автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и научное обеспечение процесса массообмена при получении и применении суспензии Spirulina platensis в кормопроизводстве

СИТНИКОВ Николай Юрьевич

РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА МАССООБМЕНА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ И ПРИМЕНЕНИИ СУСПЕНЗИИ БРНОЛША РЬАТЕЖК В КОРМОПРОИЗВОДСТВЕ

Специальности:

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г9 двг 2013

Воронеж-2013

005532321

005532321

Работа выполнена в ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Научные руководители: заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Шевцов Александр Анатольевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Дранииков Алексей Викторович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

доктор технических наук, профессор Василенко Виталий Николаевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

кандидат технических наук Проскурина Олеся Петровна (Воронежский филиал ФГУ «Федеральный центр оценки безопасности и качества зерна и продуктов его переработки»

ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт комбикормовой промышленности», г. Воронеж

Защита диссертации состоится «19» сентября 2013 года в II00 часов в конференц-зале на заседании совета по защите диссертации на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы об автореферате (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат размещён в сети интернет на официальных сайтах: Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации https://vak2.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» http://vvww.vsuet.ru «17» августа 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Автореферат разослан «19» августа 2013 года\

Учёный секретарь совета по защите диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук, д. т. н., профессор

Г.В. Калашников

Актуальность работы. Одной из главных задач государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 20132020 годы является повышение конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции на основе инновационного развития АПК. При этом особое внимание уделяется таким приоритетным направлениям, как экологическая безопасность сельскохозяйственной продукции и обеспечение животноводства растительным кормовым белком. Получение экологически чистой комбикормовой продукции предполагает отказ от стимулирующих, гормональных, антибиотических и других фармакологических препаратов, обладающих кумулятивным действием и способных передаваться человеку через потребляемые продукты животноводства.

Этим требованиям отвечает природная биологически активная добавка - микроскопическая водоросль Spirulina platensis, которая богата высококачественными питательными веществами, особенно белками (65...72 %), Р-каротином и минеральными веществами. Уникальность биохимического состава биомассы Spirulina platensis делает привлекательным возможность её использования в составе комбикорма как источника важнейших компонентов, участвующих в обмене веществ сельскохозяйственных животных и птицы.

Культивирование Spirulina platensis в условиях управляемого биосинтеза в фотобиореакгорах позволяет получить микроводоросль с наиболее желаемым составом клеточных компонентов. Причём исключение применения химических реагентов, высоких температур и других воздействий на клетки Spirulina platensis практически полностью сохраняет их качественный и количественный состав.

Данному научному направлению посвящены труды М. Я. Сальниковой, П. А. Гладышева, С. С. Мельникова, Н. И. Богданова, В. А. Жаворонкова, А. М. Музафарова, Т. Т. Таубаева, И. А. Петрова, А. А.Штоля, Р. Г. Геворгиза, Р. П. Тренкеншу, П. Станчева, R. Andersen, Y. Lee, R. Materassi, M. Miranda, O. Pulz и др.

Научная работа по изучению микроводоросли Spirulina platensis в качестве кормовой добавки проводилась в рамках Федеральных целевых научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в соответствии с тематическим планом НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна ВГУИТ (№ гос. регистрации 01201253866) «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологических чистых технологий хранения и переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные продукты с программиру-

емыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлению «Экологически безопасные ресурсосберегающие производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (№ гос. регистрации П 1201).

Цель диссертационной работы: получение новой кормовой добавки с использованием суспензии микроводоросли БрггиНпа рШежя, обеспечивающей сбалансированность кормовых рационов и рост продуктивности сельскохозяйственных животных и птицы.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- изучение суспензионной культуры микроводоросли Бр1гиИпа рШет'к как объекта кормопроизводства;

- разработка экспериментального биореактора для осуществления процесса фотоавтотрофного биосинтеза микроводоросли;

- изучение основных кинетических закономерностей процесса массообмена при культивировании суспензии микроводоросли БрШта рШегки и определение рациональной области изменения технологических параметров в экспериментальном фотобиореакторе;

- моделирование массообмена при культивировании микроводоросли на основе математической интерпретации изменения концентрации абсолютно сухих веществ суспензии по высоте фотобиореак-тора и верификация полученной модели с последующей разработкой программного обеспечения;

- обоснование содержания суспензионной культуры микроводоросли БрШта рШет'к в составе комбикормов для разных видов животных и птиц;

- определение биологической и кормовой ценности комбикормов с вводом суспензии микроводоросли, оценка их стабильности при хранении и определение эффективности скармливания сельскохозяйственным животным и птице;

- разработка оригинальной конструкции фотобиореакгора для проведения высокоинтенсивного культивирования БрииИпарШет'и-,

- разработка способа производства комбикорма с использованием суспензии микроводоросли БрмИпа рШепзк-,

- разработка способа управления процессом фотоавтотрофного биосинтеза микроводоросли;

- промышленная апробация результатов и технико-экономическая оценка предлагаемых технических и технологических решений.

Научные положения, выносимые на защиту:

- закономерности процесса биосинтеза микроводоросли Бр'тй'та рШепя'м в фотобиореакторе с комбинированным кольцевым и плёночным истечением жидкости в различных секциях реактора;

- математическая модель изменения концентрации абсолютно сухих веществ суспензии по высоте фотобиореактора;

- обоснование возможности получений новой кормовой добавки с вводом полученной суспензии;

- алгоритм управления процессом культивирования микроводоросли БрйиПпа р1а1ет1з, обеспечивающий точность и надёжность регулирования технологических параметров.

Научная новизна.

Определены основные кинетические закономерности выращивания суспензии микроводоросли БржИпа рШеили в экспериментальном фотобиореакторе.

Разработана математическая модель процесса массообмена при противоточном истечении суспензии и газовой фазы в фотобиореакторе в исследуемом диапазоне технологических параметров.

Обоснованы технологические режимы ввода суспензии микроводоросли БрйиНпа рШет1$ в рассыпной комбикорм с его последующим гранулированием.

Составлен алгоритм управления процессом культивирования микроводоросли Бр1гиИпа рШет'к, обеспечивающий точность и надёжность управления технологическими параметрами.

