Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Среди отходов органической природы особое место занимает лигноцеллюлоза - весьма ценное сырье для последующей переработки в полезные продукты. Известно немало технологий, позволяющих успешно решать проблему эффективной утилизации отходов растительного происхождения. Однако до настоящего времени способы рациональной утилизации отходов лесопильного производства и сельскохозяйственного растениеводства на сколько-либо серьезном уровне в России не представлены. Такая ситуация особенно характерна для восточных регионов страны, где наличие огромных запасов недорогой деловой древесины не способствует внедрению и развитию технологий переработки образующихся отходов. Традиционные способы утилизации отходов зачастую основаны лишь на их сжигании в виде котельного и печного топлива. При этом, как правило, неизбежны стадии предварительной подготовки сырья - брикетирования или грануляции.

Глава 1. Использование лигноцеллюлозных отходов в качестве

корма для жвачных животных

Среди отходов органической природы особое место занимает лигноцеллюлоза - весьма ценное сырье для последующей переработки в полезные продукты. Известно немало технологий, позволяющих успешно решать проблему эффективной утилизации отходов растительного происхождения. Однако до настоящего времени способы рациональной утилизации отходов лесопильного производства и сельскохозяйственного растениеводства на сколько-либо серьезном уровне в России не представлены. Такая ситуация особенно характерна для восточных регионов страны, где наличие огромных запасов недорогой деловой древесины не способствует внедрению и развитию технологий переработки образующихся отходов. Традиционные способы утилизации отходов зачастую основаны лишь на их сжигании в виде котельного и печного топлива. При этом, как правило, неизбежны стадии предварительной подготовки сырья - брикетирования или грануляции.

Между тем, древесина, как и отходы ее переработки, благодаря сложному химическому составу, может быть успешно использована для получения ценных веществ, пригодных для дальнейшего использования. Известно, что одним из компонентов, образующих древесинное вещество, является целлюлоза. В свою очередь, именно целлюлоза растительной ткани является основным питательным веществом в составе корма для жвачных животных. Жвачные животные, например коровы, овцы и козы, могут употреблять и переваривать целлюлозосодержащие продукты - различные растительные ресурсы, такие как травы, благодаря целлюлолитическим ферментам желудка. Однако их способность разлагать целлюлозу на питательные вещества существенно зависит от природы корма. К примеру, организм жвачных животных не способен непосредственно усваивать такой материал, как нативная (природная) древесина, лузга или солома, помимо целлюлозных компонентов содержащий в своем составе большое количество лигнина. Если же лигнин удален, оставшаяся целлюлоза и гемицеллюлозы (углеводы) легко и полностью перевариваются в желудке. Причины неперевариваемости лигноцеллюлозных материалов полностью не поняты до сих пор. При этом полное или частичное удаление лигнина из структуры растительной ткани не является обязательным для достижения перевариваемости. Лигнин сам по себе не токсичен и безвреден для животных. Однозначно лишь, что его присутствие в нативном виде делает такую пищу непригодной с точки зрения энергетической ценности. Наиболее вероятной гипотезой представляется выполнение лигнином роли своеобразного физического барьера, преграждающего доступ целлюлолитическим желудочным ферментам к молекулам целлюлозы и гемицеллюлоз в исходной древесине. Целлюлолитические ферменты испытывают затруднения в достижении необходимого доступа к молекулам целлюлозы и деградации химических связей.

Кроме того, причиной недоступности целлюлозы в нативной древесине может являться ее существенно большая степень кристалличности по сравнению с гидролизованной, а также увеличенная длина цепочки молекулы в комбинации с лигнином в виде единого лигноцеллюлозного комплекса. Любое из этих условий может блокировать атаку целлюлолитических ферментов.

Таким образом, частичная или полная делигнификация либо перевод нативного лигнина в модифицированную форму позволяют существенно увеличить доступность древесной целлюлозы и гемицеллюлоз для ферментативного разложения в желудке. Это переводит древесину (древесные отходы) из разряда абсолютно неценного кормового продукта в категорию значимых животных кормов.

Одним из эффективных способов, позволяющих осуществить процесс делигнификации природной древесины, является высокотемпературный автогидролиз. При его воздействии происходит глубокая трансформация молекулярного строения нативного (природного) лигнина с переходом его в принципиально иную - низкомолекулярную - форму. Кроме того, при этом существенно (иногда в несколько раз) увеличивается содержание углеводной части материала. Продукт, получаемый из древесины методом автогидролиза, может быть использован для корма животных непосредственно в том виде, в каком он был получен.

В ООО «Регион-сервис» разработана опытная полупромышленная установка для непрерывного гидролиза растительных материалов. Проведена работа по изучению воздействия высокотемпературного гидролиза на разные виды растительных отходов; на основе полученных результатов разработаны режимы обработки, позволяющие достичь максимальной глубины разложения лигнина без сколько-либо существенной деструкции целлюлозы. Пример результатов исследования кормовой ценности гидролизованной и высушенной лигноцеллюлозной массы, полученной из сосновых опилок, показан в таблице.

