Главная / Периодические издания / Журнал "Зооиндустрия" / 2004 / №8-9 / Повышение эффективности производства животноводческой продукции с использованием программ оптимизации рецептов комбикормов

Повышение эффективности производства животноводческой продукции с использованием программ оптимизации рецептов комбикормов

Панин И. Г., кандидат технических наук, Гречишников В. В., ООО "Корморесурс", г. Воронеж

Для современных пород животных и кроссов птицы требуются корма, которые полностью удовлетворяют их потребности в питательных веществах для поддержания жизни, развития, воспроизводства и получения высокой продуктивности.

Кормление является главным фактором, влияющим на количественную и качественную сторону обмена веществ в организме животного. Недостаток или избыток в корме необходимых питательных веществ изменяет течение биохимических процессов в организме, снижает продуктивность и даже может быть причиной заболеваний.

Научно-обоснованная потребность животного в питательных веществах выступает в свою очередь как требования к питательной ценности комбикормов и нормам их суточной дачи.

В современном понятии высококачественный комбикорм это, во-первых, комбикорм нетоксичный; во-вторых, имеющий питательную ценность, соответствующую потребностям животных; в-третьих, это комбикорм однородный, характеризующийся постоянством содержания питательных веществ в любой единице массы или объема.

Получение высококачественного комбикорма предполагает, в первую очередь, наличие хорошей модели комбикорма в виде его рецепта, в котором обеспечены все требуемые показатели питательности и биологически активные вещества. Для претворения хорошей модели в реальный комбикорм на предприятии необходимо иметь в наличии высококачественные компоненты, современное технологическое оборудование для их подготовки, точного дозирования и однородного смешивания.

Создание модели комбикорма (в нашей терминологии — расчет рецепта, в зарубежной терминологии — составление формулы комбикорма), сбалансированного по всем показателям питательности и химического состава, является непростой научно-технической проблемой. Рецепт комбикорма — это сочетание 10-18 кормовых компонентов, 3-12 видов витаминов, 5-6 видов микроэлементов, 2-5 видов биологически активных добавок; все это только в своей совокупности в определенном весовом соотношении способно удовлетворить потребности животных в питательных веществах для поддержания жизни, развития, воспроизводства и получения высокой продуктивности.

В нашей стране, в условиях плановой экономики расчет рецептов комбикормов был исключительной функцией комбикормовых предприятий или вышестоящих органов системы хлебопродуктов, рассчитывали рецепты также научно-исследовательские учреждения, занимающиеся проблемами кормления животных.

В современных условиях, при полной хозяйственной самостоятельности предприятий, при наличии развитой сети дистрибьюторских и консалтинговых компаний круг пользователей данного программного продукта существенно расширился. В первую очередь пользователями его стали зоотехники птицефабрик, свинокомплексов, комплексов КРС, то есть специалисты, более всех заинтересованные в кормах хорошего качества и высокой продуктивности животных. Дистрибьюторские компании с помощью программ показывают преимущества своего продукта и экономическую эффективность от его применения. Консалтинговые компании помогают специалистам хозяйств в формировании рационов кормления с учетом физиологического состояния животных опять же с помощью программ расчета рационов.

И, разумеется, традиционными пользователями программ остаются все производители комбикормов, концентратов, премиксов, научно-исследовательские и учебные учреждения.

Для любого предприятия, будь то комбикормовый завод, птицефабрика, фирма или холдинг, решившего приобрести программу для составления рецептов комбикормов, встает проблема выбора из предлагаемого многообразия. Цель данной публикации состоит в том, чтобы помочь им в этом вопросе. На примере программы “Корм Оптима” мы хотим рассказать, каким набором возможностей (функций) должна обладать программа, чтобы оправдать ожидания, которые на нее возлагают.

Потенциальный потребитель должен уметь оценивать, к какому классу относится программа, какие базы данных используются для расчета; какие дополнительные возможности, кроме собственно расчета, она имеет; насколько удобен интерфейс; насколько удобна программа в повседневной работе в условиях промышленной эксплуатации, а не только в момент демонстрации. Рассмотрим последовательно эти особенности.

Постановка проблемы.

