DD245806A1

DD245806A1 - METHOD FOR PRODUCING FEED AGENTS FROM BOVINE GROUPS

Info

Publication number: DD245806A1
Application number: DD86286844A
Authority: DD
Inventors: Gerd-Rainer Vollmer; Johann Franz; Bernd Linke
Original assignee: Adl Der Ddr Inst F Duengungsfo
Priority date: 1986-02-06
Filing date: 1986-02-06
Publication date: 1987-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Futtermitteln durch Kultivierung von Bakterien auf Guelle. Nach bekannten Verfahren der Gewinnung von Futtermitteln oder Futtermittelzusaetzen wird die Guelle aerob fermentiert, wobei Bioschlaemme von nicht verfuetterungsfaehiger Qualitaet anfallen. Fuer eine Nachbehandlung oder Beeinflussung der Fermentation muessen grosse Rohstoffmengen in die Guelleverwertung einbezogen werden, so dass derartige Verfahren der biotechnologischen Guelleverwertung noch nicht allgemeine Praxis sind. Eine guenstigere Prozessfuehrung und damit Vereinheitlichung der Mikroorganismenflora ist durch anaerobe Fermentation erreichbar. Das anfallende Biogas gestattet eine oekonomischere Verfahrensgestaltung. Bisher angewandte thermophile Verfahren erfordern einen sehr hohen Prozessenergiebedarf, wobei durch die hoeheren Stoffwechselleistungen thermophiler Bakterien die anfallende Biomassemenge geringer ist. Das Ziel der Erfindung besteht in der Gewinnung eines verfuetterungsfaehigen Produktes durch anaerobe Fermentation von Rinderguelle im mesophilen Bereich. Das Ziel wird durch eine spezifische, auf optimales Wachstum der beteiligten Bakterienkulturen ausgerichtete Verfahrensfuehrung erreicht, die unterschiedlichen Milieuansprueche der Mikroorganismen nutzend. Dadurch weist das Fermentationsprodukt einen relativ hohen Rohproteinanteil mit hohem Anteil essentieller Aminosaeuren aus. Durch das waehrend der Fermentation anfallende Biogas ist eine ideale Verfahrenskombination zwischen Futtermittelgewinnung und Energiegewinnung gegeben. Die Erfindung kann eingesetzt werden in Anlagen der industriellen Rinderproduktion sowie Anlagen, in denen Guelle anfaellt.The invention relates to a method for obtaining feed by culturing bacteria on guelle. According to known methods of obtaining feed or feed additives, the guelle is aerobically fermented, resulting in bio-sludge of non-viable quality. For aftertreatment or influencing the fermentation large amounts of raw materials must be included in the Guelleverwertung, so that such methods of biotechnological Guelleverwertung not yet common practice. A more favorable process management and thus standardization of the microorganism flora can be achieved by anaerobic fermentation. The resulting biogas allows a more economical process design. Previously used thermophilic processes require a very high process energy requirement, whereby the amount of biomass produced is lower due to the higher metabolic performances of thermophilic bacteria. The object of the invention is to obtain a product ready for decay by anaerobic fermentation of bovine sources in the mesophilic range. The goal is achieved by a specific, on optimal growth of the bacteria cultures involved Verfahrensfuehrung, taking advantage of the different environmental claims of the microorganisms. As a result, the fermentation product has a relatively high proportion of crude protein with a high proportion of essential amino acids. The biogas produced during fermentation provides an ideal combination of feed production and energy production. The invention can be used in industrial bovine production plants as well as plants in which barking occurs.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Futtermitteln aus Rindergülle durch anaerobe Fermentation bei gleichzeitiger Energiegewinnung.The invention relates to a method for the production of feed from cattle manure by anaerobic fermentation with simultaneous energy production.

Die Erfindung gehört in das Gebiet der technischen Mikrobiologie und kann in Anlagen der industriellen Tierproduktion sowie allen Anlagen, in denen Gülle anfällt, genutzt werden. Die Erfindung ist in die IPK A 23 K 1/00(C 02 C) einzuordnen.The invention belongs to the field of technical microbiology and can be used in plants of industrial animal production and all plants in which manure is obtained. The invention is classified in the IPK A 23 K 1/00 (C 02 C).