Таблица 1. ? Кормовая ценность лигноцеллюлозной массы

Анализ результатов показывает, что древесинное вещество, подвергнутое гидролитической обработке, может быть успешно использовано как компонент кормовой смеси в рационе жвачных животных. Примечательно, что в качестве исходного сырья для получения кормов пригодны любые целлюлозосодержащие вещества - опилки древесины хвойных и лиственных пород, лузга, солома, скорлупа орехов, кукурузная кочерыжка и т.п.

Разработка и совершенствование технологии утилизации отходов растительного происхождения, основанной на глубокой трансформации лигноцеллюлозного комплекса, позволяют наряду с решением экологических проблем обеспечить производство дешевого корма для сельскохозяйственных животных. Полученные результаты свидетельствуют о возможности организации процесса эффективной утилизации отходов в непосредственной близости от места их накопления - в коллективных и фермерских хозяйствах, животноводческих комплексах.

Глава 2. Способ получения композитных материалов из

лигноцеллюлозный корм волокно композитный плита

Изобретение относится к способу переработки лигноцеллюлозы в комбинированные материалы, в частности к способу переработки лигноцеллюлозного сырья в комбинированные материалы, такие как облицовочные изделия, реконструируемые пиломатериалы и фасонные изделия, без использования каких-либо клеящих связующих, которые являются существенной частью олучного сухого способа изготовления комбинированных материалов, таких как древесностружечная плита, вафельная плита, древесноволокнистая плита средней плотности и т.д.

В патенте на имя Шена /патент Канады №400405/ раскрыт способ изготовления комбинированных материалов из сахаросодержащего лигноцеллюлозного сырья, особенно из однолетних растений не древесного характера, таких как жом сахарного тростника, стебли злаков, сорго, подсолнечник и лен и др. без добавки клеящих связующих.

Свободные сахара в лигноцеллюлозном сырье, растворимые в воде, химически преобразуются на месте посредством применения теплоты и давления в нерастворимое и тугоплавкое полимерное вещество, действующее как связующий агент и наполнитель для упрочнения реконструируемых комбинированных материалов с хорошей механической прочностью и стабильностью размеров. Считается, что свобод6ные сахара, углеводы или сахариды и водорастворимые материалы химически превращаются в фурфурол и другие производные и далее в термореактивный материал под действием тепла и давления для образования связующего материала во время операции горячей формовки. Образованные таким образом соединяющие связи наполняют и упрочняют лигноцеллюлозное сырье, давая возможность получить реконструируемые комбинированные материалы с хорошей механической прочностью и стабильностью размеров.

Однако этот патентованный способ ограничивается лигноцеллюлозным сырьем, содержащим свободные сахара, и не применим к лигноцеллюлозному сырью, не содержащему свободных сахаров, такому как древесина, солома хлебных злаков, рисовая шелуха и т. д. Общеизвестный способ изготовления комбинированных панельных материалов из этого лигноцеллюлозного сырья основывается исключительно на связующих из синтетической смолы для соединения. Поскольку синтетические смолы, такие как фенол- и мочевиноформальдегид, имеют высокую стоимость, то они обычно составляют значительную часть производственных затрат обычных панельных материалов, таких как древесностружечная плита, вафельная плита и древесноволокнистая плита средней плотности. Это особенно справедливо в случае использования сельскохозяйственных отходов. Их физическая природа требует для изготовления сравнительно высокого содержания смоляных связующих, что приводит к получению дорогих панельных изделий. Это является одной из основных причин, по которым сельскохозяйственные отходы не находят широкого применения при изготовлении панельных изделий, несмотря на изобилие и доступность сырья.

В последние годы был разработан ряд производственных процессов для использования сельскохозяйственных отходов в качестве сырья для изготовления панельных изделий, например рисовой шелухи, одним из наиболее изобильных и, однако, наименее используемых сельскохозяйственных отходов во всем мире. Однако ни один из этих разработанных до настоящего времени способов не нашел коммерческого применения. Так, Э.К. Латроп и др. (Твердая древесноволокнистая плита из сельскохозяйственных отходов. // Модерн пластикс. - 126. - 1951. ? №4) раскрывал использование комбинации порошковой термореактивной фенольной смолы, сосновой живицы и рисовой шелухи для изготовления комбинированных панельных материалов. Он обнаружил, что доски при добавлении примерно 15% фенольной смолы становились слишком хрупкими для забивания гвоздей.

Более того, доски имели плотность 1,12 /69,9 фунтов на кубический фут/. Комбинация 15% порошкообразной смолы и высокой плотности делает материал слишком дорогим, чтобы конкурировать с имеющимися в настоящий момент материалами, а хрупкость доски налагает сильные ограничения на ее использование.

Использование фенольной смолы специального состава для связывания рисовой шелухи было описано Р.К. Васиштом в патенте США №3850677 от 26 ноября 1974 г. Доски из рисовой шелухи могут изготавливаться с добавлением от 8 до 10% не смешиваемой в воде, не содержащей каустической соды, термореактивной фенолформальдегидной смолы и предварительно обработанной рисовой шелухи. В этом способе предварительная обработка является существенной операцией, потому что в результате нее кожура рисовой шелухи разрушается на отдельные листочки, удаляются свободносвязанные поверхностные материалы и отсортировываются мелкие частицы. Заявлено, что включение мелкозернистых материалов, полученных при предварительной обработке, не только увеличит потребление смолы, но также окажет некоторое нежелательное влияние на свойства доски.