Научно обоснован способ поучения суспензии микроводоросли БрггиПпа р1а1ет1В в фотобиореакторе при плёночном и кольцевом истечении жидкости.

Практическая ценность. Разработан способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов (пат. РФ №2458147) и конструкция фотобиореактора для его реализации (пат. РФ № 2458980).

Определены рациональные интервалы изменения технологических режимов процесса культивирования Бр1гиИпа рШет'и и конструктивных параметров фотобиореактора: концентрация С02 в газовоздушной смеси (ГВС) - 6,5...7,5 %; давление газовоздушной смеси на входе в фотобиореактор - 0,18...0,21 МПа; освещённость -18..22 клк; расход суспензии спирулины - 0,5...1,1 дм3/ч; высота рабочей зоны биореактора 2 ООО мм; шаг винтовой спирали - 10...15 мм.

Разработан способ производства комбикорма с вводом суспензии БртЛ'та рШет'ю и технологическая линия для его реализации (положительное решение о выдаче патента РФ по заявке №2012116655).

В результате фотоавтотрофного биосинтеза в фотобиореакторе получена и изучена как объект кормопроизводства суспензионная культура микроводоросли Spirulina platensis.

Определена биологическая и кормовая ценность комбикормов с вводом суспензии Spirulina platensis, произведена оценка их стабильности при хранении, выявлена эффективность скармливания сельскохозяйственным животным и птице.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует п. п. 1, 2 и 4 паспорта специальности 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств и п. п. 3, 4, и 9 специальности 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на отчётных научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (2010 -2012); V Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2011); VII Международной научно-практической конференции «Динамика научного развития-2011» (Польша, 2011); Международной научно-технической конференции «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития» (Воронеж, 2011); Международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2012). Результаты работы отмечены золотой медалью участника выставки «Агросезон» (Воронеж, 2010), отмечены дипломами участника выставки «ВоронежАГРО» и Воронежского агропромышленного форума (2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей в журналах, включённых ВАК в перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, получено 2 патента РФ на изобретения и 1 положительное решение о выдаче патента РФ по заявке №2012116655.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 32 таблицы. Список литературы включает 209 наименования, в том числе 19 зарубежных. Приложения к диссертации представлены на 47 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы представленные в научной литературе данные о суспензии Бр1гиИпа ркиепзю как биологическом объекте, способах культивирования микроводорослей и о современных конструкциях биореакторов; изложены основные подходы к математическому моделированию массообмена в биореакторах; рассмотрено современное состояние использования продуктов фотоавтотрофного биосинтеза в качестве кормовых добавок. Сформулирована цель и задачи диссертационной работы, определены методы решения поставленных задач.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса культивирования микроводоросли $р\ги1та рЫет1я в фотобиореакторе при комбинированном истечении жидкости с высотой рабочей зоны 2 ООО мм: зона кольцевого истечения составляет 900 мм, зона плёночного - 800 мм (рис. 1). Для культивирования суспензии ЯрггиИпа рШет1$ используется питательная среда Зарукка.

7 9 ''0 ? 17 I 16 3 ' Схема экспериментальной

. _ ......^ ^ I I /" 21 установки: 1 - фотобиореактор; 2, 3, 4, 5, 6

■ '- секции фотобиореактора;7, 8 - ёмкости с

_ 'р- ' инокулятом и готовым продуктом; 9 - тру-

у/ 4 бопровод; 10 - насос; 11 - баллон с С02; 12

. ■ *>" _ барботёр; 13 - патрубок ввода ГВС; 14 -, , ур трубка со спиралью; 15 - плёнкообразую-1 К ШЖ 6 Щ1™ колпачок> ~ трубка с устройством

'ТвВИ!!-*'*' 11 перемешивания и кольцеобразования пото-лШШШг^"' ка; 17 - щелевое устройство; 18, 19 - вен-

»} тиляторы; 20 - щит управления; 21 - лампа

ШЯЩ: типа ЛБ-20; 22 - лампа типа ОЭКАМ; 23 -

\ ^ ч ч газовый коллектор.

Эксперименты проводились в следующих диапазонах изменения технологических режимов и конструктивных параметров: концентрация С02 в газовоздушной смеси (ГВС) - 6...10 %; расход газовоздушной смеси - 13,6...23,3 кг/ч; освещённость — 12...25 клк; расход суспензии спирулины - 0,8...2,8 дм3/ч; шаг витков спирали -5...10 мм; толщины проволоки спирали - 1,9...3,5 мм; размер щели верхнего и нижнего распределителей потока - 1.. .3 мм.

Особенностью фотобиореактора является реализация различных гидродинамических режимов истечения жидкости: в первой секции кольцевого, во второй - плёночного, а также использование прозрачных горизонтальных перегородок для максимально возможного использования источников света.

Изучены кинетические закономерности накопления абсолютно сухой биомассы (АСБ) БрШта рШети в исследуемом диапазоне технологических параметров (рис. 2 — 5).

5.0

АСБ

\\

1 V \ \ \ \ 2 3

20 40 60 80

120

Рис. 2. Цикл субкультивирования биомассы при концентрации С02 в ГВС:1 -3 %; 2 — 5 %; 3-7%;4-8%;5-

1П о/. 5.0

г/дм' 3.0

АСБ

/) 7) 4 "

Ю

\

1 \\ 2 3

Рис. 3. Цикл субкультивирования биомассы при массовом расходе ГВС: 1 - 14,8 кг/ч; 2 - 20,2 кг/ч; 3 -23,1 кг/ч; 4-24,2 кг/ч. 5.0

АСБ

г/дм' 3.0 2,0 1,0 0

/

У

1 2 3

20 40 60 80

120

Рис. 4. Цикл субкультивирования био- рис. 5. Цикл субкультивирования биомассы при освещённости: 1 - 12 клк; 2" массы при ширине щели устройства - 22 клк; 3-25 клк. кольцеобразования: 1 -1 мм; 2 -2 мм; 3

-3 мм.

В результате проведённых опытов были установлены рациональные интервалы технологических параметров культивирования в фотобиореакторе при комбинированном истечении жидкости: концентрация С02 в газовоздушной смеси (ГВС) - 6,5...7,5 %; давление газовоздушной смеси на входе в фотобиореактор - 0,18...0,21 МПа; осве-

щённость - 18..22 клк; расход суспензии спирулины - 0,5...1,1 дм3/ч; шаг винтовой спирали - 10.. 15 мм; размер щели устройства кольцеоб-разования - 2.. .3 мм.

