Основные способы обработки древесных отходов

19.11.2014

Высокое содержание целлюлозы в древесине издавна привлекало внимание ученых, работающих в области кормления сельскохозяйственных животных. В начале двадцатых годов нашего века были поставлены первые опыты по изучению возможности скармливания древесных материалов жвачным. Было установлено, что микроорганизмы рубца способны в анаэробных условиях разлагать целлюлозу с образованием кислот и газов. Затем обнаружилось, что целлюлоза может быть разложена и в аэробных условиях. Эти открытия послужили базой для определенного прогресса в области кормления жвачных. Первые сообщения о скарвливании опилок сельскохозяйственным животным появились в США. В 1920 г. был приготовлен древесной гидролизат, который после нейтрализации, сгущения и перемешивания с негидролизованными древесными отходами скармливали овцам и коровам. В период второй мировой войны в условиях острого дефицита кормов опыты по скармливанию древесных отходов проводились в некоторых скандинавских странах. Благодаря усилиям многочисленного отряда ученых разных стран в итоге были познаны основные механизмы ферментации лигниноцеллюлозных материалов.
Опыты по использованию необработанных древесных материалов в качестве объемистого корма ставили многие исследователи. Был сделан вывод, что, несмотря на определенные возможности использовать небольшие порции некоторых видов древесных материалов в необработанном виде, в частности в сочетании с концентратами, степень использования микроорганизмами питательных веществ этих материалов очень низка. Поэтому в последние годы ставили многочисленные опыты по разрушению в древесине лигнино-сахаридных комплексов различными физическими, химическими и биологическими методами.
Физические методы
Размол. Установлено, что переваримость осиновой и дубовой древесины in vitro с предварительным размалыванием быстро увеличивается в соответствии со временем размола. Когда время размола превышает 30 мин, дальнейшее повышение переваримости замедляется. Переваримость рубцовым соком осиновой и дубовой древесины после 240-минутного перемалывания составляет 80 и 67% соответственно. После ферментативной затравки из осины было получено 10% глюкозы. Из дуба глюкозы получено не было. Однако в опытах in vivo показатели переваримости перемолотых материалов значительно снижаются. Причина этого, по-видимому, кратковременность пребывания древесных материалов в преджелудках. Размол является достаточно дорогим способом подготовки древесных отходов к скармливанию.
Облучение. Электронное облучение разрушает структуру дерева, переводя соединения нерастворимых углеводов в формы, доступные для микроорганизмов рубца. Для разрушения полимерных связей требуется довольно высокая доза облучения. Оптимальная доза составляет 10в6—10в6 рад. Этим способом удалось повысить переваримость осиновой древесины in vitro, однако влияние облучения на осиновое дерево оказалось минимальным. При максимальной дозе облучения переваримость его достигала всего лишь 14%. Из-за высокой дозы облучения, необходимой для разрушения структуры древесины, данный метод на практике не применяется.
Гидротермическая обработка. Суть этого способа заключается в нагревании опилок до температуры 180°С в среде, насыщенной водными парами, и соответствующем давлении. Переваримость осиновой стружки после выдержки ее в запарнике в течение 1,5—2 часов при температуре 160—170°С и давлении 0,7—0,8 МПа достигала переваримости сена среднего качества. Этот метод был усовершенствован и внедрен в промышленное производство фирмой Stake Technology Ltd. (Канада). По этой технологии сырые древесные опилки или стружка подвергаются непрерывной интенсивной обработке при высоких температурах и давлении. Получается коричневая фиброзная масса, содержащая примерно 50% сухого вещества и 1,5—2% белка. Переваримость ее составляет 50—65% в зависимости от вида используемой древесины. Продукт охотно поедается, хорошо переваривается и может составлять до 80% рациона животных. Он весьма напоминает силос или сенаж, имеет кислую реакцию (pH 3, 5), совершенно нетоксичен. Технология предусматривает использование в качестве сырья только твердую древесину. В ходе приготовления продукт иногда обогащают азотом посредством газообразного аммиака.
В Чехии ученые гидротермической обработкой буковой древесины повышали ее переваримость in vitro до 56%. В опытах на овцах данный показатель составил 55%, подтвердив таким образом, лабораторные исследования.
Химические методы
Кислый гидролиз. Этот метод заключается в воздействии на древесный материал кислотами низкой концентрации при повышенном давлении. По разным источникам, переваримость древесины колебалась от 32% до 60% после обработки ее данным способом в течение 40 --60 с при давлении 4,2 МПа.
В США и Канаде наиболее распространены два способа обработки древесных материалов с помощью кислотного гидролиза.
