Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор отечественного и зарубежного опыта производства высокоэффективных комбикормов для рыб 15
1.1 Современные технологии производства комбикормов 21
1.2 Краткий обзор оборудования для производства комбикормов 27
1.3 Особенности кормления и выращивания рыбы на примере канального сома 34
1.4 Анализ литературного обзора и задачи исследования 39
Глава 2 Теоретические и экспериментальные исследования процесса экструдирования 42
2.1 Обоснование выбора компонентов рецептурной смеси 42
2.2 Обоснование использования отходов масложировой промышленности 52
2.3 Исследование показателей качества смешивания комбикормов 57
2.4 Исследование кормовых смесей методом дифференциально-термического анализа 57
2.5 Исследование реологических характеристик расплава комбикормов в предматричной зоне экструдера 62
2.6 Исследование реологических характеристик жировых отходов 68
2.7 Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса экструзии кормового сырья 70
2.7.1 Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов 70
2.7.2. Оптимизация процесса экструзии 75
Глава 3 Теоретические и экспериментальные исследования процесса производства экструдированных продукционных комбикормов 89
Глава 4 Комплексная оценка качества экструдированных продукционных комбикормов 109
4.1 Исследование показателей качества экструдированных продукционных комбикормов для канального сома 109
4.2 Исследование процесса набухания экструдированных продукционных комбикормов в полидисперсных системах 115
4.3. Изучение влияния условий и сроков хранения на качество экструдированных продукционных комбикормов для канального сома 118
4.4 Сохранность витаминов в экструдированных продукционных комбикормах при хранении 121
4.5 Определение ароматических веществ в экструдированных продукционных комбикормах для канального сома 126
4.6 Проверка эффективности скармливания экструдированных комбикормов для канального сома 127
Глава 5 Практическая реализация технологических решений при производстве продукционных комбикормов для канального сома 130
5.1 Разработка ресурсосберегающей технологии экструдированных комбикормов с вакуумным напылением для канального сома 130
5.2 Линия производства псевдокапсулированных кормовых добавок для рыб на основе отходов масложировой промышленности 134
5.3 Способ производства экструдированных комбикормов для канального сома 137
5.4 Линия комплексной переработки масличного сырья 143
5.5. Эксергетический анализ процессов производства экструдированных комбикормов с вакуумным напылением 145
5.6 Разработка конструкции аппарата для вакуумного напыления. 154
Заключение 158
Список используемых источников 160
Приложения 183
- Краткий обзор оборудования для производства комбикормов
- Оптимизация процесса экструзии
- Сохранность витаминов в экструдированных продукционных комбикормах при хранении
- Эксергетический анализ процессов производства экструдированных комбикормов с вакуумным напылением
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с «Доктриной продовольственной безопасности Российской Федерации», утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 30 января 2010 г. № 120, удельный вес (пороговое значение) потребления отечественной рыбной продукции в общем объеме рыбных ресурсов (с учетом переходящих запасов) внутреннего рынка должен составлять не менее 80 %.
Отраслевая программа «Развитие товарной аквакультуры (товарного рыбоводства) в Российской Федерации на 2015-2020 годы» предусматривает увеличение к 2020 году производства товарной рыбы в 3,9 раза: с 40,1 тыс. т в 2015 году до 156,4 тыс. т.
Запланированное увеличение производства товарной рыбопродукции потребует пропорционального увеличения производства специализированных кормов для рыб, а именно: для достижения указанных целевых индикаторов отраслевой программы по этим объектам товарного рыбоводства потребуется 200,0 тыс. т специализированных кормов на ориентировочную сумму в 13,0 млрд р. При условии полного импортозамещения кормов для рыб объемы российского производства кормов необходимо увеличить в 13,3 раза.
Немногочисленные российские предприятия, вырабатывающие комбикорм для рыб (доля продукции отечественных предприятий на рынке комбикормов для лососевых, осетровых, сиговых и сомовых рыб по разным оценкам колеблется в пределах 5-10 %), используют импортные технологии, оснащены импортным технологическим оборудованием. В состав рецептов комбикормов для рыб включается преимущественно импортное сырье (рыбная мука, кровяная мука, соевый шрот и др.). Из-за высокой стоимости таких комбикормов значительно увеличивается стоимость и товарной рыбной продукции.
