将农业废弃物转化为动物饲料和其他有价值原料的系统和方法与流程

本申请要求2014年2月10日提交的、题为“A SYSTEM FOR AND METHOD FOR CONVERTING AGRICULTURAL WASTE TO ANIMAL FEED AND OTHER VALUNABLE RAW MATERIALS”的美国临时专利申请第61/937,995号在35 U.S.C.§119(e)下的优先权，其全部内容据此出于所有目的通过引用被合并。

技术领域

本发明涉及动物饲料领域。更具体地，本发明涉及用于提取和处理植物废弃物成为动物饲料的系统和方法。

背景技术：

全世界人口继续快速增长，由于地球上有限的陆地而导致可怕的食物短缺。这可以归因于与植物蛋白质相比消耗更多动物蛋白质的趋势。生产1吨动物蛋白质需要几吨植物蛋白质。例如，喂养牛以产生1吨牛蛋白质平均需要8吨植物蛋白质，喂养猪以产生1吨猪蛋白质平均需要4吨植物蛋白质，喂养鸡以产生1吨鸡蛋白质平均需要3吨植物蛋白质，喂养鱼以产生1吨鱼蛋白质平均需要1.5吨植物蛋白质。

植物废弃物来自各种源。例如，所有农业作物在收获期间产生很多农业废弃物。这些农业作物包括：a)谷类作物(诸如大米、小麦和玉米，它们具有(1)秆和茎以及(2)壳和穗轴(cob))；b)藤和叶子作物(诸如豌豆和黄豆，它们具有(1)藤和叶子以及(2)豆荚)；以及c)根作物(诸如木薯和土豆，它们具有(1)藤和叶子以及(2)块茎)。地里的作物废弃物与实际作物生产相比包含几倍的重量，并且具有低蛋白质含量(3％到12％的蛋白质)并且营养价值较低。因此，其作为动物饲料具有非常有限的用途(主要用于牛和马)。其通常被转交到土地中作为土壤改良剂和肥料。循环利用农业废弃物是可持续的方式，其避免了产生不健康空气污染物的当前燃烧方法。

另外，很多食物加工厂在食物加工步骤期间也生产废弃物，诸如大米/小麦麸皮、不能用于人类消耗的蔬菜、木薯/土豆皮以及来自橘子汁工厂的橘子皮。这些废弃物包含由人类使用的大约5％到10％的作物并且包含可以用作动物饲料的部分的较高蛋白质和有价值的营养物。

另外，农民将他们的时间、能量和资源投入到种植在公开市场上售卖以用于超市配送或进一步处理的作物中。当收获农产品时，根、壳、分支、叶子或茎被切除。这些剩余部分的纹理和口味属性被视为对于人类消耗而言是不理想的并且最终被丢弃。认识到植物废弃物包含诸如氮、钾和钙之类的矿物质，这些矿物质对于土壤生长出新的作物而言是至关重要的，农民使用他们的植物废弃物作为肥料。其中一些植物废弃物包含较高水平的维生素、矿物质和蛋白质的植物废弃物(其用作动物饲料的部分)在缺乏动物饲料资源的地区已经存在并且被保持了几百年。

这些农业废弃物可能对于人类和动物消耗而言是有价值的。这一农业废弃物中的蛋白质、碳水化合物、油、抗生素、矿物质和抗氧化剂总含量重量大于人类和动物所消耗的作物中的含量。然而，这些有价值的资源大部分没有被人类和动物充分使用，因为其低百分比水平的蛋白质含量和非常高的纤维素含量，其不适于人类和动物消耗。实际上，被丢弃的植物废弃物的外层或壳通常拥有比作为产物出售的内部本体更多的营养物。

