Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 9
1.1 Эффективность тепловой обработки зерна и продуктов его переработки 9
1.2 Классификация комбикормов 9
1.3 Кормовые качества зерна 11
1.4 Способы переработки и тепловой обработки зерна 17
1.5 Современные технологии тепловой обработки зерна 25
1.6 Анализ и классификация средств механизации процесса тепловой обработки зерна 26
1.7 Анализ результатов исследований о влиянии тепловой обработки зерна на его обеззараживание и кормовые свойства 33
Выводы по главе и задачи исследований 38
Глава 2 Теоретическое обоснование технологического процесса обжаривания зерновок ячменя в среде нагретого кормового жира 41
2.1 Технология обжаривания зерна ячменя, конструктивно-технологическая схема установки и принцип её работы 42
2.2 Исследование движения зерновой материальной частицы на поверхности винтовой линии шнека 45
2.3 Кинематика материальной частицы корма на поверхности витка шнека 54
2.4 Расчет мощности шнекового рабочего органа на выходе 57
2.5 Программное обеспечение расчета координат движения частицы зерна Scnec 1 59
2.6 Тепловой расчет установки для обжаривания зерна ячменя 65
Выводы по главе 68
Глава 3 Методика экспериментальных исследований 70
3.1 Общая методика экспериментальных исследований 70
3.2 Программа и методика исследований установки для обжаривания зерна ячменя 71
3.3 Методика экспериментальных исследований размерно-массовых характеристик зерна ячменя 72
3.4 Методика экспериментальных исследований физико-химических свойств зерна ячменя 73
3.4.1 Определение гигроскопической воды 73
3.4.2 Определение сырой золы 75
3.4.3 Определение сырого протеина методом Къельдаля 76
3.4.4 Определение сырого жира 77
3.5 Определение сырой клетчатки 78
3.4.6 Определение водорастворимых углеводов 79
3.4.7 Определение калорийности корма 80
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 81
4.1 Влияние обжаривания зерна ячменя в среде нагретого кормового жира на его физико-химические показатели 81
4.2 Оптимизация технологических режимов установки для обжаривания зерна ячменя 85
4.3 Обоснование конструктивно-режимных параметров работы установки для обжаривания зерна ячменя 92
Выводы по главе 99
Глава 5 Экономическая эффективность процесса обжаривания зерна ячменя с использованием разработанной установки 100
5.1 Определение стоимости изготовления установки для обжаривания зерна ячменя 100
5.2 Определение экономической эффективности производства поджаренного зерна ячменя по показателю себестоимости обменной энергии 101
5.3 Определение экономической эффективности внедрения установки
для обжаривания зерна ячменя в производство 102
Заключение 106
Список литературы
- Способы переработки и тепловой обработки зерна
- Исследование движения зерновой материальной частицы на поверхности винтовой линии шнека
- Методика экспериментальных исследований размерно-массовых характеристик зерна ячменя
- Обоснование конструктивно-режимных параметров работы установки для обжаривания зерна ячменя
Способы переработки и тепловой обработки зерна
Зерно – это один из основных компонентов комбикормов, на долю которого приходится от 30 до 70% по массе в зависимости от рецепта. Комбикормовая промышленность выпускает широкий ассортимент продукции, являющейся готовым к употреблению кормом или составной частью для приготовления различных комбикормов и кормовых добавок.
Комбикорма производят практически для всех видов продуктивных сельскохозяйственных животных с целью подкормки и основного кормления. По форме комбикорма подразделяют на рассыпные, гранулированные, крупки, брикетированные, крошки; по кормовой ценности — на комбикорма-концентраты и полнорационные комбикорма.
Полнорационные комбикорма (ПК) обеспечивают потребность животных в питательных и биологически активных веществах. Вырабатываются они в основном для кормления птицы. Обычно, при их использовании другие кормовые добавки не требуются.
