке канализационных стоков.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что целлюлозоразрушающие микрорганизмы вносят в виде продуктов жизнедеятельности насекомых, обладающих симбионтным пищеварением.

РИСУНКИ

Рисунок 1