Значительный вклад в развитие теории и практики комбикормового производства и совершенствование процессов и аппаратов для него внесли: В. А. Афанасьев, Г А. Егоров, Н. П. Черняев, А.Н. Остриков, Л.И. Лыткина, Е. Н. Калошина, Е. М. Клычев, Л.
С. Кожарова, М.А. Щербина, В.Я. Скляров, Е.А. Гамыгин, ученые зарубежных фирм A-Kahl, Buhler, Muench, Sprout-Matador и др.
Научная работа проводилась в рамках: гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-2393.2013.4 на 2013-2014 гг. «Разработка энергосберегающей и экобиотехнологии получения биопрепаратов для предотвращения незаразных заболеваний сельскохозяйственных животных»; в соответствии с планом госбюджетной НИР кафедры технологии жиров, процессов и аппаратов химических и пищевых производств ФГБОУ ВО «ВГУИТ» «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 2016-2020 гг. (№ гос. регистрации 01.130.2.12440).
Цель и задачи диссертационной работы: научное обеспечение процессов получения продукционных экструдированных комбикормов для канального сома; установление на основе комплексного анализа основных кинетических закономерностей процессов экструдирования и вакуумного напыления совместно с их реологическими характеристиками; разработка рекомендаций по совершенствованию технологии производства продукционных эк-трудированных комбикормов для канального сома и разработка энергосберегающей технологической линии.
Для достижения поставленной цели решались следующие
основные задачи.
-
Проведение анализа традиционных технологий комбикормов для рыб и определение направления их дальнейшего совершенствования для создания ресурсосберегающих технологий продукционных комбикормов, обеспечивающих расширение ассортимента и повышение качества получаемой комбикормовой продукции.
-
Разработка статистической модели процесса экструзии продукционных комбикормов для канального сома.
-
Исследование зависимостей реологических свойств расплава кормовых смесей от их влажности и температуры, позволяющих оценить характер течения в экструдере и выявить их влияние на качество получаемого комбикорма.
-
Обоснование состава кормовых смесей для приготовления продукционных комбикормов для канального сома.
5. Анализ основных кинетических закономерностей про
цессов экструдирования и вакуумного напыления при производ
стве продукционных комбикормов для канального сома, разра
ботка на этой основе новых способов производства продукцион
ных комбикормов; выявление рациональной области изменения
режимных параметров, обеспечивающих получение комбикормов
высокого качества.
6. Комплексная оценка качества комбикормовой продукции
заданного гранулометрического состава по физико-химическим и
структурным показателям.
-
Разработка научно обоснованных рекомендаций по созданию ресурсосберегающих технологий и оборудования для получения продукционных экструдированных комбикормов для канального сома с повышенной обменной энергией с учетом их специфических свойств.
-
Проведение энергетической оценки термодинамической эффективности разработанной технологии продукционных комбикормов посредством эксергетического анализа.
-
Разработка технических условий и технологического регламента на полученные виды продукционных экструдированных комбикормов.
10. Проведение промышленной апробации полученных ре
зультатов с их технико-экономической оценкой для широкомас
штабного внедрения в комбикормовой промышленности.
Научная новизна.
Разработана статистическая модель процесса экструзии кормовой смеси, в которой в качестве критериев оптимизации использованы комплексный показатель качества, удельная производительность и коэффициент расширения экструдата.
С помощью метода дифференциально-термического анализа изучен характер связи влаги с исходным сырьем, что позволило определить рациональные температурные режимы процесса экстру-дирования.
Сформулирована и экспериментально подтверждена реологическая модель кормовых смесей при режимах, близких к горячей экструзии.
Изучено влияние кинетических закономерностей процесса экструди-рования кормовых смесей на физику исследуемого процесса, что позволило научно обосновать режимы экструзии.
Сформулирована и решена задача оптимизации технологии продукционных комбикормов для канального сома по минимальной величине суммарных теплоэнергетических затрат с учетом ограничений на показатели качества готовой продукции.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2614804, 2595152 и технологическим регламентом на производство продукционных комбикормов для канального сома.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основании проведенных исследований, обобщения и анализа разработан способ приготовления продукционных комбикормов для канального сома, направленный на интенсификацию процесса получения продукционных комбикормов для канального сома, рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией технологических процессов, обеспечивающих расширение ассортимента и повышение качества получаемых комбикормов.
Развиты положения по ресурсосбережению, которые реализованы в разработанной линии производства полнорационных экструдированных комбикормов (пат. РФ № 2614804).
