Разработка кормопродукта повышенной усвояемости из спиртовой барды
На правах рукописи
Федякова Виктория Александровна
РАЗРАБОТКА КОРМОПРОДУКТА
ПОВЫШЕННОЙ УСВОЯЕМОСТИ ИЗ СПИРТОВОЙ БАРДЫ
Специальность 05.18.01 – «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2007
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств».
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент
Калошина Елена Николаевна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Панкратов Георгий Нестерович
доктор технических наук, профессор
Шевцов Александр Анатольевич
Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт комбикормовой промышленности»
Защита состоится 28 июня 2007 г в ____ на заседании Диссертационного Совета Д 212.148.03 при ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д.11., ауд. ____
Просим Вас принять участие в заседании Диссертационного Совета или прислать отзыв в двух экземплярах с печатью учреждения по вышеуказанному адресу.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПП.
Автореферат разослан «____» _________2007
Ученый секретарь
Диссертационного Совета
к.т.н. Подольская М.В.
Актуальность темы
В настоящее время в аграрной сфере актуальным становится вопрос об использовании дополнительных ресурсов для создания прочной кормовой базы животноводства. С экономической точки зрения, корма - определяющий фактор эффективности животноводства, материальная основа производства всех видов его продукции.
Экономические трудности в стране, произошедшие в 90-х годах прошлого века, привели к нарушению хозяйственных связей, росту цен на комбикормовую продукцию, и, как следствие, к резкому снижению использования животноводческими хозяйствами покупных комбикормов, что вызвало закономерную устойчивую тенденцию к уменьшению поголовья и продуктивности животных.
Существующие сегодня в хозяйствах виды кормов не позволяют сбалансировать рационы по важнейшим показателям - энергии и протеину, вследствие чего генетически обусловленный потенциал продуктивности животных используется только на 50…60 %. Несбалансированность рационов приводит к значительному (на 25…30 %) перерасходу кормов и, соответственно, росту удельного веса зернофуража.
Для производства комбикормов используют как традиционные виды сырья (зерно, шроты, мясная мука, рыбная мука и т.д.), так и нетрадиционное (лигниноцеллюлозные материалы, кератиновые отходы, сточные воды и т.д.). Вовлечение новых нетрадиционных видов сырья в кормопроизводство позволит расширить кормовую базу в стране. К таким перспективным источникам можно отнести отход спиртового производства – спиртовую барду.
Спиртовая барда, содержащая важнейшие питательные вещества (протеин, аминокислоты, витамины и др.) имеет незначительное количество сухих веществ.
Кормление напрямую бардой не целесообразно, так как приводит к снижению усвоения питательных веществ, вызывает побочные действия на физиологию животных. Длительное хранение сырой барды невозможно из-за быстрого ее закисания и порчи. Ввод сырой барды в комбикорма затруднен в силу существующей технологии. В связи с этим актуальной задачей является разработка кормопродукта из спиртовой барды для широкого применения в производстве комбикормов.
Научная работа проводилась в рамках федеральной целевой научно-технической программы Министерства науки и технологии РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления» и программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники».
Цели и задачи исследования
Основой целью работы является расширение кормовой базы комбикормовой промышленности путем создания кормового продукта повышенной усвояемости из спиртовой барды и вовлечения его в кормопроизводство.
В соответствии с указанной целью в ходе исследований были поставлены следующие задачи:
- Изучить химический состав спиртовой барды, полученной из зерна пшеницы;
- Сравнить методы обезвоживания спиртовой барды;
- Разработать рациональный способ получения спиртовой барды в сухом виде;
- Разработать способ повышения питательной ценности спиртовой барды;
- Разработать новую комплексную технологию производства кормопродукта из спиртовой барды повышенной питательной ценности;
- Изучить химический состав, физические, биохимические, реологические свойства кормопродукта из спиртовой барды;
- Изучить процесс хранения кормопродукта из спиртовой барды;
- Изучить влияние питательных веществ, содержащихся в кормопродукте из спиртовой барды на физиологию кормления сельскохозяйственных животных и птицы;
- Осуществить оптимизацию рецептов комбикормов, содержащих новый кормовой продукт из спиртовой барды;
- Разработать технологию ввода кормопродукта из спиртовой барды в состав комбикорма;
- Осуществить зоотехнические исследования с использованием кормопродукта из спиртовой барды;
- Определить технико-экономические показатели технологии кормопродукта из спиртовой барды.
Научная новизна работы
Научно обоснован способ утилизации спиртовой барды на кормопродукт.
Установлено влияние предварительной обработки зерна ферментным препаратом целлюлолитического действия на повышение питательной ценности кормопродукта из спиртовой барды и обоснован выбор рациональных параметров этой обработки.
Установлены математические зависимости процесса сушки кормопродукта из спиртовой барды.
Определены рациональные режимы и метод сушки кормового продукта из спиртовой барды.
Установлены и математически описаны основные закономерности процесса смешивания компонентов кормопродукта из спиртовой барды.
Установлено влияние кормопродукта из спиртовой барды на реологические свойства гранулированных комбикормов.
Получены данные и математические зависимости процесса хранения кормопродукта из спиртовой барды.
На основании биотехнологического способа утилизации спиртовой барды предложен новый способ получения кормопродукта из отхода спиртового производства – барды, защищенный Патентом РФ № 2163452, 2001 год.
Практическая ценность
Разработан кормопродукт повышенной питательности из спиртовой барды, позволяющий расширить сырьевую базу комбикормовой промышленности за счет его вовлечения в кормопроизводство.
Рекомендованы режимы биообработки ферментным препаратом целлюлолитического действия.
Рекомендовано осуществлять разделение спиртовой барды на грубый фильтрат и дробину с последующей обработкой дробины ферментным препаратом целлюлолитического действия, сгущением грубого фильтрата, его смешиванием с сухой дробиной и дальнейшей сушкой.
Рекомендовано использовать сушку кормового продукта из спиртовой барды на вальцовых сушилках.