技术实现要素：

根据本发明的一些实施例，本发明能够用于使用研磨和分离过程从被丢弃的植物废弃物(根、皮、种子、秆、叶子和茎)提取营养物(诸如蛋白质、油、碳水化合物、抗氧化剂、有机抗生素、矿物质和维生素)。本发明的系统能够在稳定生产状态下运行并且从植物废弃物提取有价值的材料以用于制作动物饲料，包括用于以下各项的纤维素材料：堆肥、有机肥料、用于造纸工业的原材料、以及酒精生产。本说明书中描述的所有植物/植物废弃物能够用作原材料的源。

在一些实施例中，本发明的提取方法使用各种材料，包括可食用的农业产物、副产物以及农业产物的废弃物和植物不可食用废弃物。该方法破坏材料的细胞壁并且释放有价值的成分，诸如蛋白质、油、碳水化合物、有机抗生素、维生素、矿物质和抗氧化剂。接着，执行分离步骤以将固体形式的纤维素材料从液体浆体形式的有价值的动物亚硝酸盐化合物分离。将具有有价值的化合物的液体浆体进一步分离为蛋白质、油、淀粉、抗氧化剂、无机成分(其能够用作动物饲料)和矿物质(其能够用作肥料)。能够可选地分离维生素和其他有价值的化学品。

在一方面，一种制作动物饲料的方法包括：收集农业物质；破坏农业物质的细胞壁；去除纤维素物质；以及形成具有适于动物消耗的成分的食物。在一些实施例中，该方法还包括回收油。在其他实施例中，该方法还包括凝固蛋白质。在一些其他实施例中，凝固蛋白质包括加热到高于160°F的温度。在一些实施例中，凝固蛋白质包括将pH值调节成在3至6之间的范围内。在一些其他实施例中，农业物质包括植物废弃物。在一些实施例中，植物废弃物包括根、皮、种子、秆、叶子、或它们的组合。在其他实施例中，该方法还包括通过向农业物质添加水来制作浆体。在一些其他实施例中，浆体具有70％至90％的水分含量。在一些实施例中，该方法还包括通过破坏细胞壁来释放蛋白质、油、淀粉、抗氧化剂、营养物、或它们的组合。在其他实施例中，通过使用磨碎设备来进行破坏细胞壁。在一些其他实施例中，磨碎(milling)设备包括锤式磨碎机、盘式磨碎机、针式磨碎机、粉碎机(disintegrator)、简单的搅拌机(blender)型磨碎机、或它们的组合。在一些实施例中，去除纤维素物质包括使用纤维素洗涤或去除设备，其中纤维素洗涤或去除设备包括桨叶式筛网、振动筛网、筛网离心机、螺旋压力机、或它们的组合。在其他实施例中，该方法还包括通过使用固体/液体分离设备来增加蛋白质回收的产量，其中固体/液体分离设备包括板框式过滤器、转筒式过滤器、固体/液体离心分离器、压带机、或螺旋压力机。在一些其他实施例中，该方法还包括在破坏细胞壁时添加酶或化学品。在其他实施例中，食物包括蛋白质、碳水化合物、抗氧化剂、有机抗生素、矿物质和维生素。在一些其他实施例中，该方法还包括形成包含矿物质并且基本上没有蛋白质的动物饮用水。在一些实施例中，纤维素物质被处理以产生用于以下各项的原材料：造纸工业、酒精、动物垫料、堆肥、有机肥料、或有机包装材料。

在另一方面，一种用于农业废弃物转化的系统包括：细胞壁破坏设备；纤维素分离设备；被配置成回收在细胞壁破坏设备处释放的油的油回收设备；蛋白质凝固设备；以及被配置成回收在蛋白质凝固设备处的凝固的蛋白质的蛋白质回收设备。在一些实施例中，细胞壁破坏设备包括锤式磨碎机、盘式磨碎机、针式磨碎机、粉碎机、简单的搅拌机型磨碎机、或它们的组合。在其他实施例中，该系统还包括分离设备。在一些其他实施例中，分离设备包括压力筛网、桨叶式筛网、振动筛网、筛网离心机、压力机、或它们的组合。