Наиболее новой публикацией является доклад Г.В. Болла "Новые возможности в производстве древесностружечной плиты с использованием изоцианатных связующих" /Материалы симпозиума по древесностружечной плите Вашингтонского государственного университета, 1981, №15, с. 266-285/, в котором предлагается плита из рисовой шелухи с использованием 9% очень дорогих полимерных изоцианатных смол в качестве связующего агента. Поскольку изоцианатные смолы являются более дорогими, чем обычные фенольные смолы, стоимость изготовления плит из рисовой шелухи должна быть очень высока. Это делает плиты из рисовой шелухи слишком дорогими, чтобы конкурировать с обычными древесными щитовыми материалами.

В настоящий момент традиционное изготовление щитовых материалов из лигноцеллюлозного сырья опирается исключительно на синтетические смолы для связки. Связующие из синтетической смолы дорогостоящие, так как их получают из продуктов нефтехимии. В общем, расходы на смолу составляют основную часть производственных затрат на щитовые материалы. Сообщалось, что затраты на смолу составляют до 60% производственных расходов при изготовлении щитовых материалов из сельскохозяйственных отходов. Следовательно, с учетом стоимости смолы и выбора исходного сырья способ, который исключает применение синтетической смолы для изготовления комбинированных материалов и использует любое лигноцеллюлозное сырье, был бы очень привлекательным.

Согласно одному аспекту изобретения создан новый способ, которым реконструируемые комбинированные материалы, такие как обивочный картон, комбинированные пиломатериалы, фасонные изделия и им подобные, могут быть изготовлены из лигноцеллюлозных материалов без использования связующих на основе синтетических смол. Этот новый способ применим ко всем лигноцеллюлозным материалам независимо от их происхождения, рода, источника, вида и формы. Таким лигноцеллюлозным сырьем может быть любая растительность, особенно отходы от лесных и сельскохозяйственных продуктов в виде стволов, коры, стеблей, корней, листы, шелухи, кожуры, соломы, стручков, орехов и т.д. Они могут использоваться по отдельности или в комбинации с другим лигноцеллюлозным сырьем для образования реконструируемых комбинированных материалов без использования связующих на основе синтетических смол, таких как мочевино- и фенолформальдегидная смола, обычно используемая при традиционном изготовлении древесных щитовых материалов.

Свободные сахара могут быть выработаны из гемицеллюлозы в любом лигноцеллюлозном сырье и использованы в качестве связующего агента для реконструируемых комбинированных материалов, исключая, таким образом, использование связующих на основе синтетической смолы. Хорошо известно, что лигноцеллюлозное сырье включает в себя три основных компонента: целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Химически целлюлоза, которая является главным структурным компонентом стенок клетки всех растений и которая составляет около 40-60% лигноцеллюлозного сырья, представляет собой линейный полисахарид, образованный из единиц ангидроглюкозы, имеющий общую формулу /C6H10O5/n. Целлюлоза по природе кристаллическое вещество.

Гемицеллюлозой называются нецеллюлозные полисахариды с малым молекулярным весом, связанные в тканях растений с целлюлозой в лигноцеллюлозные материалы. Гемицеллюлоза, которая составляет около 20-35% лигноцеллюлозного сырья, может быть повторена общей формулой /C5H8O4/n1 /C6H10O5/n2, представляющей 5 и 6 углеродсахара, такие как пентозан и гексозан. Третьим основным компонентом является лигнин, который присутствует в 20-30% лигноцеллюлозного сырья. Предшественники лигнина и его образование в лигноцеллюлозном сырье до сих пор еще не совсем выяснены, хотя в последнее время в этом направлении был сделан значительный прогресс. В настоящее время лигнин, в общем, считается полимерным материалом, состоящим из фенилпропановых звеньев.

Поскольку гемицеллюлоза является на месте в большей части аморфной по природе, то она имеет большую доступность к воде. Так, гемицеллюлоза разлагается примерно в 100 раз быстрее, чем целлюлоза, и, следовательно, гемицеллюлоза может гидролизоваться селективно без разрушения целлюлозы. Общая реакция гидролиза представляет собой: /C5H8O4/n1 /C6H10O5/n2 + /n1 + n2/H2On1C5H10O5 + n2C6H12O6, давая на выходе 5 и 6 углеродные сахара. Эти свободные сахара являются реактивными и могут быть разложены воздействием тепла в фурфурол и другие продукты разложения, которые далее могут быть преобразованы в полимерное вещество для обеспечения эффекта связывания и наполнения лигноцеллюлозного сырья посредством приложения тепла и давления в операции формовки, что дает возможность получить реконструируемые комбинированные материалы с хорошей механической прочностью и стабильностью размеров.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения

Способ согласно изобретению включает две главных части операции. Первая часть заключается в разложении и гидролизе гемицеллюлозы лигноцеллюлозного сырья и преобразовании ее в свободные сахара, такие как ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза и т. д. Вторая часть процесса заключается в химическом преобразовании и проведении термореакции свободных сахаров на месте в полимеризованное вещество, соединяющее лигноцеллюлозное сырье в реконструируемый комбинированный материал.

