Введение к работе
Актуальность работы. Масложировая отрасль в агропромышленном комплексе России занимает ведущее место. Предприятия отрасли, перерабатывающие семена масличных культур, производят растительное масло и жировые продукты пищевого, технического и кормового назначения, в том числе и стратегического, в связи с этим состояние масложировой отрасли определяет развитие целого ряда отраслей АПК. В настоящее время перед масложировой промышленностью стоят новые задачи, которые связаны не только с количественным наращиванием объемов производства, но и требующие принципиально новых подходов и решений как в создании инновационных технологий и оборудования, так и с выпуском продуктов питания функционального назначения. Актуален и выбор наиболее перспективных масличных культур для производства продуктов этой группы, отличающихся улучшенным или сбалансированным жирнокислотным составом, с повышенным содержанием жирорастворимых веществ, низкой окисленностью, обеспечивающих здоровье человека.
Сфера переработки семян масличных культур в процессе производства растительных масел является наиболее развитой из всего агропромышленного комплекса.
Производство растительных масел в РФ выросло на 14, 1 % (или 268,1 тыс. т) за 2015 год. В течение последних трех лет посевные площади, урожайность и валовые сборы масличных культур сохраняются на достаточно высоком уровне. Объемы поставок растительного масла за рубеж превысили 1,17 млн. т., что на 57,1 % больше, чем за 2014 г.
Теоретические и практические основы переработки масличных культур и их аппаратурное оформление отражены в работах А. Н. Лисицына, Н. С. Арутюняна, В. В. Белобородова, В.Н. Григорьевой, А. М. Голдовского, А.А. Схаляхова, К.К. Полянского, В. В. Деревенко, В.Е. Панкиной, А. И. Скипина, А. П. Нечаева, В. А. Масликова, Г. В. Зарем-бо-Рацевича, В. П. Кичигина, Е. П. Кошевого, Ю .П. Кудрина, Е. П. Кор-неной, 3 .А. Меретукова, В. С. Морозова, Г. Е. Мельник, В. X. Паронян, В.Г. Щербакова, О.Б. Рудакова, V. S. Vadke, R. Т. Anderson, С. A. Shook, Н. G. Schwartzberg, М. Т. Shirato, F. W. Sosulski, G. С. Mrema и других.
Основными технологическими стадиями производства растительных масел являются сушка или влаготепловая обработка и прессование семян масличных культур.
В настоящее время специалистами отрасли предпринимаются попытки экструзионной обработки масличных культур, которые требуют своего научного обоснования.
Многостаднйность современных технологических процессов накладывает строгие требования, предъявляемые к качеству получаемого продукта, четкому согласованию производительности различного оборудования технологического потока при комплексной переработке семян масличных культур.
Однако недостаточная изученность этих процессов, неоправданное опасение за сохранность пищевой ценности и вкусовых качеств готовой продукции препятствуют разработке общей методики расчета взаимосвязанных процессов, затрудняют выбор оптимальных режимов обработки и сдерживают внедрение этих процессов в производство.
Научная работа проводилась в рамках: гос. контракта № П459 «Разработка ресурсосберегающих технологий комплексной переработки сельскохозяйственного сырья» на 2010 г.; гос. контракта № 14.740.11.0980 «Разработка энергосберегающих технологий и оборудования для их реализации на основе новых теоретических и экспериментальных данных в гидродинамике, кинетике и тепломассобмене» на 2011 г.; гос. контракта № П1489 «Разработка ресурсосберегающих технологий и оборудования для получения функциональных биологически полноценных и экологически чистых комбикормов для различных групп животных на основе новых теоретических и экспериментальных данных по гидродинамике, кинетике и тепломассообмену с использованием основных принципов энергосбережения» на 2009-2011 гг.; гос. контракта № 14.В37.21.2098 «Мониторинг и прогнозирование состояния окружающей среды в местах переработки сельскохозяйственного сырья, предотвращение и ликвидация ее загрязнения за счет комплексной переработки отходов промышленного производства» на 2012 г.; ФЦП № 14.577.21.0046 «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы» на тему «Создание и трансфер зеленых технологий глубокой переработки зернового и масличного сырья с целью снижения потерь от социально значимых заболеваний»; гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых для докторов наук МД-1246.2014.4 на 2014-2015 гг. «Формирование научных основ энергоэффективных и экологически безопасных технологий производства биотоплива»; 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 2011-2015 гг. (№ гос. регистрации 01.130.2.12440).