Мультицикл накопления АСБ при установленных рациональных технологических параметрах представлен на рис. 6.

і

лек

—і— ! ; і 1 j~~ - /Г

! : 1 у® 1 f і і і і

а в^^ - .....- ~...... ! " і

20 40 60 ЯО КМ) 1J0 140 160 Ш 200 ч 240 г

Рис. 6. Мультицикл накопления биомассы при рациональных технологических параметрах

Изучены физические свойства полученной суспензии Spirulina platensis (табл. 1).

Таблица 1

Наименование Значение

Проба №1 Проба №2 Проба №3 Проба №4

Оптическая плотность (D 750) 0,2 0,4 0,7 0,9

рН 7,2 7,8 8,6 10

Плотность, кг/иг 834,0 877,3 901,4 928,4

Динамическая вязкость, 105 Па с 1,005 1,007 1,010 1,012

Поверхностное натяжение, Ш'^Н/м 7,61 7,65 7,68 7,69

Содержание сухого вещества, % 15 ±0,5%

Цвет зелёный

Запах слабый травянистый

В третьей главе представлены результаты математического моделирования массопереноса при культивировании микроводоросли Брігиііпа ріаіетіх.

Задача моделирования была реализована при следующих упрощающих допущениях: накопление биомассы в суспензии определяется однопараметрической диффузионной моделью, учитывающей распределение компонентов питания и микробных клеток по высоте трубок фотобиореактора; структура потока истечения суспензии представлена уравнением, аналогичным уравнению молекулярной диффузии; одним

из параметров диффузионной модели служит коэффициент продольного перемешивания или коэффициент турбулентной диффузии.

Уравнение материального баланса по оси г для элемента трубки Лг имеет вид:

м> - скорость потока, м/с; / - время, с; С -концентрация, кг/м3; Я - длина трубки, м; 1)ц - коэффициент продольного перемешивания, м2/с.

В элемент трубки (рис. 7) поступает конвективный поток м/РС и поток, вызываемый турбулентной диффузией

Зг дг дг дг

где Р - сечение трубки, м2

ч 1С

I Р"1

ОиР—(С + — Дг), дг дг

а покидают: кон-

вективный поток мР(С

дс_

' дг

Дг) и по-

ток, вызываемый турбулентной диффу-

Ж

зией Д,р-

\rF~iC

е)(

&

Рис. 7. Расчётная схема для составления уравнения материального баланса

В соответствии с законом сохранения массы разность между входящими и выходящими потоками составляет накопление вещества в рассматриваемом элементе трубки: РАг(дС/ 81) .

После преобразования уравнения (1) при Лг —* 0 получено уравнение нестационарной молекулярной диффузии микробных клеток спирулины в культуральной среде в присутствии С02, вступающих в реакцию фотосинтеза, с постепенным накоплением биомассы:

дгС ЭС 8С .

-:--Н'-±- = О ,

дг1 дг дг

где (+) - относится к «источнику», а (-) - к «стоку».

Для численно-аналитического решения уравнения (2) в качестве начального условия задан профиль концентраций БрШта рЫетич по трубке в начальный момент времени: С (0, г) = Си (г), при I = 0.

Граничные условия задавались из материального баланса на концах трубки (условие по Данкверсту), в соответствии с которым сумма потоков вещества, подходящих к границе г - 0, равна потоку вещества, отходящего от границы:

А,

(2)

wC +D„- = wC, (3)

dz

или w(C -C) + DH-= 0. (4)

dz

Для нижнего конца трубки:

wC +D„ — = wC. (5)

я Bz

При С ~ Свых. граничное условие (5) принимает вид:

^ = 0. (6)

dz

Система уравнений (2) - (6) приведена к безразмерному виду. Для этого были введены безразмерные переменные: Z = z! Н - безразмерная пространственная координата; т — t/I - безразмерное время; t =H/w - среднее время пребывания, а уравнение (2) рассматривалось в следующем виде:

£».н*?£-™нё£±1Ё£=о. (?)

Я2 dz2 Н dz t dt С учётом введённых переменных в (7) получено следующее уравнение диффузионной модели:

Я2 8Z2 Н 5Z Н дт После преобразований уравнение (8) использовалось в виде:

?с_Реэс±Ре1?с= (9)

dZ2 dZ dt где Ре = wH/DH - критерий Пекле.

Граничные условия (4), (6) приведены к безразмерной форме:

(1/Pe%dC/dZ) = C!Cäö, при Z = 0; (10)

dCIdZ = 0, при Z = 1. (11)

В модель была введена кинетическая составляющая, которая учитывала влияние условий культивирования популяций микроводоросли и взаимовлияние клеток, или эффект тесноты, что приводит к недостатку субстрата отдельным клеткам:

dC/dt = oC-ßC2. (12)

В данном уравнении коэффициент <т характеризует максимальную скорость роста клеток в популяции при отсутствии их взаимодействия, то есть ограничения субстратом и ингибирования продуктами метаболизма, а коэффициент ß определяет меру взаимовлияния клеток вследствие недостатка питательных веществ и ингибирования

продуктами метаболизма и оценивает эффект торможения потенциально возможной скорости роста культуры.

Ввиду особенности конструкции фотобиореактора процесс культивирования осуществлялся при максимально возможном количестве питательных веществ и отводе продуктов метаболизма клеток (кислорода), при этом пренебрегали влиянием коэффициента р, тогда:

аС7Э/ = сС. (13)

Уравнение (9) с учётом (13) принимает вид:

з2л7 аг1 - Редй/д2±Ре7аМ=о. (14)

Задача (1) - (14) решена методом Галёр-кина с учётом многократной рециркуляции суспензии Бр'ьгиИпа через трубки биореактора. При этом длину трубки экспериментальной установки принимали за элемент АТЕ„ который определялся кратностью рециркуляции суспензии через трубку. При Л®, = 5 количество измерений концентрации Зр'агиИпа рШет'м в суспензии составило ИР] = 6, что позволило рассматривать некоторую область П:{Аг(}с узлами г"=7...5,

]=1...6. Относительная длина трубки была представлена через кратность рециркуляции суспензии: I = \INEj. Расчёт значений концентрации клеток спирулины осуществляли в узловых точках.