Задача составления рецепта комбикорма ставится следующим образом: из имеющихся ресурсов сырья составить рецепт комбикорма, удовлетворяющий заданным требованиям по его питательной ценности и химическому составу. Питательность комбикорма и объем партии, питательность сырья и его количество, нормы ввода сырья в комбикорма выступают как ограничения.

Если решение существует, то оно, как правило, не единственное, а имеет место их бесконечное множество (действительно, изменив процент ввода какого-то компонента на сотую долю процента, мы получим уже другой рецепт). Задача может не иметь решения; это значит, что сырье характеризуется недостаточной питательной ценностью или имеется в недостаточном количестве.

Итак, если решение есть, то следующее требование формулируется так: из всего бесконечного множества допустимых решений (возможных вариантов рецепта), каждый из которых удовлетворяет предъявленным требованиям по питательной ценности, выбрать тот, который больше всего устраивает пользователя по каким-то признакам (критериям).

Собственно расчет рецепта представляет собой итерационную процедуру, в процессе которой пользователь формирует исходные данные, получает вариант решения, анализирует его, корректирует исходные данные, получает новое решение и т. д. до тех пор, пока предложенный вариант не удовлетворит пользователя.

Классификация программ.

По тому, каким образом построен алгоритм поиска решения на бесконечном множестве вариантов, программы подразделяются на два класса: оптимизационные и неоптимизационные.

Оптимизационные программы, используя определенные математические алгоритмы поиска (наиболее распространенные из них — метод крутого восхождения, метод последовательной симплексной оптимизации), из бесконечного множества решений находят каждый раз такой вариант, то есть такую комбинацию процентов ввода компонентов, который минимизирует (максимизирует) функционал вида

Z = F (X₁, X₂,… X_n ) = C₁X₁ + C₂X₂+ … + C_nX_n

где X_i — ввод 1-го компонента в рецепт,

С_i- коэффициент, характеризующий интересующие потребителя определенные свойства i-го компонента.

Вариант, минимизирующий функционал, называется оптимальным (наилучшим); он является и единственным при данных ограничениях.

Неоптимизационные программы, используя разработанные, скорее всего самими авторами эвристические алгоритмы поиска, находят одно из возможных решений и всю нагрузку по дальнейшему улучшению рецепта возлагают на пользователя и его интуицию. При таком подходе всегда остается неуверенность в том, исчерпаны ли все варианты поиска хорошего решения и не остался ли самый интересный вариант нерассмотренным.

В дальнейшем мы будем вести речь только об оптимизационных программах, считая это первым необходимым условием при выборе.

Критерии оптимизации.

Самым распространенным и понятным критерием оптимизации рецептов комбикормов является минимизация цены комбикорма, когда из всего множества вариантов находится самый дешевый рецепт. В данном случае коэффициент С_i представляет из себя цену i-го компонента.

Этот критерий может формулироваться в другой интерпретации: из множества вариантов рецептов найти тот, который минимизирует не стоимость комбикорма, а стоимость суточного рациона Z кормления животного или птицы.

Z = M · C,

где M — масса суточной дачи корма,

С — стоимость комбикорма.

При таком подходе, реализованном в программе “Корм Оптима”, закладывается мысль получить рецепт комбикорма меньшей питательной ценности (а значит, более дешевый), но удовлетворить суточную потребность животных за счет увеличения дачи комбикорма.

Нами показано, что зависимость стоимости комбикорма от концентрации питательных веществ имеет нелинейный характер, поэтому такой подход оправдан, однако выбор варианта рецепта должен делать специалист по кормлению с учетом состояния животных, их возможности потребить предполагаемую массу корма, усвояемости питательных веществ из используемых компонентов и т. д. Рецепт с более низкой концентрацией питательных веществ должен быть правильно сбалансирован по соотношению основных показателей питательности между собой.

Еще один вариант критерия оптимизации — максимизировать экономическую эффективность производства животноводческой продукции. Предполагается, что для реализации таких требований известна зависимость продуктивности животного от качества его кормления. Многочисленные литературные источники и собственные расчеты авторов показывают, что максимальная экономическая эффективность обеспечивается при возможно полной реализации генетического потенциала животных и достижении максимальной продуктивности. Однако, применение такого критерия правомерно в условиях ограниченности сырьевых ресурсов, при резких колебаниях цен на некоторые сырьевые компоненты комбикормов или на животноводческую продукцию и др.