Разработаны ТУ 9296-442-02068108-2017 «Комбикорма продукционные для канального сома», технологический регламент на производство продукционных экструдированных комбикормов для канального сома на ООО «Фабрика белковых кормов».
Положения, выносимые на защиту:
результаты экспериментальных исследований основных закономерностей процесса экструдирования кормовых смесей;
статистическая модель процесса экструзии кормовой смеси, в которой в качестве критериев оптимизации использованы комплексный показатель качества, удельная производительность и коэффициент расширения экструдата;
обоснование состава кормовой смеси для приготовления продукционных комбикормов для канального сома с оценкой качества получаемого продукта;
обоснование предлагаемого способа приготовления про-
дукционных комбикормов для канального сома; подходов по интенсификации процесса для повышения его эффективности.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (с 2014 по 2017); Иванове (2015); Курске (2015); Алматы (2015), Краснодаре (2016), Ставрополе (2016), Москве (2017).
Результаты работы демонстрировались на Международной выставке изобретений и инноваций (г. Воронеж, 2016-2017), XVI Всероссийском конгрессе нутрициологов и диетологов с международным участием, посвященного 100-летию со дня рождения основателя отечественной нутрициологии академика А.А. Покровского «Фундаментальные и прикладные аспекты нутрициологии и диетологии. Качество пищи» (г. Москва, 2016), выставке «АгроСезон - 2016» (г. Воронеж, 2016), III Всероссийском студенческом научно-техническом фестивале «ВУЗПРОМ-ФЕСТ-2016» (г. Москва, 2016), по итогам которых работа награждена дипломами.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 работы, в том числе 2 монографии, 1 учебное пособие, 2 статьи в журналах Scopus, 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ, 16 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 210 страницах машинописного текста, содержи 79 рисунков, 33 таблицы. Список литературы включает 229 наименования, в том числе 29 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 27 страницах.
Краткий обзор оборудования для производства комбикормов
Экструдер-гранулятор для производства рыбных кормов (рисунок 1.9), в зависимости от состава сырья плавающие, медленно тонущие и тонущие. В качестве сырья используется полнорационный состав.
После переработки корм сразу готов к использованию, при необходимости на поверхность гранул наносится рыбий жир или масло. Один аппарат включает в себя функцию экструдиро-вания и гранулирования. При производстве кормов в состав можно вводить до 30 % рыбной муки в качестве животного белкового наполнителя. Экструдер гранулятор можно использовать для производства корма для птицы и других животных, а также прикормок для рыболов.
Установки «КАHL» для производства рыбных кормов выполнены по самой современной технологии. Ее основной является система экструдирования с помощью экструдера типа OEE (рисунок 1.10) и система управления производством типа ESEP. В экструдере типа OEE происходит придача формы и регулировка плотности экструдата. Машина оборудована типичной для экструдера «КАHL» гидравлически регулируемой матрицей, которая позволяет запускать экструдер с открытой матрицей, что существенно упрощает критический старт и остановку процесса и сокращает расходы. За счет гидравлического выдвижения матрицы замену матрицы можно осуществлять в течение 10 мин. Это обеспечивает особый комфорт при производстве рыбных комбикормов, где производится экструдат различных диаметров. Одновременно быстрая смена матрицы обеспечивает высокую эксплутационную готовность установки при незначительных простоях.
Группа компаний "Ахтуба" предлагает экструдер Е-1500 и Е-250-60 (Bronto) (рисунок 1.11). Предназначен для производства экструдированных гранулированных полувлажных кормов для сельскохозяйственных и домашних животных, собак и кошек, хищников, птицы и рыбы, креветок и ракообразных.
Данные экструдеры позволяют получить высококачественный соевый тек-стурат (текстурированный протеин). Сырьем для производства корма может служить: мясокостная мука, кровяная мука, рыбокостная мука, мука креветки, дрожжи кормовые, шрот подсолнечника, шрот льна, люцерна, мука виноградной выжимки, мука арахиса, горох, кукуруза, пшеница, рис.
В процессе переработки сырь подвергается предварительной обработке паром, что повышает пластичность смеси, делает процесс экструзии более стабильным и менее энергозатратным. Конструкция экструдера позволяет получать экс-трудированные корма в виде кусочков различной формы (шарики, звездочки, колечки и т.д.).
У одношнековых экс трудеров есть как достоинства, и недостатки. Их проще изготавливать, они относительно дешевы, можно восстановить рабочий орган, но по некоторым параметрам сложны в эксплуатации.