Цель диссертационной работы. Разработка научно-практических основ инновационного развития технологии комплексной переработки семян масличных культур и совершенствование технологических процессов, обеспечивающих повышение технического и технологического уровня производства растительных масел; разработка рекомендаций по проектированию и внедрению в производство высокоэффективных аппаратов для реализации предлагаемых технологий, которые обеспечат минимизацию удельных теплоэнергетических потерь и повышение качества готовой продукции.
Для достижения цели решались следующие основные задачи.
-
Разработка научной концепции моделирования высокоэффективных технологий комплексной переработки семян масличных культур как системы взаимосвязанных процессов с соответствующим аппаратурным оформлением и создание математических моделей тепло- и массообмена нестационарных процессов сушки, экструзии и прессования.
-
Разработка на основании системного подхода рекомендаций по обеспечению совершенствования процессов комплексной переработки семян масличных культур с учетом их специфических свойств.
-
Исследование структурно-механических, теплофизических, реологических и химических свойств семян масличных культур; определение рациональных технологических режимов процессов сушки, экструзии, прессования в области допустимых технологических свойств получаемых растительных масел.
-
Изучение основных кинетических и гидродинамических закономерностей процессов сушки, экструзии и прессования масличного сырья (влияние начальной влажности, температуры, давления и др. на характер протекания исследуемого процесса и качество полученных растительных масел) в широком диапазоне изменения режимных параметров.
-
Разработка научно-практических подходов к энергосбережению в процессах сушки, экструзии и прессования семян масличных культур с возможностью поиска наилучшего компромисса между качеством готового продукта, производительностью и удельными энергетическими затратами.
-
Разработка новых конструктивных решений оборудования, повышающего эффективность технологических процессов комплексной переработки семян масличных культур.
-
Разработка ресурсосберегающей технологии комплексной переработкой семян масличных культур однократным прессованием с предварительной экструзионной обработкой.
-
Комплексный анализ показателей качества растительных масел и оптимизационные возможности предлагаемых технологий по рациональному использованию энергетических ресурсов.
-
Выполнение эксергетического анализа и проведение промышленной апробации предлагаемых технических решений с их технико-экономической оценкой для широкомасштабного внедрения в производство.
10. Разработка нормативно-технической документации.
Научная концепция.
Разработка и научное обеспечение подходов и методов ресурсосбережения в процессах комплексной переработки семян масличных культур; создание высокоэффективных, экологически безопасных способов переработки семян масличных культур с соответствующим аппаратурным оформлением на основе анализа гидродинамических и кинетических закономерностей, а также математического моделирования, обеспечивающих экономию материальных и энергетических ресурсов, высокое качество готового продукта.
Научные положения, выносимые на защиту:
концептуальный подход к созданию ресурсосберегающих способов производства растительных масел с высоким качеством готовой продукции и рациональным использованием материальных и энергетических ресурсов;
результаты экспериментальных исследований основных кинетических, гидродинамических закономерностей и рациональные технологические параметры процессов сушки, экструзии, прессования семян масличных культур;
результаты моделирования исследуемых процессов и их использование при проектировании конструкций оборудования сушилок, экструдеров и маслопрессов;
- ресурсосберегающая технология комплексной переработки се
мян масличных культур при получении растительных масел функцио
нального назначения с оценкой их качества.
Научная новизна. Разработаны концептуальные принципы создания ресурсосберегающих технологий переработки семян масличных культур, направленные на интенсификацию процесса получения готового продукта, рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций оборудования, обеспечивающих расширение
ассортимента и повышение качества получаемых растительных масел.
Установлены основные кинетические и гидродинамические закономерности процессов сушки, экструзии и прессования семян масличных культур.
Методом дифференциально-термического анализа определены формы связи влаги с обрабатываемым материалом н условия терморазложения компонентов масличных культур, что позволило выявить допустимый диапазон температур нагрева продукта и обосновать выбор оптимальной температуры.
Разработаны математические модели:
- процесса сушки семян масличных культур в осциллирующих
режимах на основе дифференциального уравнения теплового баланса,
косину со идального закона изменения температуры продукта по време
ни при ограничениях на температуру и скорость сушильного агента,
обусловленных качеством высушиваемого продукта и экономической
целесообразностью процесса;
течения расплава биополимера в матрице экструдера с определением скоростей и давлений экструдата по длине формующей части;
процесса прессования масличного сырья на одношнековом мас-лопрессе, позволяющая рассчитать основные конструктивные параметры маслопресса для извлечения масла из семян масличных культур.
Методом эксергетического анализа термодинамичеких процессов показано энергетическое совершенство предлагаемых взаимосвязанных процессов комплексной переработки семян масличных культур.
Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 16 патентами РФ и 1 свидетельством РОСПАТЕНТА о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования, а также анализ работы энергоэффективного оборудования позволили разработать методологические подходы к созданию высокоэффективных способов сушки (пат. РФ № 2416919, 2511293, 2523518, 2544377), ресурсосберегающих технологий и способов получения растительных масел с соответствующим аппаратурным оформлением (пат. РФ № 2560191, 2558448, 2565023), а также технологических линий и способов по производству кормов и биопрепаратов на основе отходов масложировой промышленности (пат. РФ № 2451600, 2544377, 2558446, 2422037, 2447672, 2471361, 2491833, 2494640). Расширены возможности теплонасосных технологий в производстве растительных масел (пат. РФ № 2410884, 2416919, 2425304). Разработана программа для ЭВМ (свид. Роспатента
о гос. регистрации № 2010614813).
Определены и обоснованы рациональные технологические режимы переработки семян масличных культур и производства растительных масел на основе сформулированных принципов ресурсосбережения, обеспечивающие сокращение продолжительности процесса, снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.
Предложены рациональные параметры процесса сушки семян масличных культур: расход сушильного агента - 45...55 м /ч; высота слоя семян - 0,1...0,2 м; влагосодержание сушильного агента — 3,0...5,5 г/кг; продолжительность циклов нагрева 9... 12 мин, циклов охлаждения — 5... 10 мин; температура сушильного агента в циклах нагрева до 363 К; температура сушильного агента в циклах охлаждения до 287 К, скорость сушильного агента в циклах нафева 0,8...1,2 м/с и 0,4...0,8 м/с в циклах охлаждения.
Определены рациональные режимы процесса экструдирования масличного сырья: начальная влажность сырья - 12...14 %, температура продукта в предматричной зоне - 383...393 К, угловая скорость вращения шнека - 5,12...8,50 с'1; давление продукта в предматричной зоне зкструдера до 4 МГТа.
Установлены рациональные параметры процесса прессования в одношнековом маслопрессе: кольцевой зазор зеерной камеры для семян: льна - 0,6...1,0 мм; рапса 0,4...0,7 мм; рыжика 0,5...0,8 мм; сафлора 0,9...1,3 мм; оптимальная частота вращения шнека 5...7 с'1, при этом температура масла в зеерной камере составляет 323...331 К.
Получены смеси растительных масел функционального назначения с оптимальным соотношением полиненасыщенных жирных кислот, которые являются незаменимыми в питании человека. Проведено комплексное исследование показателей качества предложенных смесей растительных масел функционального назначения.
Проведен эксергетический анализ технологических систем, который показал, что эксергетический КПД предлагаемых технологических решений при комплексной переработке семян масличных культур на 5... 12 % выше, чем у традиционных технологий.
Разработаны оригинальные конструкции маслопресса для высоко- и низкомасличных культур, экструдер-маслоотделитель и сушилка.
Проданы лицензии (договоры № РД0096634 от 26.03.2012 г., № РД0121869 от 05.04.2013 г. и № РД0171728от 20.04.2015 г.) на право использования интеллектуальной собственности предприятиями ООО «Агромаш», ООО «ПТИЭПБС» и ООО «СуперАгро» по патентам на изобретения РФ № 2416919, № 2425304, № 2511293.
Достоверность научных разработок подтверждена результатами экспериментальных исследований в производственных условиях: проведены промышленные испытания способов производства смесей растительных масел в ООО «Занрак» (Белгородская обл., с. Репенка), производственные испытания способа осциллирующей сушки семян масличных культур с циклическим вводом антиоксиданта по патенту РФ № 2511293 в ООО «Супер Агро» (Московская обл., г. Москва), а также актом внедрения способа сушки семян рапса по патенту РФ № 2416919 в ООО «Волгоградский комбикормовый завод» (г. Волгоград), создан опытный образец маслопресса, прошедший заводские производственно-технологические испытания в ООО НПП «Ресурс-Т», чтоподтверждено соответсвующими актами.
Разработаны: технологический регламент на производство смесей растительных масел по схеме однократного прессования (ООО «Занрак»), технологический регламент на производство псевдокапсулиро-ванных биопрепаратов на основе отходов масложировой промышленности (ОАО «ВНИИКП»), ТУ 929600-244-02068108-2014 «Биопрепарат на основе отходов масложировой промышленности для крупного рогатого скота».
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам «Энергосберегающее оборудование масложировых предприятий» и «Энергоресурсосберегающие технологии переработки масличного и эфиромасличного сырья».
Апробация работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Киев, 2005); (Казань, 2006, 2007, 2013); (Саратов, 2007); (Мичуринск, 2007); (Могилев, 2007, 2008); (Одесса, 2008, 2010); (Челябинск, 2009); (Махачкала, 2010); (Воронеж, 2006, 2008 - 2015); (Новочеркасск, 2005, 2010, 2011); (Москва, 2006, 2010, 2011, 2013, 2014); (Краснодар, 2012, 2015); (Пермь, 2013); (Алматы, 2014); (Australia, 2014); (Italy, 2014); (Тамбов, 2013, 2015); (Иваново, 2014, 2015) и на отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воронеж, 2005, 2007 - 2015).
Результаты работы демонстрировались на региональных, межрегиональных, всероссийских выставках: «Продторг» (г. Воронеж, 2008); «Воронежский агропромышленный форум» (Воронеж, 2009); «Воронежский агропром - 2010» (Воронеж, 2010 г.); «ВоронежАгро» (Воронеж, 2011, 2013, 2014); «АгроСезон» (Воронеж, 2014-2015); «Инновационные технологии в производстве кондитерских, хлебобулочных, мака-
ронных изделий и зернопродуктов» (Воронеж, 2014); «Пищевая Индустрия» (Воронеж, 2014); на конкурсах: «Золотой лев», 2010, 2012; «Эврика 2010, 2011»; «Инженерные технологии XXI», 2011; «Лучшая инновационная идея», 2012; «Инженерное искусство молодых», 2013; «Лучший молодой преподаватель 2013», 2013; «Пищевая Индустрия», 2014; «Лучший молодой ученый 2013, 2014 года»; «BIOATLAS 2014»; «Лучшая научная статья-2014, 2015»; конкурс работников образовательной сферы «Хрустальная сова», 2014; «Лучший молодой ученый Евразии», 2014; «Лучший изобретатель и лучшее изобретение», 2015, по итогам которых работа награждена дипломами и медалями.
По результатам работы получены премия ведомственной целевой программы «Талантливая молодежь Воронежской области 2011-2013» (приказ департамента образования, науки и молодежной политики № 873 от 07.09.2012); премия Правительства Воронежской области за лучшую научную разработку (Постановление правительства Воронежской области от 18.12.2013 № 1108); ведомственный знак «Педагог-наставник лауреата премии по поддержке талантливой молодежи» (Приказ департамента образования, науки и молодежной политики №369 от 22.12.2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 100 работ, в том числе 3 монографии, 4 учебных пособия, 22 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 16 патентов РФ и 1 свидетельство Роспатента о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 370 страницах машинописного текста, содержит 164 рисунка и 44 таблицы. Список литературы включает 318 наименование, в том числе 53 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 120 страницах.