CC BY
14
УДК 636.085
УПРАВЛЕНИЕ ФЕРМЕНТАЦИЕЙ ПРИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКЕ СИЛОСУЕМОСТИ
КОРМОВ
Л.А. Дьяченко, начальник отдела Ю.П. Секанов, доктор технических наук ОАО «Агроприбор» E-mail: [email protected]
Статья посвящена теоретическим основам управления силосованием с применением инструментальных средств контроля сырья для повышения его эффективности. Ключевые слова: силос, ферментация, сухое вещество, сахаро-буферное отношение, область риска, провяливание, клостридии, силосные добавки, инструментальный контроль, доза, диапазон работоспособности.
Конечным этапом получения силоса является надлежащее консервирование растительного сырья на стадии ферментации. Технологический процесс на этой стадии является неуправляемым процессом, происходящим по законам микробиологии с начальными условиями, созданными при заготовке и закладке. Начальные условия протекания ферментации, требуемые для управления ее качеством, определяются основными параметрами объекта, который в начале ферментации имеет вид измельченного и спрессованного растительного сырья, находящегося в анаэробной среде, далее называемого субстрат. Они могут быть представлены конкретными значениями следующих показателей: содержание сухого вещества, СВ0; сахарно-буферное отношение, (^В)о; показатель кислотности, рН 0 . В отношении (уВ)о :
Б - содержание водорастворимых углеводов (моносахаридов), В - так называемая буферная способность, или буферность субстрата корма. В [1-3] используется термин буферная емкость. Параметр СВ0 определяется влажностью растительного сырья на стадиях заготовки и закладки, зависит от вида куль-
туры, фазы ее уборки, погодных условий. Контроль влажности сырья в зависимости от технологии уборки может выполняться в прокосах или валках в поле, тележках (транспортных средствах) при транспортировке в хранилище, в поверхностном слое корма или в потоке массы на транспортере при закладке в хранилище, потоке массы в силосопроводе современных силосоуборочных комбайнов, например, Jaguar 870-830 (фирма Claas). Точные измерения влажности в поле могут выполняться приборами, основанными на диэлькометрическом или оптическом (инфракрасном) методах измерения. Когда измерения производятся по времени до начала стадии ферментации, для определения CB0 необходимо производить пересчет полученного результата измерения CB * в параметр CB0 :
CB0 p = CB +ÁCBp, (1)
где ACBp - прогнозируемое изменение
сухого вещества по технологическим операциям от контроля до начала ферментации.
Параметры S и B, определяющие качество силосуемого сырья и субстрата из любого вида кормовой культуры в зависимости от условий выращивания, в разные годы реально могут изменяться в пределах, при которых отношение (^/b) отличается в 3-4 раза. Для применения этого отношения в качестве критерия управления технологическим процессом недостаточно априорных сведений об его величине. Необходимо определение [s/b)0 по измеренному содержанию сахара и буферности сбраживаемых культур.
Эти показатели могут быть получены при взятии проб перед началом уборки. Методы их измерения в производственной лаборатории для оперативного управления должны осуществляться несложными инструментальными средствами.
Содержание сахара в сухом веществе (СВ) различных растений неодинаково и характеризуется следующими показателями (% от СВ растений): в кукурузе молочной спелости - 18,5, в овсе восковой спелости - 11, в тимофеевке фаза колошения - 16, в горохо-овсяной смеси в фазе цветения и образования бобов - 13, в красном клевере фаза бутонизации - 8,0, в люцерне фаза начала цветения - 6,0. Анализ данных [1] и других источников позволяют считать, что диапазон измерения содержания водорастворимых углеводов (ВРУ) должен быть не меньше, чем (0,17-8)% при погрешности измерения ±0,1%. Большая часть сахаров находится в клеточном соке растений, поэтому одним из приемов измерения сахара в образцах является анализ сока. Сахара (ВРУ) легко растворяются в воде и на этом свойстве основан их перевод в водную вытяжку из СВ растений. В случае анализа мутных вытяжек, например, рефрактометром обязательно производят их осветление с осаждением примесей.