Characteristic of the known technical solutions

In den bekannten biologischen Aufbereitungsverfahren von Gülle nach der Abwasserreinigungstechnologie wird die Gülle — wie in DD-PS 98819 beschrieben — nach Abtrennen der Feststoffe in mehreren Stufen belüftet. Die dabei sich vermehrende Bakterienmasse wird als Bioschlamm teilweise im Kreislauf geführt, um die biologische Aktivität des Schlammes in den Belüftungsbecken aufrechtzuhalten. Die dem Kreislauf entnommene Biomasse soll für Fütterungszwecke geeignet sein. Durch Zugabe zusätzlicher Kohlenstoffquellen soll die Biomasseproduktion erhöht werden. Dazu bietet sich der vor der biologischen Aufbereitung der Gülle entnommene Feststoff an, der in zerkleinerter Form zugegeben wird (DD-RS 118797). Die Nutzung der in der Gülle vorhandenen Nährstoffe wird in DD-PS 128067 beschrieben. Der nach der ersten Abbaustufe gebildete Bioschlamm wird durch Sedimentation abgetrennt und der stickstoffhaltige Überstand nach Zugabe einer externen Kohlenstoffquelle erneut unter Sauerstoffzufuhr fermentiert. Die beiden produzierten Bioschlämme unterscheiden sich in ihrer Qualität und werden deshalb unterschiedlich zu Futtereiweiß aufgearbeitet.In the known biological treatment process of liquid manure according to the wastewater treatment technology, the manure is - as described in DD-PS 98819 - aerated after separation of the solids in several stages. The resulting increasing bacterial mass is partially recycled as biosludge to maintain the biological activity of the sludge in the aeration tanks. The biomass taken from the circulation should be suitable for feeding purposes. By adding additional carbon sources, the biomass production should be increased. For this purpose, the solid taken before the biological treatment of the slurry, which is added in crushed form (DD-RS 118797) offers. The use of existing nutrients in the manure is described in DD-PS 128067. The biosludge formed after the first stage of decomposition is separated by sedimentation and the nitrogen-containing supernatant is fermented again with the addition of oxygen after the addition of an external carbon source. The two produced organic sludge differ in their quality and are therefore processed differently to feed protein.

Diese Verfahren sind zur gezielten Synthese von Biomasse mit verfütterbarer Qualität nicht geeignet, da sich der Belüftungsprozeß im offenen Erdbecken bei ständig wechselnden Milieubedingungen bezüglich Homogenität, . Durchflußmenge, Temperatur und pH-Wert, was eine Vereinheitlichung der Mikroorganismenflora nicht zuläßt, vollzieht. Die ungenügende Qualität des Bioschlammes hinsichtlich der Verf ütterbarkeit drückt sich neben einer breit gefächerten Mikroorganismenflora in einer schlechten Verdaulichkeit aus, da die technologisch bedingte Rückführung des Belebtschlammes zu einer Selektion schwerverdaulicher Mikroorganismen führt.These methods are not suitable for the targeted synthesis of biomass with fertertbarer quality, since the ventilation process in open turf in constantly changing environmental conditions with respect to homogeneity,. Flow rate, temperature and pH, which does not allow a standardization of microbial flora, takes place. The inadequate quality of the biosludge in terms of dispersibility is expressed in addition to a broad microorganism flora in a poor digestibility, since the technologically related recycling of activated sludge leads to a selection of difficult to digest microorganisms.

Für Belebtschlammverfahren ist es wegen der aufgezeigten Mängel und Nachteile nicht möglich, eine für Fütterungszwecke geeigente Biomasse von hoher Qualität auf der Basis von Gülle zu gewinnen.For activated sludge process, it is not possible because of the identified shortcomings and disadvantages, to win a suitable for feeding biomass of high quality based on manure.

