Экструзионная переработка биологических отходов в корма

Поиск новых эффективных способов переработки вторичного сырья в пищевой промышленности является весьма актуальной проблемой.

К биологическим отходам пищевой и перерабатывающей промышленности принято относить ветеринарные конфискаты, непищевые отходы и малоценные в пищевом отношении продукты, получаемые при переработке рыбы, птицы, скота и других животных, отходы производства пищевой, технической и специальной продукции, а также трупы скота и птицы, допущенные к переработке органами ветеринарно-санитарного надзора. Эти отходы были и остаются ценным вторичным сырьём. Одно из основных направлений их использования — производство кормов животного происхождения, кормового и технического жира.

Средний уровень промышленной переработки вторичного сырья в пищевой промышленности на сегодняшний день едва превышает 20 % от общего объёма, хотя большая часть этих отходов законодательно запрещена к захоронению. Можно назвать немало причин. Это и наш российский менталитет, позволяющий пренебрежительно относиться к среде обитания, и неэффективность работы органов надзора, а также те или иные экономические причины.

В советское время на крупных перерабатывающих предприятиях существовали цеха по производству мясо-костной, рыбной, перьевой, рогокопытной и прочей муки. Отходы более мелких предприятий свозили на ветсанутильзаводы, где их либо сжигали, либо использовали для производства той же муки.

Большая часть таких заводов давно не работает, а оставшиеся не справляются с поставляемым объёмом отходов. Но это одна сторона проблемы.

Другая состоит в том, что и на этих заводах, и на подавляющем большинстве предприятий, имеющих собственное производство мясо-костной и другой муки животного происхождения, используются морально и физически устаревшие старые технологии и старое оборудование. В результате получается продукт с низкими потребительскими качествами.

Разнообразие непищевых отходов предприятий пищевой индустрии и многопрофильность их применения подразумевают использование разных технологий утилизации. И чем совершеннее эти технологии, тем выше рентабельность переработки и качество получаемой продукции.

Современные экономические условия и ужесточающееся экологическое законодательство настоятельно требуют внедрения малоотходных и безотходных энергосберегающих технологий. Проблема выведения производств на «экологически чистый» уровень — одна из острейших в настоящее время. Необходимость разработки экологически безопасных технологий и оборудования для обезвреживания и переработки отходов становится всё более очевидной. Согласно федеральному законодательству основными принципами в области обращения с отходами должны стать:

• использование новейших научно-технических достижений в целях реализации малоотходных и безотходных технологий;
• комплексная переработка материально-сырьевых ресурсов в целях уменьшения количества отходов.

Использование биологических отходов пищевой промышленности

Согласно среднестатистическим данным, суммарная масса отходов убоя и потрошения птицы составляет 24-26 % от живого веса птицы. Это перо, кровь, зобы, пищеводы, трахеи, селезёнки, яйцеводы, семенники, желчные пузыри, кутикулы, кишки с содержимым и клоакой. Содержание белка в этих отходах от 14-15 % (в мякотных), до 80 % (в пере). При современных объёмах производства отходы составляют сотни тысяч тонн в год. Использование их для кормовых целей существенно увеличивает рентабельность производства.

Переработка непищевых отходов предполагает получение биологически ценного, безопасного и стойкого при хранении корма. Необходимое условие достижения этой цели — термообработка отходов, в ходе которой происходят обеззараживание и обезвоживание сырья. От правильности её проведения зависит качество получаемого корма.

Традиционно наиболее распространена многочасовая термообработка при повышенном давлении в аппаратах периодического действия, в частности в вакуумных котлах (котлах-утилизаторах Лапса) сухим (без контакта с острым паром или водой) или мокрым способом. В таких котлах сырьё медленно нагревается до температуры 11 8-1 30 °С, при которой погибает основная масса бактерий, и стерилизуется в течение 30-60 минут при давлении 0,3-0,4 МПа. Затем разваренная масса сушится в течение нескольких часов под давлением 0,05-0,06 МПа при 70-80 °С. Из термообработанных отходов получают мясо-костную, мясную, кровяную, костную, перьевую муку. Необходимо отметить, что в последнее время в странах ЕС стерилизацию проводят при температуре 1 33 °С и давлении 0,3 МПа в течение 20 минут, без учёта времени на подъём и спуск давления пара в котле.

Можно выделить следующие основные недостатки традиционных технологий:

• длительность процесса получения готового продукта (до 10-1 2 часов);
• многочасовая термообработка приводит к денатурации 70-75% протеина, в результате снижается кормовая ценность продукта (он плохо усваивается птицей);
• высокая энергоёмкость: для работы установок помимо электроэнергии необходимы газ, пар и горячая вода;
• загрязнение окружающей среды неприятно пахнущими и токсическими веществами (сероводородом, сернистым газом, меркаптанами и др.);
• образование жиросодержащих сточных вод, увеличивающих нагрузку на локальные очистные сооружения.

