Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии производства экструдированных комбикормов с начин кой 17
1.1. Компоненты комбикормов как объект исследования 27
1.2. Конструктивные особенности экструзионной техни ки 17
1.3. Типы технологических линий для производства экструдированных комбикормов 32
1.4. Теоретические основы процесса смешивания сыпучих материалов 37
1.5. Теоретические основы процесса экструзии 44
Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования процесса смешивания компонентов комбикормов в двухвальном лопастном смесителе 48
2.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента 48
2.2. Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса смешивания компонентов комбикормов в двухвальном лопастном смесителе 54
2.2.1 Методика исследования процесса смешивания комбикор мов с применением метода планирования экстремального эксперимента 54
2.2.2. Оптимизация процесса, смешивания 60
2.2.3. Влияние природы компонентов экструдированных комби кормов с начинкой на равномерность распределения в них микрокомпонентов 71
Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования процесса коэкструзии комбикормов 74
3.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента 74
3.2. Кинетика процесса экструзии комбикормов с начинкой 80
3.3. Математическое моделирование течения псевдопластичной жидкости в кольцевом канале матрицы экструдера с учетом явления проскальзывания на стенках 85
Глава 4. Комплексная оценка показателей качества экструди рованных комбикормов с начинкой 91
4.1. Определение показателей питательности комбикормов. 91
4.2. Химический состав комбикормов разного вида 93
4.3. Биохимические показатели комбикормов разного вида 94
4.4. Анализ аминокислотного состава комбикормов 98
4.5. Сохранность витаминов в комбикормах 100
4.6. Определение качества жировитаминных начинок 101
Глава 5 Разработка новых технических решений и способа про изводства экструдированных комбикормов с начин кой 107
5.1. Разработка смесителя-экструдера 107
5.2. Разработка смесителя-гранулятора 113
5.3. Разработка устройства для ввода жидких компонентов в экструдер 120
5.4. Разработка способа производства полнорационных экструдированных комбикормов с начинкой 123
5.5. Разработка способа автоматического управления экструде-ром 135
5.6. Оптимизация технологии экструдированных комбикормов по технико-экономическим показателям 144
5.7. Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования способа производства экструдированных комбикормов с начинкой 148
Основные выводы и результаты 150
Литература. 152
Приложения 174
- Конструктивные особенности экструзионной техни ки
- Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса смешивания компонентов комбикормов в двухвальном лопастном смесителе
- Кинетика процесса экструзии комбикормов с начинкой
- Химический состав комбикормов разного вида
Введение к работе
В последнее время в комбикормовой промышленности непрерывно повышаются требования к качеству комбикормов, усовершенствованию технологии, расширяется номенклатура сырья, ассортимент продукции. Особые требования предъявляются к комбикормам молодняка сельскохозяйственных животных, птицы , домашних животных и др.
Задача комбикормовой промышленности заключается в выработке такой продукции, которая сочетала бы в себе одновременно низкую цену и гарантированно высокое продуктивное действие. Однако на практике производители в борьбе за рынок либо вырабатывают продукцию на основе малоценного, но дорогостоящего сырья в ущерб питательности, либо, наоборот, используют дорогостоящие кормовые средства и применяют приемы, которые в полном объеме раскрывают их питательность, но и, тем самым, удорожают продукцию.
Одним из наиболее эффективных и часто применяемых технологических приемов является тепловая обработка. Известны следующие методы» тепловой обработки (ТО): микронизация, обработка инфракрасными волнами, тестирование, гранулирование, экструдирование, экспандирование и т.д. Экструдирование - на сегодняшний день наиболее эффективный способ тепловой обработки.
Экструдирование — универсальный, экологически безопасный и ресурсосберегающий процесс, позволяющий получать легко усвояемые, термостерилизо-ванные кормовые смеси, в то же время, это сложный процесс, преимущества которого недореализованы на практике, а-его возможности полностью не изучены.
Благодаря деформациям, которым подвергается материал, в экструдере происходит, кроме основных процессов, дополнительное смешивание и измельчение. Кроме того, в процессе экструдирования продукт может терять влажности до 50% от первоночальной, это позволяет рассматривать возможность включения в состав комбикорма компонентов с повышенным содержанием влаги.
Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубеж-
ные и отечественные ученые как: И.Э. Груздев, А.Н. Богатырев, А.И. Жушман, В.Г. Карпов, Л.П. Ковальская, Г.М. Медведев, А.Н. Остриков, В.П. Первадчук, В.А. Силин, Р.В. Торнер, Н.П. Черняев, В.П. Юрьев, В.И. Янков, Е. Colonna, С. Mercier, G. Shenkel, W.'Seibel, К. Seiler, М. Williams, P. Linko, LP. Melcion, B.H. Maddock, E.C. Bernhardt, Z. Tadmor, J.M. McKelvey, J.F. Carley, R.A. Strab, R.S. Mallouk, C.H. Jepson, Ch.I Chung, LP. Melcion и др.
Экструзия является идеальным технологическим процессом для обогащения продуктов белками, волокнами, витаминами и другими веществами. Возможность регулирования состава продуктов в сторону увеличения содержания белков, витаминов или минеральных веществ, играет важную роль в профилактике многих заболеваний животных и птицы [13,18,21].
Для производства экструдированных комбикормов используется различное по составу и свойствам сырье: соевый жмых и шрот, крахмалосодержащие продукты: зерновые - кукуруза, тритикале, ячмень, пшеница, сорго, а так же различные смеси белков и полисахаридов, включая вторичное сырье-мясной, молочной и рыбной промышленности. Это позволяет при помощи экструзионной технологии создавать продукты с заданной обменной энергией и питательностью [49, 58 59, 125, 146,157, 196].
В зависимости от глубины происходящих изменений, экструзионную обработку принято разделять на три вида: холодную, теплую и горячую экструзию. Наибольшее распространение получила теплая экструзия, применяемая в основном для производства пищевых продуктов и комбикормов.
Актуальность работы. Анализ динамики производства продукции животноводства за 2001 - 2009 гг. показал, что производство мясопродуктов КРС и свинины за это время изменилось незначительно, однако производство мяса птицы существенно выросло. При этом увеличение выпуска комбикормов было несущественным. Основная причина сложившейся ситуации — недостаток оборотных средств у животноводческих хозяйств, которые вынуждены снижать расход комбикормов и использовать более дешевые заменители, нарушая полноценный
рацион кормления животных. За последнее десятилетие наблюдалось сокращение практически всех компонентов комбикормов. Так, выпуск жмыхов и шротов снизился более, чем на 40%, мясокостных кормов - на две трети, БМВД - в десятки раз.
Сложившаяся тенденция отрицательно сказалась на качестве производимых комбикормов и, как следствие, привела к значительному перерасходу концентрированных кормов и повышению их стоимости. Например, общий расход кормов и концентратов на производство 1 ц молока и мяса повысился в 1,2 — 1,5 раза, а расход всех кормов, идущих, на прирост массы свиней, и доля концентратов в 1,5-3 раза превысили нормативные показатели. Несбалансированное питание животных и нерациональный расход кормов негативно отразились на выходе молока на 1 кг корм. ед. - с 66 до 58 кг, приросте КРС - с 6,8 до 5,3 кг, свиней-с 10,9 до 7,8 кг.
Динамика производства комбикормов связана и с изменениями, происходящими в зерновом секторе АПК. Прежде-всего, с ростом цен и уменьшением производства фуражного зерна, вызванного сокращением посевных площадей и снижением урожайности по ряду причин. Кроме того, появление большого числа посреднических структур привело к, увеличению разрыва между ценами, предлагаемыми сельскохозяйственными товаропроизводителями, и фактическими ценами предложений зерна на рынке.
