CN100452983C - 动物饲料添加剂的粒化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在循环流化床上粒化含氨基酸或维生素的动物饲料添加剂的方法，所述添加剂优选是一种发酵产物，必要时其还可以含有由发酵液制成的其他成分。
Description
本发明涉及一种在循环流化床上粒化含氨基酸或维生素的动物饲料添加剂的方法，所述添加剂优选是一种发酵产物，必要时其还可以含有由发酵液制成的其他成分。
根据动物的需要，动物饲料中被添加单一的氨基酸。例如L-赖氨酸用于添加动物饲料，迄今主要使用的是含有78％L-赖氨酸的L-赖氨酸单盐酸盐。由于L-赖氨酸通过发酵制得，对于其单盐酸盐的制备而言，必须首先在昂贵的步骤中将其与粗发酵液的其他成分分离，然后将其转化为单盐酸盐，并且将后者进行结晶。在此过程中，大量的副产物以及用于后处理所必需的试剂会以废料形式出现。因为动物饲料添加物不总是要求具有高纯度，而且在发酵的副产物中通常还含有具备营养功效的有价值物质，因而过去不乏这种尝试，即用成本适宜的方法将L-赖氨酸与发酵液成分一起转变为固体动物饲料。
这样的培养基的复杂组成被证实在加工时具有严重缺陷。它们一般难以干燥，这些干燥产物通常是吸湿性的，基本上没有流动性，并有结块危险，因此其不适于混合饲料工业中技术要求高的加工。最为重要的是，制备赖氨酸的发酵产物列于其中。通过喷雾干燥法将粗发酵液进行简单脱水会得到粉末状的、强吸湿的并在短期放置时间之后就会结块的浓缩物，因而不能以这种形态用作动物饲料。
使用与流化床结合的喷雾干燥器，能提供一种细碎和多孔、但可流动的喷雾颗粒，其具有较低的堆积密度和仍然较高的吸湿性。在这些产物的处理过程中会产生巨大的粉尘负荷。
在流化床中的合成造粒过程(Aufbaugranulation)同样也被证明几乎不合适，因为其也需要大量的搀和剂(一般超过10重量％)，根据DD 268856，其需要连续地添加。因此，搀和剂的使用在其中是极为必要，目的在于将水从发酵液中吸附出来，从而防止颗粒结块，这特别是在合成造粒过程中产生不利影响。
基于发酵液的含氨基酸动物饲料添加剂的其他粒化方法公开于US4777051、EP0615693B和EP0533039B。
US4777051公开了一种后续启动附加干燥步骤的喷雾干燥方法。基于总固体含量，不同来源的色氨酸或苏氨酸溶液以20-60重量％的含量在第一步中喷雾成剩余湿度为5-15％的半干燥颗粒。随后将该潮湿颗粒平铺在具有多孔底部的输送带式干燥器上，并用热空气进行充分干燥，从而获得一种剩余湿度约为4重量％的产物。
然后干燥过程高成本地分两阶段在两台不同的设备中进行。
根据EP0615693，粒化同样在两阶段干燥法中进行。
发酵液可选择性地在移除部分成分后经喷雾干燥得到细小颗粒，其中至少70重量％具有100μm的最大粒径，所得细小颗粒在第二阶段构成大颗粒，其含有至少30重量％的细小颗粒。
除了所述干燥粒化方法的两步骤性，其在此过程中的缺点在于，粒化过程只能成批地而不能连续地进行。
在EP0809940B1中同样公开了一种用于粒化基于发酵液的动物饲料添加剂的方法。该方法的特征在于，流化床中的发酵液被一步成粒、压缩和干燥，除了产生静态流化床所需能量以外，还同时通过机械手段向流化床中引入足够的能量以获得所期望的颗粒直径和所期望的堆密度。
流化床喷雾造粒的一个基本特征是在造粒机内部形成稳定的流化床。这表明，入流培养液的速度必须这样选择，即使待干燥微粒产生流动，但却要避免气体推动。如此将确保所形成的微粒即使不被排出，但也会进行不断的位置交换，从而对于喷入的液滴提供了同等的碰撞机会。
