本申請要求2014年2月10日提交的、題為“A SYSTEM FOR AND METHOD FOR CONVERTING AGRICULTURAL WASTE TO ANIMAL FEED AND OTHER VALUNABLE RAW MATERIALS”的美國臨時專利申請第61/937,995號在35 U.S.C.§119(e)下的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容據(jù)此出于所有目的通過引用被合并。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及動物飼料領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于提取和處理植物廢棄物成為動物飼料的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

全世界人口繼續(xù)快速增長，由于地球上有限的陸地而導(dǎo)致可怕的食物短缺。這可以歸因于與植物蛋白質(zhì)相比消耗更多動物蛋白質(zhì)的趨勢。生產(chǎn)1噸動物蛋白質(zhì)需要幾噸植物蛋白質(zhì)。例如，喂養(yǎng)牛以產(chǎn)生1噸牛蛋白質(zhì)平均需要8噸植物蛋白質(zhì)，喂養(yǎng)豬以產(chǎn)生1噸豬蛋白質(zhì)平均需要4噸植物蛋白質(zhì)，喂養(yǎng)雞以產(chǎn)生1噸雞蛋白質(zhì)平均需要3噸植物蛋白質(zhì)，喂養(yǎng)魚以產(chǎn)生1噸魚蛋白質(zhì)平均需要1.5噸植物蛋白質(zhì)。

植物廢棄物來自各種源。例如，所有農(nóng)業(yè)作物在收獲期間產(chǎn)生很多農(nóng)業(yè)廢棄物。這些農(nóng)業(yè)作物包括：a)谷類作物(諸如大米、小麥和玉米，它們具有(1)稈和莖以及(2)殼和穗軸(cob))；b)藤和葉子作物(諸如豌豆和黃豆，它們具有(1)藤和葉子以及(2)豆莢)；以及c)根作物(諸如木薯和土豆，它們具有(1)藤和葉子以及(2)塊莖)。地里的作物廢棄物與實際作物生產(chǎn)相比包含幾倍的重量，并且具有低蛋白質(zhì)含量(3％到12％的蛋白質(zhì))并且營養(yǎng)價值較低。因此，其作為動物飼料具有非常有限的用途(主要用于牛和馬)。其通常被轉(zhuǎn)交到土地中作為土壤改良劑和肥料。循環(huán)利用農(nóng)業(yè)廢棄物是可持續(xù)的方式，其避免了產(chǎn)生不健康空氣污染物的當(dāng)前燃燒方法。

另外，很多食物加工廠在食物加工步驟期間也生產(chǎn)廢棄物，諸如大米/小麥麩皮、不能用于人類消耗的蔬菜、木薯/土豆皮以及來自橘子汁工廠的橘子皮。這些廢棄物包含由人類使用的大約5％到10％的作物并且包含可以用作動物飼料的部分的較高蛋白質(zhì)和有價值的營養(yǎng)物。

另外，農(nóng)民將他們的時間、能量和資源投入到種植在公開市場上售賣以用于超市配送或進(jìn)一步處理的作物中。當(dāng)收獲農(nóng)產(chǎn)品時，根、殼、分支、葉子或莖被切除。這些剩余部分的紋理和口味屬性被視為對于人類消耗而言是不理想的并且最終被丟棄。認(rèn)識到植物廢棄物包含諸如氮、鉀和鈣之類的礦物質(zhì)，這些礦物質(zhì)對于土壤生長出新的作物而言是至關(guān)重要的，農(nóng)民使用他們的植物廢棄物作為肥料。其中一些植物廢棄物包含較高水平的維生素、礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)的植物廢棄物(其用作動物飼料的部分)在缺乏動物飼料資源的地區(qū)已經(jīng)存在并且被保持了幾百年。