Было найдено, что поскольку гемицеллюлоза может быть селективно разложена и гидролизована с гораздо большей скоростью, то можно преобразовывать только гемицеллюлозу в свободные сахара для соединения без разрушения целлюлозы. Для достижения этого был разработан метод обработки паром высокого давления или так называемый автогидролиз, который оказался очень подходящим для настоящего изобретения.

Во время обработки паром высокого давления лигноцеллюлозного сырья гемицеллюлоза будет вначале подвергаться реакции разложения. Вначале образуется уксусная кислота за счет расщепления ацетильных звеньев, и создаваемая таким образом слабая кислотная среда достаточна для ускорения гидролиза гемицеллюлозы. Реакция деполимеризации считается последовательной реакцией. Во время начальной фазы процесса реакции произвольное воздействие кислоты на гемицеллюлозные звенья производит олигомеры с различной степенью полимеризации. Олигомеры далее гидролизуются в мономеры, которые далее распадаются на фурфурол и другие продукты разложения.

Одновременно лигниновая часть лигноцеллюлозного сырья также разлагается и гидролизуется в лигнин малого молекулярного веса и лигниновые продукты. Только целлюлоза остается сравнительно неизмененной. Обработанное паром лигноцеллюлозное сырье обычно имеет около 20-30% растворимых в воде веществ, которые содержат сахара, сахарные полимеры, дигидратированные карбонгидраты, фурфуроловые продукты, лигнин и лигниновые продукты. Свободные сахара, фурфурол и другие продукты разложения являются существенными частями настоящего изобретения.

Будучи химически преобразованными под действием тепла и давления они станут термореактивными и образуют поперечные связи с переходом в полимерное вещество, действующее как связующее и наполнитель для реконструируемых комбинированных материалов, получаемых из обработанного паром лигноцеллюлозного сырья.

Обычный способ изготовления щитовых изделий из лигноцеллюлозного сырья требует от 8 до 12% по весу связующего на основе синтетической смолы. Поскольку гемицеллюлоза обычно составляет от 20 до 35% лигноцеллюлозного сырья, то имеется достаточно основного компонента для вырабатывания свободных сахаров для соединения. Количество свободных сахаров, которые могут быть выработаны из лигноцеллюлозного сырья, главным образом, зависит от природы исходных материалов и степени обработки паром. Обычно сельскохозяйственные отходы и древесина лиственных пород содержат больше гемицеллюлозы, чем хвойная древесина.

Для оптимизации преобразования гемицеллюлозы в свободные сахара важной частью настоящего изобретения является надлежащее управление обработкой паром высокого давления. Излишняя обработка не только понизит выход обработанного материала, но также приведет к потере некоторых свободных сахаров и фурфуроловых продуктов. Экспериментальные исследования на рисовой шелухе, которая содержит около 20,4% гемицеллюлозы, как определено пентозановым анализом, показали, что посредством комбинации температуры пара или давления пара и времени обработки паром от 70 до 80% гемицеллюлозы может быть преобразовано в пентозные сахара и фурфуроловые продукты.

Чертеж демонстрирует время и температуру пара, необходимые для получения максимума свободных сахаров и фурфуроловых продуктов. Обратная зависимость между временем и температурой пара видна очень ясно: чем выше используемая температура, тем короче необходимое время обработки, и наоборот. В меньшей степени также некоторое влияние на максимизацию свободных сахаров оказывают форма и размер лигноцеллюлозного сырья.

В конце обработки паром лигноцеллюлозное сырье может быть собрано либо посредством резкого понижения, либо посредством постепенного понижения давления пара в резервуаре. Резкое понижение давления пара разорвет и измельчит обрабатываемое сырье в волокнистые комки с большим содержанием влаги. Медленное и постепенное понижение давления пара обеспечит удержание обрабатываемым сырьем в большей или меньшей степени первоначальной формы и размера.

Обработанный таким образом материал имеет от светлого до темного коричневый цвет и содержание влаги от около 40 до более 100% в зависимости от начального содержания влаги лигноцеллюлозного сырья и жесткости гидролиза. Вода в обрабатываемом сырье также имеет от светлого до темного коричневый цвет и содержит, в основном, сахара, лигнин и небольшое количество фурфуроловых продуктов. Обработанное лигноцеллюлозное сырье должно быть немедленно высушено до низкого содержания влаги менее 12%. В противном случае сахара в обрабатываемом лигноцеллюлозном сырье начнут бродить, особенно во влажной и теплой окружающей среде.

Если имеет место брожение, то все свободные сахара будут преобразованы в уксусную кислоту и спирт. Если это произойдет, то обработанное лигноцеллюлозное сырье будет не приемлемо для изготовления комбинированных материалов, поскольку не останется свободных сахаров для обеспечения эффекта соединения.

На этом первая часть настоящего изобретения заканчивается: высушенное лигноцеллюлозное сырье, имеющее высокую пропорцию свободных сахаров, готово для изготовления реконструируемых комбинированных материалов.