Доказана возможность включения кормопродукта из спиртовой барды в рационы и рецепты комбикормов для различных видов и производственных групп сельскохозяйственных животных и птицы.
Проведена зоотехническая проверка использования кормопродукта из спиртовой барды.
Осуществлена опытно-промышленная проверка предлагаемой комплексной ресурсосберегающей технологии производства кормопродукта из спиртовой барды в условиях спиртзавода Петровский, комбикормового завода г. Тейково.
Апробация работы
Основные результаты исследований, выполненные автором, докладывались на Международной научно-практической конференции «Индустрия продуктов здорового питания – третье тысячелетие», Москва, МГАПП, 1999 г.; на Всероссийской научно-технической конференции-выставке с международным участием «Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания», Москва, МГУПП, 2002 г.; на юбилейной научной конференции, посвященной 80-летию специальности «Технология хранения и переработка зерна», Москва, МГУПП, 2002 г.; на Всероссийской научно-технической конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», Москва, МГУПП, 2003 г.; на 3-й юбилейной Международной выставке-конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», Москва, МГУПП, 2005 г.; на III Международной конференции «Управление технологическими свойствами зерна», Москва, МГУПП, 2005 г.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, современного состояния вопроса и задач диссертации (обзор литературы), экспериментальной части, технологической части, экономической части, выводов и практических рекомендаций, списка литературы и приложений. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 25 таблиц. Список литературы включает 249 отечественных и зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
- Состояние вопроса и задачи диссертации
В данном разделе представлен анализ основных и вторичных сырьевых ресурсов, применяемых для производства комбикормов, рассмотрены характеристика и современные способы утилизации отхода спиртового производства – спиртовой барды, проанализированы методы повышения питательной ценности сырья, содержащего труднопереваримые вещества. Рассмотрены ферментные препараты, применяемые в комбикормовой промышленности и их влияние на переваримость питательных веществ. Описаны методы сушки влажных и жидких материалов. Сформулированы задачи диссертации.
- Экспериментальная часть
Исследования проводились в лабораториях кафедр МГУПП «Хранение зерна и технология комбикормов», «Процессы ферментации и промышленного биокатализа», «Энергетика теплотехнологии».
2.1. Материалы и методы исследований
В качестве объектов исследований служили: зерно пшеницы, спиртовая барда, ферментный препарат целлюлолитического действия Целловиридин ГЗх, комбикорма, содержащие в своем составе кормопродукт из спиртовой барды.
Спиртовую барду получали в лабораторных условиях ВНИИПБТ и со спиртзавода Петровский Ивановской области. Обработку спиртовой барды проводили в лабораторных условиях кафедры «Хранение зерна и технология комбикормов» МТИПП, на установках межхозяйственного объединения «ИВИС».
Комбикорма вырабатывались на комбикормовом заводе г. Тейково Ивановской области.
При изучении химического состава и технологических свойств использовали стандартные методики: определения влажности по ГОСТ 13496.3 – 92, «сырого» протеина по ГОСТ 13496.4 – 93, «сырого» жира по ГОСТ 13496.15 – 97, «сырой» клетчатки по ГОСТ 26226 – 95, кальция по ГОСТ 26570 – 95, фосфора по ГОСТ 26657 – 97, содержания крахмала – по ГОСТ 10845–98, крупность комбикорма и крупки определяли методом ситового анализа по ГОСТ 13496.8 – 72, угол естественного откоса и объемная масса – по ГОСТ 28254 – 89, определения общей кислотности проводили по ГОСТ 13496.12 – 98, кислотное число жира по – ГОСТ 13496.15 – 85, крошимость – по ГОСТ 28497 – 90, определение аминокислотного состава проводили на автоматическом анализаторе «Хромоспект», минеральный состав – на спектрофотометре типа АА-1 (Германия), витаминный методом спектрофотометрирования. Содержание обменной энергии и кормовых единиц определяли расчетным путем по данным химического состава корма и величине жироотложения.
Анализ содержания редуцирующих сахаров после гидролиза 0,4%-ным раствором серной кислоты проводили колориметрическим методом в присутствии реактива Шомодьи – Нельсона.
Условную крахмалистость в зерне пшеницы, а также во фракциях эндосперма, в том числе и после биотехнологической обработки, определяли методом, в основе которого лежит перевод крахмала и других сбраживающих веществ зерна в раствор путем обработки объекта раствором соляной кислоты и измерением угла вращения плоскости поляризации света сахаросодержащего раствора.
Исследования конвективной и кондуктивной сушки велись на экспериментальных установках кафедры «Энергетика теплотехнологии» МГУПП.
Токсичность кормовых продуктов и комбикормов осуществляли на стилонихиях по ГОСТ 13496.7 – 92 на Тейковском комбикормовом заводе.
Зоотехническую оценку эффективности использования комбикормов, содержащих кормопродукт из спиртовой барды осуществляли совместно с Угличской птицефабрикой на курах-несушках.
2.2. Результаты исследований и их обсуждение
На основании анализа научно-технической литературы было выявлено, что отход спиртового производства – барда является перспективным сырьем для комбикормовой промышленности. Содержание в барде разнообразных питательных веществ позволяет отнести ее к ценным кормовым средствам, а по содержанию протеина к высокобелковым кормам.
Однако спиртовая барда из-за низкого содержания сухих веществ, не может напрямую применяться в комбикормовой промышленности.
Известные способы утилизации барды, разработанные с целью применения ее в кормопроизводстве малоэффективны.
Сухая барда содержит значительное количество клетчатки, что снижает ее питательную ценность и ограничивает возможность применения в рецептах комбикормов для сельскохозяйственных животных и птиц.
Таким образом, целью работы явилось обоснование рационального способа получения высокопитательного кормопродукта из спиртовой барды в сухом виде, позволяющего расширить кормовую базу комбикормовой промышленности и полностью утилизировать отход спиртовой промышленности – барду.
2.2.1. Характеристика сырья
В данном разделе дан биохимический состав зерна пшеницы, использованного в экспериментах.