Анализ сравнения расчётной зависимости изменения концентрации по высоте трубки с экспериментальной (рис. 8) показал, что при ЫЕ = 5 средняя ошибка аппроксимации вычисленной концентрации составила 2,2 %.

В четвертой главе представлены результаты исследований по вводу в рассыпной комбикорм суспензии Яртй'та рЫегя'и в соответствии с разработанным способом производства комбикорма (положительное решение о выдачи патента РФ по заявке № 2012116655).

Корма вырабатывались по двум рецептам: по рецепту полнорационного комбикорма № ПК-1-2-12957-270 (для кур-несушек 48 недель и более) и по рецепту полнорационного комбикорма № ПК-

•Г

0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

:

£

5 5

ОД

0,4

—»•

0,3

о Расчетная читая ЖФакппескад крива*

Рис. 8. Кривые изменения концентрации суспензии по высоте трубки

5-18722-269 (для бройлеров 1-4 недели) с вводом спирулины не более 8 %. Выработанные партии комбикорма проанализированы в лаборатории ОАО «Воронежский комбикормовый завод» (свидетельство № 447.07/22 от 22.10.2010 г.). Все показатели готовой продукции соответствовали установленным нормам (табл. 2).

Таблица 2

Показатели качества комбикормов_

Для молодняка кур в возрасте 1-4 недель Для кур-несушек в возрасте 48 недель и более

Наименование показателя норма для пк-5 обычный рецепт рецепт со спи-рулиной норма для ПК-1 обычный рецепт рецепт со спи- рулиной

1. Крупность рассыпного комбикорма (остаток):

на сите с отв. 0 5 мм, %, не более 0 0 0 1 0 0

на сите с отв. 0 3 мм, % <5,0 0,84 0,872 >2,0 3,4 3,7

2. Обменная энергия в 100 г к/корма, ккал, не менее 290 292 310 270 250 255

3. Массовая доля сырого протеина, % 19,5-21,0 21,5 22,1 16,5-18,0 15,5 16

4. Массовая доля сырой клетчатки, %, не более 4,5 4,1 4,46 5,5 5,8 4,8

5. Массовая доля Са, % 1,0-1,3 0,8 0,9 3,0-3,4 3,4 3,5

6. Массовая доля Р, % 0,75-0,85 0,7 0,75 0,75-0,85 0,6 0,6

7. Массовая доля N8, % 0,22-0,32 0,2 0,16 0,22-0,32 0,3 0,15

8. Массовая доля лизина, % 1,00-1,02 1,1 1,12 0,75-0,77 0,71 0,7

9. Массовая доля метионина и цистина, % 0,75-0,77 0,77 0,82 0,60-0,62 0,58 0,62

10. Массовая доля золы, % 0Л 0,2 0,2 0,5 0,31 0,3

11. Токсичность 0 0 0 0 0 0

12. Внешний вид, цвет и запах без плесени и гнилостного запаха соотв. соотв. без плесени и гнилостного запаха соотв. соотв.

13. Влажность, % 14 13,6 13,9 14 12,9 13,5

14. Патогенная микрофлора не допуск. 0 0 не допуск. 0 0

15. Микотоксины, мг/кг 0,02 0,002 0,002 0,02 0,002 0,002

16. Пестициды, мг/кг не допуск 0 0 не допуск. 0 0

17. Нитраты, нитриты, мг/кг не допуск 0 0 не допуск 0 0

В кормах с добавлением спирулины обменная энергия выше, чем в обычных комбикормах, увеличено содержание таких аминокислот, как метионин и цистин.

Для получения данных о влиянии биомассы спирулины на условия и сроки хранения комбикорма были выработаны экспериментальные партии продукта по рецептам ПК-1 м ПК-5 с вводом 5 % биомассы спирулины в виде жидкой суспензии в рассыпной комбикорм перед процессом гранулирования.

Выработанные партии комбикорма хранились в производственных складских железобетонных ёмкостях при температуре окружающего воздуха от + 8°С до + 24°С в соответствии с ГОСТ 51850-2001 «Продукция комбикормовая. Правила приёмки. Упаковка, транспортирование и хранение». Показатели качества комбикорма с добавлением биомассы спирулины при хранении оценивались на протяжении одного месяца после выработки (табл. 3).

Таблица 3

Изменение качества комбикорма ПК-1 в течение месяца хранения

№ Показатель Рецепт ПК-1с вводом 5% биомассы спирулины Рецепт ПК-1

п/п начало конец начало конец

периода периода периода периода

1 Кислотность, град 9Д 11,1 9,1 12,2

2 рн 5,92 5,91 5,93 5,89

3 Количество, %:

- сырого протеина 21,63 21,61 21,65 21,58

- сырой клетчатки. 6,07 6,08 6,08 6,15

Согласно показателям кислотности в комбикорме с введённой спирулиной повышение кислотности происходило медленнее, что, соответственно, сказалось и на величине рН. Снижение показателя кислотности готового продукта может быть связано с повышенной щёлочностью суспензии.

За месяц хранения комбикорма произошли незначительные изменения в количестве сырого протеина и клетчатки.

В пятой главе предложена оригинальная конструкция секционированного фотобиореактора (пат. РФ № 2458980), позволяющая реализовать кольцевое и плёночное истечение суспензии по секциям в противотоке с газовой фазой, повысить удельную производительность аппарата, снизить удельные энергозатраты на проведение процесса культивирования и достичь оптимальных условий для роста клеток (рис. 9).

Кольцевое сечение в первой секции создаётся винтообразными насадками с верхними лопастями вращения и рассекателями (рис. 9, вид А). Установленные во второй секции культивирования распреде-

лители суспензии и винтовые спирали определяют толщину и скорость движения плёнки (рис. 9, вид Б). Каждая трубка второй секции имеет отдельную систему подвода ГВС через патрубки в нижней части секции (рис. 9, вид Д).

10 11

участок образования плёночного истечения суспензии

В

6-. -г^ Л.