Начинается вторая часть настоящего изобретения. В виде отдельных волокон, частиц, полосок, хлопьев или в виде комков, кусков, пучков и агрегатов высушенное лигноцеллюлозное сырье формуется по отдельности или в комбинации с другими лигноцеллюлозными материалами в желаемый стружечный ковер и затем формуется под действием теплоты и температуры в течение достаточного времени для уплотнения ковра в жесткое изделие. Температура формовки может быть в диапазоне от 160 до 250oC, предпочтительно в диапазоне от 200 до 220oC. Время прессования зависит от температуры прессования и размера ковра, в то время как давление является функцией плотности формуемого изделия.

Во время горячей операции формования сахара фурфуроловые продукты и другие продукты разложения полимеризуются и соединяются на месте с получением из лигноцеллюлозного сырья жесткого изделия. В дополнение сахара, которые проникают внутрь ткани стенки клетки лигноцеллюлозного сырья, также будут преобразованы и подвергнуты термореакции до образования полимерного вещества, действующего как наполнитель по всему формуемому изделию. Таким образом, формуемые изделия обладают механической прочностью и стабильностью размеров с термореактивным адгезионным связующим, которое устойчиво к кипящей воде и кислотному гидролизу. Более того, комбинированные материалы, изготовленные таким образом, свободны от токсичной формальдегидной эмиссии, так как не используются обычные связующие на основе синтетической смолы.

Другой важной особенностью настоящего изобретения является открытие разрушения эпидермиса в сельскохозяйственных отходах, таких как рисовая шелуха, жом сахарного тростника, солома хлебных злаков и т.д. посредством обработки паром, особенно в совокупности с резким понижением давления пара в конце обработки паром. Так как парафиновое вещество эпидермиса не проницаемо для воды, то, следовательно, не проницаемы для воды и связующие соединения, и исключение эпидермиса увеличит межповерхностное сцепление между отдельными элементами.

Еще одной уникальной особенностью изобретения является открытие дополнительных преимуществ от разрушения и преобразования гемицеллюлозы. В естественном состоянии гемицеллюлоза, в основном, аморфна по характеру и весьма восприимчива к воде, делая лигноцеллюлозное сырье очень гигроскопичным и приводя к изменениям размеров. Поскольку обработанное лигноцеллюлозное сырье почти совершенно свободно от гемицеллюлозы, то согласно изобретению реконструируемые комбинированные материалы будут гораздо менее гигроскопичными и, следовательно, будут иметь лучшую стабильность размеров.

Пример 1. Плиты из рисовой шелухи Настоящий пример показывает влияние времени обработки паром и температуры пара на плиту из рисовой шелухи. Семь партий рисовой шелухи были обработаны при различных состояниях пара. Сухая рисовая шелуха с содержанием влаги 8% вначале была помещена в сосуд высокого давления, и сосуд был заполнен паром под высоким давлением для нагревания рисовой шелухи до желаемой температуры в течение определенного времени. В конце обработки паром давление пара было резко понижено, и рисовая шелуха была извлечена из сосуда в горячем, влажном и волокнистом состоянии. Содержание влаги обработанной парой рисовой шелухи изменялось от около 40 до 60% Все 7 партий были обработаны при различных температурах /от 190 до 260oC/ и времени /от 15 секунд до 10 минут/. Из каждой партии были взяты пробы обработанной рисовой шелухи для определения пентозана /метод Таппи T 223 OS 78/. Для прессования в плиты обработанная паром рисовая шелуха была сразу высушена до содержания влаги около 3-4% Было изготовлено 7 плит размером 18 х 18 х 7/16 дюймов (45,75 х 45,72 х 17,78 /40, 64 см) каждая с плотностью 1,0 /62,4 pct/. Для всех 7 плит были использованы одни и те же условия прессования /температура прессования 220oC, давление прессования 600 фунтов на кв. дюйм и время прессования 10 минут/. Результаты испытаний сведены в таблицу.

Глава 3. Лигноцеллюлоза - кормовые волокна из древесины

Волокна - важная составляющая рационов в животноводстве. Еще в 1960 году Петер Дж. ван Сост определил разницу между волокнами, содержащимися в корме. Он разделил источники корма на содержащие нейтральные кормовые волокна (NDF), кислые кормовые волокна (ADF) и кислый кормовой лигнин (ADL). Для лучшего фракционирования волокон в рационе был применен ферментный метод получения информации о полном содержании волокон (TDF) в составляющих корма.

Это разделение значительно более информативно по сравнению с традиционными методами, при которых определялась только «сырая клетчатка» и которые были разработаны чрезвычайно давно (еще в 1894 году) Хеннебергом и Строхманном на исследовательском сельхозпредприятии в Германии. Эти старые методы анализа позволяют определить только содержание клетчатки, а содержание таких важных волокон корма, как пектин, лигнин и гемицеллюлоза, остается без внимания.