2.2.2. Изучение процесса биообработки зерна пшеницы
В разделе исследовалось влияние режимов биообработки ферментным препаратом целлюлолитического действия (Целловиридином Г3х 500±50 ед/г) на изменение влажности и продолжительности сушки зерна пшеницы.
С целью изучения влияния этих факторов рассматривали следующие параметры биообработки зерна пшеницы: дозировку ферментного препарата – 0,5 %, температуру tобр = 20 и 50 °С, кислотность среды рН 4,7 и 7,0 и продолжительность биообработки обр. = 0,5; 1;0 2;0 3,0 ч. В результате биообработки зерно увлажнялось, и перед его шелушением осуществляли подсушивание до влажности – 13…14%. Сушка зерна проводилась конвективным методом при температуре сушильного агента tс.а. – 80 °С, скорости Vс.а. - 1 м/с в течение 60…100 мин (до постоянной массы).
Было установлено, что процесс водопоглощения зерна при биообработке ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500±50 ед/г наиболее интенсивно происходит в кислой среде при рН 4,7 и при температуре 50 оС. Наибольшее содержание влажности во всех вариантах наблюдалось при 3-х часовой отлежке, и составляла от 20 до 20,7 %.
2.2.3. Изучение процесса шелушения зерна пшеницы
Биообработка поверхности зерна пшеницы ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500±50 ед/г была осуществлена с целью воздействия на оболочки, приводящая к изменению прочности связи их с эндоспермом, и повышения эффективности дальнейшего процесса шелушения. При этом определяли влияние этих условий обработки зерна пшеницы на содержание фракций после шелушения: количество эндосперма («чистого зерна») и оболочек. Было выявлено, что обработку зерна ферментным препаратом следует осуществлять в кислой среде при рН 4,7, температуре tобр= 50 °С в течение 2 ч. Исходя из анатомического строения зерна пшеницы, оптимальный съем оболочек составил 15%.
- Изучение влияния предварительной биообработки ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500±50 ед/г на углеводный состав фракций зерна пшеницы
Для снижения прочности связи оболочек с зерновкой и для повышения их питательности осуществляли биообработку зерна ферментным препаратом целлюлолитического действия, в результате происходит расщепление клетчатки до простых сахаров, что приводит к повышению ее усвояемости. В связи с этим, было изучено влияние ферментного препарата Целловиридина Г3х 500±50 ед/г на углеводный состав зерновых оболочек, а также содержание крахмала в «чистом зерне».
В таблице 1. приведены результаты изучения влияния Целловиридина Г3х 500±50 ед/г на содержание сахаров в оболочках зерна пшеницы.
В результате было установлено, что гидротермическая обработка зерна перед шелушением незначительно увеличивает содержание углеводов во фракции эндосперма (с 60,9 до 61,59 %), тогда как при внесении Целловиридина Г3х 500±50 ед/г этот показатель значительно возрастает. С увеличением продолжительности отволаживания при tобр=50 °С повышается как условная крахмалистость эндосперма, так и массовая доля редуцирующих веществ во фракции оболочек, что свидетельствует о дополнительном гидролизе некрахмалистых полисахаридов зерна.
Таблица 1
Изменение углеводного состава фракций зерна пшеницы в зависимости от условий предварительной обработки
ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500±50 ед/г
| № п/п | Условия обработки | Массовая доля редуцирующих сахаров в оболочках зерна пшеницы, % | Условная крахмалис-тость эндосперма, % | ||
| Продолжитель-ность обработки обр., ч | Температура tобр,оС | свобод-ных | после гидроли-за | ||
| С биообработкой зерна ферментным препаратом | |||||
| 1 | 0,5 | 20 | 1,73 | 8,84 | 62,91 |
| 2 | 1,0 | 1,94 | 9,01 | 64,07 | |
| 3 | 2,0 | 2,02 | 9,18 | 64,22 | |
| 4 | 3,0 | 1,86 | 8,99 | 63,70 | |
| 5 | 0,5 | 50 | 1,66 | 8,78 | 63,74 |
| 6 | 1,0 | 1,91 | 9,09 | 65,21 | |
| 7 | 2,0 | 2,42 | 9,68 | 67,86 | |
| 8 | 3,0 | 2,14 | 9,50 | 67,66 | |
| С ГТО зерна | |||||
| 9 | 3,0 | 20 | 4,58 | 8,24 | 61,14 |
| 10 | 3,0 | 50 | 1,66 | 8,40 | 61,59 |
| Без обработки | |||||
| 11 | – | – | 1,53 | 8,68 | 60,90 |
Наилучший результат воздействия наблюдается при отволаживании зерна пшеницы ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500±50 ед/г при концентрации 0,5 %, в течение 2 ч при tобр = 50 °С. Условная крахмалистость эндосперма при этом составила 67,86 %, а массовая доля редуцирующих сахаров после гидролиза – 9,68 %.
Влияние дозировки ферментного препарата на углеводный состав фракций зерна пшеницы представлено в таблице 2.
Таблица 2
Изменение углеводного состава фракций зерна пшеницы в зависимости от концентрации ферментного препарата Целловиридина Г3х 500±50 ед/г
| № п/п | Дозировка, % | Массовая доля редуцирующих сахаров в оболочках, % | Условная крахмалистость эндосперма, % | |
| свободных | после гидролиза | |||
| 1 | 0,2 | 1,71 | 8,55 | 67,02 |
| 2 | 0,3 | 1,91 | 9,23 | 67,13 |
| 3 | 0,4 | 1,99 | 9,56 | 67,25 |
| 4 | 0,5 | 2,42 | 9,68 | 67,86 |
| 5 | 0,6 | 2,65 | 9,83 | 66,56 |
| 6 | 0,7 | 2,61 | 8,75 | 65,40 |
| 7 | – | 1,53 | 8,68 | 60,90 |
Из данных таблицы 2 следует, что наилучшее воздействие на условную крахмалистость эндосперма наблюдалось при дозировке 0,5 % ферментного препарата.