Буферная емкость, как относительная величина (масса молочной кислоты, поделенная на массу растительной пробы), может быть определена с использованием весов. Для измерения массы молочной кислоты, достаточной для подкисления пробы до стационарного значения pH с=4,2 (4,0), методом титрования, необходим лабораторный метр, используемый в качестве отсчетного устройства. Диапазон измерения буферности сока различных кормовых растений должен составлять не менее (0,1-4)% [1].
Согласно [3] в процессе брожения проявляется связь микробиологического процесса с рядом дополнительных параметров субстрата корма. К ним относятся содержание нитратов и начальное содержание видового состава молочнокислых бактерий (МКБ), которые определяют характер протекания под-кисления при ферментации.
Управление начальными условиями ферментации на практике сводится к регулированию основных (S/B)0, CB0 и дополнительных параметров силосования субстрата, выполняемому с помощью управляющих воздействий: изменением степени провяливания растений при уборке, смешиванием влажных и сухих культур с различными S/B, добавкой сухой соломы и силосных заквасок при закладке. Выбором культур и агротехнологи-ческими приемами при выращивании на практике фактически осуществляется регулирование отношения (уВР субстрата, поэтому ко времени заготовки оно может быть известно по априорным справочным сведениям с ошибкой прогноза или более точно по результатам измерения перед началом уборки.
Рассмотрим управление при использовании субстрата, приготовленного из одной культуры, без применения операций смешивания, в том числе и в нештатных ситуациях (избыточной влажности). В этом простом и наиболее вероятном случае за управляющую переменную, контролируемую при управлении и определяющую управляющие воздействия, принимается величина содержания СВ, а S/B рассматривается, как ее параметрическая характеристика. Несмотря на изменчивость переменной СВ, ее величину можно достаточно быстро определять в точке контроля инструментальными средствами в реальном времени, получив измеренное значение CB *(1).
Управляющее воздействие для формирования требуемых начальных условий силосования может выполняться в один или два этапа. При силосовании ряда легкосилосую-щихся культур (кукуруза, сорго) применяется одноэтапная процедура. На первом этапе реализуется прямое регулирование: оно исполняется вариацией времени начала уборки, если погодные условия позволяют достичь требуемой величины СВ без существенного увеличения потерь и, если предусмотрено технологией, изменением степени провяливания растений. Такое регулирование является весьма неточным, ввиду влияния мно-
жества возмущающих факторов и значительной ошибки в определении величины воздействия. Второй этап позволяет исправить ошибку регулирующего воздействия первого этапа и тем самым повысить качество корма за счет лучшего приближения начальных условий ферментации к оптимальным величинам. Качественное исполнение первого этапа снижает себестоимость двухэтапного регулирования.
Технология силосования для уменьшения влияния ошибки прогноза (1) должна предусматривать выполнение второго этапа возможно ближе к началу ферментации. Управляющее воздействие существляется с помощью изменения дополнительных параметров силосования. Увеличение их значений соответствует такому влиянию на микробиологический процесс ферментации, которое эквивалентно повышению СВ субстрата. Возможность получить линейное эквивалентное приращение СВ позволяет достичь высокой точности выполнения управляющего воздействия.
Изменять дополнительные параметры можно с помощью внесения силосных добавок в сырье при приготовлении субстрата. В странах ЕС силосные добавки относятся к группе «Кормовые добавки», означающие вещества или микроорганизмы, разрешенные в соответствии с Регламентом ЕС №1831/ 2003 Европейского Парламента и Совета от 22 сентября 2003 г. по добавкам для использования в питании животных и сертифицируемые по соответствующим правилам. В проекте Технического регламента Таможе-ного союза «О безопасности кормов и кормовых добавок» (ТР 201_/00_/ТС) силосные добавки относятся к группе технологических добавок - кормовых добавок, представляющих собой вещество или смесь веществ, не предназначенных для непосредственного скармливания животным и используемых в процессе переработки кормов или кормовых материалов для достижения определенных технологических целей. Их присутствие в конечном продукте не оказывает неблагоприятного воздействия на здоровье животных, человека и окружающую среду.
