DD250544A1

DD250544A1 - METHOD OF EVALUATING GUARANTEE STRAW AND OTHER LIGNOCELLULOSIC MATERIALS

Info

Publication number: DD250544A1
Application number: DD29189986A
Authority: DD
Inventors: Gerd-Rainer Vollmer; Johann Franz
Original assignee: Adl Der Ddr Inst F Duengungsfo
Priority date: 1986-06-30
Filing date: 1986-06-30
Publication date: 1987-10-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhoehung des Futterwertes von Guellefeststoff und anderen lignozellulosehaltigen Materialien. Nach den bekannten Verfahren der Aufwertung von Stroh und aehnlichen Materialien muss eine oft betraechtliche Menge an Hilfs- bzw. Zuschlagstoffen eingesetzt werden. Am gelaeufigsten sind der Saeureaufschluss, der Basenaufschluss oder eine Kombination von beiden. Auch Pilze werden eingesetzt, jedoch sind die Prozessbedingungen so anspruchsvoll, dass meist unerwuenschte Nebenprodukte erhalten werden. Der Einsatz von Mikroorganismen im thermophilen Bereich ist mit erheblichen Energieaufwendungen verbunden. Das Ziel der Erfindung besteht in der Aufwertung von Guellefeststoff oder anderen lignozellulosehaltigen Materialien durch Fermentation im mesophilen Bereich. Das Ziel wird erreicht, indem der entsprechende Fermentationsrohstoff mit einer auf der Basis von Schweineguelle gezuechteten Mischpopulation gemischt und entsprechend belueftet wird. Nach der Fermentation wird die fluessige Fraktion durch Filtration abgetrennt, wobei die in der Dispersion enthaltenen Feststoffe als Filterhilfsmittel fungieren. Auf diese Weise wird eine Kombination zwischen Aufschlussverfahren und mikrobieller Proteingewinnung realisiert.The invention relates to a method for increasing the feed value of guelle solids and other lignocellulose-containing materials. According to the known methods of upgrading straw and similar materials, an often considerable amount of auxiliaries or additives must be used. The most common are the acid digestion, the base digestion or a combination of both. Mushrooms are also used, but the process conditions are so demanding that mostly undesirable by-products are obtained. The use of microorganisms in the thermophilic range is associated with considerable energy expenditure. The object of the invention is the upgrading of guelle solids or other lignocellulosic materials by fermentation in the mesophilic range. The objective is achieved by mixing the corresponding fermentation raw material with a mixed population based on pig swine and ventilating it accordingly. After fermentation, the liquid fraction is separated by filtration, the solids contained in the dispersion acting as a filter aid. In this way, a combination between digestion process and microbial protein recovery is realized.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Futterwertes von Güllefeststoff und weiteren lignozellulosehaltigen Futtermitteln durch enzymatische Behandlung.The invention relates to a process for increasing the feed value of liquid manure and other lignocellulosic feedstuffs by enzymatic treatment.

Characteristic of the known technical solutions

Zur Erhöhung des Futterwertes von Güllefeststoff oder anderen zellulosehaltigen Materialien sind nach den bekannten Verfahren erhebliche Mengen an Energie oder Zusatz- bzw. Hilfsstoffen für eine entsprechende Behandlung auf mechanischem, thermischem oder chemischem Weg notwendig.To increase the feed value of liquid manure or other cellulosic materials considerable amounts of energy or additives or excipients for a corresponding treatment by mechanical, thermal or chemical means are necessary according to the known methods.