在另一方面，一种转化农业废弃物的方法包括：收集相当数量的农业废弃物；使用磨碎设备破坏在浆体中的农业废弃物的细胞壁，使得蛋白质、碳水化合物、抗氧化剂、有机抗生素、矿物质和维生素被释放；使用筛网分离设备从浆体去除纤维素；凝固蛋白质；以及形成动物饲料。在一些实施例中，该方法还包括将相当数量的水与农业废弃物混合以形成浆体。

附图说明

现在将作为示例参考意图示例而非限制的附图来描述实施例。对于本文中提及的所有附图，相似的附图标记始终指代相似的元件。

图1图示根据本发明的一些实施例的用于转化农业废弃物的系统。

图2图示根据本发明的一些实施例的将植物废弃物转化成有用的动物饲料的方法。

图3图示根据本发明的一些实施例的将农业废弃物转化成动物饲料的方法。

具体实施方式

详细参考本发明的实施例，其示例在附图中被图示。虽然下面结合示例来描述本发明，然而应当理解的是，并非意图将本发明限于这些实施例和示例。相反，本发明意图覆盖替选、修改和等同方案，这些替选、修改和等同方案可以被包括在所附权利要求所定义的本发明的精神和范围内。另外，在本发明的以下详细描述中，给出大量具体细节以便更全面地说明本发明。然而，得益于本公开的本领域普通技术人员应当清楚，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述公知方法和程序、部件和过程，以免不必要地模糊本发明的各个方面。当然，应当理解的是，在任何这样的实际实施方式的开发中，必须做出大量特定于实施方式的判决以便实现开发者的具体目的，诸如兼容应用和商业相关的约束，并且应当理解的是，具体目的随着实施方式并且随着开发者而变化。另外，应当理解的是，这样的开发努力可能是复杂并且耗时的，但是对于得益于本公开的本领域普通技术人员是例行的工程承担。

并非将植物废弃物再循环到地里作为堆肥，本发明创建流程以将植物废弃物进一步分解成三种基本成分：纤维素纤维、蛋白质和矿物质。纤维素纤维可以用作用于酒精生产的原材料。另外，造纸工业能够使用纤维素纤维作为用于奶牛和鸡场的垫底材料。

蛋白质、油、有机抗生素、维生素、矿物质和抗氧化剂也能够被回收为动物饲料。在钾和磷方面非常丰富的无机盐连同水能够被重新循环回到系统中以灌溉土地。

图1图示根据本发明的一些实施例的用于转化农业废弃物的系统100。系统100能够分离所有的原始组分并且对其进行利用。系统100能够用在工业或大规模工厂中。

在步骤102，收获和收集农业废弃物(诸如植物废弃物，包括根、皮、种子、秆、叶子)和茎。向农业废弃物添加预定量的水以在向在步骤104的细胞壁破坏设备馈送之前具有70％到95％的水分含量。水可以是淡水或者来自步骤108的水流/流体流。在步骤104，向细胞壁破坏设备馈送浆体以破坏农业废弃物的细胞壁，使得能够释放来自纤维素细胞壁(主要是纤维)的蛋白质、油、淀粉/糖、抗氧化剂、营养物材料和矿物质。在一些实施例中，细胞壁破坏设备是磨碎设备，诸如锤式磨碎机、盘式磨碎机、针式磨碎机、粉碎机、和简单的搅拌机型磨碎设备。本领域普通技术人员理解到，能够使用任何其他磨碎/研磨设备，只要磨碎设备能够破坏细胞壁。在一些实施例中，使用一个或多个盘式磨碎机。在步骤106，执行纤维素分离。从磨碎的大量浆体去除纤维素(纤维)，使得能够将纤维素与有价值的产物(诸如蛋白质、油、抗氧化剂和营养物)分离。在一些实施例中，纤维素分离使用筛网分离设备，诸如压力筛网、桨叶式筛网、振动筛网、筛网离心机和压力机。本领域普通技术人员理解的是，能够分离纤维素的任何其他分离设备在本发明的范围内。在一些实施例中，在使用桨叶式筛网之后使用螺旋压力机以具有更高的蛋白质回收和最大纤维素(纤维)饼粕干燥度。