这些方法具有流化床喷雾造粒的已知缺陷。主要包括：
使用小的粒径，则必须大幅度降低入流培养液的速度，由此维持了稳定的静态流化床和避免了颗粒从造粒机中排出。因为在此方法中，入流培养液是能量载体，所以效率大幅下降。可达到的合成率过低以致不能够使该造粒方法经济地运行。
这类方法在US4946654中有描述。由于排出粉尘而在材料上造成的损耗是这样避免的，即将其从造粒机排放的流动气体中分离并回流到流化床。
所述管线是这样空间布置的，即仅很小的固体量能被引回。
本发明的任务是，提供一种可连续实施的有效方法以粒化含氨基酸和维生素的饲料添加剂，其中添加剂优选是一种发酵产物，必要时还可含有其他组分，该组分包括来自发酵液的生物质。
本发明涉及一种L-氨基酸和维生素的粒化方法，特别选自蛋氨酸、L-赖氨酸、L-苏氨酸、L-精氨酸、L-色氨酸或泛酸钙或泛酸(维生素B5)，其特征在于，在循环流化床中进行造粒，其中
a)在一个含流化床的造粒腔室中喷洒氨基酸或维生素水的悬浮液或水溶液，
b)用干燥气体将至少10重量％的造粒腔室中的微粒排出，
c)随后将所排出的微粒从气体流中分离，
d)从排出气流中分离的微粒再次引入腔室，
e)具有所期望粒径范围内的尺寸的成粒微粒连续地从腔室中优选向下引出，从而使腔室中存在的固体含量保持恒定。
有利的方式是，干燥气体背向重力方向流经所述腔室，并且通过温度在100到450℃范围内，优选从150到350℃的入流底板引入腔室。
与现有技术不同，在根据本发明的方式中，不是在静态流化床中，而是在循环流化床中(循环流化床CFB)造粒。这意味着干燥气流的入流速度是这样设置的，即基于造粒腔室室的流化床上10到100重量％，优选30到100重量％，更优选50到100重量％的固体颗粒连续地向上离开腔室，然后从气流中分离出来并引回造粒腔室室中。
对于排气所必需的入流速度依赖于粒径和颗粒密度，并且一般为必要速度的1到10倍，优选为1到4倍，该必要速度是为了能够用干燥气流使不属于细微粉尘(＜100μm)的微粒以所期望的量循环。因此，特别是所述微粒还没有达到所期望的最终尺寸。
在传统的流化床方法中(例如US4946654)，仅仅非常少量的细微粉尘被吹出，粒径分布在＞100μm范围内的微粒留在流化床中，并且从中引出，但并不循环。
根据本发明，粒径<和>100μm的微粒，如果希望，则也可以是从250μm到600μm的微粒以所期望的量向上输送并循环。
每小时的循环率根据本发明一般为造粒腔室室中滞留量的2到100倍，特别是5到50倍。按照现有技术，在流化床中的此参数的值却＜2。入流速度的上限由设备可操控性的默认值决定。
还发现，通过向流化床引入额外机械能量，能够实现较高的造粒机产率或颗粒直径的平衡以及堆积密度的提高。
特别有利地是，造粒方法这样进行，即额外的能量通过流化床上可移动的平面形装置引入造粒腔室。在此，它们可以是安装在流化床腔室中的旋转刀片、叶片、刀刃面
条铁或压缩装置(Verdichter)。可以使用机械方法驱动这些刀片、刀刃、条铁、压缩装置或类似物，以达到粒化微粒的持续粉碎，使流化床的颗粒维持在一定粒径以下。然而所有本领域技术人员熟知的其他工具也是可以的，例如它们可以直接置于流化床中。可以想到使用旋转涡轮或强剪切混合装置，这些工具也作用于流化床中的微粒或颗粒，并与颗粒产生相互影响。
CFB方法首先在细致催化剂或燃烧工艺中由异体催化作用得知，而不用于有机化合物的造粒。
所述待粒化固体是指动物饲料添加剂，优选是指氨基酸和维生素。氨基酸优选为L-精氨酸、蛋氨酸、L-赖氨酸、L-苏氨酸和L-色氨酸，维生素优选为泛酸钙(维生素B5)或泛酸。