В производстве используют технологические добавки, подавляющие развитие кло-стридий и ускоряющие процесс подкисле-ния: нейтральные консерванты и биологические смеси эффективных МКБ. Нейтральные консерванты могут включать следующие антибактериальные соли: нитрит натрия (NaNO2, Е250) и его смеси с бензоат натрия (E211), сорбат калия (Е202), пиросульфит натрия (Е224) и др.
Все эти консерванты, являясь сильными канцерогенами, обладают рядом преимуществ - низкое коррозирующее действие, растворимость в воде. Нитрит натрия не подавляет МКБ, но развитие гнилостных, мас-лянокислых бактерий практически полностью устраняется. Его основным положительным качеством среди консервантов является свойство распада на безопасные составляющие - к моменту использования корма в нем практически не остается нитрита. Он частично улетучивается в виде окислов азота, а оставшаяся доля восстанавливается до аммиака. Смеси этих солей сильнее, чем один нитрит натрия, останавливают развитие энтеробактерий и клостридий, угнетают дрожжи на вегетативных стадиях, практически не нанося вреда МКБ. Норма применения добавки с нитритом натрия должна учитывать, что по проекту технического регламента таможеного союза в целях безопасности содержание нитритов в силосе должно не более 10,0 мг/кг; содержание нитратов - не более 500,0 мг/кг. По действию на нежелательные микробиологические процессы нейтральные консерванты с нитритом натрия эквивалентны действию физиологической сухости среды.
Биологические смеси осмотолерантных штаммов лактобактерий (например, с видом Lactobacillus plantarum) увеличивают эффективность кислотообразования с начала ферментации и в итоге также сдерживают развитие клостридий. Во всех случаях действие силосной добавки на процесс ферментации можно представить эквивалентным увеличением CB0. Эффективность силосной добавки, как управляющего линейного воздействия, можно характеризовать коэффициен-
к = МУ
к /АСБ '
том К,, который для жидкой формы определяется отношением:
(2)
где Ма - норма (доза) силосной добавки в жидком виде, л/т, эквивалентная приращению сухого вещества на величину АСБ, %.
В [2] приводится пример применения жидкой добавки, включающей смесь нитрита натрия и гексамина при силосовании трав с коэффициентом эффективности
К, = 0,214-^.
Величина управляющего воздействия на втором этапе находится из условия компенсации (обнуления) параметра рассогласования. В качестве последнего используется «сигнал» ошибки А 2 как разность между оптимальной начальной величиной сухого вещества ( СБ0Т ) и его измеренным значением до внесения силосных добавок ( СБ0*):
А2 = СБ0Т - СБ0* (3)
Управляющее воздействие силосными добавками может осуществляться «ручным» и автоматическим методами. При ручном методе параметры нормы добавки (концентрация активного вещества в растворе и объем) устанавливаются по однократному результату измерения СБ0* и далее не меняются до следующего измерения. За период до следующего измерения и внесения добавки, если необходимо, может быть осуществлена ручная регулировка нормы. Автоматический метод осуществляется комплексным устройством, состоящим из поточного влагомера измельченного сырья и управляемого его выходным сигналом дозатора силосной добавки. В автоматическом методе может применяться линейная функция управления, при которой норма силосной добавки М в области регулирования А 2 >0 определяется суммированием двух частей:
М = М 0 + К,-А 2, при А 2 > 0 (4) где М 0 - начальная норма для компенсации задержки подкисления в начальной стадии ферментации; К, - А 2- часть нормы для
компенсации рассогласования А 2. В области регулирования при А2 < 0 принимается: М = М0 .