在步骤108，净化从步骤106去除的纤维素。能够通过向纤维素添加洗涤用水来执行净化过程。在一些实施例中，洗涤用水能够来自步骤114作为逆流水洗涤。在一些实施例中，能够将来自步骤108的水/流体流添加到细胞壁破坏104或纤维素分离106作为逆流洗涤。以上描述的逆流洗涤和/或另外的桨叶式筛网能够生成纯净的纤维并且回收更多有价值的产物，诸如蛋白质、油和抗氧化剂。能够在步骤108A收集从纤维素净化步骤108隔离的纤维素作为纤维素原材料，其能够用于以下各项：酒精生产、动物喂养、以及用于造纸工业的组成原料。纤维(纤维素)还能够用作奶牛和鸡场的垫底材料。通过堆肥制作过程，能够使用纤维素来生产有机肥料和土壤条件材料。通过研磨动作被破坏的细胞壁加速了堆肥制作过程。纤维还能够用作漏油的可生物降解油吸收剂、包装材料和其他环保技术。

在步骤110，能够使用来自纤维素分离步骤106的液体来执行油回收。来自纤维素分离步骤106的液体包含全部有价值的产物，诸如蛋白质、油、淀粉/糖、抗氧化剂、营养物、抗生素和激素。当所使用的农业废弃物的油含量非常高(例如橘子皮)时，油回收步骤110能够生成/回收显著量的油。在步骤110，能够使用离心机，诸如倾析器、除油泥设备或盘式倾析器。在步骤110，被回收的油能够用作燃料或者用于其他工业用途。在步骤112，将来自油回收110的脱脂流发送给蛋白质凝固步骤112，使得能够通过加热(高于160°F的温度)或通过调节pH(大约是5或者在酸性条件下)来凝固蛋白质。在步骤112，油、淀粉、抗氧化剂、营养物、抗生素和激素吸收蛋白质并且与蛋白质凝固。在步骤114，执行分离步骤。能够通过使用简单的分离/过滤步骤/设备来将来自步骤112的具有植物废弃物中的所有有价值元素的凝固的蛋白质与液体分离，使得能够回收具有有价值要素的蛋白质，其能够是理想的动物饲料。动物饲料被视为具有最小或没有抗生素和激素添加物的有机物。来自分离/过滤步骤114的具有所有矿物质的干净液体能够用作动物饮用水或植物灌溉用水。来自分离步骤114的液体部分能够用作要在步骤104处使用的洗涤用水114A。在步骤114，能够使用任何液体固体分离设备(诸如袋式过滤器、板式和板框式过滤器、以及鼓式过滤器)和离心机(倾析器、篮子、盘式离心机和盘式倾析器)。

在步骤116，执行微滤步骤。来自步骤114的清洁流体包含一些有价值的可溶性化学品，诸如能够使用微过滤设备进一步分离和回收的维生素，使得能够隔离/回收动物营养物。在步骤118，能够使用超滤处理，使得能够回收可溶性有机物质118A，诸如维生素，它们能够用作动物饲料。来自超滤步骤118的可溶性无机盐118B能够用作肥料或无机化学材料。