При этом массовая доля редуцирующих сахаров в периферических слоях (в оболочках) оказалась несколько ниже, чем при дозировке 0,6 %. Однако, показатель условной крахмалистости эндосперма с точки зрения производства спирта является наиболее важным по сравнению с содержанием редуцирующих сахаров в оболочках. В связи с этим для дальнейших исследований по созданию кормопродукта из барды использовали дозировку ферментного препарата Целловиридина Г3х 500±50 ед/г 0,5 %.
Таким образом, использование ферментного препарата Целловиридина Г3х 500±50 ед/г на стадии предварительной обработки зерна пшеницы способствует росту сахаров в их оболочках, при этом продолжительность этой обработки не должна превышать обр. = 2 ч.
На основе проведенных исследований рекомендованы следующие режимы:
- дозировка Целловиридина Г3х 500±50 ед/г 0,5 %;
- продолжительность обработки обр. = 2 ч;
- температура среды tобр = 50 °С;
- кислотность среды рН 4,7.
- Исследование смешивания сырой спиртовой барды
с сухими оболочками
Для повышения эффективности процесса сушки предлагается вводить в сырую, отфильтрованную барду (дробину) сухие зерновые оболочки, полученные при шелушении зерна пшеницы, обработанного ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500±50 ед/г, что снижает содержание влажности исходного продукта. Вместе с тем, необходимо, чтобы сухие оболочки равномерно были распределены по всему объему барды. Равномерность распределения обеспечивается их смешиванием. Исследование процесса смешивания касались определения влияния на однородность полученной смеси продолжительности смешивания, степени заполнения рабочей камеры и частоты вращения рабочего органа смесителя.
При изменении частоты вращения рабочего органа смесителя от 30 до 50 1/мин однородность смеси достигалась за 18…10 мин (рис. 1).
Изменение степени заполнения рабочей камеры смесителя от 0,5 до 0,9 (n = 50 1/мин) приводило к увеличению продолжительности смешивания от 10 до 18 мин (рис. 2).
Анализ результатов проведенных исследований показывает, что рациональными параметрами процесса смешивания являются: частота вращения рабочего органа смесителя – 50 1/мин, коэффициент заполнения смесительной камеры – 0,9, продолжительность смешивания – 18 мин.
Частота вращения рабочего органа смесителя
(при коэффициенте заполнения Кз = 0,5):
1 – 50 1/мин, 2 – 45 1/мин, 3 – 40 1/мин, 4 – 35 1/мин, 5 – 30 1/мин,
Рис. 1. Зависимость однородности смешивания от продолжительности смешивания и коэффициента заполнения камеры смесителя (Кз = 0,5)
Коэффициент заполнения камеры смесителя (при частоте
вращения шнека n = 50 1/мин)
1 – 0,5; 2 – 0,6; 3 – 0,7; 4 – 0,8; 5 – 0,9
Рис. 2. Зависимость однородности смешивания от продолжительности смешивания и частоты вращения рабочего органа смесителя n = 50 1/мин
2.2.6. Изучение процесса сушки кормопродукта из спиртовой барды
Изучение процесса сушки проводили конвективным и кондуктивным методами с кормопродуктами, из спиртовой барды, полученными по следующим трем технологиям производства этанола:
Вариант № 1: по традиционной технологии (из целого зерна пшеницы);
Вариант № 2: из «чистого зерна» пшеницы с добавлением 15 % зерновых оболочек;
Вариант № 3: по новой технологии с использованием предварительной биообработки зерна пшеницы ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500±50 ед/г и с добавлением 15 % гидролизованных зерновых оболочек.
При конвективном энергоподводе исследовали влияние температуры и скорости сушильного агента на процесс обезвоживания кормопродуктов из барды, полученных по трем вариантам. Температура (tс.а.) варьировалась в пределе от 40 до 140 оС, а скорость (Vс.а.) от 0,6 до 1,6 м/с. По полученным экспериментальным данным построены кривые сушки 
при tс.а. = 90 оС, Vс.а. = 1,1 м/с (рис.3).
Начальная влажность 
у кривой 1 (вариант 1) равна 400 %, а у кривых 2, 3 – 220 % (варианты 2, 3). Влажность 220 % получена при вводе в барду 15 % сухих оболочек. При этом происходит контактный влагообмен между компонентом (барда) с высоким потенциалом влагопроводности к компоненту (оболочки) с низким потенциалом. Перемещающаяся от частиц барды влага конденсируется на поверхности и в капиллярах оболочек. Характер связи влаги в смеси компонентов изменяется в сторону уменьшения энергии связи, что обусловливает интенсификацию ее испарения. Продолжительность сушки сокращается почти в два раза при сравнении 1-го и 2-го вариантов.
1 – из спиртовой барды, полученный по традиционной технологии;
2 – из спиртовой барды, полученный из шелушеного зерна пшеницы, с оболочками;
3 – из спиртовой барды, полученный из зерна пшеницы, обработанного ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500 ± 50 ед/г, с оболочками.
Рис. 3. Кривые сушки кормопродуктов конвективным
методом при температуре сушильного агента t с.а. = 90 С, скорости сушильного агента Vс.а. = 1,1 м/с
В 3-м варианте сушка проходит в 3 раза быстрее, чем в 1-м варианте, что связано с применением биотехнологической обработки зерна ферментным препаратом, приводящей к деструкции оболочек и изменению форм связи влаги с сухим веществом, что также интенсифицирует процесс сушки.
Изучение кинетики конвективной сушки кормопродукта, полученного по 3-му варианту, проводили при tс.а. = 40; 90; 140 оС и при Vс.а. = 0,6; 1,1; 1,6 м/с. В результате анализа кинетики сушки и качества полученного сухого материала за оптимальный режим сушки конвективным методом были выбраны tс.а. = 90 оС, при этом продолжительность сушки составила 21 мин.