Nach DD 118797 werden die in Schweinegülle enthaltenen Feststoffe mittels Kugelmühle einer intensiven Zerkleinerung unterzogen, nach DD 131 989 werden Stroh oder andere feste, strukturierte landwirtschaftliche Nebenprodukte (Flachs, Malzkeime) gepreßt und somit als Futtermittel oder Futtermittelzusatz bereitgestellt. Neben diesen mechanischen Vorbehandlungen wird auch die thermische Behandlung in unterschiedlichen Varianten (u.a. US 4401 019) vorgeschlagen. Ebenfalls praktiziert werden chemische Aufschlußverfahren, wobei als Hilfsstoffe sowohl Säuren als auch Basen eingesetzt werden. Nach DD 122922 werden die Feststoffe aus Schweinegülle mit Phosphorsäure und einer Kraftfuttermischung versetzt und sind so als Futtermittel für Wiederkäuer einsetzbar. Ebenfalls durch Säurehydrolyse wird Zellulosematerial nach US 4053645 aufgeschlossen, wobei als Säurekomponente ein Gemisch aus Salpetersäure, Schwefelsäure und Phosphorsäure eingesetzt wird.According to DD 118797, the solids contained in pig manure are subjected to intensive crushing by ball mill, according to DD 131 989 straw or other solid, structured agricultural by-products (flax, malt sprouts) pressed and thus provided as feed or feed additive. In addition to these mechanical pretreatments, thermal treatment in various variants (US Pat. No. 4,401,019, for example) is also proposed. Also practiced are chemical digestion processes, using as acids both acids and bases. According to DD 122922, the pig manure solids are mixed with phosphoric acid and a concentrated feed mixture and can thus be used as feed for ruminants. Likewise by acid hydrolysis cellulosic material is digested according to US 4053645, wherein a mixture of nitric acid, sulfuric acid and phosphoric acid is used as the acid component.

In US 4048341 beschrieben wird der Futterwert von lignozellulosehaltigem Material durch intensive Kontaktierung mit alkalischer Flüssigkeit erhöht. Durch Kombination von Säure- und Basenaufschluß wird nach DE 2141 722 die Verbesserung der Verdaulichkeit von zur Verwendung als Futtermittel vorgesehenen pflanzlichen oder tierischen Rohprodukten erreicht. Der Futterwert von Stroh kann durch Begasen mit Ammoniak und gleichzeitigem Erhitzen erhöht werden (GB 2094127). Weitere Verfahren beschreiben die Herstellung von Gemischen aus lignozellulosehaitigem Material und Zusatzstoffen. So wird nach DD 98819 die Erhöhung des Nährstoffgehaltes von Schweinegüllefeststoff dadurch erreicht, daß die bei der biologischen Aufbereitung von Gülle anfallende Biomasse gefällt und den Feststoffen zugemischt wird. Allerdings konnte bisher noch keine Biomasse in verfütterbarer Qualität bereitgestellt werden.In US 4048341 the feed value of lignocellulosic material is increased by intensive contact with alkaline liquid. By combining acid and base digestion, DE 2141 722 achieves the improvement of the digestibility of vegetable or animal raw products intended for use as animal feed. The feed value of straw can be increased by gassing with ammonia and simultaneous heating (GB 2094127). Further processes describe the preparation of mixtures of lignocellulose-containing material and additives. Thus, according to DD 98819, the increase in the nutrient content of pig manure solid material is achieved by precipitating the biomass resulting from the biological treatment of liquid manure and adding it to the solids. However, so far no biomass could be provided in feedable quality.

Nach US 3692 530 wird das Stroh durch Zugabe von Kartoffelschalen aufgewertet. Unter DE 2714096 ist ein Verfahren mit Vorrichtung zum Aufwerten von Häckelstroh beschrieben, wobei gehäckseltes Gut bei Austritt aus der Häckselmaschine mit einem Gemisch aus Proteinen, Melasse und Wasser besprüht wird. Durch Mischung von Kleie als Kohlenstoffträger und Tierkot (DE 28313351) wird nach aerober Verrottung ein Produkt gewonnen, das als Futtermittel verwendbar ist. In letzter Zeit gewinnt die Erhöhung des Futterwertes von Stroh und Lignozellulosen auf mikrobiellem Weg zunehmend an Bedeutung. Nach einem unter US 3937845 beschriebenen Verfahren wird das Stroh chemisch durch Säure- und Basenbehandlung aufgeschlossen und die Zellulose durch Fermentation mit Candida utilis in Futterprotein umgewandelt. Neben Hefen werden Pilze eingesetzt, wobei dann auf die chemische Vorbehandlung verzichtet werden kann, die Fermentationsbedingungen sind aber oft anspruchsvoll und es werden keine reinen Produkte erhalten. So wird in US 4401 680 der proteinreiche Pilz Chaetonium cellulolyticum eingesetzt, der eine höhere Aktivität als der bisher meist angewendete Trichoderma reesei aufweisen soll. Außerdem finden thermophiIe Mikroorganismen Verwendung (US 3838198), der Energieaufwand derartiger Verfahren ist aber beträchtlich.According to US 3692 530, the straw is upgraded by the addition of potato peels. DE 2714096 describes a method with an apparatus for upgrading straw of straw, wherein chopped material is sprayed on leaving the chopper with a mixture of proteins, molasses and water. By mixing bran as a carbon carrier and animal excrement (DE 28313351), a product is obtained after aerobic rotting, which can be used as feed. Recently, increasing the feed value of straw and lignocelluloses by microbial route is becoming increasingly important. According to a method described under US 3937845, the straw is digested chemically by acid and base treatment and the cellulose is converted into feed protein by fermentation with Candida utilis. In addition to yeasts mushrooms are used, in which case can be dispensed with the chemical pretreatment, but the fermentation conditions are often demanding and there are no pure products. For example, US Pat. No. 4,401,680 uses the protein-rich fungus Chaetonium cellulolyticum, which is said to have a higher activity than the previously used Trichoderma reesei. In addition, thermophilic microorganisms are used (US Pat. No. 3,838,198), but the energy expenditure of such processes is considerable.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, durch aerobe Fermentation von Güllefeststoff und anderen lignozellulosehaltigen Materialien den Futterwert der Fermentationsrohstoffe zu erhöhen und ein den Erfordernissen der Tierernährung entsprechendes Futtermittel zu gewinnen.The aim of the invention is to increase the feed value of the fermentation raw materials by aerobic fermentation of liquid manure and other lignocellulose-containing materials and to obtain a feed corresponding to the requirements of animal nutrition.