Zur Verbesserung der Qualität sind zahlreiche Verfahren zur Nachbildung der Bioschlammprodukte bekannt. Verschiedene Autoren schlagen Hydrolyseverfahren für die Gülle- und Bioschlammverwertung vor, wobei insbesondere nach erfolgter Säurehydrolyse Hydrolysate anfallen, die zur Kultivierung von Futterhefen einsetzbar sind. Die DE-OS 2414255 beinhaltet ein Verfahren der mikrobiellen Gülleaufbereitung mit anschließender Sterilisation des Überschußschlammes bei 8O⁰C bis 160⁰C. Der Futterwert kannjdurch Zugabe insbesondere schwefelhaltiger essentieller Aminosäuren gesteigert werden. Nach DE-OS 2242 377 wurde der Belebtschlamm nach der mechanischen Entwässerung auf 5 bis 15% TS einer Schocktrocknung bei 120 bis 140⁰C innerhalb von 10 bis20sec. auf einem Zweiwalzensumpftrockner unterzogen. Die Aufarbeitung von Überschußschlämmen durch Extrusion wurde ebenfalls mehrfach beschrieben, wobei die wesentlichen Unterschiede der Verfahren im empfohlenen, je nach Extruderart erforderlichen TS-Gehalt, in der Temperatur, dem Druck und der Dauer der Extrusion liegen.To improve the quality of numerous processes for the replication of biosludge products are known. Various authors propose hydrolysis processes for liquid manure and biosludge utilization, in particular hydrolysis resulting after acid hydrolysis resulting in the cultivation of feed yeasts. DE-OS 2414255 includes a method of microbial manure preparation with subsequent sterilization of the excess sludge at 8O ⁰ C to 160 ⁰ C. The feed value can be increased by adding in particular sulfur-containing essential amino acids. According to DE-OS 2242 377, the activated sludge after mechanical dehydration to 5 to 15% TS of a shock drying at 120 to 140 ⁰ C within 10 to 20 sec. subjected to a two-roll sump dryer. The processing of excess sludges by extrusion has also been described several times, the main differences of the process in the recommended, depending on the extruder type required TS content, the temperature, the pressure and the duration of the extrusion.

Weitere Erfindungsbeschreibungen zur Gewinnung von Futtermitteln oder Futtermittelzusätze aus Gülle zielen darauf, durch Vereinheitlichung der Mikroorganismen auf dem Weg der Verbesserung der Fermentationsbedingungen eine höhere Biomassequalität zu erreichen. In dem im DD-PS 213157 beschriebenen Verfahren erfolgt die Verwertung der Inhaltsstoffe von Güllefugaten durch ein- oder mehrstufige kontinuierliche Intensivfermentationen, vorzugsweise im schwach saurem Bereich bei Temperaturen bis zu 60"C entweder mit oder auch ohne Ausgleich durch Fremd-C-Quellen. Die Biomasse wurde einer Säurewäsche zur Reduzierung der Salzbelastung unterzogen.Further descriptions of the invention for the production of feed or feed additives from liquid manure aim to achieve a higher biomass quality by standardizing the microorganisms on the way of improving the fermentation conditions. In the method described in DD-PS 213157 the utilization of the ingredients of slurry manure by single or multi-stage continuous intensive fermentations, preferably in the weakly acidic range at temperatures up to 60 "C either with or without compensation by foreign C sources Biomass was subjected to an acid wash to reduce the salt load.

In der DD-PS 146616 wird die Gülle einer einstufigen kontinuierlichen Fermentation gegebenenfalls unter Zusatz von Kohlenstoff- und Phosphorträgern unterworfen. Diese Verfahren der biotechnologischen Gülleverwertung sind bisher noch nicht allgemeine Praxis, da neben unerwünschten Inhaltsstoffen in den Produkten große Rohstoffmengen in die Gülleverwertung einbezogen werden müssen und sich aus diesen Erfordernissen bestimmte Vorbehalte gegen die Verfahren ableiten.In DD-PS 146616, the manure is subjected to a one-stage continuous fermentation, optionally with the addition of carbon and phosphorus carriers. These methods of biotechnological manure utilization are still not a general practice, since in addition to undesirable ingredients in the products large quantities of raw materials must be included in the liquid manure and derived from these requirements certain reservations against the procedures.