В рамках национального проекта «Развитие АПК» на основе Федерального закона «О развитии сельского хозяйства» постановлением правительства РФ была утверждена «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 - 2012 годы». Одной из ее главных целей является повышение конкуренто-соспособности российской сельскохозяйственной продукции через ускоренную техническую и технологическую модернизацию производства. Рост продукции сельского хозяйства в большей степени будет обеспечен за счет роста объемов производства в животноводстве на основе создания принципиально новой техно-
логической базы, использования современного технологического оборудования для модернизации животноводческих ферм, а также за счет наращивания генетического потенциала продуктивности российского животноводства и ускорения создания соответствующей кормовой базы. Основными условиями достижения прогнозируемых темпов роста социально-экономического развития сельского хозяйства на период до 2012 года являются:
. развитие кормовой базы на основе производства культур, обеспечивающих кормопроизводство белком, которое позволит существенно уменьшить зависимость наращивания производства продукции животноводства и птицеводства от импортных закупок белковых компонентов;
ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий
Организация полноценного кормления и разработка рецептуры комбикормов требует четкого представления о потребностях различных видов и разновозрастных групп, сельскохозяйственных животных и птицы в основных элементах питания. В связи с этим возникает острая необходимость реализации отечественных разработок в области кормления и кормопроизводства. Кроме качественного исходного сырья, необходимо использовать его глубокую тепловую обработку посредством процесса экструзии. Экструдирование позволяет повысить качество производимых комбикормов, что в свою очередь, снижает их расход на единицу прироста массы продукции животноводства, позволяет с минимальными затратами получать высококачественную продукцию. При этом одна из научных задач заключается в необходимости изучения потребности животных в питательных веществах, разработки более совершенных рецептур комбикормов и методов»нормированного кормления, новых технологий приготовления экструдированных комбикормов.
Цель и задачи диссертационной работы: разработка и научное обоснование способа приготовления экструдированных комбикормов с начинкой; создание на основе разработанного способа конструкций смесителя-экструдера,
смесителя—гранулятора, а также устройства для ввода жидких или вязких компонентов в экструдер; разработка способа автоматического управления экструде-ром.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
обоснование состава кормовой смеси для приготовления полнорационных экструдированных комбикормов с начинкой;
анализ основных кинетических закономерностей процесса смешивания компонентов комбикормов в лопастном смесителе;
анализ основных кинетических закономерностей процесса экструдирования комбикормов в одношнековом экструдере;
математическое моделирование процесса смешивания бинарной композиции в лопастном смесителе;
математическое моделирование течения расплава зерновой смеси через кольцевой канал матрицы экструдера;
математическое моделирование течения псевдопластичной жидкости в кольцевом канале матрицы экструдера с учетом явления проскальзывания на стенках;
комплексная оценка показателей качества экструдированных комбикормов с начинкой;
разработка конструкции смесителя-экструдера;
разработка конструкции смесителя-гранулятора;
- разработка конструкции устройства для ввода жидких компонентов в
экструдер;
разработка способа производства экструдированных комбикормов с начинкой;
разработка способа автоматического управления экструдером;
проведение промышленной апробации предлагаемых разработок.
Научная новизна. На основании проведенных исследований, обобщения и анализа разработан способ производства экструдированных комбикормов с начинкой.
Изучены кинетические закономерности процессов смешивания и экстру-дирования кормовых смесей, что позволило разработать новые технические решения для осуществления способа производства экструдированных комбикормов с начинкой.
математическое моделирование процесса смешивания бинарной композиции в лопастном смесителе;
математическое моделирование течения расплава зерновой смеси через кольцевой канал матрицы экструдера;
математическое моделирование течения псевдопластичной жидкости в кольцевом канале матрицы экструдера с учетом явления проскальзывания на стенках
Разработан алгоритм.управления технологическими параметрами процесса получения экструдированных комбикормов стабильного качества с использованием пароэжекторной холодильной машины.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2336166, 2347606,2338388.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработан способ экструдирования полнорационных комбикормов и определены рациональные параметры процесса экструдирования. Получен экструдированный комбикорм с начинкой, обладающий высокой питательной ценностью и оптимальной обменной энергией.
Разработаны новые технические решения для, осуществления способа производства экструдированных комбикормов с начинкой
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2008 по 2009 гг.); Москве (2008); Туле (2008);.
Результаты настоящей работы представлены на конкурсах и отмечены дипломами: 12 Агропромышленная выставка ВОРОНЕЖАГРО 16 ноября 2007: диплом победителя конкурса; 25 Межрегиональная специализированная выставка ПРОДТОРГ 26- 28 ноября 2008 г., Воронеж; 2-ой Воронежский промышленный форум, Воронеж 2009. 14-я межрегиональная специализированная выставка с международным участием АГРОПРОМ 27-28 мая 2009 г.
Работа выполнялась на кафедре технологии хранения и переработки зерна (ТХПЗ) Воронежской государственной технологической академии.