...... -л

2вУ

участок подвода ГВС

Рис. 9. Фстобиореактор: 1,2,3 - прозрачные горизонтальные перегородки; 4,5,6,7,8 - секции соответственно кольцевого, промежуточного, плёночного истечения и вывода суспензии; 9,12,25,28,30 — штуцеры; 10-спиральный нагреватель; 11 - регулятор давления; 13-лампы накаливания; 14,20 - прозрачные цилиндрические трубки; 15 -винтообразные насадки; 16 — лопасти, 17-рассекатели; 18,21-уплотнители; 19-люминесцентная лампа; 22-вшгговые спирали; 23 - распределители суспензии; 24 - стержни; 26 -патрубки для ввода смеси С02 с воздухом; 27 - барботер, 29 -вентиль; 31 - рама

Разработан способ управления процессом культивирования микроводоросли ЗрюгИпа рЫетгя (пат. РФ № 2458147), позволяющий создать оптимальные условия для прироста клеток микроорганизма за счёт стабилизации рН суспензии, а также обеспечить устойчивость накопления биомассы и интенсивность процесса биосинтеза за счёт сужения поля допуска на температуру суспензии и уменьшения её разброса.

Выполнен эксергетический анализ и проведена оценка термодинамического совершенства способа получения суспензии микроводоросли БрггиИпа р1а1ет1з в фотобиореакторе с комбинированным истечением жидкости.

Для сравнения термодинамической эффективности предлагаемой системы были рассмотрены две существующие биотехнологические системы: первая - с трубчатым фотореактором, вторая - с фотобиоре-актором глубинного типа.

Эксергия потоков и эксергетические потери составили эксергетический баланс способа получения суспензии, представленный диаграммой Грассмана-Шаргута (рис. 10).

/

Рис. 10. Эксергетическая диаграмма способа получения 5рпиПпа рШеп51з. Контрольные поверхности: I - подвод инокулята и лампы типа ЛБ-20, ОБИАМ; П - подвод свежего углекислого газа, привод компрессора и привод насоса-пеногасителя; П1 - привод циркуляционного насоса; IV - охладитель воздуха и привод вентилятора

Полученный эксергетнческий КПД предлагаемой системы равен 10,18 % (табл. 4), что выше, чем при использовании способа с трубчатым фотореактором или с глубинным культивированием - 6,58 и 4,33 % соответственно. Это говорит о повышении степени термодинамического совершенства системы при использовании контуров рециркуляции по суспензии, теплоносителю (воздуху), ГВС, а также при утилизации выделяющегося кислорода.

Таблица 4

Эксергетнческий баланс способа получения спирулины_

Подвод эксергии Отвод и потери эксергии

Контрольная поверхность Наименование Обозначение Абсолютное значение, кДж/к Доля суммарноі эксергии, % Наименование Обозначение Абсолютное значение, кДж/к Доля суммарно] эксергии,%

I Инокулят Лампы ЛБ-20 Лампа Оэгат Емі Е31, fB32i 0,5 720,0 72,0 0,01 8,73 0,87 Внутр. потери D'i 419,7 5,09

II Свежий С02 Привод компрессора Привод пеногасите-пя Ем„ Ь п рЭ2 Ь п 390,6 3960,0 720,0 4,74 48,04 8,73 Внутр. потери Внешн. потери D'u 4319,4 201,6 52,40 2,45

III Привод циркуляционного насоса ЕЭш 360,0 4,37 Внутр. потери Внешн. потери Спирулина Кислород D'm De„i рПІ Ь ш рГІ2 Ь Ш 293,0 57,1 761,2 78,5 3,55 3,69 9,23 3,95

IV Охладитель воздуха Привод вентилятора с31 С. IV Е iv 720,0 1300,0 8,73 15,77 Внутр. потери Внешн. потери D'iv D"W 1998,8 113,8 24,25 1,39

ИТ» ОГО: - 8243,1 100 - - 8243,1 100

¡Эксергетнческий КПД >/„с= 10,18

Результаты производственных испытаний предлагаемой технологии в условиях ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод», ЗАО «Курский Агрохолдинг» показали целесообразность её внедрения в производство.

Скармливание биологически ценных комбикормов, полученных по предлагаемой технологии, способствовало увеличению прироста живой массы кур на 1... 10 %, повышению яйценоскости - на 8.. .9 % и выше, снижению затрат корма на единицу продукции - на 1,5... 3,5 %.

Ожидаемый годовой экономический эффект от промышленного внедрения предлагаемых технологических решений составит 3 225 тыс. руб. в год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана и научно обоснована технология получения суспензии микроводоросли Spirulina platensis и использование её в качестве кормовой добавки.

2. Установлены основные кинетические закономерности процесса культивирования микроводоросли Spirulina platensis в фотобио-реакторе с комбинированным истечением жидкости, определены рациональные интервалы изменения технологических параметров: концентрация С02 в газовоздушной смеси (ГВС)- 6,5...7,5 %; давление газовоздушной смеси на входе в фотобиореактор - 0,18...0,21 МПа; освещённость - 18...22 клк; расход суспензии спирулины - 0,5. ..1,1 дм /ч; шаг винтовой спирали - 10.. 15 мм; размер щели устройства кольцеобра-

зования-2...3 мм.

3. Изучены основные показатели качества готовой суспензии Spirulina platensis как объекта кормопроизводства.

4. Разработана математическая модель массопереноса при культивировании микроводоросли Spirulina platensis, позволяющая определять изменение концентрации абсолютно сухих веществ суспензии по высоте фотобиореактора. Идентификация параметров предлагаемой модели по экспериментальным данным позволила получить удовлетворительную сходимость результатов моделирования и использовать их для определения геометрических размеров фотобиореактора.

5. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены технологические режимы ввода суспензии в состав комбикормов для различных видов животных и птицы.

6. Изучена биологическая и кормовая ценность комбикормов с вводом суспензии микроводоросли Spirulina platensis, установлен максимальный рекомендованный срок хранения готовой продукции - 30 дней.

7. Разработана оригинальная конструкция секционированного фотобиореактора (пат. РФ № 2458980), позволяющая реализовать кольцевое и плёночное истечение суспензии по секциям в противотоке с газовой фазой.

8. Предложен способ управления процессом культивирования микроводоросли Spirulina platensis (пат.РФ № 2458147), позволяющий создать оптимальные условия для прироста клеток микроорганизма.

