Совершенствование технологии и обоснование параметров технологической линии приготовления кормов с использованием сои
На правах рукописи
Соболев Роман Валерьевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОСНОВАНИЕ
ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ
КОРМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОИ
Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Благовещенск 2011 2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный аграрный университет»
Научный руководитель доктор технических наук Иванов Сергей Анатольевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Самуйло Виктор Вацлавович кандидат технических наук Кузьмина Ольга Викторовна
Ведущая организация Государственное научное учреждение Даль невосточный научно-исследовательский ин ститут механизации и электрификации сель ского хозяйства
Защита состоится 26 декабря 2011 года в 9 часов на заседании диссерта ционного совета Д 220.027.01 при ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государ ственный аграрный университет», 675005, Амурская область г.Благовещенск, ул. Политехническая, 86, корпус 12 ауд. 82, тел/факс 8(4162)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Даль невосточный государственный аграрный университет».
Автореферат размещён на сайтах www.dalgau.ru;
http://mon.gov.ru.
Автореферат разослан «_» ноября 2011г.
Учёный секретарь диссертационного совета Якименко А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Известно, что полноценное кормление является одним из основных путей повышения продуктивности животных и птицы и, следовательно, снижения себестоимости производства такой продукции.
Анализ литературных данных и практика показывают, что в настоящее время содержание протеина в кормах составляет 79% от его потребности, в ре зультате чего в кормовых рационах в среднем на одну кормовую единицу при ходиться не более 85-86 г. перевариваемого протеина вместо 105-110 г. по зоо техническим нормам. При таком дефиците белка недобор продукции составля ет 30-35 % а ее себестоимость и расход кормов возрастают в 1,5 раза.
В тоже время богатым источником белка являются семена зерновых культур и сои, а также продукты их переработки в виде заменителя цельного молока (ЗЦМ) и нерастворимого остатка (НО).
Однако, в настоящее время вопросы приготовления ЗЦМ на основе зер новых культур и сои, а также использования нерастворимого остатка, получае мого на основе зерновых композиций, не изучались. Так, существующие техно логии производства ЗЦМ не имеют законченного решения по обработке и дальнейшему использованию нерастворимого остатка, являющегося ценным белковым кормовым продуктом. Предпринимаемые попытки по применению для этих целей технических средств, используемых в молочной промышленно сти при производстве казеина, не дают должного эффекта. В этой связи, совер шенствование технологии и линии приготовления высокобелковых кормов, пу тём обоснования параметров и условий совместного использования в её составе технических средств является актуальной задачей.
Цель исследований. Целью исследований является повышение эффек тивности приготовления кормов с использованием сои, путем совершенствования технологии и обоснования параметров линии их приготов ления.
Научная гипотеза. По данным литературного обзора, а также лаборатор ным опытам можно заключить, что эффективность процессов приготовления высокобелковых кормов жидкой (ЗЦМ) и гранулированной (комбикорм) форм функционально зависит от многих факторов и определяется выходом белковых фракций в экстрагент, а также конечной крошимостью гранул, полученных из нерастворимого остатка.
Знание закономерностей выхода белковых веществ из измельчённой ком позиции семян сои и пшеницы в экстрагент, получения нерастворимого остатка необходимой влажности, для формования гранул и их сушки, позволяет учесть характер управляемых факторов на выходе из многофункциональной машины (ММ) и обосновать параметры двухшнекового пресса, а также условия сушки гранул в технологических линиях ресурсосберегающего производства высоко белковых кормов с использованием зерновой композиции соя + пшеница.
Объект исследований. Технологический процесс приготовления ЗЦМ и гранулированного комбикорма с использованием сои.
Предмет исследований. Закономерности совмещённых в одной машине процессов измельчения, экстракции и разделения жидкой и нерастворимой фракций из семенной композиции, а также отжима влаги от нерастворимой фракции с получением влажных гранул и их сушкой.
Методы исследований. В работе использованы методы аналитического и эмпирического исследования, математического моделирования при планирова нии эксперимента, методы теории вероятности и математической статистики, а также статистические методы обработки исследований на ПЭВМ с использова нием программ «KPS» и «Statistika-6».
Данный методологический подход позволил объективно и обоснованно раскрыть закономерности и установить взаимосвязи в исследуемых явлениях и процессах. Обоснованы конструктивно-режимные параметры двухшнекового пресса с учётом взаимной увязки входных и выходных факторов процессов, выполняемых предшествующей многофункциональной машиной для получе ния ЗЦМ и НО, прессами для отжима НО и его гранулирования, а также камер ной сушилкой для сушки гранул комбикорма.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- на основе системного подхода обоснована структурная схема техноло гической линии приготовления высокобелковых кормов с последующим по элементным анализом входных и выходных параметров исследуемых процес сов в соответствующих технических средствах;
- установлены аналитические выражения для определения производи тельности линии с учётом составленных уравнений баланса, а также мощности и энергоёмкости двухшнекового пресса с взаимно пересекающимися осями и его конструктивно-режимных параметров;
- обоснованы условия получения и параметры сушки гранул с помощью лотковой сушилки;
- разработаны математические модели, с помощью которых обоснованы конструктивно-режимные и технологические параметры по четырём техноло гическим машинам линии приготовления высокобелковых кормов с использо ванием сои.
Практическая значимость работы. Полученные аналитические и эм пирические зависимости, позволяют на стадии проектирования линии приго товления высокобелковых кормов, научно обоснованно определить качествен ные, конструктивно-режимные и энергетические параметры машин, входящих в её состав, а также показатели готовых высокобелковых кормов жидкой и гра нулированной формы.