Недостатки одношнековых экструдеров в том, что они плохо смешивают обрабатываемый продукт, отсутствует принудительное транспортирование и самоочистка (рисунок 1.12). В этих экструдерах чаще бывает подъем давления из-за скопления продукта; переход с одного сырья на другое затрудяется из-за необходимости очищать камеру и шнек, следовательно надо разбирать экструдер.
Более высокие расходы по эксплуатации одношнековых машин складываются из длительных простоев при чистке, больших трудозатрат и объема работ по обслуживанию.
Двухшнековые машины, при сложности конструкции (она потребляет больше энергии на 20...50 %, а стоимость их выше на 60 %), трудоемкости в использовании и значительном износе рабочих органов, обеспечивают более высокое качество продукции.
Производственный процесс упрощается тем, что применение двухшнекового экструдера не требует предварительной влаготепловой обработки продукта. Преимущество двухшнекового экструдера в точном объемном дозировании, лучшем перемешивании продукта, эффекте самоочистки, а также способности перерабатывать кормовые смеси с большим содержанием жира и сахара.
Показателем работы экструдера является его эффективность, определяемая отношением часовой производительности к единице потребляемой мощности. Зная ее и мощность привода можно рассчитать максимальную производительность или, наоборот, при заданной производительности – необходимую мощность.
Эффективность экструдера вычисляют для каждого нового перерабатываемого материала. Сопоставление эффективности различных машин при производстве одного и того же продукта позволяет выбрать оптимальную конструкцию экструдера. Однако процесс экструдирования является весьма энергоемким. Удельный расход энергии на его осуществление составляет 120-150 кВтч/т [5, 19, 23, 24, 64, 94, 108, 115, 116, 117, 118, 120, 122, 124, 126].
Вакуумные напылители фирмы Оттевангер используются для ввода высокого процента жидких компонентов на гранулу и/или экструдаты. Эти установки с порционным процессом используются на заводах по производству кормов для аквакультур, которые позволяют вводить пигменты и микроингредиенты, а также масло до 30 %; вакуумный процесс обеспечивает поглощение жидких компонентов самым центром гранул, а также низкое энергопотребление.
Каскадный напылитель жидкости на гранулы (рисунок 1.13) подходит для напыления на гранулы 1-3 % жира при производительности 10 – 40 т/ч; для установки между гранулятором и охладителем или прямо перед бестарной отгрузкой, а также для постгранульного нанесения.
Параллельный обогрев начинается при запуске кондиционера (±30 мин. до потока гранул), что позволяет снизить испарение пара; напыление жира начинается после сигнала акустического датчика и связано с пропускной способностью гранулятора.
Двухвальный смеситель Multimix (рисунок 1.14) для напыления гранул равномерно смешивает в течение короткого времени смешивания большой спектр промежуточного продукта с жидкостями и добавками перед отгрузкой или расфасовкой.
Характерная особенность двухвальных смесителей — короткое время смешивания рассыпных комбикормов (20–40 с), премиксов — столько же, но все зависит от вводимых компонентов. При работе лопастных валов создается псевдоожиженный слой, то есть щадящий режим, благодаря чему частицы продукта не разрушаются, экономится электроэнергия по сравнению с одновальными.
Принцип работы вакуумной системы пропитки фирмы Forberg (рисунок 1.15) состоит в том, что сначала на гранулированный комбикорм или крупку при постоянном перемешивании напыляется масло или другой жидкий компонент, после создания в оборудовании вакуума в него медленно подается воздух, и масло всасывается через капилляры вглубь гранулы либо покрывает ее, то есть происходит капсулирование.
Оптимизация процесса экструзии
Задачу оптимизации сформулировали так: найти такие режимы работы экс-трудера, которые бы в широком диапазоне изменения входных параметров продукта составляли минимум удельных энергозатрат, оптимальное давление в предматричной зоне и максимальный комплексный органолептический показатель качества. Общую математическую постановку задачи оптимизации представили в виде модели [151, 152, 172]
Предположим, что вычисленные уравнения регрессии (2.11) - (2.13) описывают некоторые поверхности в многомерном пространстве. По коэффициентам канонической формы возможно установить, к какому виду тел можно отнести эти поверхности.