Кормовые смеси (КС) представляют собой продукт, изготовленный в виде однородной массы, содержащий неполный набор необходимых питательных веществ. В основном, их изготавливают для крупного рогатого скота из побочных продуктов крупяного производства (мучки, лузги) с добавлением карбамида, мелассы, соли и других добавок.
Комбикорма-концентраты (КК) характеризуются повышенным содержанием протеина, минеральных веществ и микродобавок. Эти корма предназначены для крупного рогатого скота, свиней и кроликов. Их скармливают животным для обеспечения более полноценного кормления в нормированном согласно рациону количестве как дополнение к зерновым, грубым и сочным кормовым средствам.
Комбикормовые добавки используются совместно с другими кормами для установления баланса питательных веществ.
Амидо-витаминно-минералъная добавка (АВМД) — белково-витаминно-минеральная добавка, в которой часть белковых веществ заменена небелковыми азотистыми веществами (аммонийными солями, карбамидом), предназначенная для приготовления комбикормов жвачным животным. Карбамид разлагается на диоксид углерода и аммиак ферментами, выделяемыми микроорганизмами преджелудков жвачных животных, после чего эти соединения синтезируются в белок, полноценно усваиваемый животными.
Белково-витаминно-минеральные добавки (БВМД) представляют собой однородную смесь измельченных до необходимого размера минеральных и высокобелковых кормов, обогащенную биологически активными веществами (аминокислотами, витаминами, микроэлементами и др.). Использование БВМД непосредственно для скармливания животным запрещено из-за прямого вредного воздействия, которое они могут оказать на сельскохозяйственных животных, поедающих комбикорм с завышенным содержанием протеина (до 45...50 %). Чаще всего их применяют на предприятиях с целью производства комбикормов, основой которых является кормовое зерно. При использовании белково-витаминно-минеральных добавок на предприятиях, находящихся при животноводческих хозяйствах, уменьшаются расходы на перемещение сырья, повышается степень их обеспечения комбикормами в необходимом ассортименте.
Премиксы (П) — комбикормовые добавки, представляющие собой однородную высокодисперсную смесь веществ, обладающих высокой биологической активностью, и наполнителя (к примеру, мелких отрубей). Для обогащения кормов в них добавляют премиксы в следующем количестве: 0,5...1,0 и 4,0...5,0 %.
Премиксы производят на специализированных предприятиях, оснащенных целым комплексом современного модернизированного оборудования для тонкого измельчения сырья, ввода жидких компонентов, сушилками наполнителя и т. д. В настоящее время премиксы с различным составом биологически активных веществ представлены несколькими видами: универсальные, витаминно-аминокислотные, минеральные и лечебные. Универсальные премиксы относят к профилактическим в связи с повышенной концентрацией лекарственных веществ и витаминов [13, 68, 110].
По органолептическим и физико-химическим показателям зерно должно соответствовать требованиям государственных стандартов. Кормовые качества зерна (кроме химического состава) оценивают по его натуре (полноте), цвету, блеску, запаху, влажности, вкусу и чистоте. Учитывают также показатель кислотности, пораженность плесневыми и другими грибами (спорыньей, головней, ржавчиной и др.), зараженность амбарными вредителями.
Натура зерна – один из качественных показателей, выражается массой зерна (г), занимающего объем 1 дм3. В зависимости от сорта растений, условий вегетации и сроков уборки натура зерна может меняться в широких пределах от 460 грамм для овса до 830 грамм для сои.
Завершающим этапом производства зерна, от которого в решающей степени зависят его качественные показатели и сохранность, является послеуборочная обработка. Зерно – это полноценный живой организм, по своему строению представляющий структуру капиллярно-пористого коллоидного тело. В зерне содержится огромное количество микропор, а также микро - и макрокапилляров, по которым вода циркулирует и перемещается от поверхности к внутренним частям, и наоборот. Влага имеет важное значение для всех жизненных процессов зерна. К примеру, её избыток к самосогреванию и, соответственно, порче зерновой массы.