因此，使用了纯化合物的浓缩水溶液或悬浮液，其源自固体纯度为80到约99.5％的化学的以及发酵的产物，以及浓缩发酵液。所述发酵液含有如EP0809940B1和EP615693B1中特别对于L-赖氨酸所述的，除这些化合物以外还可以含有其他发酵液成分以及生物质。但所述生物质也可以已经完全地或部分地分离。
可以确定的是，相对于静态流化床喷雾粒化的已知方法，用所述固体以本发明的方法还能够针对具有例如100到400μm的相对较小的平均直径的颗粒实现高的形成率，并由此能实现有效率的方法。通过流化床喷雾粒化甚至可得到粒径范围小于100μm的颗粒。
该方法的效率也依赖于解决方式中固体的含量。随着固体份额上升，待蒸发水量下降。粒化所必需的能量需求减小并且设备可以实现小型化。对于相对难以溶解的固体，如L-苏氨酸(在85℃时的溶解度为约19％)，已经在本主题培养基的过热条件下发现了其溶解度和由此该方法的效率。用特殊的喷嘴排列，在连接着喷嘴的入口管线中产生1到5巴的起始压力，这可以使其加热到高于100到160℃。专门用压缩空气操控的二元压力喷嘴拥有具备三沟槽旋流器
的加长液体入口。旋流器这样测量和设置，即液体必须流经的任意截面尽可能大，并且尽管处于操作条件下，在液体线路上达到了较高的不超过5巴的压降。同时，尽管这样的阻塞在流体中包含的具有直到50μm粒径的固体颗粒还是能够通过喷嘴。通过压缩空气在液体入口周围的环状间隙中的减压，气动地完成流经旋转体的液体的雾化。
L-苏氨酸的溶解度在120℃升高到约32％。令人惊奇的是，由此在热敏氨基酸和维生素的粒化排出过程中，还发现不存在分解反应和产物损失。
固体浓度的提高也可以通过在相应固体的饱和溶液中加入相应固体悬浮液而实现。其可以用蒸发含固体溶液的超浓缩体制得。
固体加入到饱和固体溶液中。
使用悬浮液，不溶固体部分的小粒径(一般10-30μm)在生产稳定颗粒中提供了优势。如果必要，能够通过所加入固体成分的事先干研磨或在悬浮液中的湿研磨而相应减小不溶解部分的粒径，优选仅经过一个线路，该线路通过了在入口管线到喷嘴中的研磨元件。
用所述方法可以加工具有超过70重量％固体浓度的悬浮液。
优选使用基于悬浮液总重，具有25到60重量％的悬浮液。
令人惊奇的是，用所述方法，能够从不加入粘结剂或其他助剂的极纯固体(至99.5％)的溶液或悬浮液中形成具有所要求性质的颗粒。
本发明的另一个主题是实施本发明方法的装置，其具有下列特征：
a)具有一个入流底板的径高比为1∶1到1∶5(在矩形结构情况下的宽∶长∶高的尺寸为1∶1∶1到1∶8∶5)的圆筒形或矩形造粒腔室室，
b)安装在该腔室中的用于悬浮液或溶液的雾化元件，
c)用于流体培养液或干燥培养液的导入元件，
d)安装在腔室上部用于待循环产物的排出口，
e)固体分离系统，其通过排出口与腔室连接，并且必要时包含装配过滤单元的出气管道用于导出气流，
f)待循环产物的回流结构，其从排出口开始连接到腔室的底部，
g)必要时安装在腔室底部的分选器。
该装置优选由宽长高比为1∶1∶1到1∶8∶5，优选为1∶6∶3的高粒化腔室1构成。在其底端装配由合适的入流地板。底板的压力损失必须这样测量，即入流培养液均匀分布在全部的装置截面上并且不存在死角。在另一个矩形或圆筒形部分(其可以扩展构成双倍宽度或直径)后使造粒机的导出废气连接到分离系统上，例如用一级或多级连续开启的排放低压区(Abscheidezyklone)和一个排气过滤器连接到环形气体管线或废气口上。固体排离器用粒化腔室中的固体回流管线紧挨着装配在入流底板上。用合适的设备，例如槽齿轮闸门(Zellradschleusen)气动关闭固体排离器。用鼓风机和合适的气体加热器将热干燥气体(例如烟气、空气、氮气)供应给粒化腔室。