В программах могут применяться и другие критерии или даже группа критериев (многокритериальная оптимизация).

Теперь можно сделать пояснение к распространенному среди пользователей заблуждению при оценке различных программ. При сравнении программ, как правило, сравнивают цены на одинаковый комбикорм, рассчитанный по разным программам, и предпочтение отдают той из них, которая предлагает более дешевый вариант рецепта. Смысл нашего пояснения заключается в следующем: если при расчете в сравниваемых программах использовались одинаковые исходные данные (одинаковые требования к комбикорму, одинаковая питательность и цена сырья, одинаковые ограничения по нормам ввода компонентов, одинаковый критерий оптимизации), то любая программа должна найти одинаковое оптимальное решение, потому что оно единственное. Если решения отличаются, это значит, что в программах использовались различные исходные данные.

Рассмотрим каким образом отличается информация, используемая в качестве исходных данных.

Базы данных программы.

Под термином “базы данных” подразумевается полный набор нормативно-справочной информации, методических рекомендаций, экспертных оценок, другими словами — набор знаний в данной предметной области (кормление животных, производство комбикормов), который позволяет решить поставленную задачу. Базы данных программ оптимизации включают в себя, как правило, следующие разделы:

- Рекомендации по питательной ценности комбикормов для различных половозрастных групп животных. Чем больше информации в данном разделе, тем больше возможностей у пользователя выбрать наиболее подходящую модель питательности комбикорма для своих животных. Здесь могут быть требования действующих государственных стандартов, рекомендации научно-исследовательских учреждений, селекционных центров, производящих новые кроссы птицы и породы животных, рекомендации фирм. Программы по оптимизации рецептов комбикормов должны “уметь” учитывать при расчете не только абсолютные значения показателей питательности, но и их соотношения между собой. Как показано выше, иногда бывает важнее и экономически целесообразнее получить рецепт с более низкой концентрацией питательных веществ, но хорошо сбалансированный, чем просто выполнить требования по абсолютному значению всех показателей, но с нарушением профиля аминокислот или с нарушением отношения кальций/фосфор для данной группы животных.

В современных условиях более детализированного кормления в базе данных желательно иметь не только нормативы питательной ценности комбикормов для данного вида животных, но иметь программы кормления, которые включают в себя:

- потребность животного или птицы в питательных веществах, витаминах, микроэлементах в разные периоды и фазы жизни, в различных условиях содержания;

- суточная потребность корма;

- нормативы по показателю живой массы на весь период жизни;

- нормативы продуктивности на продуктивный период.

Наличие такой информации позволит проводить анализ не только продуктивности, но и физиологического состояния животных и в случае отклонений своевременно корректировать кормление. Все перечисленные функции реализованы в модуле “Технология движения поголовья” программы “Корм Оптима”.

- Таблица питательности и химического состава компонентов комбикормов. Содержание данного раздела имеет наибольшие отличия в различных программах, поэтому рассмотрим его подробнее.

Все используемые в производстве комбикормов компоненты (за исключением, может быть, синтетических аминокислот, биологически активных веществ, минералов) характеризуются изменчивостью (вариабельностью) показателей питательности и химического состава. Существенные отличия в качестве могут быть даже в различных партиях сырья, поступающего от одного поставщика.

Для зерновых, зернобобовых, технических культур и продуктов их переработки вариабельность зависит от сорта растений, используемой агротехнологии их выращивания, климатических условий созревания, технологии переработки; для кормов животного происхождения и продукции микробиологического синтеза — от качества исходного сырья и соблюдения технологии их производства; для минерального сырья — от места добычи (карьера) и т. д.

В таблице 1 приведены в качестве примера коэффициенты естественных вариаций (в %) показателей питательности некоторых компонентов комбикормов.

Таблица 1.

Коэффициенты вариации содержания питательных веществ

Компонент	Влажность	Жир	Протеин	Клетчатка	Кальций	Фосфор	Натрий
Пшеница	8,8	26,8	17,1	-	-	-	-
Ячмень	14,1	8	11,2	-	-	-	-
Кукуруза	9,9	9,7	7,4	-	-	-	-
Соевый шрот	9,3	62,3	4	18,4	-	-	-
Рыбная мука	24,05	24,9	3,4	-	16,1	14,4	32,5
Мясокостная мука	33,3	17,7	5,7	-	22,3	18,7	42,6
Перьевая мука	40,2	24,8	7	-	-	-	-

При расчете рецепта желательно использовать как можно более точную информацию о фактической питательности сырья; эти сведения могут быть получены в результате химических анализов. Однако делать химические анализы всех партий сырья по всем показателям питательности очень дорого, и так никто не поступает (пока).