Результаты исследований могут быть использованы конструкторскими бюро, проектными организациями, высшими учебными заведениями Мини стерства сельского хозяйства РФ. Результаты исследований внедрены в кресть янско-фермерском хозяйстве Майорова Г.Б. и крестьянско-фермерском хозяй стве Суровегина Н.А.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и об суждены на: IV международной научно-практической конференции Алтайского ГАУ «Аграрная наука сельскому хозяйству» (2009 г., г. Барнаул);
Научно практических конференциях ВНИИ сои, АмГУ и ДальГАУ (2008-2010 г.г., г.
Благовещенск);
V международной научно-технической конференции «Прогрес сивные технологии в современном машиностроении» (2009 г., г. Пенза);
Меж дународной научно-практической конференции Ульяновской ГСХА «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» (2010 г., г. Ульяновск).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опублико вано в 11 работах, в том числе 2– в изданиях, рекомендованных ВАК Минобр науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 180 источников отече ственных и зарубежных авторов. Работа изложена на 178 страницах, содержит 22 таблицы, 49 рисунков, 16 приложений.
Основные положения, вынесенные на защиту:
- результаты теоретических исследований по обоснованию процессов приготовления высокобелковых кормов из семенной композиции соя + пшени ца жидкой и сухой гранулированной формы;
- математические модели процессов получения ЗЦМ и сухого гранулята из НО, а также определенные на их основе оптимальные значения параметров и режимов машин в составе технологической линии для приготовления ЗЦМ и гранулированного комбикорма;
- методика расчета технологической линии приготовления кормов в виде ЗЦМ и гранул;
- технико-экономическая оценка результатов исследований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрыта актуальность темы, состояние проблемы получе ния высокобелковых кормов с использованием сои, показана новизна работы и её практическая значимость.
В первой главе «Состояние механизации приготовления соевых кормов сельскохозяйственным животным и птице. Цель и задачи исследований». На основании анализа ранее проведенных исследований обосновано перспектив ное направление в решении вопроса приготовления кормов с использованием соевого сырья и намечены пути его решения. Дана оценка состояния процесса получения кормов в виде ЗЦМ и НО, отмечено отсутствие технических реше ний переработки НО, сформулированы цель и задачи исследований.
Обзор научных исследований процессов получения жидких и гранулиро ванных соевых кормов, проведённых учёными Вараксиным С.В., Доценко С.М., Зайцевой М.А., Ивановым С.А., Катаевым А.С., Ковалёвой Л.А., Курко вым Ю.Б., Морозовой Е.И., Петровым В.В., Самуйло В.В., Филоновым Р.Ф, Фроловым В.Ю. и другими показал, что выполненные ими исследования яви лись определяющими в данном направлении и позволили выявить нерешенные вопросы. Как показал анализ, с позиции системного анализа, процесс получе ния кормов из семенных композиций соя + пшеница в виде ЗЦМ и обработан ного нерастворимого остатка не изучался. Проведённый анализ также показал, что одним из рациональных способов получения высокобелковых кормов с ис пользованием сои является приготовление ЗЦМ. При этом основными операци ями данного технологического процесса являются: измельчение семян, экс тракция белка из полученных частиц, отделение жидкой белковой системы (ЗЦМ) от нерастворимого остатка.
В ходе исследований также установлено, что процесс одновременного измельчения семян, экстракции белка и разделения полученной суспензии на жидкую и нерастворимую фракции изучен не достаточно полно с точки зрения выхода белковых фракций в зависимости от режимов работы устройств, пред назначенных для этих целей. В этой связи отсутствуют данные, необходимые для проектирования технологических линий приготовления кормов с использо ванием сои при извлечении белков из семенной композиции (соя + пшеница).
Более того, получаемый в результате приготовления ЗЦМ нерастворимый остаток, после его отделения от ЗЦМ, не перерабатывается ввиду отсутствия технических средств, предназначенных для этих целей. При этом данный вид продукта имеет высокую влажность (75–80%) и специфические физико механические свойства, а поэтому не может быть подвергнут в такой физиче ской форме экструзионной обработке или же непосредственному гранулирова нию.
Таким образом, в настоящее время имеется противоречие между желани ем получить высокоценные кормовые продукты с использованием сои и отсут ствием совокупности данных, позволяющих проектировать высокоэффектив ные технологические линии и технические средства по производству высоко белковых кормов на основе семенных композиций (соя + пшеница).
Процесс отжима влаги из НО с помощью двухшнекового пресса с взаим но пересекающимися осями вращения шнеков, также ранее не изучался. В этой связи недостаточно научных данных, позволяющих проектировать такие прес сы с взаимоувязанными параметрами соответствующих процессов. В соответ ствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
• на основе анализа проведённых ранее исследований, обосновать перспективное направление в создании технологии и на ее основе технологиче ской линии для получения кормов с использованием сои;
• на основе системного подхода, теоретически обосновать конструк тивно-режимные параметры ММ, двухшнекового пресса с взаимно пересекаю щимися осями вращения шнеков, с учётом условий его использования в линии, получить аналитические выражения для расчёта их производительности и мощности;
• экспериментальным путём обосновать оптимальные параметры ММ, двухшнекового пресса и условия сушки гранул с учётом характера управ ляемых входных факторов и заданных выходных показателей;
• провести производственную проверку результатов исследований и дать экономическую оценку разработанным технологическим и техническим решениям;
• разработать методику расчёта параметров технологической линии и оборудования для получения кормовых продуктов с использованием сои.