這些農(nóng)業(yè)廢棄物可能對于人類和動物消耗而言是有價值的。這一農(nóng)業(yè)廢棄物中的蛋白質(zhì)、碳水化合物、油、抗生素、礦物質(zhì)和抗氧化劑總含量重量大于人類和動物所消耗的作物中的含量。然而，這些有價值的資源大部分沒有被人類和動物充分使用，因為其低百分比水平的蛋白質(zhì)含量和非常高的纖維素含量，其不適于人類和動物消耗。實際上，被丟棄的植物廢棄物的外層或殼通常擁有比作為產(chǎn)物出售的內(nèi)部本體更多的營養(yǎng)物。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，本發(fā)明能夠用于使用研磨和分離過程從被丟棄的植物廢棄物(根、皮、種子、稈、葉子和莖)提取營養(yǎng)物(諸如蛋白質(zhì)、油、碳水化合物、抗氧化劑、有機抗生素、礦物質(zhì)和維生素)。本發(fā)明的系統(tǒng)能夠在穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下運行并且從植物廢棄物提取有價值的材料以用于制作動物飼料，包括用于以下各項的纖維素材料：堆肥、有機肥料、用于造紙工業(yè)的原材料、以及酒精生產(chǎn)。本說明書中描述的所有植物/植物廢棄物能夠用作原材料的源。

在一些實施例中，本發(fā)明的提取方法使用各種材料，包括可食用的農(nóng)業(yè)產(chǎn)物、副產(chǎn)物以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)物的廢棄物和植物不可食用廢棄物。該方法破壞材料的細(xì)胞壁并且釋放有價值的成分，諸如蛋白質(zhì)、油、碳水化合物、有機抗生素、維生素、礦物質(zhì)和抗氧化劑。接著，執(zhí)行分離步驟以將固體形式的纖維素材料從液體漿體形式的有價值的動物亞硝酸鹽化合物分離。將具有有價值的化合物的液體漿體進(jìn)一步分離為蛋白質(zhì)、油、淀粉、抗氧化劑、無機成分(其能夠用作動物飼料)和礦物質(zhì)(其能夠用作肥料)。能夠可選地分離維生素和其他有價值的化學(xué)品。

在一方面，一種制作動物飼料的方法包括：收集農(nóng)業(yè)物質(zhì)；破壞農(nóng)業(yè)物質(zhì)的細(xì)胞壁；去除纖維素物質(zhì)；以及形成具有適于動物消耗的成分的食物。在一些實施例中，該方法還包括回收油。在其他實施例中，該方法還包括凝固蛋白質(zhì)。在一些其他實施例中，凝固蛋白質(zhì)包括加熱到高于160°F的溫度。在一些實施例中，凝固蛋白質(zhì)包括將pH值調(diào)節(jié)成在3至6之間的范圍內(nèi)。在一些其他實施例中，農(nóng)業(yè)物質(zhì)包括植物廢棄物。在一些實施例中，植物廢棄物包括根、皮、種子、稈、葉子、或它們的組合。在其他實施例中，該方法還包括通過向農(nóng)業(yè)物質(zhì)添加水來制作漿體。在一些其他實施例中，漿體具有70％至90％的水分含量。在一些實施例中，該方法還包括通過破壞細(xì)胞壁來釋放蛋白質(zhì)、油、淀粉、抗氧化劑、營養(yǎng)物、或它們的組合。在其他實施例中，通過使用磨碎設(shè)備來進(jìn)行破壞細(xì)胞壁。在一些其他實施例中，磨碎(milling)設(shè)備包括錘式磨碎機、盤式磨碎機、針式磨碎機、粉碎機(disintegrator)、簡單的攪拌機(blender)型磨碎機、或它們的組合。在一些實施例中，去除纖維素物質(zhì)包括使用纖維素洗滌或去除設(shè)備，其中纖維素洗滌或去除設(shè)備包括槳葉式篩網(wǎng)、振動篩網(wǎng)、篩網(wǎng)離心機、螺旋壓力機、或它們的組合。在其他實施例中，該方法還包括通過使用固體/液體分離設(shè)備來增加蛋白質(zhì)回收的產(chǎn)量，其中固體/液體分離設(shè)備包括板框式過濾器、轉(zhuǎn)筒式過濾器、固體/液體離心分離器、壓帶機、或螺旋壓力機。在一些其他實施例中，該方法還包括在破壞細(xì)胞壁時添加酶或化學(xué)品。在其他實施例中，食物包括蛋白質(zhì)、碳水化合物、抗氧化劑、有機抗生素、礦物質(zhì)和維生素。在一些其他實施例中，該方法還包括形成包含礦物質(zhì)并且基本上沒有蛋白質(zhì)的動物飲用水。在一些實施例中，纖維素物質(zhì)被處理以產(chǎn)生用于以下各項的原材料：造紙工業(yè)、酒精、動物墊料、堆肥、有機肥料、或有機包裝材料。

在另一方面，一種用于農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)包括：細(xì)胞壁破壞設(shè)備；纖維素分離設(shè)備；被配置成回收在細(xì)胞壁破壞設(shè)備處釋放的油的油回收設(shè)備；蛋白質(zhì)凝固設(shè)備；以及被配置成回收在蛋白質(zhì)凝固設(shè)備處的凝固的蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)回收設(shè)備。在一些實施例中，細(xì)胞壁破壞設(shè)備包括錘式磨碎機、盤式磨碎機、針式磨碎機、粉碎機、簡單的攪拌機型磨碎機、或它們的組合。在其他實施例中，該系統(tǒng)還包括分離設(shè)備。在一些其他實施例中，分離設(shè)備包括壓力篩網(wǎng)、槳葉式篩網(wǎng)、振動篩網(wǎng)、篩網(wǎng)離心機、壓力機、或它們的組合。

在另一方面，一種轉(zhuǎn)化農(nóng)業(yè)廢棄物的方法包括：收集相當(dāng)數(shù)量的農(nóng)業(yè)廢棄物；使用磨碎設(shè)備破壞在漿體中的農(nóng)業(yè)廢棄物的細(xì)胞壁，使得蛋白質(zhì)、碳水化合物、抗氧化劑、有機抗生素、礦物質(zhì)和維生素被釋放；使用篩網(wǎng)分離設(shè)備從漿體去除纖維素；凝固蛋白質(zhì)；以及形成動物飼料。在一些實施例中，該方法還包括將相當(dāng)數(shù)量的水與農(nóng)業(yè)廢棄物混合以形成漿體。

附圖說明

現(xiàn)在將作為示例參考意圖示例而非限制的附圖來描述實施例。對于本文中提及的所有附圖，相似的附圖標(biāo)記始終指代相似的元件。

圖1圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的用于轉(zhuǎn)化農(nóng)業(yè)廢棄物的系統(tǒng)。

圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的將植物廢棄物轉(zhuǎn)化成有用的動物飼料的方法。

圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化成動物飼料的方法。

具體實施方式

詳細(xì)參考本發(fā)明的實施例，其示例在附圖中被圖示。雖然下面結(jié)合示例來描述本發(fā)明，然而應(yīng)當(dāng)理解的是，并非意圖將本發(fā)明限于這些實施例和示例。相反，本發(fā)明意圖覆蓋替選、修改和等同方案，這些替選、修改和等同方案可以被包括在所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。另外，在本發(fā)明的以下詳細(xì)描述中，給出大量具體細(xì)節(jié)以便更全面地說明本發(fā)明。然而，得益于本公開的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實踐本發(fā)明。在其他情況下，沒有詳細(xì)描述公知方法和程序、部件和過程，以免不必要地模糊本發(fā)明的各個方面。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，在任何這樣的實際實施方式的開發(fā)中，必須做出大量特定于實施方式的判決以便實現(xiàn)開發(fā)者的具體目的，諸如兼容應(yīng)用和商業(yè)相關(guān)的約束，并且應(yīng)當(dāng)理解的是，具體目的隨著實施方式并且隨著開發(fā)者而變化。另外，應(yīng)當(dāng)理解的是，這樣的開發(fā)努力可能是復(fù)雜并且耗時的，但是對于得益于本公開的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是例行的工程承擔(dān)。

并非將植物廢棄物再循環(huán)到地里作為堆肥，本發(fā)明創(chuàng)建流程以將植物廢棄物進(jìn)一步分解成三種基本成分：纖維素纖維、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)。纖維素纖維可以用作用于酒精生產(chǎn)的原材料。另外，造紙工業(yè)能夠使用纖維素纖維作為用于奶牛和雞場的墊底材料。

蛋白質(zhì)、油、有機抗生素、維生素、礦物質(zhì)和抗氧化劑也能夠被回收為動物飼料。在鉀和磷方面非常豐富的無機鹽連同水能夠被重新循環(huán)回到系統(tǒng)中以灌溉土地。

圖1圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的用于轉(zhuǎn)化農(nóng)業(yè)廢棄物的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100能夠分離所有的原始組分并且對其進(jìn)行利用。系統(tǒng)100能夠用在工業(yè)或大規(guī)模工廠中。

在步驟102，收獲和收集農(nóng)業(yè)廢棄物(諸如植物廢棄物，包括根、皮、種子、稈、葉子)和莖。向農(nóng)業(yè)廢棄物添加預(yù)定量的水以在向在步驟104的細(xì)胞壁破壞設(shè)備饋送之前具有70％到95％的水分含量。水可以是淡水或者來自步驟108的水流/流體流。在步驟104，向細(xì)胞壁破壞設(shè)備饋送漿體以破壞農(nóng)業(yè)廢棄物的細(xì)胞壁，使得能夠釋放來自纖維素細(xì)胞壁(主要是纖維)的蛋白質(zhì)、油、淀粉/糖、抗氧化劑、營養(yǎng)物材料和礦物質(zhì)。在一些實施例中，細(xì)胞壁破壞設(shè)備是磨碎設(shè)備，諸如錘式磨碎機、盤式磨碎機、針式磨碎機、粉碎機、和簡單的攪拌機型磨碎設(shè)備。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解到，能夠使用任何其他磨碎/研磨設(shè)備，只要磨碎設(shè)備能夠破壞細(xì)胞壁。在一些實施例中，使用一個或多個盤式磨碎機。在步驟106，執(zhí)行纖維素分離。從磨碎的大量漿體去除纖維素(纖維)，使得能夠?qū)⒗w維素與有價值的產(chǎn)物(諸如蛋白質(zhì)、油、抗氧化劑和營養(yǎng)物)分離。在一些實施例中，纖維素分離使用篩網(wǎng)分離設(shè)備，諸如壓力篩網(wǎng)、槳葉式篩網(wǎng)、振動篩網(wǎng)、篩網(wǎng)離心機和壓力機。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的是，能夠分離纖維素的任何其他分離設(shè)備在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在一些實施例中，在使用槳葉式篩網(wǎng)之后使用螺旋壓力機以具有更高的蛋白質(zhì)回收和最大纖維素(纖維)餅粕干燥度。

在步驟108，凈化從步驟106去除的纖維素。能夠通過向纖維素添加洗滌用水來執(zhí)行凈化過程。在一些實施例中，洗滌用水能夠來自步驟114作為逆流水洗滌。在一些實施例中，能夠?qū)碜圆襟E108的水/流體流添加到細(xì)胞壁破壞104或纖維素分離106作為逆流洗滌。以上描述的逆流洗滌和/或另外的槳葉式篩網(wǎng)能夠生成純凈的纖維并且回收更多有價值的產(chǎn)物，諸如蛋白質(zhì)、油和抗氧化劑。能夠在步驟108A收集從纖維素凈化步驟108隔離的纖維素作為纖維素原材料，其能夠用于以下各項：酒精生產(chǎn)、動物喂養(yǎng)、以及用于造紙工業(yè)的組成原料。纖維(纖維素)還能夠用作奶牛和雞場的墊底材料。通過堆肥制作過程，能夠使用纖維素來生產(chǎn)有機肥料和土壤條件材料。通過研磨動作被破壞的細(xì)胞壁加速了堆肥制作過程。纖維還能夠用作漏油的可生物降解油吸收劑、包裝材料和其他環(huán)保技術(shù)。

在步驟110，能夠使用來自纖維素分離步驟106的液體來執(zhí)行油回收。來自纖維素分離步驟106的液體包含全部有價值的產(chǎn)物，諸如蛋白質(zhì)、油、淀粉/糖、抗氧化劑、營養(yǎng)物、抗生素和激素。當(dāng)所使用的農(nóng)業(yè)廢棄物的油含量非常高(例如橘子皮)時，油回收步驟110能夠生成/回收顯著量的油。在步驟110，能夠使用離心機，諸如傾析器、除油泥設(shè)備或盤式傾析器。在步驟110，被回收的油能夠用作燃料或者用于其他工業(yè)用途。在步驟112，將來自油回收110的脫脂流發(fā)送給蛋白質(zhì)凝固步驟112，使得能夠通過加熱(高于160°F的溫度)或通過調(diào)節(jié)pH(大約是5或者在酸性條件下)來凝固蛋白質(zhì)。在步驟112，油、淀粉、抗氧化劑、營養(yǎng)物、抗生素和激素吸收蛋白質(zhì)并且與蛋白質(zhì)凝固。在步驟114，執(zhí)行分離步驟。能夠通過使用簡單的分離/過濾步驟/設(shè)備來將來自步驟112的具有植物廢棄物中的所有有價值元素的凝固的蛋白質(zhì)與液體分離，使得能夠回收具有有價值要素的蛋白質(zhì)，其能夠是理想的動物飼料。動物飼料被視為具有最小或沒有抗生素和激素添加物的有機物。來自分離/過濾步驟114的具有所有礦物質(zhì)的干凈液體能夠用作動物飲用水或植物灌溉用水。來自分離步驟114的液體部分能夠用作要在步驟104處使用的洗滌用水114A。在步驟114，能夠使用任何液體固體分離設(shè)備(諸如袋式過濾器、板式和板框式過濾器、以及鼓式過濾器)和離心機(傾析器、籃子、盤式離心機和盤式傾析器)。

在步驟116，執(zhí)行微濾步驟。來自步驟114的清潔流體包含一些有價值的可溶性化學(xué)品，諸如能夠使用微過濾設(shè)備進(jìn)一步分離和回收的維生素，使得能夠隔離/回收動物營養(yǎng)物。在步驟118，能夠使用超濾處理，使得能夠回收可溶性有機物質(zhì)118A，諸如維生素，它們能夠用作動物飼料。來自超濾步驟118的可溶性無機鹽118B能夠用作肥料或無機化學(xué)材料。

在一些實施例中，能夠通過施加熱量、將pH值調(diào)節(jié)為在8至10附近、或者在細(xì)胞壁破壞步驟104之前或期間添加酶或其他化學(xué)品。

圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的將植物廢棄物轉(zhuǎn)化成有用的動物飼料的方法。在步驟202，將500c.c.水與食品雜貨店購物袋量的唐萵苣（例如600g）在200c.c.高速廚房攪拌機中混合。將這一袋唐萵苣和水研磨4分鐘。將研磨后的漿體傾倒入300微米的廚房過濾器204中。纖維部分在過濾器的頂部部分/層上。將研磨后的漿體稍微按壓以去除盡可能多的液體。在步驟206，收集來自廚房過濾器204的液體并且將其加熱到大約180°F。加熱引起蛋白質(zhì)凝固并且形成凝乳。將這一凝乳漿體傾倒入織物中以將凝乳與干凈流體分離。將凝乳輕微按壓以產(chǎn)生包含所有抗氧化劑（綠色）和營養(yǎng)物的蛋白質(zhì)餅粕。蛋白質(zhì)餅粕和纖維部分都被太陽曬干。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的是，能夠使用任何其他干燥過程。在干燥過程之后，稱重和分析纖維部分和蛋白質(zhì)部分。干燥（例如在太陽下干燥）來自步驟206的干凈流體以去除大部分的水，從而產(chǎn)生濃縮的糖漿，其被放置在冰箱中一整夜。無機鹽被結(jié)晶出來并且沉淀在底部。分析這一糖漿的重量。