Explanation of the essence of the invention

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Futterwert von Güllefeststoff und anderen lignozellulosehaltigen Materialien durch Fermentation zu erhöhen. Als Bakterium wird eine aus der Fermentation von Schweinegülle isolierte Mischpopulation eingesetzt, die sich durch eine hohe Cellulaseaktivität und hohe Stabilität hinsichtlich der Milieubedingungen auszeichnet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine auf der Basis von Schweinegülle gezüchtete Bakteriensuspension mit Güllefeststoff oder anderen lignozellulosehaltigen Materialien versetzt und aerob fermentiert wird. Dabei wird von Lignin umgebene Zellulose aufgeschlossen und die nun mikrobiell konvertierbare Zellulose in Biomasse umgewandelt, also Aufschlußverfahren und mikrobielle Proteingewinnung miteinander kombiniert. Der Fermentationsprozeß ist über die Temperaturführung sowie die Zusammensetzung der dem Bioreaktor entströmenden Abluft kontrollierbar sowie über die Zuluftmenge steuerbar. Auf diese Weise ist ein stabiles Betriebsregime realisierbar, so daß eine reproduzierbare Führung des biotechnologischen Prozesses möglich wird und damit eine konstante Zusammensetzung des Fermentationsproduktes garantiert ist. Die verwendeten Kulturen sind Mischkulturen, die gegenüber Reinkulturen eine höhere Prozeßstabilität sowie eine höhere Aktivität aufweisen. Sie werden Schweinegüllefiltrat oder -fugat gezüchtet, wobei nach der Fermentation suspekte Inhaltsstoffe durch Sedimentation von der bakteriellen Suspension abgetrennt werden, so daß diese Suspension aus einer nährstoffreichen Flüssigkeit und Mikroorganismen besteht.The invention has as its object to increase the feed value of manure solid and other lignocellulosic materials by fermentation. The bacterium used is a mixed population isolated from the fermentation of pig manure, which is characterized by a high cellulase activity and high stability with regard to the environmental conditions. According to the invention the object is achieved in that a bred on the basis of pig manure bacterial suspension is mixed with slurry solids or other lignocellulose-containing materials and aerobically fermented. In the process, cellulose surrounded by lignin is digested and the now microbially convertible cellulose is converted into biomass, ie digestion processes and microbial protein production are combined. The fermentation process can be controlled via the temperature control and the composition of the bioreactor effluent exhaust air and controlled by the supply air. In this way, a stable operating regime can be realized, so that a reproducible leadership of the biotechnological process is possible and thus a constant composition of the fermentation product is guaranteed. The cultures used are mixed cultures which have a higher process stability and a higher activity compared to pure cultures. They are bred pig pork filtrate or Fugat, wherein after fermentation suspicious ingredients are separated by sedimentation of the bacterial suspension, so that this suspension consists of a nutrient-rich liquid and microorganisms.