Во второй главе «Теоретические исследования процесса приготовления кормов с использованием сои и обоснование параметров линии для его реали зации» раскрыты основные зависимости по обоснованию поставленных на ис следование процессов.
Технологический процесс приготовления кормовых продуктов, на основе или с использованием такой высокобелковой культуры как соя, представляет сложную систему, состоящую из совокупности взаимосвязанных операций.
В то же время, эффективность приготовления заменителя цельного моло ка для молодняка сельскохозяйственных животных, определяется, в первую очередь, материальными затратами труда и средств, а также качественными показателями производимых кормовых продуктов.
С учетом того факта, что приготовление ЗЦМ с использованием сои со провождается получением нерастворимого остатка нами предложена следую щая экономико-математическая модель оценки функционирования разрабаты ваемой линии ( ) ПЗ м = И м + ЕК Q м t м min;
( ) ПЗ гр = И гр + ЕК Qгр t гр min;
с ( ) (1) с при N уд = N Q м + Qгр min;
, Gэ = (d r ) max;
с ( ) с К р = Wгр min где ПЗ м, ПЗ гр – приведенные затраты, соответственно, по процессам приготов ления ЗЦМ и комбикормов с использованием сои;
И м, И гр – годовые эксплуатационные затраты по процессам;
Е – нормативный коэффициент эффективности;
К – капитальные вложения в линию;
Q м, Qгр – годовая производительность линии по ЗЦМ и гранулированному с комбикорму, соответственно;
t м, t гр – годовой фонд времени работы линии по ЗЦМ и гранулированному комбикорму, соответственно;
N уд – энергоемкость процессов приготовления кормов с использованием сои;
N – затраты энергии на процессы приготовления кормов;
Gэс – выход белка из семенных композиций;
d r – требуемый размер частиц семян, обеспечивающий эффективный вы ход белка в экстрагент;
К р – показатель крошимости, с помощью которого оценивается качество гранулированных комбикормов;
с Wгр – влажность сушеных гранул комбикорма.
Анализ данной модели показывает, что повысить эффективность работы такой технологической линии можно путем совмещения технологических опе раций.
Разработана схема классификации основных операций технологического процесса приготовления белковых кормов в виде ЗЦМ и гранулированного комбикорма, а также технических средств для его осуществления, разработан ная на основании анализа современных тенденций развития данных направле ний.
Согласно схеме, базовыми операциями данной технологии являются:
– экстракция (извлечение) белковых веществ из семян с помощью раство рителя (воды), в процессе измельчения предварительно замоченных или про рощенных семян;
– фильтрация жидкой белковой дисперсной системы с одновременным отделением нерастворимого остатка;
– получение жидкой фазы (ЗЦМ) и его использование при кормлении мо лодняка сельскохозяйственных животных;
– обработка твердого нерастворимого остатка и его использование при кормлении животных.
На рисунке 1 представлена структурная схема технологической линии приготовления соевых кормов, в виде четырёхэлементной системы.
Qв (Qт – Qж) – Qвв Кр Wкс Qс Wн Wк Wк ПО ПГ ССЛ ММ (ИЭР) Qт Qт – Qж Qгр 1 3 Qсгр Qм Qж Рис. 1 Структурная схема технологической линии приготовления кормов с использованием сои: 1 – ММ (ИЭР) – многофункциональная машина (измель читель-экстрактор-разделитель);
2 – ПО двухшнековый пресс с пересекаю щимися осями вращения шнеков;
3 – ПГ – пресс-гранулятор;
4 ССЛ – сушил ка с сетчатыми лотками;
Q с – подача замоченных семян;
Q в – подача воды;
Q м – производительность по ЗЦМ;
Q т – производительность по нерастворимому твёрдому остатку;
Q ж – производительность по жидкой фракции;
Q гр – произво дительность по влажным гранулам;
Q вв – производительность по удалению вла ги из гранул;
Qс гр – производительность по грануляту сушеному Данные параметры можно определить исходя из соответствующих урав нений материального баланса. В результате анализа первого элемента – мно гофункциональной машины ИЭР (рис.1) установлено, что его выходной управ ляемый параметр Wн – начальная влажность НО, характеризуется следующей функциональной зависимостью Wн =f(d r ;
д ;
L)min, где d r – конечный размер частиц НО;
д – угловая скорость вращения ротора (соевой суспензии);
L – длина образующей перфорированного ротора.
Параметр d r является в системе определяющим, так как от него зависит выход белка в экстрагент – GЭ. Он зависит от исходных размеров семян, харак с теризуемых эквивалентным диаметром – D Э и степенью измельчения –. При этом гипотетически приняли, что зависимость GЭ = f (dr ) носит линейный ха с рактер. В этом случае, посредством эксперимента можно определить выходной с параметр d r как d r =k-· GЭ, где k и – коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов.