Хотелось бы выразить благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Шевцову Александру Анатольевичу и кандидату технических наук, доценту Лыткиной Ларисе Игоревне за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы, а также признательность кафедре хранения и переработки зерна за плодотворное сотрудничество.
Конструктивные особенности экструзионной техни ки
Таким образом, экструзию от большинства традиционных технологических процессов отличает непрерывность, низкий удельный расход энергии, высо-кая степень механизации и автоматизации, универсальность, а также малые производственные площади.
В зависимости от температуры экструдируемой массы, различают три вида экструзии: холодную, теплую и горячую (варочную) [87, 103, 136]. При горя чей экструзии, применяемой для производства сухих завтраков, массовая доля влаги в экструдируемом материале составляет 10...20 %. Температура продукта на выходе из экструдера в пределах от ПО до 200 С, давление 12...25 МПа. При таких высоких температурах и давлениях перерабатываемый материал подвергается глубочайшим физико-химическим изменениям, преобразуясь из сыпучей массы в упруго-вязко-пластичную, которая на выходе из матрицы вспучивается со значительным увеличением объема за счет резкого сброса внутреннего давления, что ведет к взрывному испарению влаги из выпрессовываемого экструдата и образованию пористой структуры [59, 62,88,111,119,].
Ряд исследователей отмечают, что при холодной экструзии зачастую применяют принудительное охлаждение, а при теплой и горячей - наоборот, принудительный подвод теплоты к перерабатываемому материалу извне [59, 101, 114, 117]. Однако наиболее эффективными для промышленного применения являются автогенные режимы экструзии, которые идут как без охлаждения экструдируемого материала, так и без дополнительного подвода тепла к нему [18], когда температура экструдируемой массы поддерживается на требуемом уровне за счет сил внутреннего трения массы и шнека внутри шнековой камеры.
По термодинамическим свойствам экструдеры делятся на автогенные, полит-ропные и изотермические. При автогенном режиме работы продукт уплотняется и нагревается за счет сил трения частиц о поверхности вращающихся рабочих органов и деформаций сдвига, при этом подвод теплоты осуществляется только для нагрева корпуса до необходимой температуры. В случае, если присутствует регулируемый нагрев или охлаждение от внешнего источника, то имеет место политропный режим экструдирования: Существуют три метода нагрева экструдера: электрический, жидкостной и паровой. Обогрев большинства экструдеров производится при помощи электронагревателей, обеспечивающих нагрев рабочей камеры до 320 С.
Довольно часто система охлаждения имеет более важное значение, чем система обогрева. Это объясняется тем, что увеличение скоростей вращения шнека, удлинение цилиндров машин и увеличение эффективности смешения способствуют нагреванию материала в процессе экструзии. Наиболее распространенной системой охлаждения является обдув цилиндра и нагревателей воздухом при помощи вентилятора.
Изотермические экструдеры предназначаются, в частности, для формования макаронных изделий и хлебного теста. В таких экструдерах теплота, выделяемая в результате механического воздействия рабочих органов на перерабатываемый продукт, контролируется вдоль камеры и при увеличении температуры процесса выше заданной по технологии регулируется за счет охлаждения внешним теплообменником.
Применение экструдеров в пищевой промышленности обусловлено созданием благоприятных условий для создания, комплексно-механизированных линий. Кроме того, еще одним важнейшим преимуществом термопластической экструзии перед традиционными способами является кратковременность процесса (30...100 с), что позволяет обрабатывать широкий спектр сырья без существенных потерь термолабильных веществ.
Конструкции экструдеров весьма разнообразны. В основном деление производится по типу рабочего органа: барабанные, шестеренные, винтовые, валковые, шнекЪвые, дисковые, поршневые экструдеры, а также возможно сочетание двух различных конструкций в одном рабочем органе. Наибольшее применение в промышленности получили шнековые экструдеры. Это обусловлено стабильностью их работы, относительной простотой технического обслуживания и хорошим качеством получаемой продукции [18, 49, 85]. Шнековые экструдеры делятся на одно-, двух- и многошнековые. Одношне-ковые экструдеры характеризуются меньшими габаритами, массой и эксплуатационными расходами. Это обусловлено тем, что продукт принудительно транспортируется шнеками при меньших потерях давления, габариты упорных поДшипников ограничены межцентровым расстоянием, что не по зволяет воспринимать большие нагрузки. Однако шнеки двухшнековых экс-трудеров короче, а нарезка глубже, вследствие чего давления в них ниже, чем в одношнековых экструдерах. Основные конструкции шнеков одношнековых экструдеров показаны на рис. 1.1.
Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса смешивания компонентов комбикормов в двухвальном лопастном смесителе
Данные, полученные при однофакторных экспериментах, недостаточны для нахождения оптимальных решений, так как влияние отдельных факторов на эффективность процесса рассматривается обособленно, без их взаимодействия и взаимосвязи.
Известно, что более эффективным методом поиска оптимальных решений является математическая модель. При отсутствии необходимых аналитических зависимостей математическую модель можно получить, используя методы планирования экстремальных экспериментов [20, 47, 54-57, 64-66, 89, 97, 159, 160, 161].
Требуется получить некоторое представление о функции отклика при действии ряда факторов, то естьгде у - параметр оптимизации (отклик), по которому оценивается изучаемый процесс; xj, Х2,..., х„ -независимые переменные (факторы). Функция отклика аппроксимируется полиномом вида :где bo - свободный член уравнения, равный средней величине отклика при-условии, что рассматриваемые факторы находятся на средних, "нулевых" уровнях; х - масштабированные значения факторов, которые определяют функцию отклика и поддаются варьированию; /, j - индексы факторов; bt -коэффициенты при линейных членах; by - коэффициенты двухфакторных взаимодействий, показывающие, насколько изменяется степеньвлияния одного фактора при изменении величины другого; Ьц коэффициенты квадратичных эффектов, определяющие нелинейностьвыходного параметра от рассматриваемых факторов, N- число факторов вматрице планирования.
Получение уравнения поверхности отклика и его анализ, т.е. решение экстремальной задачи, было разбито на ряд последовательных этапов — поиск области оптимума и изучение области оптимума.
Для поиска области оптимума реализована матрица полного факторного эксперимента типа ПФЭ-2П.Расчет коэффициентов регрессии, дисперсии опыта и дисперсии коэффициентов регрессии производили согласно формул, представленных в литературе по планированию экспериментов [47, 97, 159].
Полученное уравнение регрессии проверяли на адекватность, то есть на соответствие представления результатов опытов с помощью полинома второй степени по критерию Фишера [83] :где N, К- срответственно количество опытов и исследуемых факторов; уи —Лсреднее арифметическое результатов в каждом опыте; уи - значениепараметра оптимизации, предсказанное уравнением для каждого опыта.
Дисперсию воспроизводимости эксперимента (дисперсия параметра оптимизации) рассчитывали по формуле : где n — число повторностей в каждом опыте.
Если расчетное значение критерия Фишера меньше табличного, то принимается гипотеза об адекватности модели.
Значимость коэффициентов регрессии оценивали при помощи дополнительного интервала :где Abj - доверительный интервал /-того коэффициента; t - значениекритерия Стьюдента при выбранном уровне значимости; s{bt] —квадратичная ошибка коэффициента регрессии.
Коэффициент значим, если его абсолютная величина больше доверительного интервала.Для описания поверхности отклика уравнением второго порядка использовали центральный композиционный униформротатабельный план второго порядка [68].
Согласно плану предполагается варьирование факторов на трех уровнях.Для определения оценок коэффициентов регрессии и их ошибок использовали формулы, предложенные Ю.П. Грачевым (для /7 = 4) [17] : Для выявления взаимосвязей между отдельными факторами, характеризующими работу смесителя и для определения оптимальных условий протекания процесса смешивания, необходимо провести оптимизацию данного процесса с использованием метода математической теории планирования экстремальных экспериментов .
С целью определения оптимальных параметров процесса смешивания комбикорма в двухвальном лопастном смесителе проводили планирование эксперимента. В качестве параметров оптимизации выбраны один из основных показателей, характеризующих процесс смешивания — однородность получаемой смеси (у, %).
В качестве основных факторов, влияющих на процесс смешивания компонентов, были выбраны: х\ - частота вращения ротора, об/мин; Х2 — степень заполнения камеры смесителя; хз — продолжительность смешивания, с; х4 - концентрация индикаторного компонента в смеси, кг/м3.
