Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Для пастеризации и охлаждения сыворотки предусмотрены пластинчатая или трубчатая пастеризационно-охладительная установка для кисломолочных продуктов. Трубчатую установку легче чистить, но у нее боqльшие габариты. Оборудование для производства дрожжеванной сыворотки монтируется непосредственно на молокозаводе в изолированном от основного производства помещении.

Срок хранения исходной и ферментированной сыворотки при температуре 8–10 °С не превышает 24 ч с момента ее получения.

В настоящее время разработаны более эффективные варианты обогащения молочной сыворотки кормовым белком. Технико-экономические показатели выпуска продукции можно улучшить, используя более продуктивные штаммы дрожжей с более высоким содержанием протеина в готовом продукте, более высокие температуры культивирования, подпитку ферментационной среды сгущенной или сухой молочной сывороткой или другими высококонцентрированными субстратами. В частности, некоторые штаммы дрожжей Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus имеют оптимальную температуру роста 36–38 °С и накапливают в клетках 55–60% протеина при том же уровне накопления биомассы и скорости роста, что и дрожжи T. candida ФК, а в режиме ферментации с подпиткой – при более высоком.

Переработка барды спиртового производства

Первичная барда является основным отходом спиртового производства. На спиртовых заводах, перерабатывающих зерно, на каждые 1000 дал (декалитров) спирта в среднем образуется 130 м3 зерновой послеспиртовой барды (т. е. на одну объемную часть спирта приходится 13 частей отходов спиртовой барды). Ежегодно на российских спиртовых заводах образуется около 10 млн м3 барды.

Барда содержит вещества, остающиеся после отгонки спирта из бражки: неиспользованную при брожении часть органического вещества зерна, минеральные вещества зерна, вновь образовавшуюся биомассу дрожжей и продуктов их жизнедеятельности (органические кислоты и др.) и часть дробленого солода. Выход барды зависит от содержания спирта в бражке. Состав первичной барды меняется в зависимости от вида сырья, перерабатываемого на спирт. По видам сырья барду разделяют на мелассную, зерновую, картофельную и смешанную – зерно-картофельную. Свежая барда имеет кислую реакцию (рН 4,2–4,4). По содержанию сухого вещества и его составу зерновая и картофельная барда различаются (табл. 3.19).

В России традиционно считалось наиболее целесообразным использование барды (совместно с дрожжевой биомассой) для кормления сельскохозяйственных животных. Основная ценность барды заключается в протеине, содержание которого в сухом веществе зерновой барды составляет в среднем 26–28%, картофельной – 18–19%. Одна тонна картофельной барды содержит 10–15 кг протеина. Поэтому в предыдущие годы использовали почти всю нативную барду в натуральном виде для кормления животных. Однако из-за высокого содержания воды барду как корм транспортировать дорого. Срок хранения этого вторичного сырьевого ресурса ограничен, поэтому для ее скармливания на большинстве спиртовых заводов были построены крупные откормочные комплексы. В последние годы в связи с реорганизацией сельскохозяйственного производства большие животноводческие комплексы были ликвидированы и применение барды ими приостановлено. На многих сохранившихся комплексах барда востребована лишь в осенне-зимний период в качестве добавки в кормовой рацион крупного рогатого скота. Корм зачастую бывает несбалансированным и некачественным по своему составу из-за отсутствия финансовых возможностей у предприятий закупать все необходимые кормовые составляющие. Поэтому в настоящее время весь объем барды как кормопродукта не удается полностью реализовать в натуральном виде. Спиртовые заводы вынуждены сбрасывать барду на поля фильтрации или земляные бардонакопители, что служит причиной загрязнения грунтовых вод и атмосферы, и платить штрафы и налоги за загрязнение прилегающих территорий. Это приводит к дополнительным расходам, снижению производительности и даже к остановке производства. Согласно требованиям, которые должны были начать действовать с 2008 г., заводы, не утилизирующие весь объем барды, не могут продолжать работу.

Барду можно упаривать и получать на этой основе обогащенные, концентрированные или сухие кормопродукты, что дает возможность утилизировать ее в любое время года. В США более 95% зерновой барды перерабатывается в сухой кормопродукт, цена которого превышает стоимость зерна на 30–50%. На некоторых российских спиртовых заводах также налажены линии по сушке барды. В настоящее время спрос на высушенную барду возрастает, чему способствуют разработанные рекомендации и накопленный опыт по применению этого корма в рационах сельскохозяйственных животных и птицы. По оценкам, эксплуатация цеха сушки барды повышает рентабельность всего спиртового завода на 10–15%.