Исследования кондуктивного метода сушки кормопродуктов из спиртовой барды проводили при температуре греющей поверхности tг.п. = 130; 150; 170 оС и толщине слоя продукта = 0,3 мм. Продолжительность сушки при tг.п. = 130 оС составила 45…50 с, при tг.п. = 150 оС – 30…35 с и при tг.п. = 170 оС – 20…22 с. Однако, хотя при tг.п. = 170 оС оказалась наиболее интенсивная сушка, но качество продукта не отвечало необходимым требованиям (продукт чернел, подгорал). Температура tг.п. = 150 оС являлась оптимальной, и следующие исследования проводили при этой температуре.
На следующем этапе изучали и сравнивали кинетику сушки кормопродуктов из спиртовой барды, полученных по трем технологиям при tг.п. = 150 оС (рис. 4,5). 
1 – из спиртовой барды, полученный по традиционной технологии;
2 – из спиртовой барды, полученный из шелушеного зерна пшеницы, с оболочками;
3 – из спиртовой барды, полученный из зерна пшеницы, обработанного ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500 ± 50 ед/г, с оболочками.
Рис. 4. Кривые сушки кормопродуктов кондуктивным методом при температуре греющей поверхности t г.п. = 150 С
1 – из спиртовой барды, полученный по традиционной технологии;
2 – из спиртовой барды, полученный из шелушеного зерна пшеницы, с оболочками;
3 – из спиртовой барды, полученный из зерна пшеницы, обработанного ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500 ± 50 ед/г, с оболочками.
Рис. 5. Изменение интенсивности сушки кормопродуктов кондуктивным методом при температуре греющей поверхности tг.п. = 150 °С
Значительная интенсификация сушки наблюдалась, как и при конвективной сушке, в 3-м варианте. Продолжительность составила 20 с, а интенсивность сушки j = 148 кг/(м2ч). Причем интенсивность сушки во 2-м варианте оказалась ниже, чем в 1-м варианте, однако предварительная биотехнологическая обработка ферментным препаратом повысила интенсивность сушки.
Таким образом, биотехнологическая обработка способствовала изменению формы связи влаги и интенсификации процесса сушки.
Для сушки кормопродуктов из спиртовой барды наиболее рационален кондуктивный метод сушки на вальцовых сушилках с использованием температуры греющей поверхности 150 оС и толщине слоя продукта = 0,3 мм.
2.2.7. Изучение химического состава и кормовой ценности кормопродукта из спиртовой барды
Средний химический состав кормопродукта из спиртовой барды, полученного по новой технологии производства спирта с использованием предварительной биообработки зерна пшеницы ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500±50 ед/г представлен в табл. 3.
Как видно из представленных данных, содержание сырого протеина составляет – 29 %, что характеризует кормопродукт как высокобелковое сырье, имеющее для комбикормовой промышленности огромное значение из-за его дефицита и высокой цены на белковые виды сырья (шроты, рыбную, мясокостную муку и т.д.). Кроме того, данный кормопродукт из спиртовой барды содержит в своем составе сырой жир, важнейшие аминокислоты, витамины, макро- и микроэлементы: кальций, фосфор, железо, марганец и другие.
Таблица 3
Химический состав кормопродукта из спиртовой барды, полученного по новой технологии производства спирта с использованием предварительной биообработки зерна пшеницы ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500±50 ед/г
| № п/п | Наименование показателей | Ед. измерения | Содержание |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1. | Влажность | % | 7,0 |
| 2. | Массовая доля сырого протеина | % | 29,0 |
| 3. | Массовая доля сырого жира | % | 10,0 |
| 4. | Массовая доля сырой клетчатки | % | 7,2 |
| 5. | Массовая доля сырой золы | % | 5,0 |
| 6. | Массовая доля кальция | % | 0,08 |
| 7. | Массовая доля фосфора | % | 0,20 |
| 8. | Массовая доля натрия | % | 0,08 |
| 9. | Массовая доля калия | % | 0,75 |
| 10. | Массовая доля магния | % | 0,32 |
| Содержание микроэлементов: | |||
| 11. | Кадмий | мг/кг | 0,07 |
| 12. | Железо | мг/кг | 230 |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 13. | Марганец | мг/кг | 62 |
| 14. | Медь | мг/кг | 24 |
| 15. | Цинк | мг/кг | 1150 |
| 16. | Йод | мг/кг | 0,2 |
| 17. | Кобальт | мг/кг | 1,2 |
| Содержание аминокислот: | |||
| 18. | Аспарагиновая кислота | % | 1,96 |
| 19. | Треонин* | % | 1,02 |
| 20. | Серин | % | 1,23 |
| 21. | Глутаминовая кислота | % | 6,18 |
| 22. | Пролин | % | 1,47 |
| 23. | Цистин | % | 0,18 |
| 24. | Глицин | % | 1,46 |
| 25. | Аланин | % | 1,35 |
| 26. | Валин* | % | 1,41 |
| 27. | Метионин* | % | 0,82 |
| 28. | Изолейцин* | % | 1,15 |
| 29. | Лейцин* | % | 1,78 |
| 30. | Тирозин | % | 0,90 |
| 31. | Фенилаланин* | % | 1,57 |
| 32. | Гистидин | % | 1,03 |
| 33. | Лизин* | % | 0,90 |
| 34. | Аргинин | % | 2,42 |
| 35. | Триптофан* | % | 0,40 |
| Содержание витаминов: | |||
| 36. | Пиридоксин (В 6) | мг/кг | 25,0 |
| 37. | Тиамин (В 1) | мг/кг | 4,8 |
| 38. | Рибофлавин (В 2) | мг/кг | 38,0 |
| 39. | Ниацин (В 5) | мг/кг | 14,0 |
| 40. | Пантотеновая кислота (В 3) | мг/кг | 15,0 |
| 41. | Холин (В 4) | мг/кг | 48,0 |
* - незаменимые аминокислоты
2.2.8. Изучение физических и реологических свойств кормопродукта из спиртовой барды
В производстве комбикормов знания о физических и реологических свойствах сырья, используемого для создания конечного продукта, позволяют решать вопросы, связанные с технологией, процессами переработки и ввода их в комбикорма.