9. В условиях ЗАО «Курский Агрохолдинг» проведены производственные испытания по скармливанию комбикормов с/х птице, содержащих суспензию Spirulina platensis, которые подтвердили эффективность предложенных технических и технологических решений. Разработан технологический регламент производства комбикормов с вводом суспензии спирулины.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ

1. Шенцова, Е. С. Реализация прикладных задач автотрофного биосинтеза в технологии комбикормов [Текст] / Е. С. Шенцова, А. В. Дран-ников, А. В. Пономарев, Н. Ю. Ситников // Вестник ВГТА. - 2010. - № 3. -С. 19-22.

2. Шевцов, А. А. Исследование кинетических закономерностей процесса культивирования микроводорослей в плёночном аппарате с рециркуляцией жидкой фазы [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Дранников, А. В. Пономарев, Н. Ю. Ситников // Вестник ВГТА. - 2011. - № 1. - С. 7 -12.

3. Шевцов, А. А. Алгоритм микропроцессорного управления параметрами культивирования автотрофных микроорганизмов [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Дранников, А. В. Пономарев, Н. Ю. Ситников // Автоматизация и современные технологии. — 2011. 8. -С. 33 —35.

4. Шевцов, А. А. Алгоритмическое и программное обеспечение процесса культивирования сине-зелёных микроводорослей в плёночном биореакторе [Текст] / А. В. Дранников, И. О. Павлов, А. В. Пономарев, Н. Ю. Ситников // Вестник ВГУИТ. - 2012. - № 2. - С. 58 - 63.

5. Шевцов, А. А. Математическое обеспечение процесса культивирования микроводоросли Зр'гтГтарЫепш в фотобиореакторе плёночного типа [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Дранников, Н. Ю. Ситников, А. В. Пономарев, И. В. Мажулина II Биотехнология. - 2013. - № 2. - С. 87 - 94.

Патенты на изобретения РФ

6. Пат. № 2458147 РФ, МПК7С12 (33/00, С12 М1/00, С 12 N 1/12. Способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов [Текст] / А. А. Шевцов, А.В.Пономарев, Е. С. Шенцова, А. В. Дранников, Н. Ю. Ситников (Россия); заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. ун-т. инж. технол- № 2010147435; заявл. 19.11.2010; опубл. 10.08.2012; Бюл.№22.

7. Пат. № 2458980 РФ, МПК7 С 12 М 1/00, СИМ 1/06, В 01 Б 3/32. Аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Дранников, Н. Ю. Ситников, А. В. Пономарев, И. В. Мажулина (Россия); заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. ун-т. инж. технол. - № 2011126828; заявл. 29.06.2011; опубл. 20.08.2012; Бюл. № 23.

Статьи и материалы конференций

8. Шевцов, А. А. Конструкция фотобиореактора плёночного типа для культивирования микроводоросли хлорелла [Текст] / А А. Шевцов, Н. Ю. Ситников, А. В. Пономарев // Материалы ХЬУШ отчётной научной конференции за 2009 г. Воронеж: ВГТА, 2010 - Т. 2. - С. 23.

9. Ситников, Н. Ю. Автоматизация процесса культивирования микроводоросли Spirulina [Текст] / Н. Ю. Ситников // МатериалыУ Междунар. научн.-практ. конф.«Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания». - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. - Т.1. - С. 57-59.

10. Ситников, Н. Ю. Управление автотрофным биосинтезом в процессе культивирования микроводоросли Spirulina [Текст] / Н. Ю. Ситников // Материалы XII междунар. научн.-практ. конф. «Динамика научного развития-2011». - Пшемысль, Польша, 2011. - Volume 17. - С. 64.

11. Дранников, А. В. Совершенствование конструкции биореактора плёночного типа [Текст] / А. В. Дранников, Н. Ю. Ситников // Материалы XLIX отчёт, науч. конф. за 2010 год. - Воронеж: ВГТА, 2011. - Ч. 2. - С. 35.

12. Шевцов, А. А. Биореактор плёночного типа для суспензии фото-автотрофных микроорганизмов [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Дранников, А. В. Пономарев, Н. Ю. Ситников // Материалы Международной научно-технической конференции «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития». - Воронеж: ВГУИТ, 2011. - С. 204 - 206.

13. Дранников, А. В. Техника и технология процесса получения комбикормов с вводом микроводоросли Spirulina platensis [Текст] / А. В. Дранников, А. В. Пономарев, Н. Ю. Ситников // Материалы. L отчёт, науч. конф. за 2011 год.- Воронеж: ВГУИТ, 2012. - Ч. 2. - С. 14.

14. Шевцов, А. А. Конструктивные подходы в создании биореакторов для автотрофного биосинтеза [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Дранников, А. В. Пономарев, Н. Ю. Ситников // Материалы Международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям». - Воронеж: ВГУИТ, 2012. - Ч. 3. -С. 17-21.

15. Шевцов, А. А. Управление процессом культивирования микроводорослей в биореакторе плёночного типа [Текст] / А. А. Шевцов, А. В. Дранников, Н. Ю. Ситников, И. В. Мажулина // Материалы Международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям». - Воронеж: ВГУИТ, 2012. - Ч. 3. - С. 48 - 51.

16. Ситников, Н. Ю. Производственные испытания автотрофного биосинтеза микроводоросли Spirulina в технологии комбикормов [Текст]/ НЛО. Ситников // Актуальная биотехнология. -2013.- № 4, - С 22 - 26.