Все эти факторы совместимы и некоррелируемы между собой. Пределы изменения исследуемых факторов приведены в табл. 2.1.
Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса смешивания компонентов комбикормов, техническими характеристиками смесителя. Критерием оценки влияния различных факторов на процесс смешивания компонентов комбикормов является Y — неоднородность смешивания (коэффициент вариации содержания компонента в смеси), %.
Выбор критерия оценки Y обусловлен его наибольшей значимостью для процесса смешивания компонентов комбикормов. Так Y — неоднородность смешивания определяет качественные показатели готового продукта.
Программа исследований была заложена в матрицу планирования эксперимента (табл. 2.2).
Исследования выполняли при следующих постоянных факторах: размеры рабочей камеры; природа индикатора - металломагнитная примесь; направление вращения валов смесителя; порядок загрузки компонентов — первым - основной, вторым - индикатор.
Для исследования было применено центральное композиционное ротатабельное униформпланирование и был выбран полный факторный эксперимент 24 [17]. Порядок опытов рандомизировали посредством таблицы случайных чисел, что исключало влияние неконтролируемых параметров.на результаты Эксперимента.
Кинетика процесса экструзии комбикормов с начинкой
Исследование влияния условий экструзионной обработки зерновой смеси на основе люпина на характер экструдирования и качество готового продукта позволяет глубже понять и оценить физику данного процесса.
С этой целью была проведена серия экспериментов в широком диапазоне изменения параметров процесса экструзии, используемых при получении аналогичных продуктов. Эксперименты проводились в трехкратной повторности. По результатам экспериментов были построены следующие графические зависимости: распределения температуры перерабатываемой смеси по длине экструдера при различных значениях давления перед матрицей , температуры продукта от времени нахождения его в экструдере при различных значениях частоты вращения шнека и начальной влажности смеси температуры продукта от начальной влажности смеси и частоты вращения шнека, давления в предматричной зоне экструдера от его производительности при различных значениях влажности смеси и температуры перед матрицей, давления в предматричнои зоне в зависимости от начальной влажности и температуры продукта при различных значениях частоты вращения шнека, давления продукта в предматричнои зоне в зависимости от начальной влажности смеси и значения площади поперечного сечения формующего канала при различных значениях его длины, скорости выхода продукта в зависимости от частоты вращения шнека, начальной влажности и температуры продукта в предматричнои зоне.
Основываясь на графических зависимостях, приведенных на рис. 3.4 был сделан вывод, что разогрев исследуемого продукта в рабочей камере экструдера происходит значительно быстрее с увеличением частоты вращения шнека.
При максимальной частоте вращения п=б,08 с"1 зерновая смесь находится в рабочей камере меньше времени, что снижает вероятность разложения термолабильных веществ при увеличении температуры в предматричнои зоне экструдера. Дальнейшее ее уменьшение связано с выходом экструдата из формующего канала в область с более низкой температурой. Повышение начальной влажности смеси при прочих равных условиях приводило к снижению температуры продукта, а скорость процесса экструзии практически не изменялась.
Одним из факторов, обуславливающих высокое качество экструдатов, является постоянство величины температуры продукта в матрице экструдера. Значительные отклонения температуры вызывают разложение термолабильных питательных веществ [108]. Поэтому изучение изменения температуры продукта по длине рабочей камеры экструдера является необходимым условием для определения оптимальных условий процесса.
Распределение температуры продукта по длине рабочей камеры экструдера при постоянной частоте вращения шнека 5,07 с"1 (рис. 3.5) характеризуется возрастанием ее начиная от зоны сжатия и до предматричнои области экструдера.
В матрице изменения температуры не происходит, что связано с относительно небольшой длиной формующего канала и отсутствием разогрева на. данном участке. При выходе продукта из матрицы происходит резкое снижение его температуры до 313...333 К, что обусловлено выделением значительного количества энергии на переход находящейся в продукте воды из жидкого состояния в парообразное.
Температура в предматричной зоне возрастает с увеличением числа оборотов шнека экструдера, что связано с повышением скорости выхода продукта и превращением механической энергии в тепловую в результате трения продукта о стенки рабочей камеры. Увеличение начальной влажности продукта также ведет к возрастанию температуры. Это обусловлено уменьшением вязкости продукта, что приводит к снижению давления в предматричной зоне и увеличению температуры расплава.