Использование непрерывно-поточных линий для утилизации биологических отходов сокращает время получения готового продукта (мясокостной муки) до 1-2 часов и несколько повышает его пищевую ценность. Непрерывно-поточные линии различаются как по принципу нагрева сырья, так и по температурным режимам. Сырьё может нагреваться либо при непосредственном контакте с горячим жидким теплоносителем — жиром или паром, либо с использованием кондуктивного метода. Температура его обработки может быть как выше, так и ниже 100 С. Однако для этих линий также характерны высокая энергоёмкость, экологическая небезупречность и дополнительная нагрузка на локальные очистные сооружения.

Для получения высококачественного кормового продукта, в котором максимально сохраняется биологическая ценность исходного сырья, необходимо свести к минимуму время термообработки. При этом желательно использовать экономичные и экологически чистые технологии.

Экструзионные технологи переработки биологических отходов

К новейшим приёмам переработки биологических отходов, соответствующим этим требованиям, относятся экструзионные технологии.

Экструзия (от латинского extrudo — выдавливание) — это процесс, совмещающий термо-, гидро- и механохимическую обработку сырья для получения продуктов с новой структурой и свойствами. Экструзионные технологии позволяют проводить быстро и непрерывно в одной машине (экструдере) ряд операций практически одновременно: перемешивать, сжимать, нагревать, стерилизовать, варить и формовать продукт. За короткое время в сырье происходят процессы, соответствующие длительной термообработке.

В современных экструдерах в зависимости от характера обрабатываемого материала температура может достигать 200 °С, а давление — 4-5 МПа. В то же время отрицательные эффекты обработки сводятся к минимуму благодаря её кратковременности. Обрабатываемый материал находится в экструдере не более 30-90 секунд.

В наиболее экономически развитых государствах (США, Япония, страны Западной Европы) экструзионные технологии стали приоритетным направлением развития пищевой и кормовой промышленности.

В настоящее время различными экструзионными методами производят кондитерские изделия (шоколад, конфеты, печенье, жевательную резинку), продукты детского и диетического питания, макаронные изделия, компоненты овощных консервов и пищевых концентратов, воздушные крупяные палочки (кукурузные, рисовые, пищевые отруби и пр.), а также корма для домашней птицы, животных, рыб.

В кормовой промышленности экструдирование используется для переработки зернопродуктов злаковых и бобовых культур. Из-за большого содержания крахмала усвояемость зерна и продуктов его переработки животными и птицей не превышает 60%. Особенно плохо крахмал усваивается молодняком. Экструзионная переработка существенно модифицирует зерно. Основные и наиболее важные изменения происходят при «взрыве» — резком падении давления и температуры при выходе продукта из экструдера: рвутся клеточные стенки, химические связи, меняется структура. Высокомолекулярный полисахарид крахмал, основная составляющая зернового сырья, гидролизуется и превращается в простые моносахариды и декстрины.

Содержание растворимых веществ повышается в 5-8 раз. Вместе с тем сохраняется питательная ценность протеина и полностью или значительно разрушаются антипитательные соединения, такие, как уреаза, ингибиторы протеаз, трипсина. В результате быстрого вскипания при выходе из экструдера воды, присутствующей в обрабатываемой массе, продукт становится пористым, увеличиваясь в объёме. Таким образом, он становится более доступным действию пищеварительных соков и ферментов, улучшаются его переваримость и вкусовые качества, то есть возрастает кормовая ценность. Усвояемость зерновых кормов возрастает до 90 процентов.

Снижение влажности продукции

Развитие экструзионной техники позволило предложить новые способы утилизации отходов пищевой промышленности, зверохозяйств, свиноводства и птицеводства. В основе предлагаемых технологий лежит способ сухой экструзии, при котором нагрев экструдируемого материала происходит за счёт трения как внутри его, так и о ствол экструдера. Основную проблему представляет высокая влажность отходов (до 85%). Для её решения измельчённые отходы животного происхождения (в том числе падёж и конфискат СЭС) предварительно смешивают с растительным наполнителем. Таким путём уменьшают влажность массы, подаваемой в экструдер, до 28-30 процентов. Полученную смесь подвергают экструзионной переработке, получая пригодный для кормления свиней, птицы и пушных зверей продукт. В качестве наполнителя могут быть использованы зерно, зерноотходы, отруби, шроты. Объём наполнителя в 3-5 раз больше отходов животного происхождения и определяется их влажностью.

При прохождении смеси через компрессионные диафрагмы в стволе экструдера внутри её поднимается температура свыше 110 °С и возрастает давление — более 40 атмосфер. Время прохождения смеси через экструдер не превышает 30 секунд, а в зоне максимальной температуры она находится лишь 5-6 секунд, поэтому отрицательные эффекты термообработки сведены до минимума. Вместе с тем за это время смесь:

• стерилизуется и обеззараживается (болезнетворные микроорганизмы, грибки, плесень полностью уничтожаются);
• увеличивается в объёме (вследствие разрыва молекулярных цепочек крахмала и стенок клеток при выходе из экструдера);
• гомогенизируется (процессы измельчения и перемешивания сырья в стволе экструдера продолжаются, продукт становится полностью однородным);
• стабилизируется (нейтрализуется действие ферментов, вызывающих прогоркание продукта, таких, как липаза и липоксигеназа, инактивируются антипитательные факторы, токсины);
• обезвоживается (влажность снижается на 50-70% от исходной).

