способ обработки грубых кормов

Формула изобретения

1. Способ обработки грубых кормов, предусматривающий пропитку раствором хлорида натрия и измельчение исходного материала в роторно-пульсационном аппарате, подачу полученной реакционной смеси в бездиафрагменный электролизер и воздействие в электролизере на реакционную смесь электроокислительной системой до содержания CO₂ в газовой фазе не более 0,3%, отличающийся тем, процесс проводят циркулируя реакционную смесь через электролизер и роторно-пульсационный аппарат, осуществляя аэрацию реакционной смеси кислородсодержащим газом и генерируя электроокислительную систему на электродах из углеродсодержащего материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что циркуляцию реакционной смеси проводят в турбулентном режиме при величине Re>4000.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа используют воздух и газовую фазу электролизера.

4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что аэрацию реакционной смеси кислородсодержащим газом проводят в роторно-пульсационном аппарате и в бездиафрагменном электролизере.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют стеклоуглерод, углеграфит, графитированную ткань, графитированное волокно и углеграфитовые газодиффузионные электроды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству, конкретно к технологии обработки грубых кормов (отходы древесины, солома, лузга и др.) и позволяет повысить выход, питательную ценность и биологическую активность получаемых продуктов при одновременном снижении затрат и повышении технологичности процесса.

Известен способ обработки грубых кормов (преимущественно соломы) измельчением и пропиткой исходного материала химическим реагентом с последующим воздействием на реакционную смесь несимметричным электрическим током. (А.с. 704585 SU, A23K 1/12, 1978, БИ., № 47).

Недостатками способа являются: низкая эффективность воздействия несимметричного электрического тока и, как результат, недостаточное раздревеснение (разрушение лигниноуглеводного комплекса) исходного материала, низкое содержание в готовом продукте сахаров (в частности, глюкозы) и отсутствие биологически активных соединений (в частности, янтарной кислоты и ее соединений), а также потребность в специальном дорогостоящем оборудовании и значительные энергозатраты.

Известен способ обработки грубых кормов (преимущественно соломы) измельчением и пропиткой исходного материала раствором хлорида натрия, периодическим воздействием электрическим током на полученную реакционную смесь в катодной камере диафрагменного электролизера, отстаиванием, фильтрацией и нейтрализацией раствора (Патент РФ 2201101, A23K 1/12, 1/00, 2003).

Недостатками способа являются: воздействие электрическим током на исходный материал в катодной камере электролизера, и как следствие, низкие гидролиз целлюлозы и содержание в готовом продукте Сахаров и отсутствие биологически активных веществ, не технологичность процесса (катодная камера, отключение тока на 3 минуты через 1 минуту обработки).

Известен способ обработки грубых кормов (в частности, соломы), предусматривающий измельчение и пропитку исходного материала раствором хлорида натрия, воздействие на раствор постоянным электрическим током в бездиафрагменном электролизере и обработку этим раствором грубого корма с циркуляцией раствора в электролизер (А.с. 1489691 SU, A23K 1/12, 1989, БИ № 24).

Недостатками способа являются: низкое раздревеснение и низкое содержание в продуктах глюкозы и биологически активных соединений (отсутствие янтарной кислоты и ее соединений), не технологичность, значительные затраты электроэнергии и потеря ценных продуктов.

Наиболее близким к заявляемому является способ обработки грубых кормов того же назначения, предусматривающий пропитку раствором хлорида натрия и измельчение исходного материала в роторно-пульсационном аппарате, обработку полученной реакционной смеси в бездиафрагменном электролизере при pH 8-10 (раздревеснение), затем отделение квазитвердой фазы, смешение ее со свежим раствором хлорида натрия и продолжение обработки в электролизере при pH 2,5-6,0 до содержания CO₂ в газовой фазе 0,1-0,3%, нейтрализацию продуктов (Патент РФ 2352140, A23K 1/00, БИ № 11, 2009).