Вода Семена сои D Окара n+ Рср Ri n Н hср L ri 3 L S Соевое «молоко»
d Рис. 2. Схема к определению выходных параметров ММ: 1 перфориро ванный ротор;
2 сетчатый фильтр;
3 абразивные рабочие органы, 4 вход ной патрубок Рассмотрение процесса экстракции с позиций диффузионного явления позволило получить аналитическую зависимость выхода белковых веществ GЭ С с учетом исходных размеров семян сои, как наиболее крупных в составе компо зиции, и получаемых частиц, то есть с учетом степени их измельчения – 1,24 (4 3 а в 2 )13 1 = 2 (С1 С3 ) F д + С GЭ, Dвн (2) где С 1 – средняя концентрация экстрагируемого белка в частице, кг/м ;
С З – средняя концентрация экстрагируемого белка в жидкости, кг/м3;
F– поверх ность контакта между фазами, м2;
а и в – продольный и поперечный размеры семени сои, принятого за эллипсоид, м;
D вн – коэффициент внутренней диффу зии, м2/с;
– степень измельчения семян;
– коэффициент массоотдачи, м/с;
д – угловая скорость вращения абразивного рабочего органа (соевой пульпы), с-1.
Согласно полученному уравнению материального баланса, имеем n G R G G ЖФ д Ri n QЖФ = = Cз 0 д i, ц ЖФ hi Сз 0 hi i = i = (3) где д – угловая скорость вращения ротора центрифуги, с ;
R i – радиус конического ротора, в соответствующем элементарном его сечении, м;
h i – толщина слоя осадка, в соответствующем его элементарном сечении, по высоте конического ротора, м.
С учетом данных положений можно записать следующее равенство д Ri G ЖФ Pi d i n n h =, (4) i =1 128 µ i i =1 ЖФ i или n д Ri G ЖФ n Pi d i =. (5) hi ЖФ 128 µ i Решая равенство (5) относительно д получили 0,02 ЖФ hcp Pcp d cp д =. (6) G ЖФ Rcp µ cp Задаваясь значением угловой скорости конического ротора д, можно определить величину давления Р ср, 40,76 G ЖФ д Rcp µ cp Pcp = (7) ЖФ hcp d cp Анализ выражения (7) показывает, что давление Pcp находится в прямо пропорциональной зависимости от таких факторов, как масса жидкой фракции G ЖФ, угловой скорости вращения конического ротора д, его среднего радиуса R ср, кинематической вязкости отделяемой жидкой фракции, содержащей бел ковые вещества, а также средней длины капилляров ср, которую можно при нять равной средней толщине слоя осадка h ср. В то же время, анализ данного выражения показывает, что давление обратно пропорционально величине плот ности жидкой фазы ЖФ и среднему диаметру капилляров d ср.
Выразив величину давления через значение центробежной силы J=G ЖФ ·2·R ср и площади боковой поверхности осадка F как F = L(r + R), а также произведя соответствующие преобразования, получили выражение для определения длины образующей усеченного конуса ротора h d. (8) L= д ЖФ cp 40,76 µ cp (r + R ) Производительность центрифуги по НО определяется, как QO = [QСз + Qв ] Q ЖФ, (9) где Q Сз – подача замоченных семян;
Q в – подача воды.
С учетом технологических требований QO = k Q Q, (10) где k – коэффициент, учитывающий общую влажность системы (замо ченная композиция семян + вода), k = 9.
Подачу на измельчение и экстрагирование по замоченным семенам пред ставим, как [ ] [(G )] ( + Gв ) Rак Rак (Rак rак ) 1 r 2 и = Сз, (11) Q Сз ( Rак rак )3 S r где (GСз + Gв ) ( Rак ) – нагрузка на абразивный диск, кг/м2;
R aк – радиус аб разивного круга, м;
r – радиус нерабочей части абразивного круга, м;
r – ско рость частицы, движущейся по абразивному кругу, м/с;
S r – длина траектории, по которой движется частица, м, [ ] [G + Gв ] (Rак rак ) 1 r или = и Сз (12) Q.
Сз ( Rак rак ) 3 S r При осуществлении процессов измельчения, экстракции и отделения осадка необходимо соблюдение условия kQ Сз Q Сз и. С учетом данного условия можно записать Q 0 Q Сз – Q ЖФ. Тогда в конечном итоге, [G + Gв ] [(Rак rак )2 1] П Q, (13) QO = Сз ЖФ ( Rак rак ) S П где П – скорость движения суспензии в зазоре, м/с;
S П – длина траекто рии движения суспензии, м.
Производительность конической центрифуги в момент схода нераство римого остатка с верхнего обода ротора, можно представить как QO = FO O O, (14) где F 0 – площадь потока НО в момент схода с обода ротора, м ;
– 0 – плотность НО в момент схода с обода ротора, кг/м3;
0 – скорость НО в момент схода с ротора, м/с.
Приравнивая выражения (12) и (13) и решая их относительно 0, получили [ ] [G + Gв ] (Raк raк )2 1 П O = Сз Q ЖФ Fo o. (15) (Raк raк ) S П Анализ выражения (15) показывает, что плотность отделяемого НО зави сит от гидромодуля (G Сз + G в ), геометрических параметров абразивного круга (R ак, r ак ), ротора ( 0 = ·R) и площади осадка F 0, а так же скорости движения суспензии П.
Основным критерием, характеризующим процесс отжатия влажного про дукта прессованием, с помощью элемента 2 (рис. 1), является выход жидкости, зависящий от величины рабочего давления, характера связи жидкой фазы с кле точной структурой частиц, содержания жидкой фазы в исходном материале и остатке, толщины слоя и продолжительности процесса. При этом, функциони рование элемента 2 системы, согласно рисунку 1, характеризуется зависимо стью в её общем виде W к =f(W н ;
ш ;
d о )min, где ш – угловая скорость враще ния прессующего шнека;
d о – диаметр выходного отверстия.