Методика определения величины управляющего воздействия на каждом этапе двух-этапного регулирования состоит в следующем. На первом этапе регулирования проводится репрезентативный контроль влажности трав перед уборкой или в прокосах и валках после скашивания для последующего определения степени провяливания.
В результате будет получена средняя величина содержания сухого вещества перед управляющим воздействием, СБ*, а также
его минимальная СБ* и максимальная ве-
личина СБ*макс величины. Перед уборкой должна быть также измерена величина (8/Б)0, которую принимаем малоизменяемой
по массе сырья. Оценку (уВР* считаем
близкой к действ ительной величине (уБ.
В определении степени провяливания, как управлящего воздействия, используется среднее значение, СБ*, т.к. в последующих технологических операциях происходит многократное перемешивание массы сырья (усреднение СВ по массе).
При приготовлении силоса из провяленных трав технологией предусматриваются дополнительные операции: скашивание массы в прокосы или валки косилками и косилками-плющилками; ворошение прокосов или переворачивание валков; подбор массы с измельчением. Степень провяливания изменением выдержки сырья в поле можно определить:
- расчетом по эвристическим характеристикам процесса провяливания в местных условиях, исходя из достижения минимума рассогласования:
А1 = СБ0Т - СБ0 р
(5)
где СБ0 - прогнозируемая по формуле (1) величина сухого вещества в начале ферментации, если за величину СБ * принять среднее значение, СБ*;
- повторением измерений влажности в процессе провяливания до достижения минимума рассогласования.
Стремление провести провяливание в короткий срок, в целях сокращения потерь при неблагоприятных погодных условиях, с большой вероятностью может привести к остаточной ошибке после выполнения первого этапа воздействия, Л1тах. Чтобы эту ошибку ликвидировать на втором этапе управляющего воздействия, она не должна превышать величину его диапазона работоспособности. Основываясь на рекомендациях [4], покажем зоны основных параметров силосования (начальных параметров ферментации) различных культур, используя плоскость [(Б/Б)0, СВ0].
Рис. Взаимное расположение на карте силосования
областей рисков качества и зон рекомендуемых параметров силосуемости растительных культур [4]
На рис. отображены такие зоны, обозначенные следующими цифрами при использовании в силосовании: 1 - кукурузы, в фазе восковой спелости зерна; 2 - свежескошен-ных однолетних бобово-злаковых смесей в фазе восковой спелости; 3 - однолетних бо-бово-злаковых смесей в фазе молочно-вос-ковой спелости и ранее в провяленном виде; 4 - трудносилосующихся многолетних злаковых трав в провяленном виде; 5 - легкоси-лосующихся многолетних культур в провяленном виде; 6 - бобовых трав в провяленном виде.
В [2] предложено изображать на плоскости [(Б/Б)0, СБ0] границу начальных пара-
метров, разделяющую две области, в которых ферментация завершается с хорошим и плохим качеством. Принято, что плохое качество имеет корм даже с незначительной долей масляной кислоты.
Совокупность параметров СВ0 и (уВ)о
обуславливает характеристики микробиологического процесса кислотообразования, проходящего (в упрощенном представлении) только с участием конкурирующих видов МКБ и клостридий. Скорость спада рН (при нормальном процессе ферментации) в первую очередь определяется жизнедеятельностью и сменой видов МКБ, которые зависят
в основном от ((уВ )о и в меньшей степени -
от СВ0. Если клостридии не успевают развиться за время, когда рН спадает до критического для них уровня, зависящего от величины СВ0 (физиологической сухости среды), при которой они не могут существовать, то ферментация завершается без наличия в корме масляной кислоты. Взаимосвязь минимальных величин начальных параметров,
СВ0„
и
'ВГгтп, при которых процесс
ферментации еще идет в отсутствие кло-стридий и завершается без образования масляной кислоты, находится по уравнению:
СВ0тШ = 45 - 8 \ув))тШ (6)
Уравнение (6) разграничивает две области по качеству завершенной ферментации и применяется для того, чтобы определить треугольник рисков плохого качества брожения. На плоскости [(Б/Б)0, СБ0] прямая (6) образует гипотенузу ВС треугольника рисков силосования - ДАВС (рис.). Выше гипотенузы находится область начальных параметров хорошего качества ферментации, ниже - область рисков плохого качества. При этом риск плохого качества растет при удалении параметров силосования от прямой (6) в область ДАВС. В [2] его площадь прямыми линиями параллельными гипотенузе условно разбита на 3 области рисков: верхняя область параметров в площади четырехугольника ВСС1В1 соответствует удовлетворительному качеству ферментации, когда
в результате действия клостридий может образоваться только некоторая малая доля масляной кислоты. Для определения оптимальной начальной величины сухого вещества, СБ0Т , воспользуемся взаимным расположение рекомендуемых зон и областей рисков в координатах [(Б/Б)0, СБ0], которое условно назовем картой силосования (рисунок).