Da diese Fermentation bei Temperaturen über 3O⁰C stattfindet, wird auch eine weitgehende Hygienisierung des eingesetzten Mediums erreicht. Die so hergestellte Bakteriensuspension wird mit Güllefeststoff, gehäckseltem Stroh oder ähnlichen Materialien belüftetSince these fermentation takes place at temperatures above 3O ⁰ C, and a high degree of sanitization of the medium used is achieved. The bacterial suspension thus prepared is aerated with slurry solids, chopped straw or similar materials

Der Fermentationsprozeß ist gekennzeichnet durch The fermentation process is characterized by

— eine Temperatur von 20⁰C bis 50⁰C, vorzugsweise zwischen 35°C und 45°C- A temperature of 20 ⁰ C to 50 ⁰ C, preferably between 35 ° C and 45 ° C.

— einen pH-Wert zwischen 6,5 und 8- a pH between 6.5 and 8

— eine mittlere Verweilzeit von 5 bis 20 Stunden, vorzugsweise 8 bis 12 Stunden- An average residence time of 5 to 20 hours, preferably 8 to 12 hours

— eine Belüftungsrate von 4 bis 6m³ Luft pro m³ Reaktionsvolumen und Stunde.- An aeration rate of 4 to 6m ^{3 of} air per m ^{3 of} reaction volume and hour.

Durch die Fermentation wird eine weitere Hygienisierung durch Abtöten restlicher pathogener Bestandteile erreicht. Zur Abtrennung des Fermentationsproduktes aus der Flüssigkeit wird der Fermentorablauf filtriert, wobei die festen Bestandteile gleichzeitig Filterhilfsmittel sind. Dazu wird der Fermentorablauf in einen mit Siebblechboden ausgestatteten Behälter gegeben bzw. auf eine Platte zum Abdrainieren oder besser über ein Bogensieb geleitet. Die in der Dispersion enthaltenen Bakterien werden von den Feststoffen zurückgehalten, die abfließende Flüssigkeit kann in den Bioreaktor zu rückgeführt werden. Auf diese Weise wird eine bedeutende Aufwertung gegenüber dem Fermentationsrohstoff erreicht, wobei Fermentationsprodukt und Filterhilfsmittel in einer Komponente vereinigt sind. Eine Weiterbehandlung des Fermentationsproduktes durch Trocknung ist nach bekannten Verfahren möglich. Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens gegenüber gegenwärtig angewandten Verfahren der Erhöhung des Futterwertes von Güllefeststoff und ähnlich zusammengesetzten Materialien sind:The fermentation achieves further sanitation by killing residual pathogenic components. To separate the fermentation product from the liquid, the fermenter effluent is filtered, the solid constituents being filter aids at the same time. For this purpose, the Fermentorablauf is placed in a container equipped with a perforated plate bottom plate or passed to a plate for Abdrainieren or better on a curved screen. The bacteria contained in the dispersion are retained by the solids, the effluent can be recycled to the bioreactor. In this way, a significant appreciation of the fermentation raw material is achieved, wherein fermentation product and filter aid are combined in one component. A further treatment of the fermentation product by drying is possible by known methods. The main advantages of the process over currently used methods of increasing the feed value of slurry and similar composite materials are:

— keine Zuführung von teuren Hilfs-oder Zusatzstoffen- no supply of expensive auxiliary or additives

— stabiler Fermentationsprozeß unter definierten konstanten Bedingungen- stable fermentation process under defined constant conditions

— weitere Erhöhung des Futterwertes durch Verwertung der entstehenden mikrobiellen Biomasse- further increase of feed value through utilization of the resulting microbial biomass

embodiments

Beispiel 1: Fermentation von GüllefeststoffExample 1: Fermentation of slurry solids

Eine in einem Tauchstrahlfermentor im kontinuierlichen Verfahren aerob behandelte Schweinegülle (Filtrat) aus einer industriemäßigen Schweinezuchtanlage wird in einen Sedimentationsbehälter (Dortmundbrunnen) gegeben.A pig manure (filtrate) from an industrial pig farm, aerobically treated in a submersible jet fermentor in a continuous process, is placed in a sedimentation tank (Dortmund well).