Поэтому при расчете рецептов комбикормов всегда ищут компромисс между использованием табличных (среднестатистических) данных и проведением химических анализов (речь идет о химических, а не экспрессных методах анализа; при наличии на предприятии приборов экспресс-диагностики их надо использовать максимальным образом). Этот компромисс учитывает такие факторы, как органолептические показатели партии сырья, результаты предыдущих анализов, доверие к поставщику и др. Но и при проведении химических анализов сырье проверяется не по всем, а по критическим (ключевым) показателям питательности. Например, в белковых кормах животного происхождения проверяют протеин, жир, натрий; в зерновых — протеин, клетчатку, влагу; в жмыхах и шротах — протеин, жир, клетчатку; в минеральном сырье — кальций, фосфор; остальные данные при расчете берут из таблиц. Отсюда понятна роль таблиц питательности и степень доверия к ним.

В программе расчета рецептов можно применять любые таблицы — зарубежные или отечественные, опубликованные в различных научных или методических источниках. Помнить надо только одно: производитель несет ответственность перед заказчиком и контролирующими органами за конечные результаты — за содержание в готовом комбикорме всех требуемых питательных веществ, независимо от того, какие таблицы использовались при расчете. Никакие ссылки на табличные данные не могут оправдать расхождение между расчетными и фактическими показателями питательности в готовом комбикорме.

В настоящее время Минсельхозом РФ утверждены новые таблицы питательности и химсостава сырья, используемого для производства комбикормов. Их отличительной особенностью является более детальная классификация таких нестабильных по качеству видов сырья, как подсолнечный жмых и шрот, мясокостная мука, дрожжи. Применение данных таблиц в расчете рецептов комбикормов позволит производить более точную идентификацию имеющегося в наличии сырья с ближайшей табличной моделью и минимизировать таким образом погрешность в питательности при использовании табличных данных.

В программе “Корм Оптима” пользователю предоставлена возможность работать и по другим таблицам питательности или корректировать действующие таблицы, создавать новые виды сырья.

Наиболее сложной проблемой остается определение аминокислотного состава и энергетической ценности сырья.

Точный аминокислотный состав установить трудно из-за ограниченного количества специальных приборов — аминокислотных анализаторов. Экспрессные методы определения аминокислот также пока не разработаны (хотя есть информация о проведении таких работ фирмами Degussa, Германия и Adisseo, Франция).

К счастью, большинство видов комбикормового сырья имеют достаточно устойчивую модель структуры белка, что дает возможность с хорошей степенью достоверности производить расчет содержания незаменимых аминокислот по содержанию фактически определенного сырого протеина. В научной литературе описаны коэффициенты уравнений регрессии для таких расчетов. Программа оптимизации должна “уметь” это делать.

Обменная энергия компонентов также варьирует от своего среднего (табличного) значения в зависимости от фактического содержания в нем сырого протеина, жира, безазотистых экстрактивных веществ (БЭВ) и их доступности для усвоения в организме животного. По результатам химических анализов программа оптимизации также должна “уметь” корректировать значение обменной энергии компонента для конкретного вида животных. В общем виде формула для расчета обменной энергии компонентов для конкретного вида животных имеет вид:

ОЭ = К СП · У СП · СП + К СЖ · У СЖ · СЖ + К БЭВ · У БЭВ · БЭВ,

где СП, СЖ, БЭВ — содержание в кормовом средстве сырого протеина, сырого жира, безазотистых экстрактивных веществ (БЭВ);

К — калорические коэффициенты для сырого протеина, сырого жира и БЭВ соответственно;

У - коэффициенты усвояемости сырого протеина, сырого жира и БЭВ соответственно для конкретной группы животных.

Калорические коэффициенты и коэффициенты усвояемости для различных кормовых средств приводятся в научной и справочной литературе.