Барду как кормопродукт также можно использовать совместно с растительными отходами: ячменной дертью, пшеничными отрубями, дробленой соломой, с отходами биомассы, образуемыми при получении амилолитических ферментов на спиртовом производстве.

Микробиологическая переработка барды позволяет получать кормовые продукты с более высоким содержанием белка, сбалансированным аминокислотным и минеральным составом. Привесы при использовании зернокартофельной барды различной степени переработки составляют:

Наиболее эффективная форма скармливания кормовых продуктов на основе барды: в птицеводстве – сухие дрожжи из цельной барды, в свиноводстве – как сухие, так и жидкие дрожжи (ферментированная барда), при мясном откорме КРС и производстве молока – жидкий продукт. По сравнению с неферментированной бардой ферментированная как кормопродукт намного эффективнее.

Наибольшее повышение содержания протеина в барде обеспечивает аэробная ферментация, в частности, дрожжей р. Candida. Технологическая схема одного из вариантов такой переработки методом глубинного или глубинного гетерофазного культивирования представлена на рис. 3.12. В результате ферментации из 1 м3 нативной барды можно получить до 14–21 кг сухих кормовых дрожжей, содержащих 47–56% сырого протеина. Добавление мелассы, кукурузного экстракта и других источников питания повышает выход биомассы. Также необходимо вносить дополнительное количество солей азота и фосфора. Культивирование ведут при pH 4,5–5,5. По ходу ферментации органические кислоты потребляются и pH растет, поэтому необходимо подтитровывать ферментационную среду кислотой.

При переработке барды методом глубинного гетерофазного культивирования, например, мелассной с добавками свекловичного жома, зерно-спиртовой с добавками муки, мучных отходов или дробленого зерна для выделения биомассы дрожжей, используются фильтрация, плазмолиз и сушка на ленточной сушилке.

Разработаны способы бактериальной конверсии послеспиртовой барды. Выращивая в качестве продуцентов лизина бактерии Brevibacterium sp., получают белковые препараты с высоким содержанием лизина и витаминов группы

В (В1, В2, В12) и РР.

При переработке барды микробиологическим синтезом и получении кормовых продуктов возникает проблема утилизации вторичной барды, которая имеет низкую концентрацию сухих веществ и неприемлема в качестве корма сельскохозяйственным животным или для дальнейшей переработки. Такую барду можно упарить и использовать для получения органо-минеральных удобрений. Вариант комплексной технологии извлечения полезных веществ, содержащихся в послеспиртовой барде, представлен на рис. 3.13.

Получение сухой барды или аэробная переработка нативной барды в кормовой белок высокозатратны из-за больших расходов энергии на аэрацию, концентрирование и сушку кормового продукта, требуют больших капитальных вложений, поэтому в России переработка барды остается одной из актуальных проблем спиртового производства.

Методы аэробной ферментации, используемые при переработке молочной сыворотки и спиртовой барды, могут быть успешно применены для обогащения кормовым белком отходов животноводства и птицеводства: стоков животноводческих ферм, навоза, помета. Ввиду того что соотношение C : N в них несбалансировано (азот в избытке), при проведении ферментации с использованием этих субстратов в среду необходимо вносить дополнительные источники углерода.

Использование активного ила в качестве кормовой добавки

По содержанию белка (30–42%), незаменимых аминокислот, таких как лизин, метионин, цистин, триптофан, активный ил близок к кормовым дрожжам. В активном иле количество липидов (5–10%) выше, а углеводов (3–5%) ниже, чем

вкормовых дрожжах. Отличаясь повышенной зольностью (25–30%), активный ил содержит необходимые организму животных фосфор, кальций и другие макро- и микроэлементы. В нем содержатся почти все витамины группы В: тиамин (B1), рибофлавин (В2), пантотеновая кислота (В5), пиридоксин (В6), биотин (В7)

идр. Особенно важно наличие витамина B12, отсутствующего в большинстве животных и растительных кормов. Количество витамина В12 в метаногенно сброженном активном иле городских сточных вод (2,1–11,0 мг/кг) значительно превышает его содержание в мясокостной (0,04 мг/кг) и рыбной муке (0,05 мг/кг). В настоящее время в США и Японии имеются производства, вы-

рабатывающие витамин В12 на базе активного ила.

Высушенный активный ил отличается высоким содержанием витамина А

иего провитаминов (каротиноидов) – 50–60 мг/кг сухого вещества, что в десять раз больше, чем в кормовых дрожжах. Содержание витамина Е в иле превосходит содержание в кормовых дрожжах в два раза.