可具有多种形状的分选排出管(sichtendes Austragsrohr)优选安装在粒化腔室底端的中心位置并且与入流底板的空白位置连接。其可以装配用以增强分选器性能的装置，或者连接分选器腔室。通过不依赖于主流体的供应气，能够在分选器管路中调整所定义的筛选的上行流动。背向该流动，固体能够通过其他的气动阀而排出。
为了制造几乎为球形的微粒，有利的是，将悬浮液或溶液分散成极细的小液滴。使用气动喷嘴和压力喷嘴用以雾化悬浮液或溶液。优选使用二元压力喷嘴，其中通过多级脉冲高压泵将悬浮液输送到喷嘴。还可以使用三元喷嘴或多元喷嘴。喷嘴的使用压力应该这样测量，即在操作条件下用流量计测量，达到较高的压降。为了获得极细的喷雾，因而借助压缩空气用附加的二元雾化叠加在压力雾化上。
喷嘴优选位于下部，在入流底板上方的中央，在喷射方向向上的分选器开口上方的位置。用可移动的喷气孔可以调整喷嘴射束，从而调整开口角度。
在下述方式中完成循环流化床(CFB)中固体的粒化。重要的是，粒化腔室中热干燥气体的入流速度优选明显大于粉碎颗粒的排出速度。
使用这种喷嘴，含固体的悬浮液或溶液被喷洒入用热干燥气体处理过的或者是不含固体的，或者是已经用细微颗粒初始填充过的粒化腔室中。在那里蒸发液体并残留固体。在粒化腔室中形成的微粒流体直到100％从该腔室中排出，随后例如借助低压区排离并在该腔室中循环。这有利地产生了非常高的循环量。优选的循环量为造粒机中每小时滞留量的2到100倍，更优选为5到50倍。
为了在循环量中拥有足够的用于吸收悬浮液小液滴的喷洒胚体(Sprühkeime)，在系统中保持足够的滞留量是必需的，其随着高循环量流体而出现。这种排出气体流的固体排离的解释符合所述的高流通量。
例如在第一低压区上测得的压力损失计量可作为循环量流体的测量参数。一般在同样的操作条件下，用较高的固体负荷，通过低压区会提高压降。如果低压区超载并且贯通，那么压力差就达到不再升高的最大值。所寻求的操作点大约在平衡位置以下。
在干燥腔室的向上流体中，再循环固体从喷嘴旁向上输送。在喷嘴射束中，固体微粒与喷洒小液滴相遇。液体在颗粒的表面变干，其留下了所包含的固体。因此，颗粒在循环涂层中增长。为了获得尽可能球形的颗粒，喷洒液滴必须明显小于导入环路中的颗粒。
循环量必须保持恒定，从而在造粒机中形成足够的滞留量之后，使得其中所存在量的一部分必须能连续地排出。通过集成分选器的气流回收，仅仅排出粗微粒，保留了细微粒用于在造粒机中用于进一步的颗粒合成。分选器这样控制，即使系统中循环的量保持恒定。
在排放中将达到的粒径依赖于造粒机中的胚体平衡。这些粒径实际上由通过研磨或不相遇喷洒液滴的胚体结构的平均重量和颗粒构造来确定。优选可以一方面通过选择干燥参数或者另一方面通过加入粘结剂来提高粒径。
可以用提高入流量来调整其他的干燥参数。因而废气温度下降，并且会产生更多的喷洒小液滴，其干燥更缓慢。因此在颗粒胚体上的相遇可能性提高，导致在颗粒表面保持更长久的湿润。这会形成平均值更大的胚体。
粘结剂的添加提高了颗粒强度，从而降低了磨损。因此形成更少的胚体。反之，颗粒的平均粒径提高。
可以在方法中集成产物干燥过程来完善本发明的方法。
本发明的任务是发明一种方法，目的在于从固体悬浮液或溶液制备近似球形的大颗粒，其在100μm到2000μm的粒径范围中具有窄的粒径分布并具有好的堆积性(较小的磨损、较小的粉尘含量、好的流动性)。
用于制备动物饲料添加剂的方法优选这样操作，即动物饲料添加剂的平均粒径被控制在介于＞0.1和2.0mm数值范围内。95％颗粒的粒径优选在介于＞0.1和1.2mm范围内。此外，如果微粒的直径被控制在95％颗粒的粒径介于0.3和0.8mm范围内，则特别符合发明目的。在另一个本发明方法的变化中优选的是，95％颗粒的粒径在介于0.5和1.2范围内。