Эффективное выполнение процесса отжатия жидкости в прессе данного типа возможно при соблюдении условия F п · о · п = F к · ср · ср, (16) где F п, F к средние площади поперечных сечений продукта, соответ ственно в подпрессовывающем и прессующем шнеках;
ср средняя плотность НО в конической камере отжима.
Преобразуя выражение (16) относительно ср получили ср = Fn 0 n Fk ср (17) На рисунке 3 представлена конструктивно-технологическая схема шнеко вого конического пресса для отжима жидкой фракции из НО.
а) W W Н К Q ТФ d Шнек n = Q Q ЖФ iЖФ i = Перфорированный конический корпус ЖФ б) Рис. 3. Схема двухшнекового конического пресса с пересекающимися осями вращения шнеков для отжима жидкой фракции из НО: а) общий вид;
б) - бункер;
2 - подпрессовывающий шнек;
3 - электродвигатель;
4 - шнек прессу ющий;
5 - коническая часть прессующего шнека;
6 - формующее отверстие пресса Как показывает анализ, отжатие жидкости из НО, в данном шнековом прессе, происходит в результате постепенного уплотнения массы материала.
Выход жидкости зависит от степени сжатия материала между витками шнека.
H LП V V ср D D1 d 1 3 d n h ср i 1 2 3 4... n n+ Рис. 4. Схема к определению параметров двухшнекового конического пресса с пересекающимися осями вращения шнеков для отжима жидкой фрак ции из нерастворимого остатка Зная объём конуса V к, охватывающего шнек диаметром D, объём вала шнека V ш, диаметром d и объёмом витков шнека V о, определили теоретическую объёмную производительность конического пресса в элементарном слое (рис.
4) n n Fi i = (Vкi k Vш ) / t, (18) i =1 i = где k – коэффициент, учитывающий объем витков шнека, равный k = 1,1;
F i – элементарная площадь поперечного сечения конуса, м2;
i – скорость движения элементарного слоя, м/с;
t – время перемещения слоя за один оборот шнека, равное t=2/, с;
n – число элементарных слоев продукта.
Выразив значения факторов в уравнении (18), через соответствующие средние значения параметров конического пресса, а также произведя преобра зования получили H cp ш [(r12cp + r1cp R1cp + R12cp ) (r22ср + r2ср R2ср + R22cp )].
cp = (19) 6 ( Rcp rcp ) 2 Массовую подачу пресса с учетом средней плотности ср, определили, как (D ) d cp cp c, Qo = 2 (20) cp где КПД шнекового пресса по отжиму.
Мощность, затрачиваемая на процесс отжима жидкой фазы в коническом прессе определили, как N П = 0,01·k·Q 0 ·L П, (21) где k – эмпирический коэффициент.
Основным входным параметром, характеризующим процесс получения влажных гранул посредством пресс-гранулятора (элемент 3, рис. 2) является его пропускная способность Q гр. Данный параметр, согласно условию неразрывно сти потока, определяется по следующему выражению (Q ТФ -Q ЖФ ) Q гр. (22) В соответствии со структурной схемой (рис.1), функциональная зависи мость, характеризующая эффективность процесса сушки гранул (элемент 4) может быть представлена в её общем виде как WК = f (WН ;
t o ;
) min, где to, С температура и продолжительность сушки гранул, имеющих влажность WКС.
Согласно схеме получения гранул (рис. 1), заключительным этапом явля ется процесс их сушки до влажности 9-11%. Для обоснования данного процесса принята физическая модель, суть которой заключается в том, что процесс суш ки протекает по типу мономолекулярного процесса, когда содержащиеся в гра нулах белково-углеводного материала молекулы воды под действием темпера турного градиента выходят из состава этого материала, то есть покидают его, уменьшая массу гранул. Иначе говоря, необходимо установить зависимость WК = f (К 0 ;
К к ), где К 0, К К – начальное и конечное количество молекул воды С в материале гранул. В общем виде функциональная связь между текущим со держанием влаги в гранулах Wi С может быть представлена, как о Wi С = (t ;
;
d гр ) min, (23) где d гр – диаметр гранул (характерный их размер и форма), м.
При этом, скорость удаления молекул воды из материала является функ цией их количества и может быть представлена уравнением dK = C0 K c, (24) d где Кс – количество молекул в данный момент нагрева материала гранул;
С 0 – коэффициент, учитывающий скорость удаления молекул воды из материа ла;
– величина обратная времени, мин -1;
dK - истинная скорость удаления d молекул воды, представляющая собой производную количества молекул, уда ляемой воды во времени. Знак минус при производной указывает на то, что при нагреве материала гранул количество молекул воды в материале уменьшается.
Учитывая логарифмический характер удаления молекул воды при нагре вании, полностью удалить их при сушке материала гранул невозможно (учиты вая связь влаги с материалом). В этом случае можно говорить не об абсолютно сухом материале гранул, а о какой-то степени влажности материала гранул, определяемой логарифмом отношения К o WН = lg, (25) К к WК где W Н, WК – соответственно начальная и конечная влажность гранул, %.
При этом скорость сушки (интенсивность удаления влаги из материала гранул) можно определить как с = К 0 С1 е С (26) Решение задачи по обоснованию процесса сушки гранулированного ком бикорма, сводится в конечном итоге к установлению зависимости Кр = (), (27) где Кр – крошимость гранул, существенно зависящая от влажности мате риала, %.