С этой целью исследовали кормопродукты из спиртовой барды, полученные по трем технологиям, описанным выше.
Были изучены крупность, угол естественного откоса, объемная масса, коэффициент внутреннего и внешнего трения.
Результаты этих исследований представлены в таблице 4.
Таблица 4
Физические свойства кормопродуктов из спиртовой барды
| № п/п | Наименование показателей | Единицы измерения | Значения | ||
| Варианты получения кормопродукта | |||||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 1. | Влажность | % | 10 | 10 | 10 |
| 2. | Крупность | мм | 0,42 | 0,28 | 0,28 |
| 3. | Объемная масса | г/л | 311 | 350 | 360 |
| 4. | Угол естественного откоса | гр,о | 37,5 | 38,5 | 39,5 |
| 5. | Коэффициент внутреннего трения | – | 0,42 | 0,41 | 0,38 |
| 6. | Коэффициент внешнего трения | – | 0,50 | 0,48 | 0,46 |
Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод, что кормопродукт, полученный по третьему варианту, по показателям, характеризующим физические свойства, незначительно отличается от кормопродукта, полученного по 1 и 2 вариантам.
Значение крупности кормопродукта позволяет отнести этот продукт к сырью, не требующему дополнительного измельчения в производстве комбикормов.
Сравнивая полученные результаты исследований показателей физических свойств кормопродукта с нормативными показателями насыпных материалов, можно сделать вывод, что он относится к 4 группе, обладающей удовлетворительными технологическими свойствами. Применение кормопродукта из спиртовой барды на комбикормовых заводах не требует специальных конструкций силосов, то есть для хранения и оперативной работы кормопродукт можно загружать в типовые бункера и силоса.
Использование кормопродукта из спиртовой барды в производстве гранулированных комбикормов предопределяет необходимость проведения исследований влияния его ввода на прочностные характеристики готовой продукции.
При оценке реологических свойств гранул комбикорма, большое значение имеет знание их максимального напряжения сжатия.
Результаты изучения влияния ввода кормопродукта из спиртовой барды в комбикорма на изменение реологических свойств гранулированных комбикормов представлены на рисунке 6.
Они свидетельствуют, что ввод кормопродукта упрочняет структуру гранул комбикорма, при этом прочность их возрастает с повышением ее концентрации.
Различия в характере разрушения гранул образцов комбикорма объясняется содержанием в барде сахаров, образующих на конечном этапе технологического процесса производства комбикормов пространственный каркас гранулы, обеспечивающий в последующем способность материала противостоять разрушению под воздействием приложенных усилий сжатия.
Содержание кормопродукта:1 – 0%; 2 – 5,0%; 3 – 10,0%; 4 – 15,0%; 5 – 20,0%
Рис. 6. Изменение напряжения сжатия гранул комбикорма при различной дозировке кормопродукта из спиртовой барды, полученного по новой технологии производства спирта
2.2.9. Изучение процесса хранения кормопродукта из спиртовой барды
Оценка качества сырья в процессе хранения осуществлялась путем определения общей кислотности и кислотного числа жира. Исследования проводились в течение 6 месяцев (с мая по октябрь) в нерегулируемых лабораторных условиях.
На рисунках 7, 8 приведены кривые изменения кислотного числа жира и общей кислотности кормопродуктов из спиртовой барды, полученных по 3 вариантам.
В процессе хранения исследуемых образцов происходит нарастание кислотного числа жира и общей кислотности, которое объясняется протеканием окислительных процессов, обуславливаемых доступностью кислорода воздуха, расщеплением жиросодержащих веществ с образованием жирных кислот и образования продуктов кислого характера, однако показатели качества не превышают предельно-допустимых норм. Допустимый срок хранения исследуемых образцов с момента выработки 6 месяцев.
1 – из спиртовой барды, полученный по традиционной технологии;
2 – из спиртовой барды, полученный из шелушеного зерна пшеницы, с оболочками;
3 – из спиртовой барды, полученный из зерна пшеницы, обработанного ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500 ± 50 ед/г, с оболочками.
Рис. 7. Изменение кислотного числа кормопродуктов при хранении
1 – из спиртовой барды, полученный по традиционной технологии;
2 – из спиртовой барды, полученный из шелушеного зерна пшеницы, с оболочками;
3 – из спиртовой барды, полученный из зерна пшеницы, обработанного
ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500 ± 50 ед/г, с оболочками.
Рис. 8. Изменение общей кислотности кормопродуктов при хранении
2.2.10. Исследование повышения питательной ценности спиртовой барды, полученной по традиционной технологии
Для повышения питательности спиртовой барды, полученной по традиционной технологии, были проведены исследования биотехнологической обработки сырой спиртовой барды.
Основной причиной, ограничивающей ввод спиртовой барды, полученной по традиционной технологии, в комбикорма для молодняка сельскохозяйственных животных и птицы, является присутствие в ней значительного количества сырой клетчатки (до 20 %). Осуществляя направленное воздействие ферментным препаратом целлюлолитического действия на клетчатку сырья, вызываем ее гидролиз и образование легкоусвояемых сахаров.
Результаты исследований приведены в таблице 5.