Для поддержания требуемой температуры необходимо было стабилизировать величину давления в предматричной- зоне экструдера. Это достигалось за счет изменения производительности экструдера, частоты вращения шнека, влажности исходной смеси, температуры в предматричнои зоне, а также площади и длины формующего канала.
Химический состав комбикормов разного вида
При разработке комбикормов по предлагаемой технологии определяли химический состав: массовую долю сырого протеина, сырого жира, сырой клетчатки, кальция, фосфора и натрия в комбикормах различного вида, выработанных по рецептам ПК-1, ПК-5 и ПК-6, а также в экструдированных комбикормах с начинкой (рис. 4.1). Как показали результаты анализов химический состав экструдированных комбикормов с начинкой выработанных по предлагаемой технологии незначительно отличался от химических составов исследуемых комбикормов, в частности, повышенным содержанием сырого жира, кальция и фосфора.
Исследования показали, что распределение показателей химического состава в экструдированном комбикорме с начинкой удовлетворяет требованиям стандарта [23-44] по показателям питательности для поросят-отъемышей.
Рис.4.1.. Соотношение показателей химического состава экструдированных комбикормов выработанных по рецепту а) КК-71; б) ПК-50; в) по предлагаемой технологии. Расхождение значений сырого протеина, сырого жира, сырой клет-чатки, кальция, фосфора и натрия находилось в пределах нормированной ошибки, предусмотренной стандартами [38]. Таким образом, разработанная технология комбикормов не приводит к нарушению качества, а обеспечивает выработку комбикорма однородного по распределению химических веществ компонентов корма.
Экструзионная обработка комбикормов повышает его питательную ценность за счет перевода сложных высокомолекулярных веществ в простые. Для молодняка животных и птицы, у которых слабо развита активность амилолитических ферментов, целесообразно преобразовывать крахмал в легкоусвояемые углеводы - декстрины, мальтозу, улучшая его переваримость [37]. Критериями оценки биохимических показателей комбикормов, выработанных по предлагаемой технологии служили изменения свойств крахмала (степень декстринизации и клеистеризации, переваримость) [37] и протеина (переваримость белка, фракционный состав) [32].
Крахмал относится к гомополисахаридам и состоит, в основ-ном, из полимеров Д-глюкозы. При неполном кислотном гидролизе крахмала образуются декстрины, при полном гидролизе- Д-глюкоза. В пищеварительном тракте животных и птицы гидролитическое расщепление крахмала катализируют ферменты амилазы: а-амилаза и (3-амилаза - до глюкозы, q-амилаза (глюкоамилаза) - до мальтозы. Молекула а-амилазы содержит в своем центре ионы кальция, необходимые для осуществления ферментативной активности [37].
Взрослыми сельскохозяйственными животными и птицей крахмал переваривается достаточно хорошо, но у молодняка перевари-мость крахмала снижена, поэтому экструдирование комбикорма позволило повысить переваримость крахмала и увеличить содержание легкоусвояемых углеводов, т.к. тепловая обработка способствует модификации и клеистеризации крахмала. Это приводит к повышению его усвояемости, уменьшению содержания в корме неусвояемых соединений.
Содержание декстринов в комбикормах в зависимости от времени экструзионной обработки увеличивается только в течение первых 80 секунд и затем принимает постоянное значение (рис.4.2).
Результаты исследования биохимических показателей комбикормов различного вида представлены в табл. 4.1.
Анализ данных показывает, что при экструдировании происходит расщепление крахмала до более простых соединений, а также увеличение количества растворимых и легкогидролизуемых углеводов. Количество растворимых углеводов в комбикорме всех рецептов составляло 5,09...5,32 мг/100 г, в экструдированном комбикорме по рецепту ПК-50 повышалось до 5,30 ...5,75 мг/100 г. То есть при полной тепловой обработке всех видов исследуемых комбикормов в процессе экструзии количество растворимых и легкогидролизуемых углеводов (сахаров и декстринов) возрастало. Соответственно, возрастала переваримость крахмала in vitro. При этом в экстру-дированном комбикорме с начинкой, полученного по предлагаемой технологии, количество растворимых углеводов и атакуемость крахмала in vitro увеличилось до 5,80 мг/100 г и 8,25 мг/ЮОг соответственно.