Составители рационов должны учитывать потребность в волокнах для различных видов и пород сельскохозяйственных животных. А потому следует большее внимание уделить физиологической активности отдельных компонентов волокон. Различают растворимые и нерастворимые волокна, а также волокна, поддающиеся ферментации и не поддающиеся. Растворимые волокна подвергаются ферментации, а нерастворимые практически не подвергаются. Именно возможность ферментации и является ключевой характеристикой физиологической активности волокон. Доказано, что для обеспечения нормального процесса пищеварения в желудочно-кишечном тракте свиней необходимо присутствие обеих фракций пищевых волокон.

Ферментируемые компоненты волокон поступают в толстый кишечник непереваренными, но усваиваются обитающей там микрофлорой. Инулин, фруктоолигосахариды и пектин (ферментируемые компоненты волокон) практически полностью разлагаются микрофлорой кишечника, для которой именно они являются источником питания. Особенно хорошо так называемая «позитивная» кишечная микрофлора усваивает ферментируемые волокна, из которых она продуцирует такие кислоты, как уксусная, пропионовая, масляная, а также молочная. Эти кислоты с легкостью поглощаются в толстом кишечнике, а потому могут служить источником энергии для животных. Масляная кислота также принимает участие в образовании кишечной слизи и абсорбции воды, а значит, отвечает за качество помета. Необходимо также и присутствие в правильном соотношении нерастворимых кормовых волокон, поскольку они способны удерживать воду, что ведет к стимуляции слизистой кишечника. Водоудерживающая способность волокон, с одной стороны, определяет эффект насыщения от их применения, а с другой - обеспечивает прохождение корма через кишечник. Но если содержание сырой клетчатки в рационе слишком велико, это может привести к снижению потребления корма, а значит, и к снижению продуктивности. Особенно это касается свиней на доращивании и сальном откорме.

Известно, что правильное соотношение растворимых и нерастворимых волокон в рационе может предотвратить запоры у животных. Правильная скорость прохождения через кишечник также предотвращает диарею у животных и способствует здоровью кишечника.

Лигноцеллюлоза

Лигноцеллюлозу, полученную из сырой древесины, используют как источник высококачественных пищевых волокон для кормления животных сравнительно недавно. По сравнению с традиционно используемыми кормовыми ресурсами лигноцеллюлоза характеризуется более высоким содержанием сырой клетчатки (>55%), что дает возможность включать в рацион другие важные составляющие. Кроме того, лигноцеллюлоза не содержит микотоксинов, которые обычно накапливают такие источники кормовых волокон, как, например, пшеничные отруби. Для производства лигноцеллюлозы необходимо измельчить древесину настолько мелко, чтобы ее частицы не травмировали стенки кишечника животных. Способные к ферментации компоненты некоторых лигноцеллюлоз являются селективной средой для молочнокислых бактерий, что определяет «эффект пробиотика» при использовании этих лигноцеллюлоз. В итоге правильная комбинация ферментируемых и неферментируемых компонентов волокон ведет к повышению статуса здоровья кишечника животных.

Особое внимание следует обращать на качество продукта (размер частиц, примеси, выравненность), что должен обеспечить производитель. Древесная стружка, которая в некоторых регионах позиционируется как лигноцеллюлоза, абсолютно неприемлема в качестве корма для скота, более того - она может травмировать кишечник.

Традиционно хороший корм из лигноцеллюлозы представляет собой мелкие частицы дерева определенных ботанических видов. Неферментируемые кормовые волокна положительно влияют на скорость прохождения пищи, а следовательно, и на статус здоровья кишечника.

Современные продукты из лигноцеллюлозы содержат различные сорта древесины, поскольку физиологический эффект этих растений различен. Имеет смысл использовать продукты лигноцеллюлозы, которые содержат одновременно и ферментируемые, и неферментируемые кормовые волокна. Такая комбинация сочетает свойства пробиотиков, которыми обладают ферментируемые волокна, с позитивным эффектом традиционных кормовых волокон.

Последние исследования показали, что применение только неферментируемых кормовых волокон приводит к дислокации пищеварительных процессов из слепой в ободочную кишку. В толстом кишечнике ферментируемые составляющие рациона могут идеально перерабатываться, улучшая пищеварительный процесс. Ферментируемые кормовые волокна - дополнительный источник питания для микрофлоры ободочной кишки.

В связи с положительным влиянием кормовых волокон на супоросных свиноматок лигноцеллюлозу используют в их рационах в сравнительно высоких дозах (2,5%). Исследования, проведенные в Германии, показали, что сочетание ферментируемых и неферментируемых волокон лигноцеллюлозы приводит к более низкому потреблению корма при системе свободного кормления. Эта система положительно влияет на общее состояние животных, но обычно ее опасаются использовать из-за того, что племенные свиноматки поедают слишком много корма.

При использовании продуктов лигноцеллюлозы эта проблема может быть решена. Кроме того, это обеспечивает более низкий выброс гормона стресса - кортизола (-22,6%) по сравнению с контрольной группой, получавшей в качестве источника волокон в рационе свекловичный жом. Такой же эффект наблюдали исследователи Тимишоарского университета (Румыния). Кроме того, результаты опытов показали, что лигноцеллюлоза оказывает положительное влияние на качество помета свиней.