Из-за повышенной способности адсорбировать и аккумулировать в своей массе токсичные вещества: тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды и другие соединения, существует опасность их попадания в корма

иорганизм животных. Поэтому в качестве белково-витаминной кормовой добавки может быть использован лишь активный ил, образующийся при биологической очистке сточных вод, обладающих постоянным составом и минимальным содержанием вредных примесей (в частности, пищевых и ферментационных производств). Микробная биомасса такого ила может быть стандартизована как кормовая добавка в рационы животных. Однако даже в этом случае из-за опасности повышенного содержания токсичных веществ его добавляют

вколичестве не более 1–5% от массы корма. Активный ил городских очистных сооружений не может непосредственно использоваться как кормовая добавка.

Как корм для птиц и животных используется активный ил, подсушенный до 10% влажности и простерилизованный. Такой сухой и размолотый ил может быть применен подобно сухим кормовым дрожжам.

Обработка ила с целью очистки его от вредных веществ или извлечения полезных компонентов без токсичных примесей позволяет получать более эффективные кормовые добавки. Вариант такой дополнительной обработки для удаления тяжелых металлов, представленный на рис. 3.14, включает щелочную

икислотную экстракцию металлов, фильтрование, промывку очищенного ила.

Кислотная или щелочная обработка активного ила позволяет извлекать из него и белок. Белковый раствор в дальнейшем нейтрализуют, белок концентрируют ультрафильтрацией или осаждением и высушивают.

Возможно извлечение и витамина В12. Для этого уплотненный ил с влажностью 95–96% подкисляют серной кислотой до рН 3 и подогревают паром до 110 °С. Суспензию ила центрифугируют и фугат обрабатывают щелочью до рН 5 для коагуляции высокомолекулярных компонентов. Осадок вновь отделяют на центрифуге, фильтрат, содержащий витамин В12, выпаривают, обрабатывают щелочью, сушат и дробят. Готовый продукт расфасовывают.

Рис. 3.14. Схема обработки активного ила при высоком содержании в нем тяжелых металлов

Существующие варианты обработки загрязненного активного ила не позволяют получать из него относительно безопасные кормовые добавки низкозатратными способами. Поэтому из общего количества отходов активного ила в качестве белково-витаминного кормового продукта используется не более 0,01%.

Протеиновые концентраты из сока зеленых растений

Кормовой белок можно выделить из зеленой массы растений. Для этой цели особенно подходят растения, богатые протеином: люцерна, клевер и др. Таким способом можно получить до 1 т белка с гектара за сезон. После извлечения в остатке получают коричневый сок, богатый питательными веществами и легко ферментируемый в кормовой продукт с помощью дрожжей, с содержанием до 8,5% сухих веществ и до 5% белка.

Современная технологическая схема выделения белка и переработки сока зеленых растений приведена на рис. 3.15.

Коагуляцию сока и выделение белка проводят либо термическим методом (при этом методе потери белка на этой стадии составляют около 10%), либо вымораживанием (достигают концентрации СВ 10–11%), либо с помощью полупроницаемых мембран. Для этих же целей может использоваться предварительная анаэробная ферментация сока, которая приводит к росту содержания органических кислот и снижению рН (до 4,5). Белок при этом не теряется, и в то же время наблюдается инактивация сапонинов и ингибиторов трипсина, присутствующих в зеленом соке и отрицательно влияющих на усваиваемость корма животными. Фракционирование зеленой массы является технически несложным и малоэнергоемким процессом.

Рис. 3.15. Схема выделения белка и переработки сока зеленых растений

Белковый концентрат сока растений может заменить в рационах птицы, свиней, телят, кроликов до 50% белка сои, арахиса, рыбной муки и обрата без снижения темпов роста животных и эффективности использования ими кормов. Стоимость протеина зеленой массы в 2–3 раза ниже протеина зерна или кормовых дрожжей.

Жом, остающийся после измельчения зеленой массы и отжима сока, имеет влажность 65–70% и содержит протеина на 20–25% меньше, чем исходная травосмесь. Это хороший корм для жвачных, и его можно успешно силосовать общепринятыми методами (см. разд. 3.2.2) для консервации и последующего скармливания скоту.

Коричневый сок практически свободен от целлюлозы и содержит 1–3% протеина. Его подвергают аэробной ферментации с помощью дрожжей. Кормовые дрожжи выделяют (из 1 т коричневого сока злаковых можно получить 23 кг белковых дрожжей) или скармливают животным свежеферментированный сок с дрожжами. Свиньям его скармливают по 2–3 л в сутки, также сок можно скармливать молодняку крупного рогатого скота. Для получения более сбалансированного по питательным веществам корма в ферментированный коричневый сок добавляют зерноотходы.

3.2.2. Силосование

Отходы сельского хозяйства можно использовать для получения кормов силосованием. Силосование – заквашивание, анаэробное консервирование кормов без доступа воздуха; наиболее распространенный способ заготовки сочных кормов. В России силосование стали применять в конце XIX в.

Традиционно силосуют растительный зеленый корм: луговую траву, клевер, люцерну, стебли и листья кукурузы, подсолнечника, ботву сахарной свеклы и жома, а также кормовые корнеплоды, бахчевые и т. п., при этом повышается их питательная ценность, и полученная силосная масса консервируется. Основную роль в процессе силосования выполняют молочнокислые бактерии, источником питания для которых служат водорастворимые углеводы, поэтому содержание последних в корме определяет его силосуемость.

Всостав травы входят структурные углеводы (гемицеллюлоза, целлюлоза), формирующие растительные волокна, и запасные углеводы (ферментируемые сахара). В травах умеренного пояса волокна составляют 30–40% сухих веществ, основные запасные углеводы, фруктаны – 5–7% СВ, истинные ферментируемые сахара (фруктоза, глюкоза, сахароза) – около 10% СВ. У бобовых основной запасной углевод – крахмал. Количество и тип углеводов, присутствующих в травах, зависит от вида трав, погоды в период роста и применяемой агротехники выращивания. Лучше всего силосуются травы с высоким содержанием ферментируемых сахаров и низким – волокон, т. е. в ранней стадии роста.

Впроцессе созревания и хранения силоса растительная масса претерпевает ряд стадий трансформации, обусловленных последовательным развитием различных микроорганизмов, потребляющих в первую очередь доступные углеводы (истинные ферментируемые и запасные). Этот микробиологический процесс можно представить как сукцессию в экосистеме – силосной массе. В классическом (так называемом холодном способе) силосования выделяют 4 стадии (рис. 3.16).

I. Аэробная стадия. На этой стадии наблюдается потребление оставшегося

При гетероферментативном брожении наблюдаются потери сухого вещества – около 20%.

Вестественной микрофлоре преобладают гетероферментативные молочнокислые бактерии.

Впроцессе силосования вследствие образования молочной и уксусной кислот pH постепенно понижается и стабилизируется на уровне 3,8–4,2. Концентрация молочнокислых бактерий достигает 109–1010 кл. на 1 г силосной массы на 8–15-е сутки силосования, температура повышается до 22–40 °С. При содержании молочной кислоты, достаточном для угнетения микроорганизмов, создаются условия для консервации силоса. Корм, более или менее спрессованный

иизолированный от доступа воздуха, подвергнутый силосованию, приобретает приятные вкусовые качества, становится мягче, несколько изменяет цвет (бурая окраска), но остается сочным и хорошо усваивается организмом животного. После консервации по мере хранения силоса примерно в течение 60 сут количество микроорганизмов постепенно снижается и достигает 106 кл./г, рН за это время постепенно возрастает.

IV. Развитие бактерий р. Clostridium. Они начинают развиваться в силосе

при рН > 5,0, используя оставшиеся углеводы, молочную кислоту и аминокислоты силоса, образуют масляную кислоту, которая слабее, чем молочная, и аммиак. В результате постепенно снижается кислотность и более интенсивно развиваются гнилостные микроорганизмы, что приводит к порче силоса.

Силосование проводят в ямах, траншеях, буртах или силосных башнях. При наличии на ферме кормоцеха силосные сооружения располагают при них.

Рис. 3.17. Схема траншей для силосования: а — наземные траншеи; б — полузаглубленные траншеи

Наиболее распространено силосование в траншее. Траншеи устраивают по возможности на возвышенном месте, на площадках с уклоном для стоков поверхностных вод, с доступом для транспортных средств. В них закладывают от 250 до 3000 т силоса. Наземные траншеи сооружают на участках с ровным рельефом и высоким уровнем грунтовых вод (рис. 3.17). Они имеют высоту не более 3 м. Заглубленные и полузаглубленные траншеи, глубиной не менее 3 м, устраивают на участках с низкопроницаемыми глинистыми, суглинистыми грунтами со сравнительно низким уровнем грунтовых вод. Стены и днища траншей изготавливают из бетона, железобетона, кирпича, сборных железобетонных элементов. Торцы наземных траншей после закладки силоса закрывают деревянными