Первый, так называемый «Jelks process», представляет собой кислотный гидролиз древесины под давлением с оксидированием и катализом. При этом получается полидисперсное волокно, содержащее низкомолекулярные соединения. Продукт хорошо поедается и может скармливаться животным в больших количествах. Экономические показатели этого метода фирмой не разглашаются.
Второй способ, «Groves process» используется для обработки мягкой древесины 1%-ной серной кислотой. Древесину варят в H2SO4 в течение 15 мин. При этом образуется темная масса с высоким содержанием воды и запахом мелиссы. Этот корм был испытан на опытной станции Kamloops Research Station В. С. (Канада) на телках. Суточный прирост массы составил более 900 г на одну голову.
Щелочной гидролиз. Одним из наиболее часто используемых химических средств при обработке лигниноцеллюлозных материалов является NaOH. Основополагающим в этой области следует считать метод Бекмана. При помощи (>% NaOH переваримость тополиной и осиновой древесины in vitro была повышена до уровня сена среднего качества. В опытах на козах переваримость осиновой древесины, обработанной едким натрием, составила 52%. Переваримость пихтовой и еловой древесины после обработки щелочью достигала лишь 1—2%. При обработке букового дерева 4% NaOH переваримость его in vitro была 26%.
Обработка аммиаком. Чрезвычайно эффективна обработка древесных отходов жидким безводным или газообразным аммиаком. Таким способом удалось довести переваримость осиновых опилок in vitro до 50%. Содержание сырого протеина повышалось с 0,5 % у необработанного черева до 9% после обработки. Однако переваримость пихтового и букового дерева после обработки их аммиаком повышалась лишь на 2 и 7—10% соответственно.
Обработка SO2. Двухчасовое воздействие SO2 на твердую древесину и трехчасовое — на мягкую при 120°С повышает переваримость твердого дерева in vitro на 60—65%, что соответствует показателям сена хорошего качества. У мягкой древесины переваримость в результате опыта оказалась эквивалентной сену низкого качества. SO2 деполимеризует лигнин на растворимые продукты и снижает по содержание в твердой древесине на 5—9%.
Кроме упомянутых методов, для обработки лигниноцеллюлозных материалов с разной степенью эффективности используются и многие другие химические средства (HNO3, Nа2SO3 и т. д.). Хорошие результаты были достигнуты при обработке буковых опилок Na2SO3 в комбинации с гидротермическим воздействием. Переваримость in vitro достигала 80%. Однако эти данные не подтвердились в опытах in vivo.
Биологические методы
Биологические методы обработки лигниноцеллюлозных материалов являются в последние годы предметом интенсивных исследований. Существует несколько основных способов биологической обработки.
Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлозы на ферментируемые сахара, служащие субстратом для культивирования одноклеточных микроорганизмов. Сюда относится способ производства дрожжевого белка (Candida utilis), Pekilo process, разработанный в Финляндии, суть которого заключается в культивировании на сульфитных щелоках плесени Pecilonnjces variati, использующей для своего роста гексозы, пентозы и органические кислоты.
Прямое культивирование целлюлозолитических организмов (Cellulomonas) на целлюлозных материалах.
Продукция белка одноклеточных на отходах, находящихся уже в гидролизованной форме.
Частичный гидролиз целлюлозных материалов с целью повышения их переваримости.
В последние годы в Швейцарии был разработан метод непрерывного гидролиза и ферментирования в едином технологическом оборудовании. Процесс протекает при участии гриба Sporotrichuin pulverulentum, который для своего роста наряду с моносахаридами и олигосахаридами использует и твердые лигниноцеллюлозные частицы.
В этой связи можно упомянуть и о разложении лигниноцеллюлозных материалов с помощью грибов Polyporus, которые вызывают так называемую белую гниль дерева. При этом разрушается не только лигнин, по и сахаридные соединения дерева. Грибы Polyporus выделяют ферменты лаказу и пероксидазу, которые способны разлагать и чистый лигнин.
К твердым древесным отходам причисляют и кору, которая составляет 15% дерева. Она содержит больше экстрактивных веществ, лигнина и золы, но меньше целлюлозы, чем другие древесные материалы, поэтому кора требует специфических методов обработки. Это снижает возможность ее использования в качестве корма. Тем не менее были проведены многочисленные опыты по изучению питательной ценности коры.
Переваримость коры ясеня, береста (ильма) и липы составляла in vitro 25—45%. Переваримость осиновой коры в объемистом рационе достигала 50%. Было установлено, что осиновая кора содержит 36% переваримых питательных веществ 2—3% сырого протеина. Наиболее целесообразным считается использование коры для улучшения почв и производства органических удобрений. Однако в экстремальных условиях кора некоторых деревьев может служить временным вспомогательным кормовым средством.


Добавить комментарий
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: