РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННОГО КОРМОВОГО МОНОКАЛЬЦИЙФОСФАТА НА ОСНОВЕ ИЗВЕСТИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты исследования по получению кормового монокальцийфосфата в гранулированном виде путем разложения известняка термической фосфорной кислотой (60% Р₂О₅) при ее нормах 90, 95 и 100% на образование монокальцийфосфата. Процесс проводился при температуре 80 °С, продолжительности 5 минут и кратности ретура по отношению к готовому продукту 30%.

Оптимальным условием получения гранулированного кормового монокальцийфосфата является норма фосфорной кислоты 95%, при этом получен продукт состава (масс. %): P₂O_5усв. – 56,43; P₂O_5водн. – 55,45; CaO_общ. – 21,61; CaO_усв. – 21,50; CaO_вод. – 20,92; F отсутствует, прочность гранул – 1,68 МПа. По составу и свойствам полученный кормовой монокальцийфосфат отвечает требованиям ГОСТ 23999-80 (1-й сорт). Рассчитан материальный баланс процесса получения 1 тонны гранулированного монокальцийфосфата.

ABSTRACT

The article presents the results of a study on the production of food monocalcium phosphate in granular form by the decomposition of thermal phosphoric acid limestone (60% P₂O₅) at its rates of 90, 95 and 100% for the formation of monocalcium phosphate. The process takes place at a temperature of 80 °C, a duration of 5 minutes and a reture rate for the detection of the finished product – 30%.

The optimal condition for obtaining granulated feed monocalcium phosphate is the rate of phosphoric acid – 95%, while the product of the composition (mass %) is obtained: P₂O_5dig. – 56.43; P₂O_5water. – 55.45; CaO_tot. – 21.61; CaO_dig. – 21.50; CaO_water. – 20.92; F – absent, the strength of the granules is 1.68 MPa. In terms of composition and properties, the obtained feed monocalcium phosphate meets the requirements of GOST 23999-80 (1st class). The material balance of the process of obtaining 1 ton of granular monocalcium phosphate was calculated.

Ключевые слова: известняк, термическая фосфорная кислота, монокальцийфосфат, состав, прочность гранул, материальный баланс.

Keywords: limestone, thermal phosphoric acid, monocalcium phosphate, composition, granule strength, material balance.

В настоящее время численность постояннного населения Узбекистана достигла 35,8 млн человек. В то же время площадь пахотных и поливных земель сокращается от 0,24 до 0,12 га на душу. Поэтому обеспеченность населения продуктами питания, особенно мясом и мясными изделиями, остается одной из глобальных проблем [9; 10].

В Узбекистане животноводство – одна из ведущих отраслей сельского хозяйства и пищевой промышленности. По данным Госкомстата РУз, по состоянию на 1 июля 2021 года поголовье крупного рогатого скота в республике достигло 12 953 тыс. голов. При этом следует отметить, что поголовье крупного рогатого скота на душу населения в республике составляет 0,39, надои молока – 315 литров, мяса – 41 килограмм. По медицинским нормам эти показатели в 1,7 и 2,0 раза меньше [12].

Потребление мяса по отношению к общей численности населения составляет более 2,5 млн тонн в год. Например, за 9 месяцев 2021 года произведено 1,9 млн тонн мяса. По отчетам Госкомстата сообщается, что в январе – ноябре 2021 года Узбекистан импортировал 27,6 тыс. тонн мяса. То есть импорт мяса увеличивался на 8,4 тыс. тонн по сравнению с аналогичным периодом 2020 года. Основная часть мяса закупалась в таких странах, как Беларусь (18,7 тыс. т), Казахстан (4,2 тыс. т), Украина (2,6 тыс. т), Россия (629 т) и Молдова (660 т) [11]. Однако в масштабах страны обеспеченность населения мясными продуктами остается недостаточной.

Нормальная жизнедеятельность животных и птиц, их рост, развитие и продуктивность обусловливаются полноценным кормовым питанием [4]. Среди химических элементов особое место занимает фосфор. Он входит в состав многих минералов, прежде всего фосфатов кальция. Мировое потребление кормовых фосфатов кальция превысило 6 млн тонн в год и продолжает ежегодно увеличиваться [7].

Эффективность кормовых фосфатов кальция оценивается по содержанию в них фосфора и кальция, участвующих в обменных процессах организма. Таким образом, как кальций, так и фосфор играют важную роль в жизни организма.

В результате ежедневное использование питательных фосфатов в рационе животных способствует:

• нормализации минерального обмена;
• сокращению периода ожирения;
• получению здорового потомства (снижает заболеваемость животных);
• содержанию молодняка и профилактике рахита;
• повышению питательной ценности мяса;
• снижению потребления кормов и в конечном итоге повышению прибыльности фермы (и снижению затрат на продукты животноводства) [15].

В соответствии с постановлением Президента Республики Узбекистан от 3 апреля 2019 года № ПП-4265 «О мерах по дальнейшему реформированию химической промышленности и повышению ее инвестиционной привлекательности» в течение 2019–2024 годов на базе АО «Аммофос-Максам» будут увеличиваться объемы производства кормовых фосфатов на 100 тыс. тонн (на 1-м этапе – 20 тыс. тонн, а на 2-м – 80 тыс. тонн).

В некоторых странах, например в Российской Федерации, в качестве минеральных добавок часто используют фосфаты кальция – костную муку, фосфат без фтора, моно- и дикальцийфосфат, а также моно- и динатрийфосфаты, моно- и диаммонийфосфаты, мочевинофосфат [5; 6]. Они обладают высокой растворимостью в воде и высокой скоростью всасывания. При использовании в качестве кормовой добавки для животных, домашнего скота и птицы количество, добавляемое в корм, обычно составляет от 1 до 2%, при этом уровень использования фосфора составляет 94–98%.

Следует отметить, что добавка в корм скота монокальцийфосфата (МКФ) позволяет увеличить живую массу птицы и скота. При этом обеспечивается увеличение живой массы на 5–12% по сравнению с другими видами кормовых фосфатов, что может послужить важным фактором роста для рынка монокальцийфосфата [14; 16]. Дикальцийфосфат также используется в качестве добавки для корма скота и особенно в качестве несушек и промикс-кормов при содержании домашней птицы и водных животных. МКФ может ускорить процесс пищеварения, вызвать увеличение веса животных, повысить продуктивность яйцекладки или производства молока, а также лечить такие заболевания, как рахит, остеомаляция, анемия [17].

Исходя из этого в настоящей работе проводились иследования по получению образцов МКФ.

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования использовались термическая фосфорная кислота (ТФК) марки «ч» с содержанием 83,21% Н₃РО₄ (60,3% Р₂О₅) и известняк марки «х.ч.», содержащий 99,5% СаСО₃ с размером частиц менее 0,25 мм. В качестве ретурного продукта изначально использован монокальцийфосфат (MКФ) марки «чда».

Процесс разложения известняка с ТФК осуществляется согласно нижеследующему уравнению при нормах кислоты 90, 95 и 100%:

СаСО₃ + Н₃РО₄ → Са(Н₂РО₄)₂ + Н₂О + СО₂.

Исходя из показателей степени грануляции продукта – МКФ кратность ретура (размер зерен – менее 1 мм), нами принято соотношение 1:0,3, в результате чего обеспечиваются благоприятные условия для окатывания с выходом товарного продукта не менее 70%.

Лабораторные эксперименты проводились следующим образом. Перед началом процесса необходимое количество TФК предварительно разогревали при 80 °C в течение 15 минут в фарфоровом стакане, находящемся в термостате. Затем в фарфоровый реактор загружали необходимое количество известняка и ретура МКФ при соотношении продукт : ретур = 1 : 0,3. Процесс перемешивания реакционной массы длился 5 мин. Поскольку полученная масса находилась в пористом состоянии, осуществляли процесс окатывания и грануляции влажного продукта. Полученные необработанные зерна МКФ сушили в сушильном шкафу при температуре 75–80 °C в течение 4–6 часов. В этом случае для каждой нормы был получен соответствующий продукт, используемый в качестве ретура.

Химический анализ продуктов на содержание различных форм Р₂О₅ и СаО проводили по известным методикам [8; 13]. В продуктах усвояемые формы Р₂О₅ и СаО определяли по растворимости в 0,4%-ном растворе соляной кислоты. pH среды 10%-ных растворов готового продукта измеряли на приборе METTLER TOLEDO FE20/EL20 (Германия) по методике [3]. Статическую прочность гранул образцов кормового МКФ определяли на приборе МИП-1 методом, разработанным в НИУИФ [1].

Результаты и их обсуждение

Результаты проведенного исследования представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Состав образцов гранулированного кормового монокальцийфосфата в зависимости от нормы термической фосфорной кислоты

Данные показывают, что с увеличением норм ТФК от 90 до 100% содержание усвояемой формы Р₂О₅ повышается от 55,49 до 56,86%. Одновременно увеличивается водорасторимая форма P₂O₅ от 54,77 до 55,78%. С таким высоким содержанием усвояемого и водорастворимого фосфора монокальцийфосфат вполне эффективно можно применять в качестве добавки в питательном рационе корма для крупного рогатого скота, птицы и рыбы.

При этом следует отметить, что продукты в своем составе кроме фосфора содержат наибольшее количество усвояемой и водорастворимой формы СаО. Данный компонент также крайне необходим для костной ткани любого вида живого организма. Так, при изучаемых нормах фосфорной кислоты готовые продукты имеют 21,52–21,68% СаО_общ.; 21,50–21,54% СаО_усв. и 20,35–21,51% СаО_водн.

В таблице 2 приведены показатели прочности гранул кормовых фосфатов. Из нее видно, что в зависимости от нормы фосфорной кислоты прочность гранул кормовых фосфатов колеблется в пределах 1,62–1,72 МПа.

Таблица 2.

Статическая прочность гранул кормового монокальцийфосфата

Анализируя данные, можно отметить, что оптимальной нормой ТФК является 95%. При этом продукт содержит (масс.% ): P₂O_5усв. – 56,43; P₂O_5водн. – 55,45; CaO_общ. – 21,61; CaO_усв. – 21,50; CaO_водн. – 20,92, pH – 2,48 с прочностью гранул 1,68 МПа. Кормовой монокальцийфосфат с такими показателями полностью соответствует требованиям ГОСТ 23999-80 [2].

Далее рассчитан материальный баланс для получения 1 тонны кормового монокальцийфосфата (рисунок).

Из него следует, что для получения 1 тонны кормового монокальцийфосфата потребуется 651,58 кг ТФК, 294,22 кг известняка и 275,22 кг мелкой фракции МКФ в качестве ретура.

Исходя из полученных данных, установлены следующие условия получения кормового монокальцийфосфата: норма ТФК на образование МКФ – 95%; время перемешивания – 5 минут; кратность ретура – 1:0,3.

Рисунок 1. Материальный баланс для получения 1 тонны кормового монокальцийфосфата

Расчеты материального потока позволили определить технологию получения кормового монокальцийфосфата с приемлемыми аппаратурно-техническими оформлениями. Для этого необходимы такие смесительные аппараты, как двухлопастные смесители с редукторным проводом, напорный бак для ТФК, расходомер для равномерной подачи кислотного агента. После смешения реакционная масса будет подаваться в барабан – гранулятор, а дальше – в барабанную сушилку. В барабанной сушилке сырые гранулы (влажность 5–7%) сушатся при 200 °С и через элеватор, просеиваются до товарной фракции 1–4 мм и направляются на охлаждение до 40 °С и склад для готовой продукции.

Заключение

Показаны условия получения кормового фосфата гранулированного кормового монокальцийфосфата путем разложения известняка со 100, 95 и 90%-ной нормой термической фосфорной кислоты, из которых оптимальной явилась 95%-ная норма кислотного агента. Оптимальность заключается в том, что при таком расходе фосфорной кислоты получаются с высокими содержаниями усвояемой и водорастворимой форм Р₂О₅ и СаО, а также удовлитворительной статической прочностью. Такой состав и свойства положительно влияют на продуктивность животных при добавке фосфата в рацион корма. Проведенный материальный баланс заранее дает оценку по аппаратурному оформлению производства гранулированного кормового монокальцийфосфата.

Список литературы:

1. ГОСТ 21560.2-82. Удобрения минеральные. Методы испытаний. – М. : Госстандарт, 1982. – 30 с.
2. ГОСТ 23999-80. Кальцийфосфат кормовой. – 9 с.
3. ГОСТ 24596.5-81. Фосфаты кормовые. Метод определения рН раствора или суспензии. – М. : ИПК Издательство стандартов, 2004. – 2 с.
4. Дегтярев В. Эффективность монокальцийфосфата при кормлении животных // Молочное и мясное скотоводство. – 2003. – № 2. – С. 7–10.
5. Константиновская М.А. Исследование физико-химического состава отхода производства костной муки с целью оценки перспективы его комплексной переработки // Успехи в химии и химической технологии. – 2012. – Т. 26, № 10 (139). – С. 87–91.
6. Кормовая добавка на основе животной костной ткани / М.И. Бабурина, Л.В. Федулова, К.Р. Василевская, А.Н. Иванкин [и др.] // Мясная индустрия. – 2021. – № 3. – С. 20–25.
7. Литусова Н.М. Технология получения кормовых фосфатов кальция в гранулированном виде на основе мела и экстракционной фосфорной кислоты : дис. … канд. техн. наук. – М., 2004. – 136 с.
8. Методы анализа фосфатного сырья, фосфорных и комплексных удобрений, кормовых фосфатов / М.М. Винник, Л.Н. Ербанова, П.М. Зайцев [и др.]. – М. : Химия, 1975. – 218 с.
9. Площадь сбора урожая пшеницы в 2020 в Узбекистане / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://yandex.ru/search/?text=площадь+сбор+урожая+пщеницы+в+2020+2020 = в Узбекистане.
10. Площадь сбора урожая хлопка в 2020 в Узбекистане / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://yandex.ru/search/?text=площадь+сбор+урожая+хлопка+в+2020+в+Узбекистане.
11. Постановление Президента Республики Узбекистан от 03.04.2019 № ПП-4265 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lex.uz/uz/docs/4271634.
12. Соатов У.Р. Деҳқон хўжаликлари шароитида чорвачиликни ривожлантиришнинг ўзига хос хусусиятлари. – Ташкент, 2018. – 60 б.
13. Шварценбах Г., Флашка Г. Комплексонометрическое титрование. – М. : Химия, 1970. – 360 с.
14. In 11 months, Uzbekistan imported 27.6 thousand tons of meat / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://tashkenttimes.uz/economy/8162.
15. John J. Mcketta, William A. Phosphoric acid and phosphates // Encyclopedia of chemical processing and design. – Vol. 35. – Р. 478–489.
16. Monocalcium Phosphate Market | Global Industry Report, 2030 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.transparencymarketresearch.com/monocalcium-phosphate market.html.
17. Zhou Y., Xiao С., Yang S. Life cycle assessment of feed grade mono-dicalcium phosphate production in China, a case study // Journal of Cleaner Production. – 2020.