Тогда = {WH ;
[WK = (t;
;
d гр )]}. (28) Данный подход позволил рассмотреть процесс сушки гранул с учетом взаимной связи температуры t и продолжительности нагрева материала гранул, его конкретных физико-механических и реологических свойств d гр, а также начальной влажности нерастворимого остатка WH.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследова ний» приведены программа, объекты, методы исследований и обработки экспе риментальных данных.
Программой исследований предусматривалось: в соответствии с целью экспериментальных исследований определить объекты исследования, выделить основные факторы, влияющие на критерии оценки исследуемых процессов, со здать базу для проведения эксперимента методами физического моделирования и тем самым решить поставленные задачи. В задачи экспериментальных иссле дований входило:
разработка частных методик по проведению эксперимента;
подбор приборов и оборудования;
разработка и изготовление пилотной установки;
изучение влияния факторов на критерии оптимизации процессов;
проведение обработки экспериментальных данных и обоснование оп тимальных значений параметров исследуемых процессов.
Для проведения исследований, в соответствии с поставленными целью и задачами, были использованы ММ со сменными рабочими органами, которая имела возможность их установки с различным зазором, а также двухшнековый пресс с коническим шнековым рабочим органом и камерная сушилка.
Для изучения процесса получения сухих гранул использован пресс гранулятор и сушильный шкаф «УНИВЕРСАЛ» - ЭСПИС-4.
При исследовании процесса получения ЗЦМ и сухих гранул использова лись семена сои сорта «Соната» и пшеницы сорта «Арюна» влажностью от 11,0 до 14 %, на основе которых получены жидкая белковая фракция и нерас творимый белково-углеводный остаток, а также сухие гранулы.
Физико-механические свойства семян и полученных на ихоснове продук тов, выход белковых веществ и крошимость гранул определяли стандартными методами.
Экспериментальные данные обрабатывали методами математической ста тистики на ПЭВМ с пакетами прикладных программ в «Microsoft Excel», «Sta tistica» и «KPS».
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведены результаты по определению физико-механических свойств исходного сырья, а также кормовых продуктов, полученных из него, математи ческие модели исследуемых процессов и зависимости, характеризующие каче ственные показатели готовых продуктов.
Исследования по обоснованию параметров процесса выхода белковых веществ и получения зависимости, характеризующей размер измельчённых частиц семенной композиции.
На данном этапе исследований изучался процесс извлечения белковых фракций из предварительно замоченных семян (композиция соя + пшеница).
В качестве критерия оптимизации был принят такой показатель, как со С держание белка в экстракте GЭ позволяющий оценить степень его извлечения из семян, при соответствующей степени их измельчения = D = D. Как уста Э Э d Mr новлено поисковыми опытами, а также теоретическим анализом (глава 2) сте пень измельчения, в первую очередь зависит от зазора между абразивными рабочими органами устройства S, мм, их диаметра d a, мм, а также угловой ско рости вращения д, с-1.
Таким образом, экспериментально, путем физического моделирования необходимо было установить зависимость в её общем виде С GЭ = (S ;
d a ;
д ) max, (29) В таблице 1 представлены уровни и интервалы варьирования факторов по изучению данного процесса.
Таблица Уровни и интервалы варьирования факторов процесса выхода белковых веществ Факторы Уровни варьирования факто ров д, с- S, мм d a, мм Верхний (+) 1,5 150 100, Основной (0) 1,0 100 88, Нижний (-) 0,5 50 76, Интервал варьирования 0,5 50 12, Эксперимент проводился по стандартной матрице для трехфакторного эксперимента по пятнадцати опытам.
После реализации эксперимента проведена математическая обработка ре зультатов. На основании обработанных данных, а также после исключения не значимых коэффициентов в полученных уравнениях регрессии построена ма тематическая модель процесса извлечения белковых веществ из семян:
GЭ = 15,472 + 1,483S + 0,040d a + 0,383 0,003S d a + С (30) + 0,025S 0,0001d a 1,589 S 2 0,0001d a 0,002 2 max.
Адекватность модели оценена с помощью F-критерия, при коэффициенте корреляции R=0,969.
Проведенный анализ показывает, что оптимальными значениями пара С метров исследуемого процесса, при GЭ = 3,987% max, являются: величина зазора S=1,01,1 мм;
диаметр абразивного диска d a =100 мм;
угловая скорость вращения активного диска =86–87 с-1.
В ходе экспериментальных исследований также определены коэффициен С ты линейной зависимости GЭ =(d r ):
a = 3,9 и в = 0,487.
При этом установлено, что данная зависимость имеет следующий вид С С GЭ = 3,9–0,487·d r, откуда d r = 8,0-2,053· GЭ, (31) С что подтверждает гипотезу о существовании зависимости GЭ =(d r ).
Исследования по обоснованию параметров процесса отжима жидкой фракции из НО с помощью двухшнекового пресса При обосновании конструктивно-режимных параметров пресса предло женного типа, в качестве критериев оптимизации были приняты: влажность окары после отжима WK, % и энергоемкость процесса отжима N уд,кВт·ч/кг.
На основании лабораторных опытов, а также теоретического анализа (глава 2) были выделены наиболее значимые факторы. К ним отнесены: W Н – начальная влажность НО, %;
ш – угловая скорость вращения конического шнека, с-1;
d 0 – диаметр выходного отверстия пресса, мм.