Найдем из системы уравнений, которые получили в ходе дифференцирования уравнений регрессии (2.11) - (2.13) по х1}х2,х з,х4,х5 , координаты центра xis и приравняем производные к нулю. Имея координаты центра xis из уравнений (2.11) - (2.13), определим соответствующие им значения параметров оптимизации (таблица 2.14).
Чтобы найти канонические коэффициенты Д по уравнениям (2.11)-(2.13), составили характеристический полином, приравненный к нулю После подстановки значений коэффициентов уравнений регрессии (2.11) -(2.13) в матрицу (2.15) и решения нелинейных уравнений V степени, получили канонические коэффициенты. Анализируя полученные канонические уравнения установили, что исследуемые тела в 5-мерном пространстве относятся к типу «минимакса»: при движении в направлении осей, у которых xi положительны, от центра оптимизации значения выходных параметров возрастают, а в направлении осей, для которых xi отрицательны, снижаются из-за противоположных знаков коэффициентов канонических уравнений поверхности отклика представляют собой одно- или двухполосный гиперболоид [217].
На рисунках 2.18 – 2.23 даны кривые равных значений выходных параметров, несущие смысл номограмм и представляющие практический интерес.
Чтобы определить оптимальные режимы применяют метод ридж-анализ, базирующийся на методе неопределенных множителей Лагранжа [58, 63]. Чтобы выбрать оптимальный режим по уравнениям регрессии (2.11) - (2.13), составили такую систему уравнений
Задаваясь значениями X из интервалов (2.18) - (2.20), по уравнениям (2.18), вычислели оптимальные режимы процесса экструзии для удельных энергозатрат, давления в предматричной зоне, комплексного органолептического показателя качества.
В таблице 2.15 результаты расчетов интервалов изменения удельных энергозатрат.
Как говорилось выше, выбирая оптимальные значения удельных энергозатрат, нужно основываться на минимально допустимых значениях при ограничениях на независимые переменные согласно (2.15). Для такого режима Я = -2,000, т.е. xj= -0,014; х2 = 0,003; х3 = -0,003; х4 = 0,002; х5 = 0,017, или, переходя от кодированных значений xt к натуральным, начальная влажность продукта Xj = 15,97 %; частота вращения шнека х2 = 8 с"1; конструктивный параметр х3 = 0,859; коэффициент живого сечения матрицы х4 = 0,050; длина канала матрицы х5 = 0,101.
Тогда удельные энергозатраты имеют значения у\= 0,151 кДж/кг.
В интервале изменения X є [-2,0…-0,2] значения параметров хj лежат в интервалах: х! = 15,74...15,97 %; х2 =8,00...8,03 с"1; х3 = 0,850...0,859 ; х4 = 0,05; х5 = 0,099...0,102. При этих значениях параметров удельные энергозатраты лежат в диапазоне = 0,151...0,169 кДж/кг. Следует принять за оптимальные отмеченные интервалы изменения независимых переменных для параметра оптимизации .
В таблице 2.16 даны результаты расчетов интервалов изменения давления в предматричной зоне. Выше уже отмечалось, что выбирая оптимальные параметры давления в предматричной зоне, нужно основываться на оптимальном давлении для данного процесса. Такими значениями в данном случае являются X = -0,380, т.е. X! = -0,024; х2 = 0,662; х3 = 0,627; х4 =- 0,396; х5 = -0,268, или, переходя от кодированных значений ХІ к натуральным, имеем Х] = 16,05 %; х2 = 8,66 с"1; х3 = 0,866; х4 = 0,040; х5 = 0,087. В данном случае давление в предматричной зоне равнялось у 2 = 2,586.
В интервале изменения X є [-0,80…0,26] значения независимых переменных xf лежали в таких диапазонах: JC7 = 15,82... 16.81 %; х2 = 8,23...9,20 с"1; х3 = 0,863...0,869; х4 = 0,040...0,045; х5 = 0,083...0,091. При данных значениях параметров фактическое количество экструдата составляло у2= 2,280...2,595. Следует при знать оптимальными отмеченные интервалы изменения независимых переменных для параметра оптимизации у2.
В таблице 2.17 даны результаты расчетов интервалов изменения комплексного органолептического показателя качества.