В результате перевариваемость протеина достигает 90 процентов. Аминокислоты становятся более доступными вследствие разрушения в молекулах белка вторичных связей. Содержание доступного лизина достигает 88 процентов. В то же время полностью или значительно разрушаются антипитательные соединения, такие, как уреаза, ингибиторы протеаз, трипсина. Крахмал желатинизируется, что увеличивает степень его усвояемости.

Жиры равномерно распределяются по всей массе продукта, образуя комплексные соединения с крахмалом в соотношении 1:10, что повышает их доступность. Стабильность жиров повышается, поскольку разрушаются ферменты, вызывающие их окисление и прогоркание, такие, как липаза и липоксидаза, а лецитин и токоферолы, являющиеся природными стабилизаторами, сохраняют полную активность. Перевариваемость пищевых волокон возрастает вследствие химической модификации.

Жёсткость экструзионной переработки, уничтожающей патогенную микрофлору, позволяет получать качественный корм, даже если наполнитель представлен некондиционными зернопродуктами. Стерильность получаемого корма особенно важна при откорме молодняка, так как до 90% поголовья гибнет из-за болезней желудочно-кишечного тракта или инфекций, занесённых через пищеварительную систему.

Впервые подобная технология переработки отходов птицеводства и животноводства была предложена американскими специалистами в 1995 году (по образному выражению, прозвучавшему на одном из семинаров, американцы экструдируют всё, что видят).

Экструзионная технология утилизации биологических отходов, разработанная компанией Wenger Manufacturing (США), включает предварительную термообработку смеси в кондиционере экструдера, экструдирование с пропариванием и сушку экструдата. Необходимость операций пропарки и сушки удорожает и усложняет процесс, поскольку помимо электроэнергии требуется применение других энергоносителей (пара и газа).

Технология компании Insta Pro (США) не требует пропаривания, однако влажность получаемого экструдата превышает 14-16 процентов. Поскольку хранение продукта влажностью более 14,5% не допускается, для обеспечения достаточно длительных сроков хранения экструдат также дополнительно подсушивают. Эта технология была внедрена в 2002 году в ОАО ПХ «Лазаревское» Тульской области. Несмотря на имеющиеся недостатки, она позволила хозяйству утилизировать отходы мясопереработки и падежа свинокомплекса и получить дешёвую и стерильную белковую кормовую добавку. Снизились затраты на корма, производство стало безотходным.

Способ принудительного пневмоотвода пара из экструдата

Недостатки вышеупомянутых технологий удалось преодолеть коллективу российских специалистов под руководством В. Плитмана, предложившего способ принудительного пневмоотвода пара из экструдата. Метод позволяет исключить использование специальных сушилок и разнородных источников энергии, уменьшить время температурного воздействия на продукт. В результате удаётся получить продукт, пригодный для длительного хранения (не менее 6 месяцев) даже при значительной влажности исходного сырья.

Технологическую линию экструзионной переработки отходов можно спроектировать практически на любую производительность. Полный технологический процесс состоит из:

1. Измельчения;
2. Смешивания измельчённой массы в определённой пропорции с растительным наполнителем;
3. Экструзии смеси;
4. Охлаждения;
5. Затаривания.

Для получаемого продукта (белковой кормовой добавки) характерны:

• содержание протеина — 14-20% (в зависимости от вида перерабатываемых отходов и растительного наполнителя);
• высокая усвояемость (порядка 90%);
• обменная энергия — 290-31 0 ккал в 100 г;
• бактериальная чистота — не более 20 тыс. ед. (при норме 500 тыс. ед.);
• влажность — не выше 14%;
• длительный срок хранения — не менее 6 месяцев.

Себестоимость получаемого продукта определяется в основном стоимостью наполнителя. При этом энергозатраты на переработку 1 кг биологических отходов не превышают 80 копеек, тогда как при переработке в котлах-утилизаторах — не ниже 4 рублей.

Использование экструзионных технологий позволяет:

• интенсифицировать производственный процесс;
• снизить энергозатраты (кроме электроэнергии для обеспечения технологического процесса не нужны другие энергоносители: газ, пар, горячая вода);
• уменьшить трудовые затраты;
• повысить степень использования сырья;
• улучшить усвояемость продуктов;
• снизить микробиологическую обсеменённость продуктов;
• уменьшить загрязнение окружающей среды (отсутствуют выбросы в атмосферу, стоки и вторичные отходы).

В настоящее время линии по переработке отходов на основе предлагаемой российской технологии установлены в ряде птицеводческих, животноводческих и звероводческих хозяйств разных регионов России и Белоруссии. Эксплуатация их подтверждает указанные выше параметры кормового продукта. В ближайшее время будет запущена линия на Братской птицефабрике.

В заключение стоит сказать, что потенциально возможные доходы хозяйств от использования кормовых добавок, полученных из собственных биологических отходов, могут быть сравнимы с доходами от реализации основных продуктов производства.

Д. Кадыров, А Гарзанов
журнал "Птицеводство" №7, 2008 г.