Таким образом, необходимо было установить зависимости W К = (W H ;
ш ;
d 0 ) min, (32) N уд = (W H ;
ш ;
d 0 ) min, (33) В таблице 2 представлены уровни и интервалы варьирования факторов для зависимостей (32) и (33).
Таблица Уровни и интервалы варьирования факторов по изучению процесса отжима Факторы Уровни варьирования факторов ш, с-1 d о, мм WH, % Верхний (+) 80 14,0 7, Основной (0) 75 12,0 5, Нижний (-) 70 10,0 3, Интервал варьирования 5 2,0 2, По данным результатов анализа и исключения незначимых коэффициен тов построены математические модели WК = 402,4 8,953WH 11,885ш + 12,692d o (34) 0,287WH d o + 0,069 WH2 + 0,517ш + 1,025d o2 min;
NУД = 1,538 3,538WH 0,018 ш 0,038 d o 0,0002 WH ш + + 0,0003WH d o + 0,0002WH2 + 0,0014ш + 0,0013d o2 min. (35) Адекватность моделей (34) и (35) оценена с помощью F-критерия при ко эффициентах корреляции R 2 =0,949 и R 3 =0,906 неравенством F R F T На основании проведенного анализа определены оптимальные значения конструктивно-режимных и технологических параметров, которые равны:
начальная влажность НО WН =73–75%;
угловая скорость вращения шнека ш =11,48–11,6 с-1;
диаметр выходного отверстия пресса d 0 =4,0–5,0 мм.
При указанных значениях параметров значения критериев оптимизации составляют W K =33,0 % и N уд =0,016 кВтч/кг.
Исследование процесса сушки гранул с принудительным обдувом горя чим агентом На данном этапе исследований изучался процесс сушки предварительно сформованных гранул из НО. В качестве критерия оптимизации принят такой показатель, как крошимость Кр, %.
На основании лабораторных опытов, а также теоретического анализа процесса сушки (глава 2) в качестве значимых факторов приняты следующие:
диаметр гранул d гр, мм;
продолжительность сушки, мин;
температура сушки t,оС.
Таким образом, необходимо было установить зависимость Кр = (d гр ;
;
tо) min. (36) По результатам математической обработки полученных данных и их ре грессионного анализа построена математическая модель оценки процесса суш ки гранул Kр = 434, 8 19,408d гр 1,359 5,061t o + (37) + 3,393d гр + 0,017 2 + 0,017(t 0 ) 2 min.
Адекватность модели оценена с помощью критерия Фишера, при коэф фициенте корреляции R 4 =0,973.
Проведенный анализ позволил определить оптимальные значения пара метров процесса сушки гранул из НО: диаметр гранул d гр = 2,8–3,0 мм;
продол жительность сушки и температура сушки с использованием активного агента =40 мин;
t=148–150оС. При данных значениях крошимость гранул находится в пределах 3,0-4,0 %.
В пятой главе «Производственная проверка результатов исследований, оценка их экономической эффективности и методика расчета линии приготов ления кормов с использованием сои для малых ферм» приведены данные по производственной проверке результатов исследований и их экономической оценке, а также разработанной методике расчета линии приготовления высоко белковых кормов. Конструктивно-технологическая схема данной линии пред ставлена на рисунке 5.
В результате реализации разработанной технологии получены два вида кормовых продуктов: ЗЦМ и гранулированный комбикорм.
На основании проведенных исследований обоснованы значения показате лей технологического процесса приготовления кормов с использованием сои, а также разработана методика расчёта технологической линии. Экономическая оценка результатов исследований приведена в выводах.
Вода Замоченные семена Семена сои и Нерастворимый остаток Нерастворимый остаток пшеницы (1:1) W = 33% Гранулы W = 74% Вода (8:1) Вода Заменитель Гранулят цельного На выдачу На выдачу молока животным животным Рис. 5. Конструктивно-технологическая схема линии приготовления кор мов с использованием сои;
1 емкость для замачивания семенной композиции;
2 многофункциональная машина;
3 устройство для отжима жидкой фракции из нерастворимого остатка;
4 емкость;
5 гранулятор;
6 лоток для гранул;
сушильный шкаф;
8 варочный котел ВЫВОДЫ 1. Анализ литературных источников по изучению процессов приготовле ния высокобелковых кормовых продуктов с использованием сои показывает, что перспективным направлением в этой области исследований является со вершенствование технологии, обеспечивающей получение заменителей цельно го молока путем экстракции белка и нерастворимого остатка. При этом уста новлено, что недостаток знаний о закономерностях процессов извлечения бел ковых веществ из композиций семян (соя + пшеница), разделения жидкой бел ковой и нерастворимой белково-углеводной фракций, а также отжима влаги из нерастворимой фракции, формования и сушки гранул не позволяет проектиро вать эффективные технологии и технические средства для реализации указан ных процессов.
В результате анализа определены технологические подходы, позволяю щие получить совокупность новых данных, обеспечивающих возможность обоснования рационального способа и оптимальных параметров процесса од новременной экстракции белковых веществ из измельченных семян сои и пше ницы, а также получения качественного гранулированного комбикорма;
2. Теоретические исследования процесса экстракции белка из измельчен ных композиций семян, с позиции диффузионного, позволили установить взаи мосвязь между выходом белка и степенью их измельчения с учетом размерных характеристик предварительно замоченных семян сои и пшеницы.