Таблица 5
Изменение массовой доли сырой клетчатки в зависимости от условий обработки спиртовой барды ферментным препаратом Целловиридином Г3х
| № п/п | Норма дозировки ферментного препарата, ед/г клетчатки | Массовая доля сырой клетчатки, % | Снижение массовой доли сырой клетчатки, % | ||||
| Продолжительность воздействия, ч | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | ||
| 1 | - | 17,9 | - | ||||
| Активность 100±10 ед/г | |||||||
| 2 | 1,25 | 16,8 | 16,6 | 16,3 | 6,2 | 7,3 | 8,9 |
| 3 | 1,75 | 15,5 | 15,2 | 15,0 | 13,4 | 15,1 | 16,2 |
| 4 | 2,25 | 14,8 | 14,6 | 14,3 | 17,3 | 18,4 | 20,1 |
| 5 | 2,75 | 13,2 | 12,5 | 11,7 | 26,3 | 30,2 | 34,6 |
| Активность 500±50 ед/г | |||||||
| 6 | 0,25 | 11,4 | 9,6 | 10,7 | 36,3 | 46,4 | 40,2 |
| 7 | 0,5 | 11,5 | 7,2 | 7,6 | 35,8 | 59,8 | 57,5 |
| 8 | 0,7 | 11,2 | 7,3 | 7,8 | 37,4 | 59,2 | 56,4 |
| 9 | 0,9 | 10,3 | 7,2 | 7,5 | 42,5 | 59,8 | 58,1 |
Ферментный препарат Целловиридин Г3х активностью 100±10 ед/г клетчатки при всех выбранных дозировках оказался менее эффективен. Так, при дозировке 2,75 ед/г клетчатки и продолжительности воздействия 3,0 ч количество сырой клетчатки в барде составило 11,7 %, что соответствует гидролизу 34,6 % сырой клетчатки.
Целловиридин Г3х активностью 500±50 ед/г уже при дозировке 0,25 % и 1 ч воздействия гидролизует 36,3 % сырой клетчатки. Наиболее существенное влияние Целловиридина Г3х на барду наблюдалось при дозировке 0,5…0,9 г на 1 г клетчатки и продолжительности воздействия 2 ч. Содержание сырой клетчатки при этом составило 7,2…7,3 %.
Таким образом, оптимальными с точки зрения воздействия ферментным препаратом Целловиридином Г3х 500±50 ед/г на клетчатку являются дозировка 0,5 г на 1 г клетчатки спиртовой барды из пшеницы и продолжительность воздействия 2 ч.
3. Технологическая часть
3.1. Технология производства кормопродукта из спиртовой барды
На основе проведенных исследований разработана структурная схема производства кормопродукта из спиртовой барды.
Структурная схема производства кормопродукта из спиртовой барды (рис. 9) включает в себя: очистку зерна, биообработку ферментным препаратом, подсушку, шелушение зерна; смешивание полученных зерновых оболочек с выделенной при фильтрации спиртовой барды дробиной, сушку образованной смеси, смешивание сухого продукта с упаренным фильтратом, окончательную сушку и отпуск готовой продукции.
Структурной схемой также предусматривается возможность получения кормопродукта из спиртовой барды, полученной по традиционной технологии производства спирта. Исследованиями доказана возможность повышения питательности барды с помощью ферментного препарата. Эта обработка осуществляется на этапе смешивания. В этом случае, в смеситель подается ферментный препарат и далее осуществляется отлежка дробины в течение 2 часов, необходимая для гидролиза клетчатки, затем все последующие операции проводятся аналогично.
В соответствии с разработанной принципиальной схемой производства спирта из зерна с получением кормопродукта из отхода спиртового производства, была проведена выработка партии кормопродукта из спиртовой барды в условиях Петровского завода Ивановской области.
3.2. Изучение влияния применения кормопродукта из спиртовой барды на физиологию кормления сельскохозяйственных животных и птицы
В разделе рассмотрено влияние применения сухого кормопродукта из спиртовой барды на физиологию кормления сельскохозяйственных животных и птицы, сделан вывод, что этот продукт является ценным кормовым средством в силу содержания в нем незаменимых аминокислот, витаминов группы В, широкого спектра макро- и микроэлементов.3.3. Оптимизация рецептов комбикормов на основе кормопродукта из спиртовой барды.
В работе проводили оптимизацию стандартных рецептов: ПК-1, ПК-3, ПК-6, СК-1, СК-5, К-60, К-110 с вводом в их состав кормопродукта из спиртовой барды.
В результате ввод кормопродукта из спиртовой барды в количестве от 10,4 до 17 % позволяет частично или полностью заменять такие виды сырья как, зерновое и высокобелковое сырье.
Ввод зернового сырья снизился в комбикормах: ПК – 6 на 3%; СК – 1 на 6,3%; К – 60 на 4,4%; К – 110 на 2,5%, при этом стало возможно сокращение ввода следующих видов зерна: пшеница, ячмень, овес, и др.
Ввод высокобелкового сырья сократился в комбикормах: ПК – 1 на 15%; ПК – 3 на 15%; ПК – 6 на 10%; СК – 1 на 7,7%; СК – 5 на 8,5%; К – 60 на 6%; К110 на 9,5%. В перечисленных комбикормах вывели: шрот подсолнечный, жмых подсолнечный, шрот соевый, муку рыбную.
Показатели питательности в результате оптимизации остались в пределах регламентируемых норм.
Рис.9. Структурная схема производства кормопродукта из спиртовой барды
3.4. Рекомендации по вводу кормопродукта из спиртовой барды в технологию производства комбикормов
По полученным данным сухой кормопродукт из спиртовой барды близок по своим технологическим свойствам к мучнистому сырью. При анализе физических и фрикционных свойств было выявлено, что он имеет большой угол естественного откоса и низкий коэффициент трения, малую объемную массу, а значит, он относится к трудносыпучим компонентам, имеющим неблагоприятные свойства для механического перемещения. Введение кормопродукта из спиртовой барды по линии мучнистого сырья не требует установки дополнительного оборудования. Так как, согласно правилам ведения технологического процесса на комбикормовых предприятиях, ввод мучнистого сырья в комбикорма допускается до 40 %, то и кормопродукт из спиртовой барды может быть введен в комбикорма в этих пределах.
3.5. Зоотехническая оценка комбикормов
Производственные испытания эффективности использования комбикормов ПК-1-2 с вводом в рецептуру кормопродукта из спиртовой барды были проведены на Угличской птицефабрике. Проведённая зоотехническая оценка питательности оптимизированного рациона показала, что ввод в рецептуру комбикорма кормопродукта из спиртовой барды способствовал снижению потерь поголовья, затрат комбикорма на производство продукции, а также увеличению яйценоскости и улучшению показателей качества яиц.