Подписано в печать 15.08. 2013. Формат 60 х 84 1/16.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 138 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи 04201 361 925 ^¡^^^Т

СИТНИКОВ НИКОЛАЙ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА МАССООБМЕНА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ И ПРИМЕНЕНИИ СУСПЕНЗИИ вРГОиЬЕЧА РЬАТЕТОЮ В КОРМОПРОИЗВОДСТВЕ

Специальности: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители -

доктор технических наук, профессор A.A. Шевцов

кандидат технических наук, доцент А. В. Дранников

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................6

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ, ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛИ..............................................................................................12

1.1. Спирулина как объект исследований............................................................12

1.1.1. Таксонометрия микроводоросли: царство, отдел, род,

краткая морфология, описание..........................................................................12

1.1.2. Химический состав спирулины...............................................................13

1.1.3. Свойства спирулины как биологического объекта,

условия её существования.................................................................................17

1.2. Способы или методы культивирования микроводорослей........................18

1.3. Современные конструкции биореакторов для культивирования микроводорослей (устройства для интенсификации массообмена).................23

1.3.1. Общая характеристика фотобиореакторов............................................23

1.3.2. Тонкослойные реакторы..........................................................................27

1.3.3. Пластинчатые аппараты...........................................................................28

1.3.4. Аппараты глубинного типа......................................................................31

1.3.5. Особенности технологии культивирования водорослей......................32

1.4. Гидродинамические и массообменные исследования

в системах фотоавтотрофного культивирования................................................33

1.5. Методы математического описания микробных популяций в тонкослойном реакторе.........................................................................................39

1.6. Использование продуктов фотоавтотрофного биосинтеза

в качестве Б АД для животных..............................................................................47

1.7. Цели и задачи исследования..........................................................................49

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ...................................52

2.1. Химический состав и реология структуры объекта исследований...........52

2.2. Описание экспериментальной установки

и методики проведения эксперимента.................................................................55

2.3. Кинетика процесса культивирования суспензии Spirulina platensis в фотобиореакторе....................................................................................................67

2.3.1. Культивирование спирулины в накопительном режиме.....................67

2.3.2. Кинетика накопления биомассы

при культивировании спирулины в режиме субкультивирования................74

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛИ SPIRULINA..............................82

3.1. Алгоритм расчёта математической модели.................................................82

3.2. Аналитическое решение.................................................................................84

3.3. Верификация модели (проверка её адекватности)

и разработка программного обеспечения............................................................93

ГЛАВА 4. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ВВОДА СУСПЕНЗИИ В КОМБИКОРМА.....................................................................................................97

4.1. Обоснование содержания суспензии спирулины

в составе комбикормов для разных типов животных........................................97

4.2. Анализ показателей качества полученной продукции..............................108

4.3. Динамика показателей качества комбикормов

с введённой суспензией спирулины при хранении..........................................118

ГЛАВА 5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ КОМБИКОРМОВ С ВВОДОМ СУСПЕНЗИИ СПИРУЛИНЫ..........................122

5.1. Эксергетический анализ процесса культивирования

микроводоросли Spirulina platensis....................................................................122

5.2. Разработка способа производства комбикорма с использованием суспензии Spirulina platensis и линии для его осуществления........................134

5.3. Фотобиореактор с комбинированным истечением жидкости

для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов............................139

5.4. Способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов.................................................................................................145

5.5. Расчёт экономической эффективности предлагаемой техники

и технологических решений...............................................................................152

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.......................................................155

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................179

Приложение А (обязательное). Технологический регламент производства комбикормов с вводом суспензии спирулины с использованием линии гранулирования производственного корпуса ОАО «Воронежский

экспериментальный комбикормовый завод»....................................................180

Приложение Б (обязательное). Договор о научно-техническом

сотрудничестве ИнБЮМ и ВГУИТ...................................................................195

Приложение В (справочное). Качественные характеристики

штамма спирулины Spirulinaplatensis IBSS-31................................................197

Приложение Г (справочное). Диаграмма сравнения содержания

витаминов в кормах для кур-несушек и клетках спирулины..........................198

Приложение Д (справочное). Диаграмма сравнения содержания

минеральных веществ в кормах для кур-несушек и клетках спирулины......199

Приложение Е (справочное). Диаграмма сравнения содержания

аминокислот в кормах для кур-несушек и клетках спирулины......................200

Приложение Ж (справочное). Диаграмма сравнения содержания

витаминов в кормах для бройлеров и клетках спирулины..............................201

Приложение И (справочное). Диаграмма сравнения содержания

минеральных веществ в кормах для бройлеров и клетках спирулины..........202

Приложение К (справочное). Диаграмма сравнения содержания

аминокислот в кормах для бройлеров и клетках спирулины.........;................203

Приложение Л (справочное). Диаграмма сравнения содержания

витаминов в кормах для свиней и клетках спирулины....................................204

Приложение M (справочное). Диаграмма сравнения содержания

основных аминокислот в кормах для свиней и клетках спирулины..............205

Приложение Н (справочное). Диаграмма сравнения содержания

минеральных веществ в кормах для свиней и клетках спирулины................206

Приложение П (справочное). Диаграмма сравнения содержания

протеина и клетчатки в кормах для свиней и клетках спирулины................207

Приложение Р (справочное). Диаграмма сравнения содержания

витаминов в кормах для КРС и клетках спирулины.......................................208

Приложение С (справочное). Диаграмма сравнения содержания

аминокислот в кормах для КРС и клетках спирулины....................................209

Приложение Т (справочное). Диаграмма сравнения содержания

основных минеральных веществ в кормах для КРС и клетках спирулины... 210

Приложение У (справочное). Диаграмма сравнения содержания прочих

минеральных веществ в кормах для КРС и клетках спирулины....................211

Приложение Ф (справочное). Диаграмма сравнения содержания

протеина и клетчатки в кормах для КРС и клетках спирулины.....................212

Приложение X (обязательное). Акт о выработке опытной

партии комбикормов............................................................................................213

Приложение Ц (обязательное). Акт о проведении опытов по скармливанию цыплятам-бройлерам комбикормов

с вводом суспензии микроводоросли спирулины............................................218

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.....................224

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время в комбикормовой промышленности непрерывно повышаются требования к качеству комбикормов, усовершенствованию технологии, расширяется номенклатура сырья, ассортимент продукции. Особые требования предъявляются к комбикормам для молодняка животных, ценных пород молоди рыб, домашних животных и др.

Одной из главных задач государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы является повышение конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции на основе инновационного развития АПК. При этом особое внимание уделяется таким приоритетным направлениям, как экологическая безопасность сельскохозяйственной продукции и обеспечение животноводства растительным кормовым белком. Получение экологически чистой комбикормовой продукции предполагает отказ от стимулирующих, гормональных, антибиотических и других фармакологических препаратов, обладающих кумулятивным действием и способных передаваться человеку через потребляемые продукты животноводства [56, 64].