Оценка обменной энергии готового комбикорма по его химическому составу является более сложной задачей, чем оценка обменной энергии компонентов, однако для птицы Всемирной научной ассоциацией по птицеводству (WPSA) такая формула разработана:

ОЭ (Ккал/100г) = 3,7 · СП + 8,2 · СЖ + 3,99·Кр + 3.11 · Сах,

где СП, СЖ, Кр, Сах — содержание в комбикорме (в %) сырого протеина, сырого жира, крахмала и сахара соответственно.

Кроме того, программа должна корректировать значение обменной энергии компонентов или готового комбикорма в зависимости от применяемых способов влаготепловой обработки: гранулирование, экструдирование или экспандирование.

Важную роль в кормлении животных играют ферментные препараты, расщепляющие некрахмалистые полисахариды кормовых компонентов и способствующие повышению их энергетической ценности и доступности основных питательных веществ. Программы оптимизации должны определенным образом моделировать эти процессы в организме животного и учитывать эффект действия ферментных препаратов при расчете рецепта. Это может быть реализовано одним из трех вариантов:

1. Созданием в базе данных новых виртуальных видов сырья (например, “Ячмень + фермент”, “Пшеница + фермент” и т. п.) с новыми значениями обменной энергии и усвояемых аминокислот.

2. Созданием матрицы коэффициентов увеличения переваримости (коэффициентов увеличения обменной энергии или усвояемых аминокислот) тех видов сырья, на которые воздействует введенный фермент.

3. Понижением уровня минимально допустимого значения обменной энергии комбикорма для данной группы животных или птицы на 3-4% (усредненное значение для улучшения усвояемости готового комбикорма).

Второй вариант представляется нам наиболее предпочтительным.

Для реализации этой функции в базе данных должны присутствовать имеющиеся на рынке ферментные препараты с указанием дозировки и эффекта от их применения.

В базе данных программ оптимизации должна быть информация о доступности аминокислот и усвояемости фосфора в организме животного из различных компонентов. Такая информация позволяет производить оптимизацию по доступным показателям питательности, что более точно учитывает потребности животных. Однако и в нормативах питательной ценности комбикормов в этом случае также должны быть требования по содержанию доступных аминокислот, фосфора. Пока такие данные есть только для птицы.

- Рекомендации по вводу компонентов для различных половозрастных групп животных. Информация данного раздела более других носит экспертный характер. Здесь могут содержаться рекомендации по максимальным или по оптимальным нормам ввода отдельных компонентов в рецепты для различных половозрастных групп животных (или то и другое). Максимальные нормы ввода ограничивают использование кормовых компонентов, исходя из наличия в них антипитательных факторов. Оптимальные нормы — это экспертная оценка по наиболее эффективному применению данного кормового средства с учетом влияния всех факторов (синергизм, наличие неидентифицированных положительных факторов, антипитательные факторы и др.).

- Рекомендации по вводу в комбикорма биологически активных веществ. В соответствии со сложившейся практикой кормления животных биологически активные вещества (БАВ) вводятся в комбикорм в составе премиксов. Рецептура типовых премиксов разрабатывается научно-исследовательскими учреждениями, специализирующимися в кормлении животных. При создании рецептов типовых премиксов предполагается, что БАВ, введенные через премикс, и БАВ, содержащиеся в компонентах комбикормов (нативные), в сумме обеспечат потребность животного во всех витаминах и микроэлементах. Правомерность такого подхода подтверждается многолетней практикой использования премиксов.

Все же в настоящее время, в базе данных программ желательно иметь не только составы типовых премиксов, но и абсолютные потребности животных в БАВ. Особенно это важно при оптимизации кормления крупного рогатого скота, в рационах которых концентрированные корма (куда входит премикс) занимают изменяющуюся долю от 20 до 40%. Кроме того, при запрещении использования в кормах для животных антибиотиков изменяется взгляд на роль отдельных витаминов и микроэлементов как стимуляторов роста и профилактических препаратов (в сторону увеличения их ввода).

Теперь проанализируем те дополнительные функции, которые желательно иметь в программах оптимизации рецептов комбикормов, то есть те функции, которые делают программу многофункциональной и пригодной для эксплуатации в промышленных условиях у любого пользователя.

Планирование производства комбикормов и закупок сырья. Формируется план производства в виде конкретного ассортимента продукции на основе заявок потребителей или прогноза. Анализируются остатки сырья на начало планируемого периода и составляется закупочная спецификация на недостающее сырье.