Используя эту карту, по пересечению
вертикали (/Б^ (результат измерения) и
границ соответствующей зоны можно отыскать рекомендуемый диапазон содержания сухого вещества в субстрате перед началом ферментации, а также определить оптимальный параметр СБ0га1п на прямой ВС при
условии \уБ= Б
В зонах 3-5 оптимальная точка с координатами [СВ0т1п, (8/Б)0т1п] лежит внутри площади зоны (на рис. приведен пример для зоны 4 с координатами точки [СВ04т1п, (8/Б)04т1п]). Для трудносбраживаемых культур, соответствующих зоне 6, она располагается выше ее площади. В отечественных условиях силосования с большой вероятностью можно для культур 3-5 провяливанием добиться в идеале ликвидации рассогласования при СБ0Т = СБ0т1п. Что касается культур зоны 6, то после провяливания по этому условию вероятна ошибка А1тах, которую можно оценить соотношением: СБ0тт - СБ0мин > А1тах > СБ0тт - СБОмакс , (7)
где CB0 „„„ и CB0,
содержание сухо-
собами: распылением (разбрызгиванием) на поверхности слоя корма в хранилище до прессования, внутриобъемной инъекцией по слою корма после прессования, на поверхность кормового транспортера, инжектированием в кормовой поток силосопровода комбайна [5]. В ручном и автоматическом методах внесения силосной добавки стратегии выбора А2 различаются. Для способов разбрызгивания на поверхности корма и внутриобъемной инъекции по слою корма необходимо учитывать вариабельность СБ0 по поверхности слоя корма. В результате измерений находятся: СБ0Мин , СБ0Макс , СБ0С -минимальная, максимальная и средняя величина СВ в точках поверхности корма перед управляющим воздействием. Норма вносимой добавки должна выбираться из условия компенсации рассогласования в любой точке поверхности корма, т.е.:
А2 = СБ0т - СБ0МиИ (8)
Подставив (8) в (4), получим выражение для нормы в виде:
М = М0 + К, (СБ0т - СБ0Мин) при А2 > 0 ; (9)
M - ып
А 2 < 0
0 при
На втором этапе для получения наилучшего качества ферментации следует также принять: СБ0Т = СБ0т1п,
где СБ0т1п находится по уравнению:
CB0_ = 45 - 8(S
-S
го вещества в сырье на границах зоны 6 после провяливания. Ошибку такой величины (3-8)% можно компенсировать на втором этапе применением безопасных силосных добавок. При определении управляющего воздействия на втором этапе вновь должно
быть проведено измерение (/Б, потому
что при провяливании меняется Б и Б, причем буферность значительно сильнее. Управляющим воздействием на втором этапе стремятся устранить рассогласование А 2 (3).
Рабочий раствор силосной добавки вносится в силосуемую массу следующими спо-
при
n г
В автоматическом методе внесения силосной добавки норма непрерывно изменяется по уравнению (4) также для получения наилучшего качества при величине CB0T - CB0min. Техническим устройством, реализующим автоматическое управление в силосных комбайнах, является система западноевропейской фирмы Claas, состоящая из блоков: измерения «Quantimeter»; дозирования «Actisiler 20»; бортовой информационной машины «Cebis».