在一些实施例中，能够通过施加热量、将pH值调节为在8至10附近、或者在细胞壁破坏步骤104之前或期间添加酶或其他化学品。

图2图示根据本发明的一些实施例的将植物废弃物转化成有用的动物饲料的方法。在步骤202，将500c.c.水与食品杂货店购物袋量的唐莴苣（例如600g）在200c.c.高速厨房搅拌机中混合。将这一袋唐莴苣和水研磨4分钟。将研磨后的浆体倾倒入300微米的厨房过滤器204中。纤维部分在过滤器的顶部部分/层上。将研磨后的浆体稍微按压以去除尽可能多的液体。在步骤206，收集来自厨房过滤器204的液体并且将其加热到大约180°F。加热引起蛋白质凝固并且形成凝乳。将这一凝乳浆体倾倒入织物中以将凝乳与干净流体分离。将凝乳轻微按压以产生包含所有抗氧化剂（绿色）和营养物的蛋白质饼粕。蛋白质饼粕和纤维部分都被太阳晒干。本领域普通技术人员理解的是，能够使用任何其他干燥过程。在干燥过程之后，称重和分析纤维部分和蛋白质部分。干燥（例如在太阳下干燥）来自步骤206的干净流体以去除大部分的水，从而产生浓缩的糖浆，其被放置在冰箱中一整夜。无机盐被结晶出来并且沉淀在底部。分析这一糖浆的重量。

针对蛋白质、油、淀粉、灰分（ash）、营养物和净能量来称重和分析来自一袋唐莴苣的纤维、蛋白质和糖浆，其能够用作动物饲料。表1中示出了各个成分的分析结果。

表1

数据表明，蛋白质部分(例如来自步骤114的固体部分)具有35.7％的蛋白质、6.3％的油和22％的纤维，其对于用作鸡饲料或猪饲料而言是理想的。细胞破坏过程和蛋白质回收过程的组合能够产生蛋白粉作为动物饲料。蛋白粉能够具有58.65％的蛋白质回收、65.95％的油回收并且仅包含植物废弃物中的总纤维的36.36％。使用本发明的实施例产生的这些精细纤维更精细并且是半纤维素，其能够被鸡和猪消耗并且很容易地转化成能量。这一蛋白质产物具有1.49Kcal/lb.的可消化能量以及1.33Kcal/lb.的新陈代谢能量。

下面，表2示出了根据本发明的一些实施例的能够使用的一些所选择的农业废弃物的成分表格。

表2农业废弃物的组成

图3图示根据本发明的一些实施例的将农业废弃物转化成动物饲料的方法300。方法300能够在步骤302开始。在步骤304，破坏浆体形式的农业废弃物的细胞壁。在步骤306，从浆体去除纤维素。在步骤308，回收油。在步骤310，凝固蛋白质。来自步骤310的液体部分能够在步骤314用作洗涤用水。来自步骤310的固体部分能够在步骤312用作动物饲料。

人工抗生素在动物饲料中被大量使用，其变为对食用这些动物的人类的严重的健康问题。需要以上陈述的问题的解决方案。植物、蔬菜和水果拥有大量维生素和矿物质，它们是制作不含人工抗生素的动物饲料的理想来源。通过根据一些实施例的过程和系统产生的动物饲料在精细/可溶性纤维、蛋白质、碳水化合物、油、有机抗生素矿物质和抗氧化剂方面很丰富，其是用于动物的纯有机饲料的理想材料。

为了利用农业废弃物，使用研磨和分离过程从被丢弃的植物废弃物(根、皮、种子、秆、叶子和茎)中提取营养物(诸如蛋白质、油、碳水化合物、抗氧化剂、有机抗生素、矿物质和维生素)，使得能够将通常被丢弃的农业废弃物转化成有用的产物。

在操作中，收集废弃物，破坏植物废弃物的细胞壁以释放蛋白质和营养物连同其他有用的成分。凝固蛋白质以与有用的营养物和矿物质隔离，从而制作理想的动物饲料。

已经在包含促进对本发明构成和操作原理的理解的细节的具体实施例方面描述了本发明。本文中对具体实施例及其细节的这样的引用并非意图限制其所附权利要求的范围。本领域技术人员容易清楚的是，可以在被选择用于说明的实施例中做出各种其他修改而没有偏离权利要求定义的本发明的精神和范围。