Для сохранения высокого качества убранного зерна и подготовки к длительному хранению следует в кратчайшие сроки удалить из него влагу. При помощи применения высоких скоростей режимов сушки, которые зависят от температуры сушки и уникальности сушильного оборудования, это стало достижимым [7]. И все же, варианты повышения температуры ограничены отдельными факторами: глубокими изменениями в отдельных структурных частях зерна; потерей всхожести; нарушением целостности биологической структуры; изменением качественных характеристик. Зерно с повышенной влажностью невозможно сохранить в течение длительного срока без потери его качества, так как в нём быстро развивается вредная микрофлора, повышается интенсивность дыхания, что приводит к самосогреванию и порче зерновой массы [100, 119].
В высушенном зерне жизнедеятельность микроорганизмов почти приостанавливается, что дает возможность для сохранения его в течение длительного времени без потери качества. Целью сушки является, прежде всего, снижение значения влажности до кондиционного порога.
Исследование движения зерновой материальной частицы на поверхности винтовой линии шнека
Для повышения переваримости питательных веществ зернового корма применяют различные способы его переработки.
Измельчение – один из самых распространенных способов подготовки зерновых кормов к дальнейшей переработке. При размоле, дроблении и плющении твердая оболочка зерна разрушается, питательные вещества становятся более доступными воздействию ферментов и пищеварительных соков, что способствует повышению усвояемости корма.
Принцип технологии заготовки консервированного плющеного зерна такой же, как и при силосовании трав, то есть хранение кормовой массы с использованием консерванта в герметичных условиях, препятствующих деятельности микроорганизмов, портящих корм.
При плющении зерна одновременно через дозатор вносится консервант, консервированная масса транспортером подается непосредственно в места хранения с равномерным распределением по поверхности. Плющилка должна быть отрегулирована таким образом, чтобы каждое зернышко было расплющено. Наличие неплющеного зерна недопустимо.
Толщина плющеного зерна должна быть в пределах 0,6…2,0 мм, в зависимости от вида животных, которым оно будет скармливаться, в частности: для крупного рогатого скота – 1,0…1,8 мм; свиней — 0,6…1,1 мм.
Для плющения пригодны все виды злаковых и бобовых (овес, ячмень, пшеница, тритикале, рожь, горох, кукуруза), а также их смеси. Поджаривание придает зерну приятный вкус, повышает усвояемость крахмальных веществ. Так, обычно поджаривают ячмень, пшеницу, горох и бобы. Перед поджариванием зерно смачивают водой для обогащения влагой (набухания), затем насыпают на железный лист или чугунную плиту тонким слоем и подогревают, постоянно перемешивая, до приобретения им светло-бурого или коричневого окрашивания. Поджаривают зерно поросятам-сосунам и поросятам – отъемы-шам.
Варка и запаривание применяется с целью денатурации белка и приобретения кормами полноценности. При этом зерна измельчают и варят в течение одного часа или запаривают в кормозапарнике 30…40 минут.
Осолаживание применяют с целью улучшения вкуса крахмалистых кормов путем перевода части крахмальных веществ в сахар – мальтозу, при этом его содержание достигает 12…15 % и корм становится сладковатым.
Дрожжевание применяется с целью обогащения корма дрожжами, молочнокислыми бактериями, витаминами группы В, в результате улучшаются его вкусовые и диетические качества.