Укажем на ограничение в применении технологической силосной добавки безопасного вида. Любое управляющее воздействие имеет конечный динамический диапазон работы, А2max, в котором управление работо-
способно. Нейтральные консерванты (антибактериальные соли) способны компенсировать максимальное рассогласование большей величины, чем биодобавки.
Приводя требования к динамическому диапазону работы солевого воздействия, в [2] указывается, что он должен соответствовать Л2тах>10%. В приведенном примере
применения жидкой силосной добавки в виде водного раствора нитрита натрия и гек-
самина Л 2тах=14%.
Биодобавки с МКБ по данным [2], эффективно работают в динамическом диапазоне Л 2тах =5%, а по паспортным данным закваски биологической жидкой для силосования злаково-бобовых культур «ОПТИМА-БИО» диапазон применения составляет не менее 10% (диапазон работоспособности от 65% до 75%).
Таким образом, по приведенным источникам динамический диапазон биодобавок можно оценить величиной (5-10)%.
В [6] на качественном уровне представления приводятся области применимости видов силосных добавок в зависимости от содержания СВ и сахаро-буферного отношения (силосуемости) в провяленном субстрате, которые воспроизведены в таблице.
Таблица. Области применимости силосных добавок
Содержание сухого вещества, % Силосуемость исходного материала
хорошая средняя плохая
20-25 Хим., биол. Хим. Хим.
25-30 Хим., биол. Хим. Хим.
30-35 Биол. Хим., биол. Хим.
35-40 - Биол. Хим., биол.
40-45 - - Биол.
45-50 - - -
В таблице применены обозначения: Хим.-нейтральные консерванты; биол.- биодобавки с лактобактериями. Области применимости добавок, совпадающие с диапазонами работоспособности, как следует из таблицы, зависят от параметров силосуемости субстрата. Таким образом, динамический диапазон работоспособности силосных добавок зависит от (Б/В) субстрата.
В настоящее время в инструкциях по применению силосных добавок, как правило, предлагается одна норма внесения вне зависимости от содержания СВ в сырье, что приводит к применению затратной технологии кормопроизводства. Выполненные исследования позволят отметить, что для внедрения экономичных инновационных методов управления силосованием по принципу обратной связи должны быть установлены прогрессивные правила идентификации силосных добавок, согласно которым в технических характеристиках должны найти отражение требования, учитывающие возможность применения автоматических устройств внесения добавок в кормовой субстрат.
Изложенные в статье общие принципы управления силосованием показывают, что к числу таких технических характеристик должны быть отнесены: коэффициент эффективности K , представляющий собой
отношение дозы силосной добавки к эквивалентному приращению сухого вещества; динамические диапазоны воздействия в зависимости от силосуемости субстрата.
Литература:
1. Даниленко И.А. Силос. М.: Колос, 1972. 336 с.
2. Вайсбах Ф. Будущее консервирования кормов // Проблемы биологии продуктивных животных. 2012. №2. С. 49-70.
3. Победнов Ю.А. Теоретические разработки ВНИИ кормов им В.Р. Вильямса в области силосования и их значение для сельскохозяйственной практики // Научное обеспечение кормопроизводства. М., 2012. С. 96.
4. Силосование и сенажирование кормов. М., 2012.
5. Грачев А.В. Способы и технические средства повышения эффективности обработки силосуемой зеленой массы химическими консервантами: автореф. дис. к. т. н. М., 1987.
6. Кормление с.-х. животных. Винница, 2003.
The article is devoted to the theoretical fundamentals of management silage with application of tools for the control of raw to increase its effectiveness.
Keywords: silage, fermentation, dry chemical, sugar-buffer against the risk area, the crop has wilted, Clostridium, silage additives, instrumental monitoring, dose, the range of health.