Neben den Versuchen zur Gewinnung von Futtermitteln durch aerobe Güllebehandlung gewinnen in letzterZeit Bemühungen an Bedeutung, die während anaerober Güllebehandlungsverfahren anfallende Biomasse zu Futterzwecken zu nutzen. Im US-PS 3838199 wird die Gülle im thermophilen Bereich anaerob fermentiert, das anfallende Biogas wird als Prozeßenergie bereitgestellt und die Biomasse durch Zentrifugation vom Reaktionsgemisch abgetrennt. Das so erhaltene Produkt ist ohne weitere Behandlung verfütterbar. Allerdings sind die Aufwendungen zur Gewährleistung der Prozeßenergie für thermophile Verfahren hoch, und aufgrund der höheren Stoffwechselleistungen thermophiler Mikroorganismenpopulationen ist die Besiedlungsdichte und damit die Biogasmasse gering.In addition to the attempts to obtain feed by aerobic slurry treatment, efforts are gaining in importance recently to use the biomass produced during anaerobic slurry treatment processes for animal feed. In US Pat. No. 3,838,199, the manure is anaerobically fermented in the thermophilic range, the biogas produced is provided as process energy, and the biomass is separated off from the reaction mixture by centrifugation. The product thus obtained is fertile without further treatment. However, the costs for ensuring the process energy for thermophilic processes are high, and due to the higher metabolic performances of thermophilic microorganism populations, the colonization density and thus the biogas mass is low.

In dem in US-PS 3973043 beschriebenen Verfahren ist der anaeroben Stufe mit Biogaserzeugung eine aerobe Fermentationsstufe, durch die ein protein reiches Produkt erzeugt wird, nachgeschaltet. Für die aerobe Verfahrensstufe gelten die eingangs genannten Nachteile, wobei der Kohlenstoff anteil im Fermentationsrohstoff durch die vorhergie anaerobe Verfahrensstufe weiter reduziert ist. US-PS 4298621 kennzeichnet ein Verfahren der anaeroben Behandlung von Hühner-, Schweine- und Rindermist, wobei neben Biogas nach verschiedenen Trennoperationen ein verfütterungsfähiges Produkt anfällt, daß insbesondere für Rindergülle eine geringe Qualität und Quantität bezüglich des Reinproteingehaltes liefert.In the process described in US Pat. No. 3,973,043, the anaerobic stage with biogas production is followed by an aerobic fermentation stage, through which a protein-rich product is produced. For the aerobic process stage, the aforementioned disadvantages apply, wherein the carbon content in the fermentation raw material is further reduced by the vorgie anaerobic process stage. US Pat. No. 4,298,621 describes a method of anaerobic treatment of chicken, pork and bovine manure, in which apart from biogas, after various separation operations, a fertile product is obtained which, in particular for bovine manure, gives a low quality and quantity with respect to the pure protein content.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, durch anaerobe Fermentation von Rindergülle ein verfütterungsfähiges Produkt entsprechend den Erfordernissen der Tierernährung zu erhalten bei gleichzeitiger Gewinnung von Energie und Form von Biogas.The aim of the invention is to obtain by anaerobic fermentation of cattle manure a fertile product according to the requirements of animal nutrition while obtaining energy and form of biogas.

Explanation of the essence of the invention

Die Erfindung beinhaltet, die in der Rindergülle vorhandenen anorganischen und organischen Inhaltsstoffe und von denen insbesondere Rohfaser und Kohlenhydrate in Biomasse zu konvertieren und dabei Energie und Form von Methan zu gewinnen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gülle einer anaeroben Fermentation unterzogen wird, die auf ein optimales spezifisches Wachstum der beteiligten Mikroorganismenpopulationen ausgerichtet ist, daß der Fermentorablauf direktverfüttert oder durch Zentrifugation und Trocknung in eine trockensubstanzreiche Form überführt wird und das anfallende Biogas als Energieträger Verwendung findet.The invention involves converting the inorganic and organic ingredients present in the bovine slurry and, in particular, converting crude fiber and carbohydrates into biomass, thereby obtaining energy and form of methane. According to the invention the object is achieved in that the manure is subjected to an anaerobic fermentation, which is aligned with an optimal specific growth of the participating microorganism populations that the fermenter effluent is directly fed or transferred by centrifugation and drying in a dry substance-rich form and the resulting biogas used as an energy source place.