Экструзией называется один из наиболее эффективных способов обработки зерна. Измельченное зерно, попадая в пресс-экструдер, под действием высокого давления (2,5…3,0 МПа) и трения подогревается до температуры 150…180 С, в результате приобретает вид однородной массы. Из-за резкого перепада давления при выходе из экструдера зерновая масса вспучивается и становится продуктом с микропористой структуры (вследствие желатинизации крахмала, деструкции цел-люлозо-лигниновых образований). Питательная ценность зерна при этом существенно увеличивается, содержание сахара-мальтозы повышается на 15%, а количество декстринов возрастает в 5 раз. Процесс микронизации заключается в обработке зерновой массы инфракрасными лучами, которые вызывают интенсивное движение и вибрацию молекул. В результате поверхностная влага испаряется, резко возрастает давление, зерно набухает, вспучивается и растрескивается. При микронизации до 98 % крахмала расщепляется до сахаров. Кроме того, микрони 19 зация способствует разрушению антипитательных веществ, уничтожению вредной микрофлоры, плесневых и других грибов.
Одна из важнейших стадий технологического процесса при производстве комбикормов — тепловая обработка зернового и зернобобового сырья. К ней относятся: поджаривание на металлической поверхности (кондуктивный метод), конвективно-кондуктивный метод, экструдирование, обжарка горячим воздухом (конвективный метод), обработка ИК-лучами (микронизация), пропаривание с последующим поджариванием или плющением, а также экспандирование.
Как правило, критериями оценки каждого из вышеперечисленных способов тепловой обработки служат: изменение свойств белковых веществ (переваримость, состав); изменение свойств крахмала (переваримость; степень декстрини-зации и клейстеризации). Суммарный эффект тепловой обработки оценивают увеличением показателя прироста живой массы сельскохозяйственных животных, снижением удельных затрат и издержек на производство корма [120, 121, 122].
В современных технологиях обжарки пищевых продуктов широкое распространение получило использование инертных высокотемпературных теплоносителей, а именно перегретого пара. Это объясняется тем, что перегретый пар обладает высоким коэффициентом теплоотдачи, значительной удельной теплоемкостью и экономически выгодным энергетическим КПД, что позволяет исключить окисление жиров за счет соблюдения анаэробных условий (отсутствие кислорода).
На первом этапе процесса обжарки из зерновок ячменя активно испаряется поверхностная влага, при этом обеспечивается отвод от продукта образовавшихся водяных паров. Как правило, этого возможно достигнуть за счет увеличения скорости теплоносителя.
Таким образом, разработан ступенчатый режим обжарки зерна ячменя с соблюдением условий повышения температуры и снижения скорости движения теплоносителя (таблица 1.4), позволяющий получить продукт высокого качества (таблица 1.5) при минимальных затратах энергии.
Методика экспериментальных исследований размерно-массовых характеристик зерна ячменя
Внутри загрузочного кожуха перераспределение частиц приведет к тому, что ускорение будет изменяться (данное изменение представлено на рисунке 2.13). По мере продвижения частицы относительно оси шнека Fтр будет увеличиваться и в некоторый момент времени компенсирует центробежные силы Рцб. При попадании (подаче) частицы в кожух шнека радиальная скорость частицы погасится достаточно быстро дополнительной силой со стороны кожуха. Поэтому мы можем считать, что vR = 0. Отсюда следует вывод, что внутри кожуха шнека
Математическая модель для расчета координат движения частиц зерна была запрограммирована на языке Visual Basic из пакета программы Visual Studio 2010.
Для решения системы дифференциальных уравнений был выбран метод Рунге-Кутты, позволяющий получить высокую точность результатов. Блок - схема программы, показывающая ход решения задачи, представлена на рисунке 2.14.
При определении величины шага основывались на результатах, полученных путем оптимизации конструктивно-режимных параметров работы устройства. Следует отметить, что степень точности получаемых результатов зависит от величины расчетного шага по времени. В данной программе Scnecl предусмотрено построение графической зависимости изменения координат частицы с течением времени сразу после проведения автоматизированного расчета координат на основании значений введенных исходных данных. Все представленные переменные имеют размерность в системе единиц СИ.
Алгоритм программы для расчета координат движения частицы по поверхности шнека Используя разработанную программу на ПЭВМ, успешно были выполнены расчеты траектории движения частицы зерна ячменя по поверхности шнекового рабочего органа (определены координаты частицы), а также установлена математическая зависимость изменения поступательной скорости движения зерна в среде нагретого кормового жира.