Durch Sedimentation werden unerwünschte Nebenprodukte der Fermentation abgetrennt. Der von absetzbaren Stoffen weitgehend befreite Überlauf wird zur Fermentation eingesetzt. Die Größenordnung und die Methoden der Tierhaltung einschließlich des angewendeten Fütterungsregimes bedingen eine in bestimmten Grenzen gleichbleibende Zusammensetzung der Rohgülle und damit auch der in der bakteriellen Suspension enthaltenen Mischpopulation.By sedimentation unwanted by-products of the fermentation are separated. The largely freed of settleable substances overflow is used for fermentation. The size and the methods of animal husbandry including the applied feeding regime require consistent within certain limits composition of the raw manure and thus the mixed population contained in the bacterial suspension.

Ausgangs- und Endprodukt (lufttrocken) sind durch folgende Stoffkennwerte charakterisierbar:The starting and end products (air-dry) can be characterized by the following material properties:

Fermentationsrohstoff: TS 89,2 %, Rohasche 5,2 %Fermentation raw material: TS 89.2%, crude ash 5.2%

Rohprotein 7,8 % derTS, Rohfaser 35,9 % der TS, Rohfett 1,2% der TS. Fermentationsprodukt: TS 87,1 %, Rohasche 9,3%Crude protein 7.8% of TS, crude fiber 35.9% of TS, crude fat 1.2% of TS. Fermentation product: TS 87.1%, crude ash 9.3%

Rohprotein 10,8 % der TS, Rohfaser 31,8 % derTS, Rohfett 1,4 % der TS.Crude protein 10.8% of the TS, crude fiber 31.8% of the TS, crude fat 1.4% of the TS.

Beispiel 2: Fermentation von StrohExample 2: Fermentation of straw

Die eingesetzte Mischpopulation wird auf der gleichen Basis wie in Beispiel 1 gewonnen. Die Fermentation verläuft ebenfalls unter den gleichen Bedingungen.The mixed population used is obtained on the same basis as in Example 1. The fermentation is also under the same conditions.

Das gehäckselte Stroh ist durch folgende Stoffkennwerte charakterisierbar:The chopped straw is characterized by the following material properties:

TS 84,8%, Rohasche 7,4%TS 84.8%, raw ash 7.4%

Rohprotein 5,4% der TS, Rohfaser 43,2% der TS, Rohfett 0,9% der TS.Crude protein 5.4% of the TS, crude fiber 43.2% of the TS, crude fat 0.9% of the TS.

Die Fermentation verläuft bei einer Temperatur von 35°C, einer Belüftungsrate von 5 m³ Luft pro m³ Fermentationsmedium und Stunde sowie einem pH-Wert von 7,5 bei einer mittleren Verweilzeit von 12 Stunden. Der Fermentorauslauf wird über ein Bogensieb abgetrennt. Das luftgetrocknete Fermentationsprodukt ist durch folgende Stoffkennwertecharakterisierbar:The fermentation proceeds at a temperature of 35 ° C., an aeration rate of 5 m ^{3 of} air per m ^{3 of} fermentation medium and hour and a pH of 7.5 with an average residence time of 12 hours. The fermenter outlet is separated via a curved sieve. The air-dried fermentation product is characterized by the following characteristic substances:

TS 94,4%, Rohasche 11,6%TS 94.4%, crude ash 11.6%

Rohprotein 11,6% der TS, Rohfaser 36,7% der TS, Rohfett 1,4% der TS.Crude protein 11.6% of the TS, crude fiber 36.7% of the TS, crude fat 1.4% of the TS.

Claims

A process for upgrading liquid manure, straw and other lignocellulosic materials, characterized in that the fermentation raw material and a suspension of bacteria produced bacterium suspension are conveyed by known means in a fermenter, that the mixture is aerated in the fermentor, wherein the ventilation rate to 6 m ^{3 of} air per m ³ reaction volume and hour, the fermentation is carried out at a temperature of 20 ^c C to 50 ⁰ C at a pH between 6.5 and 8, that the average residence time of 5 to 20 hours Fermentorablauf is separated into a liquid and solid component and the solid component is used directly or after drying as feed.

2. The method according to item 1, characterized in that the solid component is obtained by centrifugation or filtration and that during filtration, the solid component contained in Fermentorablauf acts as a filter aid.

3. The method according to item 1 and 2, characterized in that the liquid fraction of the fermenter effluent is recycled after separation into the fermentor.

4. The method according to item 1 to 3, characterized in that the Fermentorablauf preheats by heat exchange the inlet.