Этим требованиям отвечает природная биологически активная добавка -микроскопическая водоросль 8рЬгиИпа р1Шет15, которая богата высококачественными питательными веществами, особенно белками (65...72%), (3-каротином и минеральными веществами. Уникальность биохимического состава биомассы Зр1гиИпа рШет18 делает привлекательным возможность её использования в составе комбикорма как источника важнейших компонентов, участвующих в обмене веществ сельскохозяйственных животных и птицы.

Культивирование БрггиИпа рШетю в условиях управляемого биосинтеза в фотобиореакторах позволяет получить микроводоросль с наиболее желаемым составом клеточных компонентов. Причём исключение применения химических реагентов, высоких температур и других воздействий на клетки 8р1гиИпа

platensis практически полностью сохраняет их качественный и количественный состав.

Данному научному направлению посвящены труды М. Я. Сальниковой, П. А. Гладышева, С. С. Мельникова, Н. И. Богданова, В. А. Жаворонкова, А. М. Музафарова, Т. Т. Таубаева, И. А. Петрова, А. А. Штоля, Р. Г. Геворгиза, Р. П. Тренкеншу, П. Станчева, R. Andersen, Y. Lee, R. Materassi, M. Miranda, O. Pulz и др.

Научная работа по изучению микроводоросли Spirulina platensis в качестве кормовой добавки проводилась в рамках Федеральных целевых научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в соответствии с тематическим планом НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна ВГУИТ (№ гос. регистрации 01201253866) «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологических чистых технологий хранения и переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлению «Экологически безопасные ресурсосберегающие производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (№ гос. регистрации П 1201).

Цель диссертационной работы: получение новой кормовой добавки с использованием суспензии микроводоросли Spirulina platensis, обеспечивающей сбалансированность кормовых рационов и рост продуктивности сельскохозяйственных животных и птицы.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- изучение суспензионной культуры микроводоросли Spirulina platensis как объекта кормопроизводства;

- разработка экспериментального биореактора для осуществления процесса фотоавтотрофного биосинтеза микроводоросли;

- изучение основных кинетических закономерностей процесса массооб-мена при культивировании суспензии микроводоросли Бр^иПпа рЫетгя и определение рациональной области изменения технологических параметров в экспериментальном фотобиореакторе;

- моделирование массообмена при культивировании микроводоросли на основе математической интерпретации изменения концентрации абсолютно сухих веществ суспензии по высоте фотобиореактора и верификация полученной модели с последующей разработкой программного обеспечения;

- обоснование содержания суспензионной культуры микроводоросли БрггиНпа р1Шетг5 в составе комбикормов для разных видов животных и птиц;

- определение биологической и кормовой ценности комбикормов с вводом суспензии микроводоросли, оценка их стабильности при хранении и определение эффективности скармливания сельскохозяйственным животным и птице;

- разработка оригинальной конструкции фотобиореактора для проведения высокоинтенсивного культивирования ЗрггиПпа рШепзгз;

- разработка способа производства комбикорма с использованием суспензии микроводоросли БрггиНпа рШетгз;

- разработка способа управления процессом фотоавтотрофного биосинтеза микроводоросли;

- промышленная апробация результатов и технико-экономическая оценка предлагаемых технических и технологических решений.

Научные положения, выносимые на защиту:

- закономерности процесса биосинтеза микроводоросли 8р1гиИпа р\аХеж{$ в фотобиореакторе с комбинированным кольцевым и плёночным истечением жидкости в различных секциях реактора;

- математическая модель изменения концентрации абсолютно сухих веществ суспензии по высоте фотобиореактора;

- обоснование возможности получений новой кормовой добавки с вводом полученной суспензии;

- алгоритм управления процессом культивирования микроводоросли 5'рггиИпа рШетгэ, обеспечивающий точность и надёжность регулирования технологических параметров.

Научная новизна.

Определены основные кинетические закономерности выращивания суспензии микроводоросли ЗрггиПпа рШет18 в экспериментальном фотобиореак-торе.

Разработана математическая модель процесса массообмена при противо-точном истечении суспензии и газовой фазы в фотобиореакторе в исследуемом диапазоне технологических параметров.

Обоснованы технологические режимы ввода суспензии микроводоросли ЗрЬгиИпа рЫет1я в рассыпной комбикорм с его последующим гранулированием.

Составлен алгоритм управления процессом культивирования микроводоросли БрЬгиИпа р\а1ет1$, обеспечивающий точность и надёжность управления технологическими параметрами.

Научно обоснован способ получения суспензии микроводоросли ЗрггиНпа рШетгя в фотобиореакторе при плёночном и кольцевом истечении жидкости.

Практическая ценность. Разработан способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов (пат. РФ №2458147) и конструкция фотобиореактора для его реализации (пат. РФ № 2458980).

Определены рациональные интервалы изменения технологических режимов процесса культивирования 8р1гиИпа рШет1з и конструктивных параметров фотобиореактора: концентрация С02 в газовоздушной смеси (ГВС) - 6,5...7,5 %; давление газовоздушной смеси на входе в фотобиореактор - 0,18...0,21 МПа; освещённость - 18..22 клк; расход суспензии спирулины - 0,5... 1,1 дм3/ч; шаг винтовой спирали - 10... 15 мм; размер щели устройства кольцеобразования - 2.. .3 мм.

Разработан способ производства комбикорма с вводом суспензии ЗрггиИпа рШетгБ и технологическая линия для его реализации (положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2012116655).

В результате фотоавтотрофного биосинтеза в фотобиореакторе получена и изучена как объект кормопроизводства суспензионная культура микроводоросли Spirulina platens is.

Определена биологическая и кормовая ценность комбикормов с вводом суспензии Spirulina platensis, произведена оценка их стабильности при хранении, выявлена эффективность скармливания сельскохозяйственным животным и птице.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на отчётных научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (2010 - 2012); V Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2011); VII Международной научно-практической конференции «Динамика научного развития-2011» (Польша, 2011); Международной научно-технической конференции «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития» (Воронеж, 2011); Международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2012). Результаты работы отмечены золотой медалью участника выставки «Агросе-зон» (Воронеж, 2010), дипломами участника выставки «ВоронежАГРО» и Воронежского агропромышленного форума (2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей в журналах, включённых ВАК в перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, получено 2 патента РФ на изобретения и 1 положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2012116655.

Работа выполнялась в лабораториях кафедры технологии хранения и перера