Die spezifische Verfahrensführung bietet für alle an der Biogasbildung beteiligten Mikroorganismengruppen auf optimale Vermehrung ausgerichtete Milieubedingungen. Während Methanbakterien hinsichtlich dieser Kulturbedingungen anspruchsvoll sind, setzt die Tätigkeit fermentativer Bakteriengruppen schon in den Güllekanälen der Stallanlagen, also unter relativ einfachen Milieubedingungen ein. Durch Verlängerung der Verweilzeit der Gülle beispielsweise in Fließkanälen oder einem Lagerbehälter wird diesen Bakteriengruppen die Möglichkeit gegeben, sich ausreichend zu vermehren. Produkte der Stoffwechseltätigkeit fermentativer anaerober Mikroorganismen sind unter anderem wasserdampfflüchtige Karbonsäuren. Höhere Konzentration an Karbonsäuren im Biogasreaktor hemmen aber das Wachstum der Methanbakterien. Durch kontrollierte Beschickung des Biogasreaktors kann die Konzentration an wasserdampfflüchtigen Karbonsäuren in Bereichen gesteuert werden, die ebenfalls ein optimales Wachstum der methanogenen Bakteriengruppen garantieren. Durch die spezifische Verfahrensgestaltung ist es möglich, ein stabiles Betriebsregime zu realisieren, so daß eine reproduzierbare Führung des biotechnologischen Prozesses möglich wird und damit eine konstante Zusammensetzung des Fermentationsproduktes garantiert istThe specific procedure provides for all involved in the formation of biogas microorganism groups on optimal propagation oriented environmental conditions. While methane bacteria are demanding with regard to these culture conditions, the activity of fermentative bacteria groups already starts in the manure canals of the barn plants, ie under relatively simple environmental conditions. By extending the residence time of the liquid manure, for example in flow channels or a storage container, these bacteria groups are given the opportunity to reproduce sufficiently. Products of the metabolic activity of fermentative anaerobic microorganisms are, among others, steam-volatile carboxylic acids. Higher concentrations of carboxylic acids in the biogas reactor inhibit the growth of methane bacteria. Controlled charging of the biogas reactor can control the concentration of steam-volatile carboxylic acids in areas which also guarantee optimal growth of the methanogenic bacteria groups. Due to the specific process design, it is possible to implement a stable operating regime, so that a reproducible management of the biotechnological process is possible and thus a constant composition of the fermentation product is guaranteed

Der Fermentationsprozeß im Biogasreaktor ist gekennzeichnet durch: The fermentation process in the biogas reactor is characterized by:

— eineTemperaturvon25bis40°C; vorzugsweise zwischen 33 und 36°C;A temperature of 25 to 40 ° C; preferably between 33 and 36 ° C;

— einen pH-Wert zwischen 7 und 8,5;- a pH between 7 and 8.5;

— einer Verweilzeit von 10bis20Tagen;- a residence time of 10 to 20 days;

— einer Konzentration an wasserdampfflüchtigen Karbonsäuren von höchstens 1,5g/l.- a concentration of steam-volatile carboxylic acids of not more than 1.5 g / l.

Diese langen Verweilzeiten führen im angegebenen Temperaturbereich zu einer Hygenisierung des Produktes durch Abtöten der pathogenen Bestandteile und Keime wie Salmonellen. Die Methanbakterien sind wegen des Feh lens von N-Acetylmuraminsäure und damit Murein in der Zellwand außerordentlich gut verdaulich. Ihre Fähigkeit, Vitamine zu synthetisieren, steigert den Futterwert des Produktes. Das durch die Fermentation erhaltene Produkt zeichnet sich durch eine hohe Proteinqualität aus. Es kann direkt als Futterzusatz verwendet werden oder durch ein entsprechendes Trennaggregat (z. B. Zentrifuge) und anschließender Trocknung in eine Form mit höherem Futterwert überführt werden.These long residence times lead in the specified temperature range to a hygenization of the product by killing the pathogenic constituents and germs such as Salmonella. The Methanbakterien are due to the absence of lens of N-acetylmuramic acid and thus murein in the cell wall extremely well digestible. Their ability to synthesize vitamins increases the nutritional value of the product. The product obtained by the fermentation is characterized by a high protein quality. It can be used directly as a feed supplement or be transferred to a mold with a higher feed value by means of a suitable separation unit (eg centrifuge) and subsequent drying.

Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens gegenüber gegenwärtig vorgeschlagenen Verfahren zur Futtermittelgewinnung aus Gülle sind:The main advantages of the method compared to currently proposed methods of obtaining feed from manure are:

— ökonomischere Verfahrensgestaltung durch Kombination von Futtermittel- und Energiegewinnung;- more economical process design through combination of feed and energy production;

— stabiler Fermentationsprozeß unter definierten konstanten Bedingungen durch Kontrolle der wasserdampfflüchtigen Karbonsäuren nach bekannten analytischen Methoden;- stable fermentation process under defined constant conditions by controlling the steam-volatile carboxylic acids by known analytical methods;

— keine Zuführung von zusätzlichen Rohstoffen oder Zuschlagstoffen.- no supply of additional raw materials or aggregates.

embodiment

Die im Rahmen des Verfahrensbeispieles eingesetzte Gülle entstammt einer industriellen Jungrinderanlage. Die Größenordnung und die Methoden der Tierhaltung einschließlich des angewendeten Fütterungsregimes bedingen eine imThe slurry used in the process example comes from an industrial young cattle plant. The scale and the methods of animal husbandry including the applied feeding regime require a

bestimmten Grenzen gleichbleibende Zusammensetzung der Rohgülle. Die Entmistungstechnologie wird so organisiert, daß eine Gülle erst nach ca. 14 Tagen Lagerung in den Fließkanälen der Stallanlagen in den Fermentor gefördert wird. Als Regelgröße dient dabei die Konzentration der wasserdampfflüchtigen Karbonsäuren. Die Fermentation verläuft bei einer Temperatur von 33°C, einem pH-Wert von 7,9 und einer mittleren Verweilzeit von 10 Tagen. Mit7,5goTS/l.d wird eine den spezifischen Wachstumsbedingungen der Methanbakterien angepaßte Raumbelastung von 7,5goTS/l.d gewählt. Die Biogasausbeute beträgt 0,20 m³/kg oTS, der Methananteil im Biogas 58%. Das auf diese Weise erhaltene Produkt weist u.a. folgende Stoff ken η werte auf:certain limits consistent composition of raw manure. The manure removal technology is organized in such a way that a liquid manure is transported into the fermenter only after approximately 14 days of storage in the flow channels of the barns. The controlled variable used here is the concentration of the steam-volatile carboxylic acids. The fermentation proceeds at a temperature of 33 ° C, a pH of 7.9 and a mean residence time of 10 days. With 7.5 gTS / ld, a space load of 7.5 gTS / ld is selected which is adapted to the specific growth conditions of the methane bacteria. The biogas yield is 0.20 m ³ / kg oTS, the methane content in the biogas 58%. The product obtained in this way has, inter alia, the following substance ken η values:

Rohprotein 21,60%derTSCrude protein 21.60% of TS

Rohfett 2,06%derTSCrude fat 2.06% of TS

Rohfaser 24,35% derTSCrude fiber 24.35% of the TS

Der Rohproteinanteil beinhaltet u.a. folgende Aminosäurekonzentration in g/ 16g N (% vom Rohprotein):The crude protein content includes i.a. following amino acid concentration in g / 16g N (% of crude protein):

Lys. 3,97Lys. 3.97

Met. 1,27Met. 1,27

Zyst. 1,52Cyst. 1.52

Claims

Invention claim:

1. Two-stage process for the production of feed or feed additives from bovine manure with simultaneous production of biogas, characterized in that the crude manure is promoted after about 14 days storage within the cowshed or a separate container by means known in a fermenter that during this period the prepurification of the manure is largely completed - controllable over the concentration of steam-volatile carboxylic acids as a controlled variable - and that for the process a targeted on the optimal growth of bacteria involved in the process spatial load is selected and the fermenter with the interposition of a known separation unit in a solid and a liquid Component is separated and the solid component is used immediately after drying by means of a known device as a feed or pro rata to a conventional feed.

2. The method according to item 1, characterized in that the biogas produced in said fermentor is used completely or partially to meet the energy requirements of the process.