Недостатками известного способа обработки являются: низкое раздревеснение лигниноуглеводного комплекса, поскольку окислительная способностью хлора и продуктов его гидролиза в щелочной среде невысокие. Вследствие этого процесс обработки продолжителен, расход энергии большой (до 2,0 кВт·ч/кг продукта), что, помимо высоких затрат, приводит к потере сахаров и биологически активных компонентов (легко окисляемые соединения) и загрязнению продуктов растворенным хлором и его соединениями. Одновременно процесс нетехнологичен и трудно реализуем: ряд последовательных технологических стадий, необходимость остановки и перезагрузки электролизера.

Известные способы по совокупности признаков не обеспечивают глубину раздревеснения исходного материала, характеризуются низким содержанием в продуктах ценных питательных компонентов (глюкоза) и биологически активных веществ (янтарная кислота и ее соединения), загрязнением продуктов хлором и его соединениями, связаны с большими энергозатратами и не технологичны.

Целью предлагаемого изобретения является: повышение качества и питательности продуктов обработки грубых кормов, достигаемые увеличением глубины раздревеснения и гидролиза до легкоусвояемых углеводов (глюкоза) и биологически активных веществ (янтарная кислота и ее соединения); своевременным выводом ценных компонентов из рабочего цикла; снижение энергозатрат на процесс обработки; обеспечение технологичности и доступности процесса.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки грубых кормов, предусматривающем пропитку раствором хлорида натрия и измельчение исходного материала в роторно-пульсационном аппарате, подачу полученной реакционной смеси в бездиафрагменный электролизер и воздействие в электролизере на реакционную смесь электроокислительной системой (электрический ток, хлор и продукты его гидролиза) до содержания CO₂ в газовой фазе не более 0,3%, процесс проводят циркулируя реакционную смесь через электролизер и роторно-пульсационный аппарат и осуществляя аэрацию реакционной смеси кислородсодержащим газом, а генерирование электроокислительной системы ведут на электродах из углеродсодержащего материала. Кроме того, циркуляцию реакционной смеси проводят в турбулентном режиме при величине Re>4000, а аэрацию кислородсодержащим газом осуществляют в роторно-пульсационном аппарате и в бездиафрагменном электролизере, используя в качестве кислородсодержащего газа воздух и газовую фазу электролизера; в качестве углеродсодержащего материала применяют стеклоуглерод, углеграфит, графитированную ткань, графитированное волокно и углеграфитовые газодиффузионные электроды.

Заявленный способ обработки грубых кормов отличается иными технологическими элементами и параметрами процесса, что по совокупности признаков обеспечивает качественно новый (прогрессивный) вид обработки грубого сырья, позволяющий повысить качество, питательность, усвояемость и биологическую активность компонентов получаемых кормовых препаратов, снизить затраты и повысить технологичность процесса.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, направленные на достижение поставленных задач, не выявлены при исследовании данной и смежных областей научного поиска и отвечают критерию «изобретательский уровень».

Способ обработки грубых кормов реализуют в следующей последовательности.

Размолотый исходный материал (отходы древесины, солома, тростник, лузга семечек др.) пропитывают раствором хлорида натрия (5,0-30,0 кг/м³) и измельчают обработкой в роторно-пульсационном аппарате (диспергирование и суспендирование) до образования реакционной смеси.

Полученную реакционную смесь подают в бездиафрагменный электролизер и воздействуют электроокислительной системой (постоянный электрический ток и окислители), осуществляя циркуляцию реакционной смеси через электролизер и роторно-пульсационный аппарат и проводя аэрацию кислородсодержащим газом. Электроокислительную систему генерируют на электродах из углеродсодержащего материала - стеклоуглерод, углеграфит, графитированная ткань, графитированное волокно и углеграфитовые газодиффузионные электроды, а аэрацию ведут используя в качестве кислородсодержащего газа воздух и газовую фазу электролизера. Циркуляцию реакционной смеси по контуру бездиафрагменный электролизер - роторно-пульсационный аппарат проводят в режиме турбулентности потока (бурное, беспорядочное, неупорядоченное, хаотичное движение частиц потока, характеризующееся интенсивным перемешиванием и массообменом), что достигается при величине критерия Рейнольдса больше критических значений (Re>4000).