Использование лигноцеллюлозы будет особо полезно именно для супоросных свиноматок, потребность которых в сырой клетчатке может быть с легкостью удовлетворена сравнительно небольшой ее порцией.

Введение в рацион таких кормовых волокон приводит к оптимизации скорости прохождения каловых масс через кишечник и снижению риска запоров, а позитивное влияние на уровень насыщения приводит к снятию стресса, снижая выброс кортизола, что определяет более единообразный уровень глюкозы в крови, когда животное не голодно (глюкомодуляция).

Для поросят и свиней на сальном откорме лигноцеллюлозу используют в меньшей степени, поскольку эффект быстрого насыщения у растущих свиней нежелателен. Опыты показали, что включение 1-1,5% лигноцеллюлозы в рацион ведет к улучшению показателей роста и качества помета поросят.

В независимом исследовании, проведенном UFA AG в Швейцарии, 228 поросят-отъемышей (старше 27 дней) были разбиты на две группы. Группа негативного контроля получала общепринятый для отъемышей рацион, содержавший органические кислоты и ферменты, но без добавок специальных волокон.

В опытной группе к основному рациону добавлялось 1,5% лигноцеллюлозы. Оба рациона имели сходный состав по количеству всех питательных веществ, кроме волокон, которых в группе негативного контроля было меньше, чем в опытной группе (3,1 и 4,1% соответственно). Испытания продолжались 35 дней. Включение в рацион лигноцеллюлозы привело к увеличению суточного привеса (+6%) и повышению уровня потребления корма (+3,6%), тогда как конверсия корма в обоих случаях была примерно одинакова.

Такие же данные были получены и при изучении поросят-отъемышей, проведенном в Университете ветеринарной медицины (Вена, Австрия). В этом исследовании, продолжавшемся 45 дней, к основному рациону добавляли 1% лигноцеллюлозы, что привело к повышению среднесуточного потребления корма и темпов роста, в то время как показатели конверсии корма у подопытных и контрольных поросят практически не отличались.

Представляется, что сочетание ферментируемых и неферментируемых пищевых волокон имеет позитивное влияние на пищеварительный процесс и усвоение питательных веществ. Этот тезис подтверждает и улучшение состояния помета животных, которое также было исследовано в ходе данного эксперимента.

Лигноцеллюлоза в кормлении животных

- Высокое содержание сырой клетчатки

- Эффект насыщения (зависит от дозы)

- Усиление работы кишечника

- Снижение численности патогенов в тонком кишечнике

- Перемещение ферментации в дистальный отдел толстого кишечника

- Улучшение качества помета

- Свободна от микотоксинов

- Не является генетически модифицированной

Компоненты кормовых волокон

Кормовые волокна состоят из многих элементов, главные из которых - целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин, инулин, фруктоолигосахариды и гидроколлоиды растительного происхождения.

- Целлюлоза - главная составная часть клеточных стенок растений, обуславливающая механическую прочность и эластичность растительных тканей, состоит из остатков молекул глюкозы. Являясь длинноцепочным полисахаридом, целлюлоза не растворима в воде, но имеет высокую водоудерживающую способность.

- Гемицеллюлозы являются полисахаридами, состоящими из пентоз и гексоз. Из-за большого числа гидрофильных групп они обладают способностью к набуханию.

- Лигнин - комплексное химическое соединение (трехмерная полимерная макромолекула), обычно происходящая из древесины или определенных частей клеточных стенок растений. Лигнин заполняет пространство в клеточной стенке между целлюлозой, гемицеллюлозой и пектиновыми компонентами и составляет от четверти до трети сухой древесины.

- Инулин и фруктоолигосахариды - это полимеры, включающие мономеры фруктозы и терминальную глюкозу. Они растворимы в воде и накапливаются растениями в качестве резервных полисахаридов.

- Гидроколлоиды растительного происхождения так же растворимы, как и пектин. Вызывают повышение вязкости клеточного сока.

Глава 4. Способ изготовления волокнита, содержащего

лигноцеллюлозу, для изготовления волокнистых плит по сухому

способу и устройство для его осуществления

Изобретение касается способа изготовления содержащего лигноцеллюлозу волокнита для изготовления волокнистых плит по сухому методу, при котором очищенный и механически обезвоженный исходный материал, например, измельченные куски древесины, измельченная стружка и подаются в секцию подогрева и затем растворяются, образуя волокнистый материал.

Известен способ изготовления плит из волокнита, по которому вода, получающаяся при механическом обезвоживании измельченной стружки, может применяться для промывки стружки, для уплотнения вала устройства для измельчения на волокна и в качестве воды для промывки при формовании волокнистых плит из пены материала (мокрый способ), причем мокрый лист направляется в пресс и механически обезвоживается до содержания влаги 50% а затем подвергается сушке при воздействии тепла и давления до получения готового продукта, а полученная при этом выжатая оборотная вода собирается в ящик и оттуда подается в резервуар, из которого ее качают насосом через трубопровод.

Недостатком этого способа является то, что в сравнении с известным сухим способом он потребляет много воды, что требует соответственно высоких затрат энергии во время процесса прессования и тем самым способствует повышению стоимости способа. Кроме того, после обезвоживания нельзя избежать загрязнения сточных вод.