使用本发明的方法，可以一次性从发酵液得到具有所期望堆积密度的产物，所述发酵液优选是浓缩的并且部分地或完全地不含生物质或者处于原态。因此，动物饲料添加剂的堆积密度优选被控制为＞600kg/m3到700kg/m3。在另一个根据发明目的的方法改进中，本发明这样实施，即在单独一步中，动物饲料添加剂的堆积密度被控制为＞650kg/m3到800kg/m3。
此外，根据本发明的方法，能够获得具有颗粒突出磨损强度的动物饲料添加剂。因此，在较合适的方法实施中，毫无问题能使动物饲料添加剂的抗磨强度控制在磨损值＜1.0重量％范围内。本发明的方法特别优选这样实施，即动物饲料在磨损时的抗磨强度被控制为介于0和0.3重量％之间。
通常根据本发明能获得的干燥添加剂含有不超过20％的发酵生物质。
用大肠杆菌制备L-苏氨酸时，较高氨基酸含量最大能够达到干量的90％。
在用谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)或大肠杆菌K12(Escherichia coli K12)菌类制备L-赖氨酸、L-精氨酸或L-色氨酸时，氨基酸含量一般较低，特别是在制备色氨酸时，目前由发酵所得70重量％的最大含量是典型的。
大多数情况下，在根据本发明所获得的添加剂中只有一种成分作为活性物质，特别是氨基酸。而根据其活性物质用量，这样一种添加剂可以配剂到任何饲料或预混料中。在所定义的饲料混合物中，多种成分，特别是氨基酸相互间以一定比值存在于添加剂也是符合根据发明目的，以便仅用一种添加剂就达到所期望的加浓。这些活性物质的比值例如可以通过混合多种发酵液或添加剂而获得，还可以通过配剂纯净活性物质L-氨基酸或维生素而获得。除了单独的活性物质或多种适合在添加剂中含有的或确定的活性物质，添加剂中尽量少含有其他未确定的或不适合于添加的活性物质。
为了提高干量中的氨基酸含量或者将干量规范为为确定的氨基酸含量或者降低干量中的蛋白质含量，优选通过机械分离技术，在保留大部分发酵液剩余成分的条件下，发酵结束之后，清除生物质和其他可选择的物质。
如果不需要分离生物质，有利地这样进行发酵，即产生尽可能少的生物质，其中在结束时所加入的营养物质应该尽可能多地被消耗。这种发酵例如在DE4130867A的实施例3中有描述。有利地这样进行发酵，即经过至少30％，优选经过70％的发酵时间，发酵液中的可利用的糖类浓度最高为0.3重量％。
粒化的动物饲料添加剂包含40到100重量％，优选40到85％的L-氨基酸和维生素。
优选棒状杆菌种或短杆菌种的合适突变体作为产生氨基酸的微生物用于赖氨酸。
优选木薯淀粉(Cassava)的水解物、高果糖玉米糖浆(HFCS)、淀粉水解物(葡萄糖)或蔗糖用作碳源。少部分可以来自甜菜或甘蔗糖蜜。这部分不应超过总碳源的5重量％(＝在总碳源中10重量％糖蜜)。
对于苏氨酸、色氨酸或泛酸，优选使用大肠杆菌种或棒状杆菌种的合适突变体。
除了氨水或硫酸铵，含蛋白质水解物的物质也可作为氮源，如玉米麸、大豆粉或前一批加入的生物质，或例如玉米膨化液或鱼蛋白胨。
根据发明目的，发酵温度介于30和40℃之间，发酵培养基的pH值介于6.0和8.0之间。发酵时间一般为100h以及更久。
在发酵结束之后，一般用加热或通过其他方法将微生物灭杀，例如通过加入矿物酸，如硫酸。
随后，必要时用已知方法全部地或部分地将生物质分离，如离析、倾析、离析和倾析的结合、超滤或微滤。
用已知的方法将发酵液浓缩为固体含量30到60重量％的预浓缩物，例如使用薄膜蒸发器或沉淀膜蒸发器。这种预浓缩物可以象发酵液一样直接应用本发明的方法。