Пропитка раствором хлорида натрия исходного материала и измельчение его при обработке в роторно-пульсационном аппарате (интенсивное перемешивание и турбулентность потока, эффект кавитации, ультразвуковое воздействие, звуковое давление, разнонаправленные потоки, трение обрабатываемого материала о рабочие органы аппарата и др.) позволяют получить реакционную смесь, которая в режиме турбулентности потока (Re>4000) сохраняет устойчивость (не разделяется на фракции) в циркуляционном контуре.

Аэрацию реакционной смеси кислородсодержащим газом, проводимую в межэлектродном пространстве бездиафрагменного электролизера (анодно генерируемый кислородсодержащий газ) и в роторно-пульсационном аппарате (воздух и продукты газовой фазы электролизера), осуществляют в результате «захвата» газа потоком циркулирующей и интенсивно перемешиваемой (режим турбулентности) реакционной смеси. Это приводит к насыщению реакционной смеси кислородсодержащим газом (содержание газа в реакционной смеси до 3-5%, концентрация растворенного кислорода не менее 7,5-11,5 мг/л) и позволяет постоянно пополнять расход кислорода на химические и электрохимические окислительные процессы. В результате возрастает эффективность работы роторно-пульсационного аппарата (увеличиваются степень диспергирования, звуковое давление и устойчивость реакционной смеси) и происходит интенсификация массообменных окислительных процессов, вследствие генерирования в бездиафрагменном электролизере на электродах (анод и катод) из углеродсодержащего материала интермидов (окислителей) с высокими окислительными потенциалами.

При окислении на аноде воды генерируется перекись водорода (окислительный потенциал до 1,77 В), при восстановлении на катоде кислорода - радикалы HO* и HO₂* и ион HO ^- (окислительные потенциалы до 2,8 В). Кроме того, применение электродов из углеграфитового материала позволяет повысить выход кислорода на аноде (положительно влияет на насыщение реакционной смеси кислородом и на выход интермидов на катоде) и несколько снизить образование хлора и продуктов его гидролиза (повышается качество продуктов - меньше содержание растворенного хлора и его соединений). Как следствие этого, резко возрастает скорость процесса раздревеснения исходного материала, повышается выход полезных продуктов (глюкоза и биологически активные компоненты) и их качество, снижается время обработки, уменьшается расход электроэнергии и обеспечивается технологичность процесса. При этом значения величины pH обрабатываемого раствора уже не являются определяющими (что важно при обработке грубых кормов в условиях прототипа) поскольку скорость окислительных процессов высокая; упрощается контроль параметров процесса - шире используемый интервал pH раствора. В совокупности перечисленные факторы позволяют при снижении общих затрат на процесс повысить технологичность процесса и питательность получаемых продуктов.

Обработку грубых кормов проводят при оптимальных параметрах процесса. Отсутствие циркуляции и снижение турбулентности потока реакционной смеси (Re менее 4000), и как следствие, нарушение режима аэрации; использование для аэрации обескислороженного газа; применение электродных материалов не содержащих углерод - не позволяют достичь поставленной цели. Концентрация кислородсодержащего газа (3-5%) и растворенного в реакционной смеси кислорода (7,5-10,5 мг/л) зависит от режима циркуляции и достигается при турбулентности потока, соответствующей величине Re>4000; турбулентность потока при значениях Re<4000 приводит к снижению устойчивости газодисперсной системы, что может явиться причиной ее расслоения в рабочем контуре и не обеспечивает требуемого насыщения реакционной смеси кислородом.

Наличие в газовой фазе примеси CO₂ свидетельствует о глубине окисления органических соединений - полное деструктивное окисление приводит к образованию CO₂ и H₂ O. При содержании CO₂ менее 0,3% доля деструктивных процессов незначительна и преимущественно обусловлена окислением легко окисляемых органических соединений (фоновых примесей раствора хлорида натрия); содержание CO₂ в газовой фазе 0,3% (и выше) свидетельствует о завершении процесса обработки, поскольку деструкции могут подвергаться полезные продукты.