4. Экономическая часть
Экономическая целесообразность производства и использования сухого кормопродукта из спиртовой барды очевидна, в первую очередь, вследствие его высокой кормовой ценности, во-вторых, снижения дефицита белковых видов сырья, в-третьих, повышения срока хранения кормопродукта, в-четвертых, улучшения экологии производства. Придание этому продукту товарной формы с большим сроком хранения при неизменных качественных характеристиках, позволит повысить рентабельность.
В работе осуществлен расчет экономической эффективности производства кормопродукта из спиртовой барды. Он составил 6 млн. 686 тыс. руб. от реализации 9000 т кормопродукта из спиртовой барды.
5. Общие выводы и практические рекомендации
- Разработана комплексная ресурсосберегающая технология производства кормопродукта из спиртовой барды, защищенная патентом РФ.
- Биотехнологическая обработка зерна пшеницы перед шелушением целлюлолитическим ферментным препаратом обеспечивает гидролиз клетчатки и рост сахаров в зерновых оболочках при дозировке Целловиридина ГЗх активностью 500±50 ед/г - 0,5%, температуре среды tобр = 50 °С, кислотности - рН 4,7 и продолжительности биообработки обр. = 2,0 часа.
- Использование 15 % зерновых оболочек при создании кормового продукта из спиртовой барды позволяет снизить энергозатраты на его сушку. Контактный влагообмен между сухими зерновыми оболочками и влажной бардой в процессе сушки обеспечивает сокращение продолжительности сушки в 2 раза.
- Применение кондуктивного метода сушки, по сравнению с другими, позволяет значительно интенсифицировать процесс обезвоживания. Рекомендовано осуществлять сушку при температуре греющей поверхности tг.п. = 150оС, толщине слоя продукта на валках сушилки = 0,3 мм.
- Изучение химического состава, технологических свойств кормопродукта из спиртовой барды выявило его высокую биохимическую ценность, что позволило его рекомендовать для использования в рационах и рецептах комбикормов как высокобелковый вид сырья, а также в качестве связующего вещества, способствующего повышению прочностных характеристик.
- Установлено, что получение высокопитательного кормопродукта из спиртовой барды, полученного по традиционной технологии этанола, возможно при осуществлении предварительной обработки сырой барды перед сушкой ферментным препаратом Целловиридином ГЗх активностью 500±50 ед/г.
- Разработан проект ТУ на кормопродукт из спиртовой барды.
- Осуществлено опытно-промышленное испытание технологии кормопродукта из спиртовой барды.
- Проведенные зоотехнические исследования использования кормопродукта из спиртовой барды на курах-несушках показали снижение потерь поголовья, затрат комбикорма на производство продукции, увеличение яйценоскости и качества яиц.
- Производство кормопродукта из спиртовой барды по разработанной технологии позволяет снизить дефицит и осуществить замену дорогостоящего высокобелкового сырья в рационах и рецептах комбикормов, удешевить продукцию комбикормовой промышленности, повысить рентабельность животноводческой продукции.
- Производство кормопродукта на спиртзаводе позволяет решить проблему при утилизации 142 т спиртовой барды в сутки с получением чистой прибыли в размере 6 млн. 687 тыс. руб. от реализации 9000 т кормового продукта в год.
Список основных работ, опубликованных по материалам диссертации
- Калошина Е.Н., Федякова В.А., Данилова А.В. Изучение физических и фрикционных свойств спиртовой барды для использования в комбикормовой промышленности. // Материалы международной научно-практической конференции «Индустрия продуктов здорового питания – третье тысячелетие». М.: МГАПП, 1999. С. 8 – 9.
- Калошина Е.Н., Федякова В.А., Скурлатова С.В. Изучение химического состава спиртовой барды и возможности ее применения в производстве комбикормов. Материалы Международной научно-практической конференции «Индустрия продуктов здорового питания – третье тысячелетие». М.: МГАПП, 1999. С. 9 – 10.
- Калошина Е.Н., Федякова В.А. Спиртовая барда в комбикормах. // Сб. докладов и статей на юбилейной научно-технической конференции, посвященной 80-летию специальности «Технология хранения и переработки зерна» –М.: МГУПП, 2002. С. 229–232.
- Калошина Е.Н., Федякова В.А. Использование отходов спиртового производства в рационах сельскохозяйственных животных и птицы. // Сб. докладов Всероссийской научно-технической конференции-выставке с международным участием «Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания» – М.: МГУПП, – том 1, 2002. С. 88–89.
- Калошина Е.Н., Токарь Н.В., Федякова В.А. Изучение кинетики сушки зерновой барды для производства комбикормов // Вестник РАСХН – М.: РАСХН, 2002. № 5. С. 60 – 62.
- Калошина Е.Н., Федякова В.А. Применение спиртовой барды в кормопроизводстве. // Сб. докладов Всероссийской научно-технической конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» – М.: МГУПП, 2003. С. 57 – 61.
- Калошина Е.Н., Федякова В.А. Спиртовая барда как компонент комбикорма // Комбикорма. 2003. № 4. С. 49.
- Федякова В.А., Калошина Е.Н. Разработка технологии производства кормовой добавки повышенной усвояемости из спиртовой барды. // Сб. докладов. (II часть) молодых ученых МГУПП на 3-й юбилейной Международной выставке-конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». – М.: МГУПП, 2005. С. 66 – 70.
- Федякова В.А., Калошина Е.Н. Перспективы применения зерновой барды в рационах сельскохозяйственных животных и птицы. // Сб. докладов и статей на III Международной конференции «Управление технологическими свойствами зерна». – М.: МГУПП, 2005. С. 135–137.
- Федякова В.А., Калошина Е.Н. Способ производства кормопродукта из отхода спиртового производства. Патент РФ № 2163452 от 31.05.00. – Бюл. № 6 от 27.02.01.