Посредством теоретического анализа, на основании установленных зави симостей, обоснована величина зазора между абразивными рабочими органами многофункциональной машины, получены аналитические выражения для опре деления производительности линии по жидкой и твердой фазе кормовых про дуктов, а также параметры процесса сушки гранул комбикорма;
3. В ходе экспериментальных исследований, посредством математическо го моделирования обоснованы оптимальные режимы и параметры процесса приготовления кормов на основе композиции семян:
для выхода белковых веществ в экстрагент: величина зазора между ис тирающим и рабочими органами S=1,0–1,1 мм;
диаметр и угловая скорость вращения активного абразивного диска d a =100мм;
=86,087,0с-1;
для процесса отжима жидкой фракции из нерастворимого остатка:
начальная влажность нерастворимого остатка WH =73–75%;
угловая скорость вращения конического шнека ш =11,511,6 с-1;
диаметр выходного отверстия пресса d 0 =4,0–5,0 мм, при которых обеспечивается значение энергоемкости N уд =0,016 кВт ч/кг;
для процесса сушки гранул на основе нерастворимого остатка: диаметр гранул d r =2,8-3,0 мм;
продолжительность и температура сушки T=40 мин;
t=148-150 оС, обеспечивающих значение показателей крошимости не более 3– %;
4. Производственной проверкой результатов исследований установлено, что предложенные технология и линия, параметры которой рассчитаны по раз работанной методике, обеспечивают получение заменителя цельного молока и гранулированного комбикорма с показателями не превышающие зоотехниче ские требования;
5. Экономическая эффективность результатов исследований, обусловлен ная получением дополнительной продукции, составляет при производстве: сви нины - 92978руб./год;
говядины - 73256руб./год;
мяса птицы - 621063руб./год.
При этом верхняя лимитная цена разработанной линии соответственно равна Ц С =143485руб.;
Ц Г =113049руб.;
Ц П =958430руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих рабо тах:
а) статьи в рекомендованных изданиях ВАК России 1. Соболев, Р.В. Обоснование параметров технологии и технических средств производства соевых белковых продуктов /Р.В. Соболев, С.П. Волков и др.// Техника в сельском хозяйстве. - 2009. - № 4. - С. 17-19.
2. Павлов, В.П. Обоснование параметров технологии производства муки из нерастворимого соевого остатка /В.П. Павлов, Р.В. Соболев и др.// Хранение и переработка сельхозсырья. - 2009. - №8. - С. 52-53.
б) статьи в других изданиях 3. Соболев, Р.В. Анализ подготовки комбикормов на основе соевого бел ка к скармливанию /Р.В. Соболев// Матер. IV регионал. научн.-практич. конфер.
Дальневосточного ГАУ «Молодежь XXI века: шаг в будущее». - Благовещенск, 2003. - С. 460 – 462.
4. Соболев, Р.В. Технология производства соевых белковых продуктов /Р.В. Соболев, С.П. Волков др.// Матер. междунар. научн.-практич. конфер.
«Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, пробле мы и пути их решения». - Ульяновск: ГСХА, 2009. - Т.2. - С. 222-225.
5. Волков, С.П. Смеситель-гранулятор со смещённой осью вращения /С.П. Волков, Л.А. Ковалёва, Р.В. Соболев// Сборник статей V междунар.
научн.-технич. конфер. - Пенза: Приволжский Дом знаний «Прогрессивные технологии в современном машиностроении», 2009.- С. 95-97.
6. Доценко, С.М. Совершенствование рабочего процесса и гранулятора высокобелковых кормов /С.М. Доценко, С.П. Волков, Р.В. Соболев// Матер. IV междунар. научн.-практ. конф. Алтайского ГАУ «Аграрная наука сельскому хо зяйству» - Барнаул, 2009. - С. 228-231.
7. Соболев, Р.В. Технологические аспекты процесса получения соевых продуктов и обоснование параметров технических средств для его реализации /Р.В. Соболев, С.М. Доценко, С.П. Волков// Вестник Амурского государствен ного университета. - 2009. - 47 - С. 16-18.
8. Соболев, Р.В. Рекомендации по проектированию и расчёту технологий и технических средств производства соевых кормовых продуктов /Р.В. Собо лев, В.П. Павлов, А.А. Карпов. - Благовещенск, 2009.-32с.
9. Соболев, Р.В. Обоснование параметров процесса экстракции соевого белка /Р.В. Соболев// Матер. XI регион. научн.-практ. конф. «Молодежь XXI века: шаг в будущее», посвящённой 65 годовщине Победы в Великой Отече ственной войне (20-21 мая 2010г., г. Благовещенск).- Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2010.- Ч. 3.- С. 291295.
10. Соболев Р.В. Обоснование параметров процесса экстракции белковых веществ из семян сои /Р.В. Соболев, С.П. Волков, В.П. Павлов др.// Матер. II-ой междунар. научн.-практич. конфер. «Аграрная наука и образование на совре менном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения». Ульяновск:
ГСХА, 2010 г. т. 3., С. 116-120.
11.Соболев Р.В. Обоснование выбора технологии приготовления соевых кормовых продуктов /Р.В. Соболев// Сборник научных трудов.- Благовещенск:
ДальГАУ, 2010. Вып. 17.- С. 222-225.
Соболев Роман Валерьевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОИ Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Лицензия ЛР 020427 от 25.04.1997 г.
Подписано к печати 23.11.2011 г. Формат 6090/16.
Уч.-изд.л. – 1,0. Усл.-п.л. – 1,5.
Тираж 100 экз. Заказ 184.
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии издательства ДальГАУ 675005, г. Благовещенск, ул. Политехническая,