Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы, цели и задачи исследований 12
1.1 Состояние и перспективы технологического развития отрасли животноводства крупного рогатого скота (КРС) 12
1.2 Основные методы использования навоза КРС 20
1.3 Экологические аспекты утилизации навоза КРС 23
1.4 Анализ технологий переработки навоза КРС 26
1.4.1 Технология длительного выдерживания 26
1.4.2 Технология анаэробного сбраживания 29
1.4.3 Технология пассивного буртового компостирования 31
1.4.4 Технология активного буртового компостирования 33
1.4.5 Технология аэробной ферментации в установках камерного типа 35
1.4.6 Технология аэробной ферментации в установках барабанного типа 39
1.4.7 Технология термической сушки 42
1.4.8 Сравнительный анализ технологий переработки навоза 44
1.5 Анализ применяемых биоферментационных установок 46
1.6 Краткие выводы и задачи исследования 48
2 Теоретические предпосылки к моделированию аэробной ферментации навоза КРС в установке барабанного типа 50
2.1 Влияние физико-химических характеристик исходного продукта на процесс ферментации 50
2.2 Влияние режимов функционирования установки на процесс ферментации 55
2.3 Теоретические исследования по разработке математической модели биоферментации в установках закрытого типа 57
2.4 Построение математической модели технологического процесса биоферментации в установках закрытого типа 66
3 Программа и методика экспериментальных исследований процесса биоферментации навоза КРС в установке барабанного типа 71
3.1 Программа экспериментальных исследований 71
3.2 Описание лабораторной установки 72
3.3 Методика планирования эксперимента 77
3.4 Приборы и оборудование, используемые при исследованиях 79
3.5 Методика исследования режимов работы биоферментационной установки при переработке навоза КРС 80
3.6 Методы обработки экспериментальных данных 90
4 Результаты экспериментальных исследований 96
4.1 Исследование температурного режима при биоферментации навоза КРС в установке барабанного типа 97
4.2 Исследование микробиологической и паразитной чистоты конечного продукта 102
4.3 Математическая модель процесса биоферментации навоза КРС в установке барабанного типа 106
4.4 Оптимальные параметры и режимы работы биоферментационной установки барабанного типа 109
5 Эколого-экономическая эффективность использования технологии переработки навоза КРС в биоферментационных установках 112
Заключение 122
Литература 125
Приложение А Протокол лабораторных испытаний ИАЭП физико химического состава твердой фракции навоза КРС 139
Приложение Б Протокол лабораторных испытаний Ленинградской МВЛ микробиологической и паразитной чистоты твердой фракции навоза КРС 144
Приложение В Акт внедрения результатов работы в производство 149
Приложение Г Справка об использовании результатов работы при формировании справочника НДТ 150
Приложение Д Схема транспортировки и утилизации навоза для рассматриваемого предприятия 151
Приложение Е Патенты, полученные в ходе выполнения работы 152
Приложение Ж Дипломы и грамоты 156
- Состояние и перспективы технологического развития отрасли животноводства крупного рогатого скота (КРС)
- Теоретические исследования по разработке математической модели биоферментации в установках закрытого типа
- Методы обработки экспериментальных данных
- Оптимальные параметры и режимы работы биоферментационной установки барабанного типа
Введение к работе
Актуальность темы исследования. За последние несколько лет проблема необходимости повышения экологической безопасности производства начинает приобретать все большее значение. Многие развитые страны, такие как Германия, США, Канада и Нидерланды, одной из приоритетных целей своего долгосрочного развития видят снижение экологической нагрузки на окружающую среду. Значительную роль в данной нагрузке играют риски, связанные с агропромышленным производством, в частности, с крупными животноводческими и птицеводческими комплексами.
Изменение структуры животноводческой отрасли, внедрение новых способов содержания животных и удаления навоза из животноводческих помещений - все это ставит перед наукой и производством задачу разработки и внедрения новых, адаптированных к отечественным природно-климатическим условиям экологически безопасных и экономически обоснованных технологий утилизации навоза.
Молочное животноводство, являясь наиболее развитой отраслью сельского хозяйства Северо-Запада России, образует и наибольшее количество отходов - до 2/3 от общей массы производимого в регионе навоза/помета. Должным образом переработанный навоз крупного рогатого скота (КРС) может быть не только высококачественным органическим удобрением, улучшающим гумусовый слой почвы, но и стать основой для производства животноводческой подстилки, тем самым повышая рентабельность предприятия.
Разработка технологии переработки навоза, позволяющей производить несколько видов конечного продукта, позволит унифицировать производство, снизив экономические издержки и оптимизировать трудозатраты. Несмотря на большое количество проведенных исследований, на сегодняшний день отсутствуют научно обоснованные универсальные технические и технологические решения, обеспечивающие получение нескольких видов конечной продукции при использовании единого комплекта технического оборудования.
Цель исследований - повышение эффективности переработки навоза КРС путем обоснования оптимальных параметров и режимов работы биоферментационной установки барабанного типа, обеспечивающих получения вторичных продуктов заданного качества.
Для достижения поставленной цели определен ряд задач: Провести анализ наиболее адаптированных для Северо-Запада России машинных технологий утилизации навоза. Обосновать выбор унифицированной технологии утилизации навоза КРС, обеспечивающей повышение эффективности функционирования процесса биоферментации.
Провести теоретические исследования процесса биоферментации навоза КРС, описывающие условия функционирования технической агроэкосистемы и оптимизации ее конструкционных параметров и режимов работы.
Разработать оригинальную методику проведения научно-исследовательской работы по определению оптимальных режимов функционирования биоферментацонной установки для производства удобрения и подстилки. Разработать и изготовить экспериментальную биоферментационную установку барабанного типа.
Экспериментально установить зависимости между основными факторами процесса биоферментации навоза КРС в установке барабанного типа.
Разработать математическую модель процесса биоферментации навоза КРС в установке барабанного типа, описывающую возможность получения различных видов конечного продукта - удобрения и подстилки.
Провести эколого-экономическую оценку технологии биоферментации навоза КРС в установке барабанного типа на соответствие принципам наилучших доступных технологий.
Объект исследований. Технологический процесс переработки навоза КРС в биоферментационной установке барабанного типа.
Предмет исследований. Закономерности функционирования параметров биоферментационной установки барабанного типа при переработке навоза КРС.
Методы исследований. При выполнении диссертационного исследования использовались как стандартные, так и частные, впервые разработанные методики исследования с применением математического планирования эксперимента и обработки полученных данных на персональном компьютере с использованием программных пакетов STATGRAPHICS Centurion XV, Microsoft Office Excel 2013, STATISTICA Advanced, Компас-3D V15.1. Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена и апробирована автоматизированная экспериментальная биоферментационная установка барабанного типа, позволяющая проводить исследования процесса биоферментации в режиме реального времени.
Научную новизну исследований составляют:
Обоснованные режимы эксплуатации биоферментационной
установки барабанного типа при переработке твердой фракции навоза КРС,
обеспечивающие минимизацию эксплуатационных затрат, снижение
экологической нагрузки на окружающую среду и высокое качество
конечного продукта.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований технологического воздействия на твердую фракцию навоза КРС в процессе переработки в биоферментационной установке, отражающих зависимости изменения динамики температуры ферментации ґф от скорости аэрации va3p, времени аэрации Таэр и интервала вращения барабана Твр, зависимости потерь массы AM и азота AN от температуры ґф, достигнутой в биоферментационной установке.
Математическая модель управления искусственной агроэкосистемой - биоферментационной установкой, - позволяющая определять ее оптимальные режимы эксплуатации с учетом характеристик исходного сырья и требований, предъявляемых к конечному продукту.
Практическая значимость диссертационной работы заключена в следующих результатах:
Конструктивно-технологическая схема экспериментальной биоферментационной установки барабанного типа повышенной производительности (патенты РФ 146604, 155841, 155478, 2632162).
Технико-экономическое обоснование эффективности применения технологии переработки вторичного ресурса - навоза КРС - в биоферментационной установке барабанного типа.
Технологический регламент производства подстилки на основе твердой фракции навоза КРС.
Достоверность научных положений подтверждена результатами экспериментальных исследований, полученных с использованием современных измерительных устройств и приборов при достаточном количестве повторностей опытов. Опытные данные обработаны с использованием методов математической статистики.
Апробация работы. Положения диссертационной работы доложены на 20 мероприятиях, основные из них:
Международные научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, г. Санкт-Петербург, 2014-2017 годы.
Международный агропромышленный конгресс «Перспективы инновационного развития агропромышленного комплекса и сельских территорий», г. Санкт-Петербург, 2014 год.
XVIII, XIX и XX Международные научно-практические конференции Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства, г. Москва, 2015-2017 годы.
Международный научный форум «Sci Days», г. Санкт-Петербург, 2015 год.
International Youth Environmental Forum of Baltic Region Countries «Ecobaltica-2015», г. Санкт-Петербург, 2015 год.
Научно-практический молодежный форум Polytech RISE Weekend, г. Санкт-Петербург, 2015 год.
15th & 16th International Scientific Conferences «Engineering for Rural Development», г. Елгава, Латвия, 2016-2017 годы.
8th International Conference «Biosystems Engineering», г. Тарту, Эстония, 2017 год.
Международный агропромышленный конгресс «Повышение конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции на внутренних и внешних рынках», г. Санкт-Петербург, 2017 год.
10-я Международная научно-практическая конференция «Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения» Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства, г. Санкт-Петербург, 2017 год.
XX Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2017) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», г. Санкт-Петербург, 2017 год.
8-я международная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Агроинженерные инновации в сельском хозяйстве» Федерального научного агроинженерного центра ВИМ, г. Москва, 2017 год.
Результаты, полученные в ходы выполнения диссертационной работы, неоднократно отмечались на различных конкурсах и выставках:
Золотая медаль международной выставки «Агрорусь-2014».
Диплом победителя конкурса «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, 2015 год.
Диплом победителя конкурса грантов Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук, 2015 год.
Реализация результатов исследования. Технология
биоферментации навоза КРС в установке барабанного типа использована при разработке технологических регламентов по обращению с навозом для ряда животноводческих предприятий Ленинградской области, в том числе при проектировании системы утилизации навоза для ООО «Племзавод «Бугры».
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 23 научных трудах, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 - в изданиях, индексируемых в международных научных базах Web of Science и Scopus. Получено 3 патента РФ на полезные модели и 1 патент РФ на изобретение.
Основные положения, выносимые на защиту:
Обоснованные режимы эксплуатации биоферментационной установки барабанного типа при переработке твердой фракции навоза КРС, обеспечивающие минимизацию эксплуатационных затрат, снижение экологической нагрузки на окружающую среду и высокое качество конечного продукта.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований технологического воздействия на твердую фракцию навоза КРС в процессе переработки в биоферментационной установке, отражающих зависимости изменения динамики температуры ферментации от скорости аэрации, времени аэрации и интервала вращения барабана, зависимости потерь массы и азота от температуры, достигнутой в биоферментационной установке.
Математическая модель управления искусственной агроэкосистемой - биоферментационной установкой, - позволяющая определять ее оптимальные режимы эксплуатации с учетом характеристик исходного сырья и требований, предъявляемых к конечному продукту.
Конструктивно-технологическая схема экспериментальной биоферментационной установки барабанного типа повышенной производительности.
Технико-экономическое обоснование эффективности применения технологии переработки вторичного ресурса - навоза КРС - в биоферментационной установке барабанного типа.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 146 наименований, из них 29 на иностранных языках, и 5 приложений. Текстовая часть работы содержит 160 страниц машинописного текста, из которых 139 страниц основного текста, включающего 21 таблицу и 35 рисунков.
Состояние и перспективы технологического развития отрасли животноводства крупного рогатого скота (КРС)
Обеспечение продовольственной безопасности невозможно без комплексного развития отечественного сельского хозяйства. Животноводство, являясь его неотъемлемой частью, за последние 25 лет претерпело существенные изменения, вынуждающие по-новому взглянуть на эту отрасль экономики. Переход к интенсивному животноводству, наметившийся со второй половины 90-х годов XX века, привел к увеличению продуктивности коров и сокращению их поголовья [32]. За 20 лет в Северо-Западном Федеральном округе средняя продуктивность молочного животноводства увеличилась более чем в 2 раза: с 2500 кг/гол в 1995 до 5700 кг/гол в 2015 (рисунок 1.1).
Северо-Западный Федеральный округ (СЗФО) находится в зоне рискованного земледелия, что предопределило основное развитие его агропромышленного комплекса – на долю животноводства приходится до 80 % валовой продукции сельского хозяйства региона [60].
На сегодняшний день в регионе наиболее развито молочное животноводство, однако, в силу природно-климатического и географического разнообразия региона, структура данной отрасли в целом неоднородна (Таблица 1.1) [11].
С начала 2000-х годов, в регионе наблюдается устойчивая тенденция к укрупнению ферм КРС с переходом на беспривязную систему содержания и внедрение доильных залов. Наглядно данная тенденция проиллюстрирована на изменении структуры животноводческих предприятий субъекта-лидера СЗФО – Ленинградской области (рисунок 1.2) [95].
С целью снижения затрат на производство продукции средние и крупные хозяйства переходят на беспривязный способ содержания. На сегодняшний день в Ленинградской области привязное и беспривязное содержание имеет примерно равную степень распространения, однако, по прогнозам специалистов, уже к 2017-2018 гг. на беспривязное содержание перейдет более 60% животноводческих предприятий [92].
Основным достоинством беспривязного способа содержания животных является повышение рентабельности производства, достигаемое путем снижения затрат за счет возможности механизировать технологические процессы на ферме и, как следствие, снизить потребность в обслуживающем персонале, повысить продуктивность животных за счет возможности деления коров на группы с учетом их физиологического состояния, а также существенно снизить затраты на приобретение подстилки.
Изменение систем и способов содержания животных ведет к изменению систем удаления навоза, а следовательно, и самих свойств навоза.
Состав и свойства производимого навоза зависят от множества факторов: вид и возраст животного, способ содержания, система уборки навоза из животноводческих помещений и способ его хранения.
В таблице 1.2 представлен выход и свойства экскрементов КРС [59], в таблице 1.3 – содержание в них биогенных элементов [111].
В сухом веществе экскрементов КРС содержится в среднем 3,3% азота (N), 1,8% фосфора (P2O5) и 2,5% калия (К2О). Это означает, что в 1 т экскрементов при влажности 88% содержится 3,96 кг азота, 2,16 кг фосфора и 3,0 кг калия [47] .
В зависимости от относительной влажности навоза, т.е. от количества содержащейся в нем воды, навоз условно разделяют на твердый (подстилочный), полужидкий (бесподстилочный) и жидкий – разбавленный водой. Если влажность навозной массы превышает 97%, то такую массу называют навозными стоками (Таблица 1.4) [111]
Увеличение влажности негативно влияет на объем производимого навоза: повышение до 94% увеличивает его в 2 раза (по сравнению с навозом 88% влажности), а до 98 % – в 6 раз (Рисунок 1.3).
Основное влияние на физико-химический состав навоза оказывают системы удаления навоза из животноводческих помещений. В зависимости от способа содержания животных, возможности утилизации навоза и природно-климатических условий применяют различные способы удаления навоза.
Применяемые на животноводческих комплексах системы навозоудаления могут быть разделены на две большие группы: механические и гидравлические. К первой группе относятся системы, предусматривающие использование скребковых, пластинчатых, шнековых и скреперных транспортеров, а также мобильных агрегатов. Ко второй группе относятся самотечно-сплавная и флеш-флюм системы удаления навоза.
Во дворах с привязным содержанием, спроектированных более 20 лет назад, преимущественно используются скребковые транспортеры TCH-2, ТСН-2,0Б, TCH-3,0Б, TCH-160, ТСН-160А, штанговые транспортеры ТШ-30-А, ТШПН-4, ШТУ, шнековые транспортеры ТШГ-190, ТШГ-250, ТШН-250, ТШН-300, скреперные установки УС-1О, УС-15, ТСГ-170, ТСГ-250 и другие. В новых и реконструированных комплексах применяются современные скреперные системы таких производителей, как «Фармтек», «ТрансферАгро», «Дейри-Тек», DeLaval, WestfaliaSurge и другие.
Скребковые навозные транспортеры предназначены для уборки подстилки и навоза из животноводческих помещений с одновременной погрузкой в транспортное средство. Транспортеры состоит из двух секций: горизонтальной и наклонной. Каждая из секций имеет независимый привод. Горизонтальный транспортер производит подачу подстилки и навоза из животноводческих помещений на наклонный транспортер. Наклонный транспортер перемещает подстилку и навоз вверх по корыту и сбрасывает в транспортное средство.
Штанговые транспортеры предназначены для животноводческих помещений со стойловым содержанием КРС. Удаление навоза происходит в поперечный канал за счет возвратно-поступательного перемещения рабочих органов ползунов с закрепленными на них открывающимися скребками.
Шнековые транспортеры навозоудаления предназначены для уборки навоза КРС из закрытых решетками навозных проходов, что обеспечивает удобство работы персонала фермы и не травмирует скот при выгоне-загоне. При использовании шнековых транспортеров в навозные каналы монтируются шнеки, представляющие собой трубу с навитой спиралью из металлической полосы. Оборудуются продольные и поперечные шнеки, длина их зависит от длины навозного канала. Навоз убирают из одного-двух продольных шнеков, затем он попадает в поперечный шнек, а из него – в наклонный выгрузной транспортер.
Скреперные установки предназначены для уборки навоза крупного рогатого скота из открытых навозных проходов при беспривязном боксовом содержании скота. Скрепер комплектуется четырьмя рабочими органами, что позволяет осуществить выгрузку навоза как из торца, так и из середины помещения.
Для удаления навоза из животноводческих помещений, в которых в качестве подстилки используется солома, применяют дельта-скрепер. Скрепер удаляет навоз в конец навозного прохода, откуда навоз транспортируется дальше, например, при помощи круговой цепной системы. Дельта-скреперы используют для удаления навоза из навозного прохода или по каналу, перекрытому решеткой.
Комбискрепер может быть применен в коровнике любого типа, в т.ч. в помещениях, где навозный проход имеет изменяющуюся длину и ширину. Данный тип навозоуборочного оборудования может быть применен как в помещениях с плоскими бетонными полами, так и с решетчатыми.
Также большое распространение нашла круговая цепная система навозоудаления. Она представляет собой прочную якорную цепь с металлическими скребками. Круговая цепная система навозоудаления используется в сочетании с навозными скреперами. Скрепер удаляет навоз в конец навозного прохода, откуда навоз попадает на круговую цепную систему. При помощи навозного транспортера навоз быстро и надежно перемещается дальше к месту хранения.
Мобильные агрегаты (бульдозеры и фронтальные погрузчики) применяют для очистки навозных проходов и сблокированных свободных площадей, по которым передвигаются животные, при этом навозный проход должен располагаться ниже уровня стойл. Для сбора навоза в конце навозного прохода сооружают навозоприемник, перекрытый решеткой.
При использовании самотечно-сплавной системы непрерывного действия, получившей широкое распространение в последние годы, навоз удаляется из животноводческих помещений по самотечным каналам, которые перед вводом животных наполняют водой на 10-20 см и накрываются решеткой. Провалившись в канал, кал и моча перемешиваются в нем и непрерывно текут под действием силы тяжести в коллектор, расположенный перпендикулярно продольным каналам. Данная система надежно функционирует при влажности навоза 88-92%.
При использовании флеш-флюм системы навоз, поступивший в поперечный коллектор, удаляется из него при помощи стоков с доильного зала. Образованная жидкая навозная масса при помощи самовсасывающих центробежных насосов удаляется из животноводческих помещений [2, 12].
Таким образом, на сегодняшний день в рассматриваемом регионе наибольшее распространение получили 2 системы уборки навоза: скреперные и флеш-флюм системы. Наметившаяся тенденция к укрупнению ферм и переходу на беспривязное содержание обусловлена внедрением новых технологий и оборудования, позволяющих, с одной стороны, снизить себестоимость производства животноводческой продукции, но с другой, повышающих негативную нагрузку на окружающую среду за счет увеличения эмиссии биогенных элементов в результате роста объемов полужидкого и жидкого навоза (Рисунок 1.4) [10, 32, 93, 102].
Сложившаяся ситуация в регионе ситуация вынуждает по-новому взглянуть на проблему утилизации производимого навоза, в частности, стимулирует к разработке и внедрению новых, более интенсивных и экологически безопасных технологий утилизаций навоза.
Теоретические исследования по разработке математической модели биоферментации в установках закрытого типа
Вопросам математического моделирования процесса биоферментации отходов в установках закрытого типа уделялось большое внимание в ряде сельскохозяйственных ВУЗов и НИИ РФ. Были разработаны математические модели ферментации в установках закрытого типа для различных типов сырья [6, 34, 50, 51]. Кроме того, в данной работе были подробно изучены работы таких авторов, как Н.Г. Ковалёв, Р.М. Рабинович, Ю.Ф. Малаков, А.В. Соколов, В.В. Калюга, А.В. Афанасьев, В.Н. Афанасьев и В.О. Лопес де Гереню, которые работали с органическими отходами птицеводства.
Предложенная А.В. Афанасьевым и В.В. Калюгой модель процесса ферментации, моделирующая одновременный перенос воздуха, теплоты и влаги, что неизбежно при экзотермических процессах органических материалов при одновременном учете потерь тепла во внешнюю среду для конкретных условий, представляет собой функцию типа [3]:
Определение этой функции в явном виде аналитическим путем не представляется возможным. Однако конкретные практические задачи решаются в стационарном режиме, характеризующем динамическое равновесие системы. Это упрощает решение поставленной задачи и сводится к анализу уравнения теплового баланса:
Предложенная ими модель функционирования био ферментатора барабанного типа в качестве целевой функции предусматривает количество тепла, выделяемого в процессе саморазогрева перерабатываемой смеси. Предложенное уравнение теплового баланса для биоферментатора барабанного типа с учетом времени достижения смесью необходимой температуры имеет вид:
Процесс ферментирования протекает в условиях постоянно изменяющихся воздействий, которые влияют на качество получаемого конечного продукта. В реальных условиях функционирования процесс ферментации возможно описать совокупностью переменных, представляющих собой векторную функцию Y, определяющих качественное выполнение процесса во времени. На био ферментационную установку действуют внешние возмущения, образующие вектор функцию возмущения F, которые стремятся нарушить желаемое протекание процесса. К таким возмущениям можно отнести соотношение в компостируемой смеси С/ЩТ), влажность смеси W(T) и ее кислотность/?// . В качестве выходной переменной Y можно рассматривать любой из случайных параметров, характеризующих качественный показатель протекания процесса ферментирования в биореакторе или их совокупность. Таковыми являются: температура компостируемой смеси t(T), скорость саморазогревания смеси V(T), и, как следствие, общая продолжительность процесса ферментирования Tфер.
Информационная модель функционирования узла ферментирования, предложенная А.В. Соколовым и Ю.Ф. Малаковым, представлена на рисунке 2.3.
Кинетическая модель биодеградации органической фракции в биоферментационных установках закрытого типа, разработанная Р.М. Рабиновичем и Н.Г. Ковалёвым, в качестве критерия оптимизации рассматривает увеличение скорости разложения (биодеградации) органической фракции в биоферментаторе [81].
В работе отмечено, что скорость биодеградации зависит в первую очередь от численности микроорганизмов и их функциональной активности, а следовательно, является функцией нескольких параметров, оказывающих влияние на развитие микрофлоры: температуры, содержания кислорода в смеси, ее влажности, порозности и рН, а также химического состава.
Авторы считают, что процессы биоконверсии, к которым относится и аэробная твердофазная ферментация, с достаточной точностью могут быть описаны моделями реакций нулевого, первого и второго порядков.
Ниже приводятся соответствующие уравнения для разных порядков:
Оказывается возможным опосредованное оценивание скорости биодеградации органической фракции по скорости потребления микроорганизмами кислорода в ходе ферментации. С этой целью авторы пользуются регрессионным уравнением для вычисления пористостно-порозностного коэффициента ферментируемых смесей:
Тогда плотность смеси на i-e сутки ферментации составит рсм = Арнач - Арсут /. В свою очередь, сообразно уравнению для вычисления FAS, объем воздуха (м ), которым заполняются поры после каждой продувки на i-e сутки, вычисляется по формуле:
На основании сведений о зольностях исходных смесей и продуктов ферментации вычисляется общее снижение массы органической фракции за 7 суток ферментации согласно следующей формуле:
Исходя из допущения, что в ходе ферментации подвергается деградации органическая фракция некоторого стехиометрически-постоянного состава, определяется средняя величина расхода кислорода, необходимого для деградации 1 кг фракции каждой из смесей по формуле:
Фактически, рассматриваемый показатель ХПК - это аналог широко используемого химиками показателя химического потребления кислорода, являющегося однозначной характеристикой того или иного органического вещества. Найденные согласно уравнению (2.19) величины ХПК органической фракции используемых в работе смесей варьировали в пределах 1,46-1,63 кг/кг. Более высокие величины ХПК ферментируемых субстратов по сравнению с литературными данными свидетельствуют о их сложной стехиометрии, причем большие ХПК были характерны для смесей с повышенным содержанием лигноцеллюлозы - в опытах с льняной кострой и опилками.
Для расчета скоростей биодеградации (кгсут" ) целесообразно воспользоваться величинами ХПК. Для этого введено допущение о неизменности скорости био деградации в течение суток:
Известно, что с ростом температуры (до уровней, при которых денатурирует большинство известных ферментов) увеличивается и способность микроорганизмов к осуществлению биотрансформации. Поэтому оказывается необходимым поиск подходящего математического описания зависимостей скорости биодеградации от температуры ферментируемой смеси. Некоторые авторы указывают на то, что с этой целью может быть использовано классическое уравнение Аррениуса, связывающее константу скорости с температурой ферментируемых смесей.
Методы обработки экспериментальных данных
Для обработки результатов экспериментальных исследований применен статистический анализ полученных данных. Статистический анализ рассматривает методы описания и представления случайных данных (описательная статистика) и методы их обработки (аналитическая статистика) с целью изучения данных и на этой основе формулирования выводов, принятия решений и прогнозирования [13, 14].
Для каждой совокупности результатов измерений случайной величины определялись следующие показатели:
Математическое ожидание случайной величины (среднее арифметическое), характеризует центр распределения вероятностей и определяется по формуле 3.7
Для оценки качества аппроксимации экспериментальных данных теоретическим предпосылкам производилась проверка адекватности с помощью критерия Фишера (формула 3.12) [89]: Dу2 – дисперсия воспроизводимости. Теоретические значения критерия Фишера определялись по таблицам при доверительной вероятности Р=0,95 при степени свободы числителя fi=N-l и числом степеней свободы знаменателя f2=N(n-l). Зависимость считается адекватной, если расчетное значение меньше или равно теоретическому.
Метод формализации экспертных знаний логико-лингвистическими моделями в условиях нечетких многомерных систем
Для разработки модели процесса биоферментации применен метод Спесивцева-Дроздова, основанный на формализации экспертных знаний в виде логико-лингвистических моделей в нечетких многомерных системах [31, 91]. Предлагаемый метод позволяет создать логико-лингвистическую модель (ЛЛМ) на основе экспертных знаний для оценивания эффективности функционирования технологической системы «биоферментационная установка - процесс биоферментации» для поиска и обоснования рациональных режимов работы биоферментационной установки.
Порядок решения задачи при использовании данной методики выглядит следующим образом:
определение факторного пространства;
определение границ оппозиционной шкалы и термов по каждому фактору;
формирование матрицы опроса;
кодирование факторов лингвистическими переменными и их перевод в метрику;
расчет по методу наименьших квадратов коэффициентов полинома (формула 3.13):
оценка ошибки численного эксперимента;
оценка значимости коэффициентов полинома;
оценка адекватности полинома со значимыми коэффициентами представлению эксперта;
оценка погрешности модели по критерию Фишера. Особенности практического использования алгоритма построения обобщенного параметра изменений исследуемого объекта в нечеткой информационной среде (рисунок 3.10):
При определении факторного пространства из максимально большого числа факторов эксперт выделяет наиболее существенные для данного процесса или явления (не более семи).
Определение границ оппозиционных шкал включает в себя определение степени «размытости» – нечеткости понятия (определение левой и правой нечеткости модального значения терма a), количественной или качественной оценки нижней и верхней границ каждого выбранного фактора, количества делений (терм-множеств) шкалы и их названий.
Формирование матрицы опроса эксперта проводится по правилам теории планирования экспериментов с учетом дробности полного факторного эксперимента. При этом количество обращений к эксперту 2 или 2 , где n – число факторов, p – степень дробности полного факторного эксперимента.
Кодирование факторов лингвистическими переменными заключается в преобразовании шкалы названий термов в метрику на интервале [-1;+1].
Расчет коэффициентов полинома заключается в переводе лингвистических переменных в шкалу интервалов и выполнении традиционных действий с матрицей опроса, принятых в теории планирования эксперимента.
Оценка ошибки численного эксперимента первоначально заключается либо в сравнении значения свободного члена полинома b0 с оценкой мнения эксперта, либо сравнением расчетных и фактических значений с экспериментальными данными.
Оценка значимости коэффициентов полинома заключается в выделении коэффициентов полинома, значения которых выше ошибки их определения.
Оценка адекватности полинома со значимыми коэффициентами представлению эксперта заключается в сопоставлении между собой расчетных значений по полиному и экспертных оценок.
Оценка адекватности полученной модели изучаемому явлению заключается в сопоставлении расчетных значений по полиному и фактических (экспериментальных или известных по литературным источникам и т. п.) значений традиционными статистическими методами, например по F -критерию Фишера.
Оптимальные параметры и режимы работы биоферментационной установки барабанного типа
Полученная математическая модель (4.2) адекватно описывает основной показатель процесса – температуру, по которой рассчитаются рациональные режимы работы биоферментационной установки барабанного типа. Результаты расчётов и экспериментальные данные приведены в таблице 4.6.
Разработанная модель позволила определить рациональные режимы работы биоферментационной установки барабанного типа: для производства подстилки – режим II (время аэрации 10 мин/ч, скорость аэрации 5 м/с, интервал вращения барабана 12 часов); для производства органических удобрений – режим VII (время аэрации 7 мин / ч, скорость аэрации 6,5 м / с, интервал вращения барабана 12 часов) [143].
При обосновании оптимальных режимов работы учитывались энергетические затраты, связанные с функционирование биоферментационной установки.
Интенсивность процесса саморазогрева перерабатываемого материала варьируется в зависимости от применяемого режима функционирования.
Проведенный анализ выявил, что требуемые величины температур можно достичь различными комбинациями факторов, которые и определяют режимы работы. Так, например, требуемую температуру в 80С для выработки подстилки можно достичь различными значениями Х3 - периодичностью вращения барабана 6, 8 и 12 часов. Однако, при этом скорость аэрации Х6 варьирует в диапазоне 2-5,5 м/с, а время аэрации Х5 изменяется в диапазоне 7-10 мин.
В ходе экспериментальных исследований были подтверждены теоретические предпосылки о температуре как основном индикаторе интенсивности процесса биоферментации, а также установлены:
Зависимости изменения динамики температуры от времени аэрации, скорости аэрации и интервала вращения барабана.
Зависимости потерь массы и азота от температуры, достигнутой в биоферментационной установке.
При биоферментации при температуре свыше 55С в течение 48 часов удалось снизить индекс содержания общих колиформных бактерий до допустимых пределов, уничтожить патогенную культуру протея и энтеропатогенную кишечную палочку, а индекс содержания энтерококков снизить в 10 раз. Увеличение суммарного времени переработки до 120 ч позволило добиться отсутствия в конечном продукте культуры из рода Bacillus, а индекс содержания энтерококков снизить до допустимых пределов.
Показана применимость метода построения логико-лингвистических моделей процесса биоферментации на основе знаний и опыта экспертов, что позволило включать в моделирование не только количественные, но и качественные переменные. Адекватные модели позволяют находить оптимальные режимы расчетным путем без проведения большого количества специальных экспериментов.
Оптимальные режимы функционирования биофермнентационной установки: для производства подстилки – режим II (время аэрации 10 мин/ч, скорость аэрации 5 м/с, интервал вращения барабана 12 часов); для производства органических удобрений – режим VII (время аэрации 7 мин / ч, скорость аэрации 6,5 м / с, интервал вращения барабана 12 часов).