Целью изобретения является создание способа, при котором можно применять воду, получающуюся при механическом обезвоживании очищенного, содержащего целлюлозу исходного материала, не оказывая при этом негативного воздействия на окружающую среду, а также экономически выгодным путем.

Устройство для осуществления способа должно иметь простую конструкцию, быть компактным и не требовать больших капиталовложений.

Это достигается тем, что вода, получающаяся при обезвоживании очищенного сухим путем исходного материала по меньшей мере отчасти направляется в находящуюся под давлением секцию подогрева.

Высокая экономичность предложенного способа связана с исключением процесса промывки содержащего лигноцеллюлозу исходного материала, кроме того все количество воды, получающееся при обезвоживании этого материала, постоянно применяется в следующей за обезвоживанием ступени подогрева.

При способе по изобретению имеется возможность все количество воды, которое образуется при обезвоживании содержащего лигноцеллюлозу исходного материала, направлять в секцию подогрева раздельно или одновременно со свежим паром. Предпочтительным может быть раздельный подвод всего количества воды в секцию подогрева.

На чертеже приведено устройство для осуществления способа по изобретению.

Механически очищенные куски древесины направляются в станцию выдачи 1, а из нее непрерывно подаются с помощью шнекового транспортера 2 в направлении стрелки 3 в устройство для подогрева 4.

Шнековый транспортер сжимает массу из измельченных кусков древесины в пробку так, что, с одной стороны, достигается требуемое уплотнение относительно имеющегося в устройстве для подогрева 4 давления пара, а, с другой стороны, вода выжимается из массы измельченных кусков древесины.

Вода, получающаяся при обезвоживании путем выжимки, подается в сборную воронку 5, а оттуда через трубопровод 6 с помощью насоса 7 в направлении стрелки 8 перекачивается в устройство для подогрева 4. В качестве насосов 7 предпочтительно находят применение такие, на функционирование которых не оказывают отрицательного воздействия содержащиеся в выжатой воде частицы древесины. Речь идет, однако, всегда о насосах высокого давления, которые в состоянии выполнить свои функции против имеющегося в устройстве для подогрева 4 давления пара.

Через трубопровод 9 в устройство для подогрева 4 в направлении стрелки 10 подается свежий пар. Этот трубопровод 9 по одному варианту выполнения может входить в области направляющего выжатую воду трубопровода 6, т.е. в верхней части устройства для подогрева 4. При этом также возможно в случае необходимости дополнительно вводить свежий пар в области днища устройства для подогрева 4 через трубопровод 17.

В устройстве для подогрева 4 измельченные куски древесины нагреваются с помощью водяного пара до желаемой температуры, например до 165оС, и подвергаются воздействию соответствующего температуре высокого давления до 7 бар. После осуществления подогрева измельченная древесина попадает в область действия транспортного устройства 11, которое транспортирует ее в направлении стрелки 12 в устройство для разделения на волокна 14, приводимое в действие двигателем 13. В условиях имеющегося там давления и температуры проходит разделение на волокна предварительно нагретых измельченных кусков древесины с образованием волокнита, который затем через трубопровод 15 выдувается в направлении стрелки 16, а затем подвергается дальнейшим ступеням обработки.

Пар, отделенный от растворенного волокнита, может быть снова возвращен в устройство для подогрева, а также непосредственно или после предварительной очистки может быть направлен в атмосферу.

1. Способ изготовления волокнита, содержащего лигноцеллюлозу, для изготовления волокнистых плит по сухому способу, включающий очистку и механическое обезвоживание исходного материала, предварительный подогрев, отличающийся тем, что воду, выделяющуюся при обезвоживании, по крайней мере частично подают под давлением на стадию предварительного подогрева.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в секцию подогрева направляют все количество воды, полученное при обезвоживании одновременно вместе с паром.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что полученное при обезвоживании количество воды смешивают с паром, а затем направляют в секцию подогрева.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что полученное при обезвоживании количество воды направляют в секцию подогрева под давлением, которое по меньшей мере равно давлению в секции подогрева.

5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что полученное при обезвоживании количество воды при введении в секцию подогрева подвергают распылению.

6. Устройство для изготовления волокнита, содержащего лигноцеллюлозу для изготовления волокнистых плит по сухому способу, содержащее станцию выдачи исходного материала, шнековый конвейер, сборную воронку и трубопровод для воды, получающейся при обезвоживании, устройство для подогрева с трубопроводом для подвода пара, подающее устройство, расположенное в области днища нагревателя, приводимое в работу двигателем, устройство для распределения на волокна, отличающееся тем, что трубопровод для воды, получающейся при обезвоживании, снабжен насосом и соединен с устройством для подогрева.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что трубопровод для воды, получающейся при обезвоживании соединен с верхней частью устройства для подогрева.

8. Устройство по пп. 6 7, отличающееся тем, что в устройстве для подогрева предусмотрена зона смешивания пара и воды.

9. Устройство по пп. 6 8, отличающееся тем, что трубопроводы, по которым направляется вода или пар, соединены с устройством для подогрева по прямой линии.

Размещено на Allbest.ru