Оптимизация рационов кормления животных, расчет адресных концентратов. Расчет суточного рациона, в котором концентрированные корма составляют только часть рациона (для крупного рогатого скота — меньшую часть), а другую часть составляют сочные, грубые и объемистые корма, может производиться в виде прямой и обратной задачи. Прямая задача заключается в том, чтобы рассчитать рацион при известной питательной ценности комбикорма, который есть на складе или предлагается поставщиком. Обратная задача решается, если комбикорма нет и необходимо сформировать требования к его питательной ценности, исходя из требований к питательности рациона и наличия собственных грубых и сочных кормов. Из рассчитанного рациона выделяется потом концентрированная часть, которая может выступать как заявка на производство комбикорма.

Приведенные рассуждения справедливы и к расчету схем смешивания покупных концентратов с собственным сырьем для птицы, свиней. Можно закупить готовый концентрат и к нему с помощью программы оптимизации наилучшим образом “приспособить” собственное сырье (прямая задача), или спланировать требования к питательной ценности концентратов, исходя из имеющегося в наличии сырья (обратная задача) и заказать такой концентрат у производителя.

Как показывает практика расчетов, решение обратной задачи всегда предпочтительнее с экономической точки зрения.

Оптимизация рецептов премиксов. Эта функция особенно важна при расчете рационов кормления животных, где готовый комбикорм или концентрат, в которые входит премикс, составляют только часть рациона. Программа должна рассчитать состав премикса исходя из потребностей животных и качества имеющегося сырья.

Внешний интерфейс. Под этим термином подразумевается связь программы расчета рецептов с другими программами, функционирующими на предприятии; то есть программа должна работать в составе сети. Для предприятий, производящих комбикорма, интерфейс должен быть обеспечен в первую очередь с программами управления узлом дозирования-смешивания: информация о составе рецепта используется как установка для циклического режима работы питателей. Во-вторых, должна быть связь программы расчета рецептов с бухгалтерскими программами (типа 1С “Бухгалтерия”) для обмена информацией о наличии сырья на складе и его стоимости, о составе рецептов и т. д.

Программа должна поддерживать интерфейс в сети Интернет.

Обеспечение гарантий качества комбикормов. В условиях естественных вариаций показателей питательности сырья, погрешностей химических и экспрессных методов анализа, погрешностей дозирующих систем возникает проблема обеспечения соответствия показателей качества, рассчитанных по программе и полученных фактически, в изготовленном комбикорме. Речь идет об обеспечении гарантий качества своей продукции производителем. Как и в случае применения таблиц питательности скажем, что потребителя не интересует, насколько нестабильное по качеству сырье закуплено на заводе или насколько несовершенна его линия дозирования-смешивания. Декларируемое качество должно быть обеспечено. Решение этой проблемы лежит в области теории вероятностей и математической статистики; исходными данными служат статистические характеристики качества сырья, погрешности стандартизованных методов анализа, технические характеристики весодозирующего оборудования и смесителей, технологические схемы. Реализация этой функции в программе расчета рецептов позволяет производителю минимизировать затраты на обеспечение гарантий качества своей продукции.

Одним из модулей программы “Корм Оптима” является “Технология движения поголовья на птицефабрике (свинокомплексе)”.

Основное назначение: аналитический учет движения поголовья птицы и расхода кормов по корпусам, бригадам, закрытым партиям, по хозяйству в целом.

База данных программы включает в себя: схему корпусов птицефабрики; нормативы кормления, нормативы продуктивности, нормативы живой массы, нормативы падежа и зооветбрака. Входной информацией для комплекса служат ежедневные рапортички бригад (поступают или на бумажных носителях или по каналу связи).

Программный комплекс формирует следующие документы (за любой промежуток времени, в разрезе корпусов, бригад, закрытых партий, по фабрике в целом; в виде таблиц или графиков):

- динамика продуктивности;

- динамика живой массы;

- анализ расхода кормов на единицу продукции;

- анализ структуры себестоимости продукции;

- формирование графика движения поголовья с учетом санитарных разрывов;

- архивная история и др.

В заключение отметим, что программа “Корм Оптима” не уступает по своим функциям западным аналогам, а по некоторым превосходит, дешевле по цене и затраты на ее приобретение окупаются в течение нескольких недель.