Мы уже отмечали, что выбирая оптимальные параметры комплексного органолептического показателя качества, нужно основываться на их максимально допустимых значениях. Такими значениями здесь являются X = -0,800, т.е. X! = -0,021; х2 = -0,019; х3 = 0,645; х4 = -0,076; х5 = -0,025, или, переходя от кодированных значений xt к натуральным, имеем Xj = 15,96 %; х2 = 7,98 с"1; х3 =0,866; х4 = 0,040; х5 = 0,099. Здесь комплексный органолептический показатель качества уз =8,927. В интервале изменения X є [-8,0…-0,8] значения независимых переменных х лежали в следующих диапазонах: Xj = 15,63... 16,08 %; х2 = 7,98...8,49 с" \ х3 = 0,860...0,866; х4 = 0,040...0,050; х5 = 0,099...0,102.
Комплексный органолептический показатель при таких значениях параметров качества составлял уз= 8,808...8,927. Следует признать оптимальными отмеченные интервалы изменения независимых переменных для параметра оптимизации уз. Для всех исследуемых выходных факторов в таблице 2.18 сведены выбранные оптимальные интервалы изменения параметров xi.
По критерию оптимизации (2.18) чтобы принять окончательное решение по выбору оптимальных режимов исследуемого процесса, нужно решение компромиссной задачи. Поэтому наложим оптимальные, выделенные в таблице 2.18, интервалы параметров xt друг на друга.
Таким интервалом для параметра Xj (начальная влажность продукта) оказался 15,52...15,73 %.
Между остальными независимыми переменными: х2 - частотой вращения шнека, х3 - конструктивным параметром, х4 - коэффициентом живого сечения матрицы, х5 -длиной канала матрицы идет конфликт между собой относительно критериев оптимизации.
Отличия выделенного для критериев уь у2 и у3 интервала изменения х2 от указанного в таблицах 2.6; 2.7; 2.8 малы. Поэтому для параметра х2 (частота вращения шнека) можно принять х5= 7,50...8,00 с"1.
Отличия выделенного для критериев уь у2 и уз интервала изменения х4 от указанного в табл. 2.16; 2.17; 21.8 малы. Поэтому для параметра х4 (коэффициент живого сечения матрицы) можно принять х4= 0,044...0,055.
У параметра х3 относительно критериев оптимизации у і (удельные энергозатраты) и уз (комплексный органолептический показатель качества) есть оптимальный интервал 0,862…0,870 Мпа. Но он вступает в конфликт по критерию оптимизации у (давление в предматричной зоне). У параметра х5 относительно критериев оптимизации y2 (давление в пред-матричной зоне) и у3 (комплексный органолептический показатель качества) есть оптимальный интервал 0,011…0,018. Он вступает в конфликт по критерию оптимизации у1 (удельные энергозатраты) (рисунки 2.24, 2.25).
Сохранность витаминов в экструдированных продукционных комбикормах при хранении
Как сохраняется витаминная активность в экструдированном продукционном комбикорме проверяли на витаминах А, Е, С, В1 и В2 (таблица 4.7). Окислительные-восстановительные процессы в липидной фракции протекали с уменьшением активности витаминов А, Е, и С. Потери этих витаминов возрастали с увеличением температуры и сроков хранения. Потери ретинола после 2-месячного хранения при температуре 0; 15; 30 C были соответственно 20,9; 23,5 и 28,8 % , а после 4-месячного хранения - 21,3; 37,2 и 42,9 %.
Витамины А и Е имели тенденцию к улучшению сохранности активности при повышении влажности комбикорма. В опытных условиях хранения № 2, 4, 5, 6 (при 15 C) самая низкая сохранность витаминов А и Е была при W=50 %, здесь была усушка комбикорма. В условиях хранения № 2 и 5, где комбикорм был увлажнен до 9,5 и 9,9 % соответственно, сохранность витаминов А и Е увеличилась. При W=90 % жирорастворимые витамины сохранялись хуже, чем при W=75 %, это могло влиять на активность микрофлоры.
Витамин Е при всех условиях хранения по сравнению с А оказался более стабилен. За 4 месяца хранения при 15 и 30 C его потери составили соответственно 12,18-20,8 и 30 %. Витамин С оказался самым нестабильным в составе экструдированного продукционного комбикорма. При 15 и 30 C за 2 месяца хранения потери витамина составили соответственно 22,3; 46,5 и 56,2 %, а за 4 месяца 26,8; 54,4 и 67,2 [60, 150, 222].
Что касается витаминов В1 и В2, не было корреляции между условиями хра нения и сохранностью их активности. За 2 месяца хранения в образцах экструди 123 рованного комбикорма потери витамина В1 не превышали 12 %, за 4 месяца – 19 %. Препарат рибофлавина использованный в опыте оказался стабильнее препарата тиамина. Увеличивались потери витамина В2 так: после двух месяцев -0,9-3 %, после четырех месяцев – 5,4 – 10,4 %.
Достоверное изменение содержания сырого протеина в сухом веществе экс-трудированного продукционного комбикорма в процессе хранения не отмечалось. Содержание протеина (исходное 39,2 %) во время опыта колебалось от 38,3 до 39,6 %.
Определяя срок хранения экструдированных продукционных комбикормов необходимо учитывать преимущественное использование и условия хранения при t 15 C. Поэтому сроки хранения экструдированных комбикормов для канального сома ограничивают 1 месяцем, чтобы исключить возможность сильного ухудшения качества.
Чтобы определить обменную энергию полученного экструдата исследовали содержание в нем основных характеристик качества, в виде графической зависимости, которая позволяет судить о преимуществах предлагаемых комбикормов.
С помощью программы «КормОптима» рассчитали питательность каждого из компонентов составленных кормовых смесей (рисунки 4.6-4.7) [97, 98 ].
Проанализировав питательность каждого из компонентов, можно говорить о возможной замене дорогостоящего животного сырья на более экономичное растительное и жировые отходы. Снижается обменная энергия не значительно, поэтому можно сказать о достаточно высоких питательных свойствах предлагаемого комбикорма.
Определили отдельные характеристики, которые влияют на эффективность скармливания предлагаемого комбикорма (рисунки 4.8-4.11).
Частота вращения шнека экструдера существенный элемент, который влияет на плотность комбикорма (рисунок 4.8).
Чтобы было высокое усвоения комбикорма, а также декстринизация крахмала преимущественным является тонкий помол кормовой смеси (рисунок 4.9).
В виду того, что сомовые поедают преимущественно корм, находящийся в толще воды, т.е. он должен быть медленно тонущим, целесообразно определить скорость погружения гранул на дно водоема. Плотность, или удельный вес гранул комбикорма влияет на комбикорма в воде. У плавающих гранул удельный вес 900-1000 г/дм, у тонущих – 1000-1200 г/дм. Плотность определяют в г/л, что показывает плавает комбикорм или тонет. Это значение зависит от размера гранул, пористости и воздушных включений. Отметим, что удельный вес приблизительно в 2 раза выше, чем плотность. Сравнив разные способы изготовления комбикорма установили, что экструдированный комбикорм с вакуумным напылением в 2 раза медленнее опускается на дно в сравнении с гранулированным (рисунок 4.10).
Экструдированные продукционные комбикорма с вакуумным напылением более водостойки и полностью сохраняют свою форму и структуру, когда находятся в воде в течение суток, а гранулированные комбикорма теряют свою водостойкость уже через 4 часа. Потери питательности веществ в экструдированных продукционных комбикормах уменьшаются за счет возможности нанесения жидких жировых компонентов до 20 %.
Была исследована зависимость плотности от количества вводимых в комбикорм жидких жировых отходов.
Изменения плотности идет (см рисунок 4.11) за счет скользящего действия, которое оказывают жидкие жировые отходы, они тормозят декстринизацию крахмала. Жировые отходы, которые наносят на готовые экструдаты, на плотность практически не влияют, так как продукт уже сформован.
Эксергетический анализ процессов производства экструдированных комбикормов с вакуумным напылением
Условия для научного подхода к инновационному развитию технологических процессов подготовили достижения теории, техники и технологии кормопроизводства, которые обеспечивают наименьшие затраты энергетических ресурсов при высокой однородности получаемых кормовых смесей [7, 32, 220]. Системные исследования, которые направлены на изучение принципиальных вопросов организации теплотехнологических процессов предшествовали разработке предложений по экономии энергии и повышению качества продукции [32, 195]. Эксергетический анализ, учитывающий на основе 2-ого закона термодинамики степень использования различных видов энергии, которая затрачивается в технологических процессах, на основе свойств сырья, осуществленной над системой работы и суммарного количества всех видов энергии, привлеченных извне, является важнейшим инструментом оценки термодинамической эффективности технологической системы [16].
Вспомогательным тепловым процессам в технологии экструдированных комбикормов отведена важная роль в энергетических превращениях. С их помощью определяется термодинамическое совершенство системы, которые характеризуются эксергетическим КПД т]экс. Степень эффективности тепломассообменных процессов можно оценить анализируя рассматриваемые материальные потоки с помощью эксергии на основе 2-го закона термодинамики.
Выполняли по методике [16, 26] эксергетический анализ, в соответствии с которой теплотехнологическая система производства полнорационных комбикормов с вакуумным финишным покрытием жировых отходов (рисунки 5.9-5.10) условно отделена от окружающей среды замкнутой контрольной поверхностью. Внутри системы, учитывая протекающие теплообменные процессы выделили следующие контрольные поверхности: I - дробилку + просеивающую машину; II - лопастной смеситель; III -экструдер; IV - аппарат для вакуумного напыления; V - устройство для подогрева и дозирования жирового компонента; VI - пароперегреватель; VII - воздухоподводящий вентилятор. При этом традиционная линия экструдирования (рисунок 5.9, а) включает в себя контрольные поверхности I - IV, линию экструдирования с вакуумным напылением (рисунок 5.10, а) - поверхности I - VI.
Эксергия в каждой контрольной поверхности технологической системы, которую мы изучаем и которая состоит из классических необратимых процессов, с течением времени уменьшается, что связано с диссипацией энергии В уравнениях (5.2 - 5.4) отражено изменение эксергии системы для схем традиционной, № 1 и № 2 за счет ввода рассыпного комбикорма, жировых компонентов, подвода электроэнергии к ТЭНам пароперегревателя, который охлаждает воздух; покрытия потерь, которые возникают из-за необратимости процессов тепловой обработки комбикорма и жировых компонентов; изменения их теплофизических свойств; компенсации потерь, которые обусловлены действием окружающей среды.
Эксергия внешних материальных потоков, которая вводится в систему, рассыпное зерновое сырье Ен, жировые компоненты Е2 н и атмосферный воздух Е 3 , находящиеся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, равна нулю, поэтому исключается из баланса.
Химическая эксергия продукта постоянна в процессе нагрева комбикорма в смесителе и экструдере, потому что нет изменения состава получаемой смеси. В связи с этим учитываем только удельную термическую эксергию комбикорма, которая определяется на основании уравнения Гюи-Стодолы
Достижение приращения полезной эксергии экструдированного комбикорма идет за счет нагрева комбикорма паром в смесителе (схемы № 1 и № 2), в экструдере - за счет трения и жировых отходов. Увеличивается полезная эксергия при смешивании рассыпного комбикорма с жировыми добаваками, в основном, за счет эксергии конденсации пара [16]
Суммарное количество внутренних эксергетических потерь складывается из потерь от конечной разности температур в результате рекуперативного теплообмена между рассыпным комбикормом и паром в смесителе, электромеханических и гидравлических потерь, обусловленных внезапным увеличением удельного объема пара и охлаждающего воздуха при поступлении из трубопровода в оборудование.
Находили потери, обусловленные конечной разностью температур между потоками, по формуле
Внутренние потери эксергии при механической обработке комбикорма рабочими органами машин и аппаратов Dэм (дробилкой, просеивателем, смесителем, экструдером, аппаратом для вакуумного напыления) связаны с необратимостью изменения механической энергии, из-за изменения структуры частиц комбикорма. Электромеханические потери эксергии равны мощности приводов оборудования. Внешние потери De зависят от с условий сопряжения системы с окружающей средой. Эти потери происходят из-за отличия температуры теплоносителей от температуры окружающей среды, несовершенства тепловой изоляции оборудования, выброса потока отработанного воздуха в атмосферу, эксергия которого соответствует внешним потерям Dеов. В сумму внешних эксергетических потерь входит эксергия выбрасываемого в атмосферу отработанного охлаждающего воздуха, который получают приращение эксергии за счет теплообмена с экструдированным комбикормом в аппарате для вакуумного напыления.
Потери эксергии в окружающую среду, из-за несовершенства теплоизоляции нашли по формуле
Из проведенного эксергетического анализа видно, что линия № 2 при равном КПД с традиционной технологией имеет более высокое качество комбикорма, из-за интенсификации технологических параметров процесса.
Применяя предлагаемые комбинированные энергетические системы в сочетании с основной технологией комбикормов, можно позволяет оптимизировать параметры смежных подсистем технологии, обеспечить повышение технико-экономических показателей и создать реальные перспективы в экономии ресурсов и улучшении качества готовой продукции.