至此，就L-氨基酸含量而言，如希望使本发明的动物饲料标准化，例如可以通过残留生物质的含量的选择和/或预浓缩物和/或发酵液的适当混合而实现。还可以相应地将原液与不含或少含生物质的发酵液相混合来达到标准化。另一种可能是添加少量符合饲料法规的无害参混剂，如麦麸、玉米芯粉或珍珠岩，或者可以添加纯的L-氨基酸或维生素。
根据本发明方法所得动物饲料添加剂可用于添加或者制备动物饲料或动物饲料的预混合物。
其必要时包含含量为＞0到20重量％的生物质(干量)。
Claims (17)
1.一种粒化含氨基酸和/或维生素的饲料添加剂的方法，其特征在于，所述粒化在循环流化床中进行，其中干燥气体流的入流速度致使基于造粒腔室中的流化床的固体颗粒的30重量％到100重量％连续向上排离该腔室，然后从气流中分离并返回进入造粒腔室。
2.根据权利要求1的方法，其中所述饲料添加剂包含来自发酵液的其它成分。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，
a)在一个含流化床的造粒腔室中喷洒氨基酸或维生素的水悬浮液或水溶液，
b)用干燥气体将至少10重量％的造粒腔室中的微粒排出腔室，
c)随后将所排出的微粒从气体流中分离，
d)将分离出的微粒通过循环至少部分地再次引入流化床，
e)具有所期望粒径范围内的尺寸的成粒微粒连续地以一定量从腔室中引出，使得腔室中存在的固体含量保持恒定。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，干燥气体通过入流底板导入腔室并使得可以抵抗重力而流过。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于，存在于造粒腔室中的固体颗粒的50重量％到100重量％用干燥气体连续地向上排出。
6.根据权利要求2的方法，其特征在于，入流速度是必要速度的1到10倍，该必要速度是为了用干燥气流将所期望粒径的粒子从腔室中输送出来所必需的。
7.根据权利要求3的方法，其特征在于，每小时的循环量相当于粒化腔室中滞留量的2到100倍。
8.根据权利要求3的方法，其特征在于，引入温度100到450℃范围的干燥气体。
9.根据权利要求3的方法，其特征在于，将微生物发酵所得含氨基酸或维生素的发酵液喷洒入腔室，其中发酵液含有发酵期间形成总量的≥0到100％的生物质。
10.根据权利要求3的方法，其特征在于，将氨基酸或维生素的水溶液或水悬浮液喷洒入腔室。
11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，所述氨基酸和维生素是选自L-赖氨酸、L-苏氨酸、L-色氨酸，L-精氨酸或泛酸钙或泛酸的化合物。
12.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述氨基酸是蛋氨酸。
13.根据权利要求10到12之一的方法，其特征在于，将L-苏氨酸的过热饱和溶液，喷洒入腔室。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，在流向喷嘴的过热溶液入流管线中形成1到5巴的初始压力。
15.根据权利要求13的方法，其特征在于，将溶液过热至高于100℃到160℃。
16.根据权利要求1的方法，其特征在于，向流化床引入机械能。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，将机械能通过可移动的平面形形成物引入流化床。
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