По совокупности перечисленные факторы позволяют увеличить выход ценных компонентов в продукте, сократить продолжительность процесса и снизить расход электроэнергии, повысить технологичность и уменьшить затраты.

Обработку грубых кормов в условиях предлагаемого процесса проводят по непрерывной схеме, осуществляя циркуляцию реакционной смеси по контуру - электролизер - роторно-пульсационный аппарат - электролизер с непрерывным (периодическим) отводом продуктов (жидкая и квазитвердая фазы) и подачей свежего сырья.

Результаты апробации предлагаемого способа и сравнительная оценка с известным способом обработки грубых кормов приведены в таблицах.

Примеры.

Обработку соломы (ржаная) и опилок (осиновые, еловые) проводили в лабораторном бездиафрагменном электролизере при параметрах процесса, соответствующих заявляемому техническому решению и прототипу:

- общие параметры - соответствуют прототипу и заявляемому решению: плотность тока 250 А/м², содержание хлоридов 20 г/л, температура 50°C;

- параметры процесса в условиях прототипа: анод оксидный рутениево-титановый, катод - титан, обработка в два этапа: при pH 6,0-8,0 (раздревеснения исходного материала), затем при pH 2,5-6,5 (гидролиз клетчатки);

- параметры процесса в условиях заявляемого решения: циркуляция реакционной смеси (турбулентный режим при величине Re>4000); аэрация реакционной смеси кислородсодержащим газом (воздух и газовая фаза электролизера); материал электродов - стеклоуглерод, углеграфит, графитированная ткань, графитированное волокно, газодиффузионный углеграфит; плотность тока 250 А/м ² (для углеграфитового газодиффузионного электрода до 1000 А/м²).

Результаты лабораторных испытаний приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1
Результаты обработки растительного сырья в условиях прототипа и заявляемого способа
Техническое решение	Сырье	Состав жидкой фазы				Количество электричества, кА·ч/кг сырья
		Глюкоза, мас.% от сырья	Янтарная кислота, мас.% от сырья	Ионы ClO- , кг/м3	Ионы ClO 3-, кг/м3
Прототип	Опилки (осинов)	1,7	5,2	0,090	0,100	0,95
Заявляемое (стеклоуглерод)	Опилки (осинов.)	8,0	6,1	0,080	0,042	0,75
Заявляемое (углеграфит)	Опилки (осинов)	6,5	5,3	0,084	0,057	0,80
Заявляемое (графитирован. ткань)	Опилки еловые	7,3	6,4	0,078	0,050	0,76
Заяваляемое (углеграфитовые газодиффузион.)	Опилки осиновые	8,5	6,6	0,050	0,013	0,65
Заявляемое (углеграфитовые газодиффузионные)	Опилки еловые	8,3	6,3	0,040	0,009	0,60
	Солома ржаная	8,6	6,6	0,035	0,012	0,59

Таблица 2
Показатели питательной ценности ржаной соломы, обработанной в условиях прототипа и заявляемого способа
Показатели обработки ржаной соломы по прототипу и заявляемому способу
Состав продукта обработки	Прототип		Заявляемый способ*
	Исходный материал	Продукт обработки	Исходный материал	Продукт обработки
Клетчатка, %	39,6	25,0	39,6	20,0
Сахара, %:
- глюкоза	0,0	1,7	0,0	8,6
- другие	0,5	5,2	0,5	9,8
Биолог, актив. соединения, %:
- янтарная к-та	0,0	3,4	0,0	5,2
- другие	0,0	12,9	0,0	11,9
Питательность, корм. ед.	0.27	0,70	0,27	1,3
Энергозатраты, кВт·ч/кг сырья	-	3,6	-	2,7
- реакционная смесь pH 3,0-8,5; электроды - углеграфитовые газодиффузионные.