針對蛋白質(zhì)、油、淀粉、灰分（ash）、營養(yǎng)物和凈能量來稱重和分析來自一袋唐萵苣的纖維、蛋白質(zhì)和糖漿，其能夠用作動物飼料。表1中示出了各個成分的分析結(jié)果。

表1

數(shù)據(jù)表明，蛋白質(zhì)部分(例如來自步驟114的固體部分)具有35.7％的蛋白質(zhì)、6.3％的油和22％的纖維，其對于用作雞飼料或豬飼料而言是理想的。細(xì)胞破壞過程和蛋白質(zhì)回收過程的組合能夠產(chǎn)生蛋白粉作為動物飼料。蛋白粉能夠具有58.65％的蛋白質(zhì)回收、65.95％的油回收并且僅包含植物廢棄物中的總纖維的36.36％。使用本發(fā)明的實施例產(chǎn)生的這些精細(xì)纖維更精細(xì)并且是半纖維素，其能夠被雞和豬消耗并且很容易地轉(zhuǎn)化成能量。這一蛋白質(zhì)產(chǎn)物具有1.49Kcal/lb.的可消化能量以及1.33Kcal/lb.的新陳代謝能量。

下面，表2示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的能夠使用的一些所選擇的農(nóng)業(yè)廢棄物的成分表格。

表2農(nóng)業(yè)廢棄物的組成

圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化成動物飼料的方法300。方法300能夠在步驟302開始。在步驟304，破壞漿體形式的農(nóng)業(yè)廢棄物的細(xì)胞壁。在步驟306，從漿體去除纖維素。在步驟308，回收油。在步驟310，凝固蛋白質(zhì)。來自步驟310的液體部分能夠在步驟314用作洗滌用水。來自步驟310的固體部分能夠在步驟312用作動物飼料。

人工抗生素在動物飼料中被大量使用，其變?yōu)閷κ秤眠@些動物的人類的嚴(yán)重的健康問題。需要以上陳述的問題的解決方案。植物、蔬菜和水果擁有大量維生素和礦物質(zhì)，它們是制作不含人工抗生素的動物飼料的理想來源。通過根據(jù)一些實施例的過程和系統(tǒng)產(chǎn)生的動物飼料在精細(xì)/可溶性纖維、蛋白質(zhì)、碳水化合物、油、有機抗生素礦物質(zhì)和抗氧化劑方面很豐富，其是用于動物的純有機飼料的理想材料。

為了利用農(nóng)業(yè)廢棄物，使用研磨和分離過程從被丟棄的植物廢棄物(根、皮、種子、稈、葉子和莖)中提取營養(yǎng)物(諸如蛋白質(zhì)、油、碳水化合物、抗氧化劑、有機抗生素、礦物質(zhì)和維生素)，使得能夠?qū)⑼ǔ１粊G棄的農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化成有用的產(chǎn)物。

在操作中，收集廢棄物，破壞植物廢棄物的細(xì)胞壁以釋放蛋白質(zhì)和營養(yǎng)物連同其他有用的成分。凝固蛋白質(zhì)以與有用的營養(yǎng)物和礦物質(zhì)隔離，從而制作理想的動物飼料。

已經(jīng)在包含促進(jìn)對本發(fā)明構(gòu)成和操作原理的理解的細(xì)節(jié)的具體實施例方面描述了本發(fā)明。本文中對具體實施例及其細(xì)節(jié)的這樣的引用并非意圖限制其所附權(quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易清楚的是，可以在被選擇用于說明的實施例中做出各種其他修改而沒有偏離權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍。