Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Анализ способов сушки зерна 10
1.2.1 Анализ существующих технологий сушки зерна 13
1.2.2 Анализ конструкций установок для сушки зерна
1.3 Теоретические и экспериментальные исследования по сушке зерна 33
1.4 Цели и задачи исследования 39
2 Теоретическое обоснование конструкции и режимов работы установки для сушки зерна 41
2.1 Конструктивно-технологическая схема установки для сушки зерна 41
2.2 Обоснование конструктивно-режимных параметров установки для сушки зерна
2.2.1 Движение материальной точки в установке 44
2.2.2 Обоснование конструктивных параметров установки
2.2.2.1 Обоснование ширины ленты, крутящего момента на валу и скорости ленты 47
2.2.2.2 Обоснование технологической схемы и размеров рабочих зон установки 49
2.2.3 Обоснование режимных параметров установки 50
2.2.3.1 Обоснование угловой скорости вращения приводного барабана 50
2.2.5 Определение подачи вентилятора 51
2.2.6 Определение пропускной способности установки 52
2.3 Разработка математической модели СВЧ-сушки семян подсолнечника 52
Выводы по главе 59
3 Методика проведения экспериментальных исследований 60
3.1 Программа и методика исследования установки для сверхвысокочастотной обработки зерна
3.1.1 Общая методика экспериментальных исследований 60
3.1.2 Измерительные приборы и оборудование 61
3.2 Методика проведения эксперимента 68
3.2.1 Методика исследования динамики нагрева семян подсолнечника в СВЧ-сушильной камере 68
3.2.2 Методика определения зависимости кинетики процесса сушки от основных режимных параметров 70
3.2.3 Методика определения физиологического и биохимического состояния семян подсолнечника после сверхвысокочастотной сушки 70
3.2.4 Методика исследования влияния электромагнитного излучения на качественные показатели семян подсолнечника 76
3.2.5 Методика определения удельных затрат теплоты на процесс обработки семян подсолнечника в разработанной установке 80
4 Результаты экспериментальных исследований 81
4.1 Результаты исследования динамики нагрева семян подсолнечника в СВЧ-сушильной установке 81
4.1.1 Динамика нагрева семян в СВЧ-сушильной установке 81
4.1.2 Определение распределения температуры по объему СВЧ-сушильной камеры 83
4.2 Влияние режимных параметров на процесс сушки семян подсолнечника 84
4.2.1 Кинетика сушки семян подсолнечника 84
4.2.2 Влияние режимных параметров на кинетику сушки
4.2.2.1 Влияние начальной влажности семян на кинетику сушки 87
4.2.2.2 Влияние температуры нагрева семян подсолнечника на кинетику сушки 89
4.2.2.3 Влияние мощности СВЧ-изучения на кинетику сушки семян подсолнечника 90
4.2.3 Сравнительная оценка конвективной и СВЧ-сушки семян подсолнечника 90
4.3 Определение физиологического и биохимического состояния семян подсолнечника после СВЧ-сушки 91
4.4 Влияние свервысокочастотной сушки на качественные показатели семян подсолнечника 94
4.5 Затраты теплоты на СВЧ-сушку в разработанной установке 95
Выводы по главе 98
5 Анализ процесса СВЧ-сушки семян подсолнечника в производственных условиях и определение его экономической эффективности
5.1 Результаты производственных испытаний при СВЧ-сушке семян подсолнечника 100
5.2 Экономическая эффективность СВЧ-обработки семян подсолнечника
5.2.1 Определение затрат на изготовление установки для СВЧ-сушки семян подсолнечника 101
5.2.2 Определение экономической эффективности применения СВЧ-установки для сушки семян подсолнечника 107
Выводы по главе 112
Общие выводы 112
Список литературы
- Анализ конструкций установок для сушки зерна
- Обоснование ширины ленты, крутящего момента на валу и скорости ленты
- Методика исследования динамики нагрева семян подсолнечника в СВЧ-сушильной камере
- Определение распределения температуры по объему СВЧ-сушильной камеры
Введение к работе
Актуальность работы. В сельском хозяйстве применяются разнообразные сушильные установки. Конструкция установки должна обеспечивать равномерный нагрев и сушку продукта при обеспечении контроля его температуры и влажности.
Проведенный анализ существующих способов, технологий сушки и конструкций для сушки зерна показывает, что данные способы и конструкции имеют ряд недостатков (повышенные затраты на процесс тепловой обработки, высокая металлоемкость, неравномерный нагрев зернового слоя, низкий КПД).
Кроме того, описанные установки для сушки рассчитаны на большую пропускную способность. В условиях небольших крестьянско-фермерских хозяйств сушка малых объемов зерна на таких установках затратна. В России условия таковы, что 50-80 процентов убираемого зерна нужно подвергать сушке. При использовании такого оборудования приходится несколько раз пропускать зерновой материал через установку, что приводит к необоснованным энергозатратам.
Основываясь на это, создание малогабаритной сушильной техники, адаптированной к условиям российского сельхозпроизводителя, является актуальной задачей.
Решением данной задачи является разработка малогабаритных установок, в основу которых заложен принцип сверхвысокочастотного (СВЧ) нагрева, как наиболее безопасный и экологичный способ.
Степень разработанности темы. Анализ существующих теоретических исследований, связанных с изучением особенностей сверхвысокочастотного нагрева и применения его в сельскохозяйственном производстве показал, что они отработаны не окончательно. Вследствие этого, разработка математических моделей процесса сушки семян электромагнитным излучением СВЧ-диапазона и теоретическое обоснование конструктивных параметров разрабатываемых установок, является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ» на 2010-2015 гг. «Разработка энергосберегающих, экологически безопасных технологий и технических средств для сушки и сортировки сельскохозяйственных культур» (регистрационный номер 01.201.060414)
Цель исследований. Повышение эффективности сушки семян подсолнечника путем обоснования режимов работы конвейерной СВЧ-установки.
Объект исследований. Технологический процесс сушки семян подсолнечника в конвейерной СВЧ-установке.
Предмет исследований. Технологические параметры процесса СВЧ-обработки семян и конструктивно-режимные параметры установки.
Научная новизна. Разработана математическая модель процесса СВЧ-сушки семян подсолнечника, численная реализация которой позволяет установить рациональный режим сушки с минимальными энергозатратами.
Выявлено влияние основных режимных параметров - мощности СВЧ-излучения, начальной влажности, температуры нагрева семян и времени прохода в зоне СВЧ-нагрева, на кинетику сушки семян подсолнечника.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на полезную модель №№ 105726, 139803.
Теоретическая и практическая значимость работы. По результатам исследования была разработана конструкция конвейерной СВЧ-установки для сушки подсолнечника. Разработана методика определения рациональных режимов сушки семян подсолнечника для семенных и для технических целей. Применение разработанной установки для сушки семян подсолнечника позволяет получать на выходе продукт с требуемым стандартами качеством и конечной влажностью 7...9 %. Суммарные удельные энергозатраты на испарение влаги из семян при использовании разработанной установки в сравнении с существующими аналогами снижаются в 1,6... 1,7 раза.
Использование разработанной установки позволяет получить экономический эффект на 1 тонну высушенных семян в размере 387,15 рубля по сравнению с серийно выпускаемой сушилкой СЗ-0,3.
Методология и методы исследований. В теоретических исследованиях применены основы тепломассопереноса и теории сушки капиллярно-пористых тел, а также использованы положения и методы классической механики и математики. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проводили на специально изготовленном оборудовании и разработанными частными методиками, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Полученные данные обрабатывали методами математической статистики с использованием пакетов прикладных программ «Sta-tistica 10.0», «Statu», «Flowvision», «Mathcad 15», и «Microsoft Office Excel 2010».
Публикации. По результатам работы над диссертацией опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 патента на полезную модель и 2 научные статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 2,1 п.л., из них автору принадлежит 1 п.л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 11 таблиц. Список литературы включает 125 наименований, в том числе 13 - на иностранных языках.
Анализ конструкций установок для сушки зерна
Интенсификация данного способа может заключаться в повышении тепломассообмена между высушиваемым материалом и агентом сушки при увеличении скорости агента сушки и повышении его температуры, или же уменьшении размеров частиц высушиваемого материала.
Кондуктивный (контактный) способ. Данный способ основан на передаче тепла от нагретой поверхности. Для удаления пара используется наружный, или атмосферный воздух. Кондуктивный способ характеризуется высоким коэффициентом теплоотдачи (170-180 Вт/м2 -К). [41].
На вышесказанном способе сушки основаны вальцовые сушилки. Они обладают высокой производительностью и экономичностью - на 1 м удаленной влаги затрачивается всего 1,3-1,4 кг пара. Существующий способ хоть и получил широкое распространение, обладает основным недостатком - неравномерность сушки [10].
Радиационный способ. При таком способе сушки тепло сообщается к высушиваемому материалу в виде тепловых лучей. Примером является естественная (солнечная сушка) и искусственная (инфракрасными лучами).
Самым простым способом является естественная радиационная или солнечная сушка. Но при использовании данного способа учитывается ряд факторов - время года, погодные и климатические условия [34, 66, 89].
Сушка инфракрасными лучами. Суть данного способа заключается в том, что поток инфракрасного излучения воздействует на высушиваемый материал и преобразуется в теплоту. При данном воздействии возникают перепады температур, при действии которых влага движется по направлению потока тепла вглубь материала. К тому же, часть влаги испаряется с граничного слоя материала, в результате чего возрастает градиент влагосодержания и происходит перемещение влаги к граничному слою. Это является существенным недостатком, так как градиент температуры затормаживает выделение влаги к поверхности.
Установки по типу излучателей при инфракрасном нагреве делятся на терморадиационные с электрическим и газовым нагревом. Сушильные установки с электрическим нагревом малогабаритны и просты в обслуживании, но обладают высоким расходом электроэнергии и неравномерностью сушки, что сказывается на их широком применении [82, 86, 87]. Высокочастотный и сверхвысокочастотный способ сушки. Данный способ основан на поглощении электромагнитной энергии в диэлектриках. При сушке этим способом производится объемный нагрев материала при воздействии токов высокой или сверхвысокой частоты. Находящиеся в материале электроны и ионы воды начинают колебаться, результатом которого является возникновение трения. Энергия электромагнитных волн, затрачиваемая на эти трения, переходит в теплоту.
Вследствие воздействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона происходит объемный нагрев материала. Благодаря этому нагрев происходит по всему объему слоя изнутри к поверхности, температура и влажность внутри материала выше, чем снаружи. Кроме того, возникающие градиенты теплоты и влаги также направлены изнутри к поверхности, что способствует интенсивному выделению влаги на поверхность материала.
Важными особенностями данного способа являются возможность регулирования температуры нагрева материала путем изменения напряженности электрического поля. Еще одним преимуществом данного способа является возникновение градиента давления, ускоряющего перенос влаги [33, 86, 87, 90, 91].
Сублимационная (или молекулярная) сушка производится в условиях вакуума. При сублимационной сушке теплота, которая необходима для испарения влаги, забирается от материала, за счет чего происходит снижение его температуры. Оставшаяся в материале вода замораживается и выделяется на поверхность в виде льда. Далее при тепловом воздействии лед испаряется, пропуская жидкую фазу. Данный способ наиболее часто применяется к продуктам, для которых сохранение качества является первостепенной задачей. [ 90, 91, 92].
В сельском хозяйстве применяются разнообразные сушильные установки. Конструкция установки должна обеспечивать равномерный нагрев и сушку продукта при обеспечении контроля его температуры и влажности. Основными требованиями, предъявляемыми к зерносушилкам являются высокая производительность, экологичность, они должны иметь малые расходы теплоты и электроэнергии, иметь меньшую металлоемкость и должны быть универсальными для возможности сушки различных культур и материалов[9,10,31, 34, 41, 42, 65, 66, 76, 77, 90, 91, 109].
Существующие на сегодняшний день сушильные установки классифицируются по следующим признакам: - по подводу теплоты к высушиваемому материалу - конвективные, кондуктивные (контактные), радиационные при помощи инфракрасных лучей, при помощи токов высокой и сверхвысокой частоты; - по давлению воздуха в сушильной камере - атмосферные и вакуумные; - по характеру работы - периодического и непрерывного действия; - по виду сушильного агента установки, использующие нагретый воздух, смесь воздуха с топочными газами или перегретый пар; - по циркуляции сушильного агента - установки с естественной и принудительной циркуляцией, при помощи центробежных и осевых вентиляторов; - по характеру движения сушильного агента относительно материала -прямоточные - при одинаковом направлении движения сушильного агента и материала; противоточные - при противоположном направлении движения материала и сушильного агента; с пронизыванием слоя материала потоком сушильного агента перпендикулярно движению материала; - по способу нагрева сушильного агента - сушильные установки с паровыми, огневыми калориферами и топками на жидком и газовом топливе; - по кратности использования сушильного агента с однократным и многократным применением нагретого воздуха в различных вариантах; - по виду объекта сушки - для твердых (крупных, мелких, пылевидных), жидких и пастообразных материалов; - по конструктивным признакам - тоннельные, камерные, шахтные, коридорные, барабанные, вальцевые и др. [9, 12, 20, 24, 31, 34, 38, 41, 42, 44, 46, 54, 57, 66, 76, 77, 82, 90, 91, ПО, 117]. Одной из основных характеристик сушильных установок является состояние зернового слоя в процессе сушки. От данного параметра зависят основные закономерности процесса сушки в слое зерна.
Сушка зерна в плотном неподвижном слое характеризуется тем, зерна находятся в постоянном контакте друг с другом и скорость движения зерна равна нулю, а скорость теплового потока намного меньше скорости витания зерен [75, 96].
Современные сушильные установки, в которых производится сушка зерна в неподвижном слое - установки периодического действия. Такие установки имеют простую конструкцию. Но из за ряда существенных недостатков (неравномерный нагрев зернового слоя, низкого КПД, высокий расход топлива и электроэнергии, непоточность) данные установки широко не применяются. В малых фермерских хозяйствах некоторых зарубежных странах установки такого типа все же получили широкое распространение. Это обусловлено тем, что в большинстве зарубежных зернопроизводящих стран уборка производится при влажности, близкой к кондиционной.
Сушка зерна в гравитационном подвижном слое получила широкое распространение. Она характеризуется тем, что скорость движения слоя зерна не превышает 3...5 мм/с, а скорость теплового потока меньше скорости витания зерна. Такие сушильные установки распространены как на территории России, так и за рубежом.
В шахтных зерносушилках - жалюзийных, колонковых, с коробками (рисунок 1.1) - зерно, движущееся плотным слоем сверху вниз, сушится подогретым теплоносителем, подаваемым в поперечном направлении. Движение зерна в шахте происходит под действием собственной силы тяжести, скорость движения определяется пропускной способностью выпускного устройства. Основные параметры зерносушилок шахтного типа: температура теплоносителя 70 - 150, снижение влажности за один пропуск 6 - 12%, съем влаги сім объема шахты от 30 до 45 кг/ч [41, 90, 91].
Обоснование ширины ленты, крутящего момента на валу и скорости ленты
Конвейерная СВЧ-установка для сушки и микроволновой обработки зерна включает: несущую раму 24, бункер 1 с дозирующим устройством 2, конвейер, состоящий из ведущего 15 и ведомого 22 барабанов и сетки 17 с тефлоновым покрытием, две и более рабочие камеры, разделенные на зоны СВЧ-нагрева 5, отлежки 6 и охлаждения 7, систему вытяжки, состоящую из воздухоотводящих каналов 8 и вентилятора 10, устройство выравнивания высоты материала 9, систему равномерного распределения агента сушки, состоящую из воздуховодов 19, входного диффузора 26, корпуса 25, направляющих 27, двух рядов выходных конфузоров 20 с прямоугольными регулируемыми отверстиями, расположенных друг под другом под углом 90 и напорный вентилятор 18, датчики температуры 3 и влажности 4, мотор-редуктор 16, устройство регулировки натяжения сетки конвейера 23, волновые ловушки 11, выполненные в виде четвертьволновых преобразователей, поглощающие нагрузки 12 и 13, выгрузной канал 14, обшитый поглотителем и блок управления 21.
Зерновой материал загружается в бункер 1 СВЧ-установки. Установленные в бункере 1 датчики 3 и 4 определяют температуру и влажность зерна, которые передаются на дисплей блока управления. Полученная информация обрабатывается оператором, который включает необходимый режим работы установки. Имеется возможность автоматического управления установкой, при заданных режимах работы. После включения установки, зерно попадает на конвейер и с заданными слоем и скоростью перемещается внутри рабочих камер, состоящих в свою очередь из зон нагрева, отлежки и охлаждения материала.
Конвейерная СВЧ-установка для сушки и микроволновой обработки зерна работает следующим образом: сначала зерно попадает в первую рабочую камеру, где оно перемещается через зоны СВЧ-нагрева 5, отлежки 6 и охлаждения 7. Затем, проходит следующие рабочие камеры и через выгрузной канал высыпается в нужную тару или машину.
При работе СВЧ-установки в режиме сушки, зерно из бункера, передвигаясь по конвейеру, попадает в зону нагрева 5 первой рабочей камеры, где производится его объемный нагрев до нужной температуры. Затем оно проходит через зону отлежки. В зоне отлежки 6 происходит выравнивание температуры слоя, а также выход влаги из внутренних слоев материала на ее поверхность. Датчики 3, расположенные в зоне отлежки 6 определяют температуру зерна. По значениям температуры материала в зоне отлежки определяется продолжительность обдува материала в следующей зоне - зоне охлаждения 7. В зоне охлаждения 7 производится обдув материала агентом сушки в псевдоожиженном слое. В качестве агента сушки служит атмосферный воздух с температурой 20...30С. При необходимости, в качестве агента сушки может служить и подогретый до нужной температуры воздух. Из-за организации псевдоожиженного слоя, происходит равномерное перемешивание материала и отвод вышедшей влаги, которая через систему вытяжки уходит наружу. Зерновой материал при прохождении через зону охлаждения 7 охлаждается на 5...10С от максимальной температуры нагрева. Датчики 3 и 4, расположенные в зоне охлаждения определяют температуру зерна, температуру и влажность агента сушки. Конечную температуру материала можно регулировать путем изменения напора и времени работы напорного вентилятора 18, а также перекрытием отверстий верхнего ряда конфузоров 20 системы равномерного распределения агента сушки. Далее высота слоя, с помощью устройства выравнивания высоты материала 9, выравнивается до заданного, и слой зерна проходит через остальные рабочие зоны.
Конвейерная СВЧ-установка работает на частоте 2,45 ГГц. В режиме сушки мощность электромагнитного излучения может изменяться в диапазоне 100...800 Вт/кг. Производительность установки регулируется изменением скорости конвейера, высоты слоя и мощности электромагнитного излучении. Интенсивность перемешивания материала в псевдоожиженном слое можно регулировать путем изменения напора вентилятора 18 и сечения отверстий верхнего ряда конфузоров 20 системы равномерного распределения агента сушки.
В режиме микроволновой обработки можно производить предпосевную электромагнитную стимуляцию и обеззараживание семян сельскохозяйственных культур, а также использовать микроволновую обработку комбикормов в целях повышения их санитарного качества и улучшения усвояемости при кормлении животных.
При предпосевной электромагнитной стимуляции семян сельскохозяйственных культур мощность электромагнитного излучения может изменяться в диапазоне 100... 500 Вт/кг, температура нагрева семян не превышает 40...45С. При работе на данном режиме задаются скорость конвейера СВЧ-установки, высота слоя, мощность электромагнитного излучения, температура нагрева семян и при необходимости продолжительность работы напорного вентилятора 18.
При обеззараживании семян сельскохозяйственных культур и тепловой обработке комбикормов, мощность электромагнитного излучения может изменяться в диапазоне 100...800 Вт/кг. При работе на данных режимах материал также проходит все зоны рабочих камер, и при необходимости может быть включен напорный вентилятор 18.
Конвейерная СВЧ-установка может применяться как в сельском хозяйстве, так и в пищевой и химической промышленности для сушки, обеззараживания и тепловой обработки различных сыпучих материалов.
Рассмотрим движение зерновки в конвейерной СВЧ-установке. Пусть материальная точка М (зерновка) движется горизонтально. С учетом того, что движение происходит в трех зонах, то на первом и втором участке характер движения материальной точки определяется как прямолинейное равномерное движение.
С целью установления скорости воздушного потока на выходе из сопел был проведен расчет в программном комплексе «Flowvision».
При экспериментальных исследованиях системы распределения воздушного с различными конструктивными параметрами было установлено, что скорость на выходе из сопел зависит от их угла наклона. По результатам, полученным многими исследователями [3, 58, 75, 96] выяснено, что наиболее интенсивное пронизывание воздушным потоком движущегося слоя семян происходит при расположении боковых стенок сопел под углом 58...62. Основываясь на эти данные, а также на результаты экспериментальных исследований, была определена картина распределения воздушного потока в разработанной системе.
Методика исследования динамики нагрева семян подсолнечника в СВЧ-сушильной камере
Нижний гель заливается следующим образом: 128 мл разливается в две секции. В лабораторный стакан с магнитом сливается 32 мл первого раствора. К нему добавляется 32 мл второго раствора и 64 мл раствора персульфата аммония и перемешивается на мешалке для жидких образцов. Нужно точно определить время перемешивания для достижения однородности геля.
Секция должна находиться в наклонном положении для вытеснения гелем воздуха. Наполнение производится до тех пор, пока до верхнего уровня останется 3-4 см для заливки верхнего геля. Затем устанавливаются полосы фильтровальной бумаги на разной высоте и гель заливается дистиллированной водой без смешивания с ним. Сигналом о завершении полимеризации является появление резкой черты между дистиллированной водой и гелем.
Верхний гель готовится с расчетом на две секции. Из 0.14 %-ного раствора персульфата аммония сливается в колбу 26 мл, взвешивается, добавляется 12.8 г сахарозы и объем доводится до 66 мл, приливается 22 мл четвертого раствора (буфер с рН 6.9) и 44 мл пятого раствора. Данный реактив устанавливается в мешалку и перемешивается. Пластиковые гребни выбираются с учетом возможности установки их промеж стекол. Верхний гель заливается в секцию доверху, устанавливаются гребни. Необходимо добиться отсутствия воздуха между зубьями гребней. Сигналом о завершении полимеризации является появление черты между гелем и зубами гребня.
При наличии готовых образцов первый гребень убирается, и из углубления отсасывается раствор, не вошедший в реакцию, при этом необходимо добиться целостности углубления. Данная процедура применяется для всех гелей. В завершении жидкость сливается с боковых приемников.
Приготовление и нанесение проб. Подготовить необходимое лабораторное оборудование, предварительно составив нумерацию для каждого образца. В каждый из чашек добавить поливинилполипиролидон (ПВП) в таком количестве, чтобы гомогенат был густым (для увеличения концентрации белка), но после центрифугирования осталось достаточно надосадочной жидкости (по 8 ферментам 2 блоков - около 350 мкл или по 35-40 на фермент.
Ростки семян перед экспериментом необходимо очистить от грязи и примесей и промыть в дистиллированной воде, затем высушить. Далее необходимо растереть ростки до однородной массы и смешать с экстрагирующим буфером. Полученная смесь перемещается в пробирки типа Эппендорф, и центрифугируется в течении нескольких минут. Надосадочную жидкость сливается и выдерживается в холодильнике не дольше дня. Режимы сушки, использованные для изоферментного анализа, представлены в таблице 3.6.
В приемник от гребня аккуратно нанести около 35 мкл образца. По завершению нанесения проб необходимо наслоить поверх образцов с одного угла геля холодный электродный буфер. Затем аккуратно снять с тыльной части геля резиновую подвязку, которая устанавливается с целью устранения вытекания геля.
Окрашивание. Изоферментный анализ позволяет определить частные ферменты после электрофореза измельченных тканей, которые представляют собой многообразные смеси белков. Гистохимическое окрашивание - это сопряжение реакции, катализируемой тем и иным ферментом, с одним из методов визуализации, обычно трансформацией растворимого красителя в нерастворимую форму с изменением цвета. Маркировка положения фермента в геле представляется в виде полос, которые возникают в местах выделения из раствора красителя.
Активизация областей белковой активности происходит при воздействии окрашивающего раствора на гель с пробами после электрофореза.
Семена, использованные для данного исследования, также были проверены на всхожесть и энергию прорастания в биохимической лаборатории ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ. Определение этих параметров проводили по ГОСТ 12038-84.
При выборе метода сушки семян подсолнечника наряду с энергозатратами на процесс и временем сушки необходимо учитывать качество получаемого продукта, которое во многом определяется химическим составом высушенного материала. Поэтому необходимо, чтобы в процессе сушки были сохранены, а по возможности и улучшены именно эти показатели. К данным показателям относятся содержание жиров и белковых веществ[19, 28, 44, 56, 110, 111]. Данный эксперимент был предназначен для определения содержания жиров и белковых веществ после сверхвысокочастотной сушки.
Данный метод заключается в том, что сырой жир извлекается из продукта растворителем, далее производится удаление растворителя, высушивание и взвешивание полученного жира по ГОСТ 29033-91 «Зерно и продукты его переработки. Метод определения жира».
Подготовка к испытанию проходила следующим образом. 1. Из имеющейся партии семян подсолнечника отобрали навеску массой (50 ± 1) г, очистили от примесей и измельчили на лабораторной мельнице до таких размеров, чтобы перемолотые семена прошли при просеивании через металлическое решето. 2. С целью обезжиривания фильтровальной бумаги в сосуд с плотно подогнанной крышкой налили 100 см диэтилового эфира. 3. Добившись достижения растворителя верхнего края сосуда, удалили фильтровальную бумагу. Оставив сосуд в открытом состоянии, дали растворителю испариться и срезали полоску от верхнего края бумаги шириной 4 см. 4. Для приготовления бумажных трубок из фильтровальной бумаги часть бумаги прямоугольной формы прямоугольный кусок накрутили на деревянную форму. В процессе накручивания свободный конец подгибали с целью получения основания трубки. Изготовленная трубка должна быть с дублированными стенками и диаметром на 0,5 см меньше диаметра экстрактора. На дно трубки установили кусок ваты, смоченной в спирте.
Эксперимент проводился следующим образом: измельченные семена подсолнечника массой 10 г., взвешенные с точностью до 0,01 г, разместили в приготовленную трубку из фильтровальной бумаги. Сверху положили кусок смоченной в спирте ваты. Затем трубку переставили в экстрактор аппарата Сокслета.
Определение распределения температуры по объему СВЧ-сушильной камеры
На рисунке 4.16 по электрофореграмме изоферментов глутаматдегидрогеназы заметно уменьшение активности образцов №2 и №14. Следовательно, определив по таблице 4.1 режим сушки определено, что для режима №2 данное снижение активности связано с обработкой образца в течение долгого промежутка времени. Следовательно, даже при малых мощностях СВЧ-излучения в течение длительной обработки также с ферментами происходят необратимые изменения.
Результаты проверки семян подсолнечника на энергию прорастания и всхожесть показывают, что максимальная температура нагрева семян для семенных целей ограничивается температурой в 60С, что подтверждается низкой активностью ферментов в образцах на электрофореграммах изоферментов. Определено, что у семян с более высокой влажностью снижение энергии прорастания и всхожести наблюдается при более низких температурах. Нагрев семян выше предельной температуры способствует денатурации белков, особенно при высокой влажности семян. Данный факт указывает на тесную связь между степень денатурации фермента, начальной влажностью и временем воздействия высоких температур.
Соответствующие акты по проведенным лабораторным испытаниям на белковую активность, энергию прорастания и всхожесть представлены в приложениях И и К.
Номер образца Масса пакета с боксом, г Массапакета снавеской ибоксом, г Массанавески,г Масса пакета с навеской ибоксом после высушивания приt=100...105C Содержание жира, %
Было определено, что наиболее оптимальным режимом, в котором определен максимальный выход масла, является режим с температурой нагрева семян до 60С, с мощностью СВЧ-излучения Р = 800 Вт. Как показали исследования, СВЧ-нагрев масличных семян до температур порядка 50-60С (в зависимости от вида семян, их влажности и степени зрелости) способствует переходу фосфолипидов в масло при его извлечении в процессе производства. Кроме того, повышается гидратируемость получаемых масел.
Акты проведенных испытаний на определение влияния сверхвысокочастотной сушки на качественные показатели семян подсолнечника приведены в приложении Л.
В ходе проведенных исследований было определено, что при увеличении таких параметров как мощность СВЧ и температура нагрева семян, можно существенно интенсифицировать процесс сушки. Однако, при чрезмерном увеличении этих параметров наблюдается снижение качества обрабатываемого продукта и энергетической эффективности процесса сушки.
Для определения степени воздействия данных параметров, были определены удельные затраты теплоты на испарение 1 кг влаги из семян. В ходе обработки (4.1) полученных результатов были определены уравнения регрессии, характеризующие совместное влияние подводимой мощности СВЧ и начальной влажности семян. Проанализировав уравнение (4.1) можно сделать вывод, что основным фактором, влияющим на параметр оптимизации является начальная влажность семян, причем при увеличении ее затраты теплоты снижаются, при уменьшении -повышаются.
Графическое отображение поверхности отклика от взаимодействия начальной влажности Двумерное сечение поверхности отклика влияния Ти Р на Qyd На основании полученных результатов определено, что оптимальным режимом сушки семян подсолнечника является сушка при мощности СВЧ-излучения Р = 800 Вт при температуре нагрева Т = 40С, время СВЧ-нагрева t = 26 мин. При этих параметрах сохраняется высокое качество обработанных семян и также минимальны затраты на сушку (Qyd = 2,61 МДж/кгвлаги). Статистический анализ для данных исследований представлен в приложении М и Н. Выводы по главе
1. Исследование динамики нагрева семян подсолнечника при СВЧ-нагреве показали, что основными параметрами, влияющими на динамику нагрева семян являются начальная влажность и мощность СВЧ-излучения. При высокой начальной влажности и увеличении мощности СВЧ-излучения происходит повышение температуры нагрева.
2. Анализ графика температуры показывает целесообразность применения зоны отлежки после СВЧ-нагрева. Проведенные исследования показали правильность выбора технологической схемы СВЧ-сушки семян подсолнечника. Были определены основные режимные параметры - время нагрева, отлежки и охлаждения, а также диапазоны температур нагрева семян, предназначенных для различных целей.
3. Исследование биохимического и физиологического состояния семян подсолнечника после СВЧ-сушки позволили определить, что использованные режимы сушки существенно не нарушают биохимический и физиологический статус клетки. Ключевым параметром, приводящим к изменению активности ферментов семян подсолнечника является температура нагрева семян. Проведенная проверка на всхожесть и энергию прорастания говорит о том, что наиболее важным параметром, приводящим к снижению всхожести семян являются температура и время нагрева семян.
4. Анализ качественных показателей семян подсолнечника выявил, что наиболее оптимальным режимом, в котором определен максимальный выход масла, является режим с температурой нагрева семян до 60С, с мощностью СВЧ Р = 800 Вт. К тому же, данный режим позволяет увеличить выход масла на 12-13%.
Разработанная конвейерная установка для СВЧ-сушки семян подсолнечника прошла производственные испытания и была внедрена в ООО Агрофирма «Иртюбяк» Кугарчинского района Республики Башкортостан.
При проведении исследований по сушке семян подсолнечника установка входила в состав технологической линии послеуборочной обработки семян подсолнечника, включающей в себя винтовой погрузчик, пневмосортировальную машину ПСМ-5 и СВЧ-сушильную установку.
Предварительная очистка семян производилась на семяочистительной машине «ПЕТКУС» К-527. После этого при помощи винтового погрузчика загружались в бункер СВЧ-установки, где просушивались до кондиционной влажности.
Режим сушки для семенного материала был следующим: мощность подводимого СВЧ-излучения 600 Вт, температура нагрева семян 28-30С, температура воздуха 20-22С, продолжительность СВЧ-нагрева 30 мин. Производительность установки составила 350 кг/ч. В процессе сушки производили контроль температуры нагрева, скорость воздушного потока, начальную и конечную влажность семян. Общий вид технологической линии подработки семян подсолнечника представлен на рисунке 5.1. В ходе проведенных испытаний были подтверждены определенные ранее режимные параметры установки, проведенные в лабораторных условиях Башкирского ГАУ. За период проведения испытаний не наблюдались поломки установки и снижение качества высушенных семян.