Графические зависимости полученных результатов, а также значения координат частицы во всех точках её нахождения в период времени от 0 до 108 секунд (после чего происходит выгрузка обжаренного зерна из устройства и значение времени в программе вновь обнуляется) наглядно представлены на рисунках 2.15…2.17.
Графическое изображение изменения координат частицы с течением времени На рисунке 2.17 представлена графическая зависимость, из которой видно, что движение частицы зерна характеризуется изменением её координат x, , r в цилиндрической системе с течением времени от момента загрузки продукта до его выгрузки по истечении 100 секунд.
Изменение координаты х характеризует движение частицы относительно оси выгрузного винтового транспортера. При этом координата материальной точки (зерновки ячменя) равномерно изменяется, уменьшая свое абсолютное значение с течением времени, что связано с перемещением корма на выгрузку, то есть обнулением значения координаты х.
Изменение координаты характеризует движение частицы зерна в пространстве между витками шнека (а именно, отрезке между двумя соседними витками). При этом координата частицы увеличивает свое абсолютное значение с течением времени, что связано с возрастанием скорости движения частицы между витками шнека за счет приобретения частичного ускорения в процессе движения в жировой среде, способствующей равномерному снижению коэффициента трения выгружаемого продукта.
Изменение координаты r характеризует движение материальной частицы относительно собственной оси, то есть радиальное «вращение» зерновки ячменя. В данном случае, движение описывается колебательной кривой с определенной амплитудой, что связано с изменением значения координаты r в незначительных интервалах.
Так как при перемещении зерновки относительно оси шнека собственная радиальная скорость частицы достаточно быстро погасится дополнительной силой со стороны кожуха, мы можем считать, что R=0 и координата r незначительно изменяет свое значение с течением времени.
Анализируя графические зависимости, мы получили объективные данные о характере движения частицы зерна в выгрузном винтовом транспортере. При изменении значений исходных данных координаты частицы будут менять свое значение, при этом характер движения остается неизменным, но осевая скорость передвижения частицы также будет меняться.
Обоснование конструктивно-режимных параметров работы установки для обжаривания зерна ячменя
Сырой жир оказывает огромное влияние на общую питательность корма, с увеличением содержания которого в корме увеличиваются продуктивные показатели, привесы и приросты живой массы животного, а также улучшается иммунитет [11]. Белки – основа жизни организмов – играют важную роль во всех процессах обмена веществ. Белки выполняют структурные и каталитические функции.
Сырой протеин – источник белка, выражающий сумму всех азотистых соединений (белка и небелковых соединений). Сырой протеин20,5
Зависимость содержания сырого протеина в зерне от времени выдержки при тепловой обработке в жировой среде Максимальное количество сырого протеина наблюдается при температуре в интервале 150... 155 С (рисунок 4.3) и времени выдержки 80... 100 с (рисунок 4.4), достигая значения 20,70 %. При температуре 150 С и увеличении времени выдержки наблюдается повышение наличия сырого протеина, достигающего максимума при 155 С, затем (при увеличении температуры) количество протеина уменьшается.
Зависимость содержания сырой клетчатки в зерне от времени выдержки при тепловой обработке в жировой среде Сырая клетчатка является своеобразным «строительным материалом» для всего организма животного и способствует повышению усвояемости корма [12, 15, 18].
Содержание клетчатки уменьшается с увеличением температуры, что связано с химическими превращениями, происходящими в зерне в данных условиях. При времени выдержки 120 с и температуре 170 С содержание клетчатки самое низкое (рисунок 4.5; рисунок 4.6).
Также прослеживается зависимость между углом наклона выгрузного шнека и содержанием сырого протеина, сырого жира и сырой клетчатки (при соблюдении вышеуказанного интервала температуры и времени выдержки).
На рисунке 4.7 мы наблюдаем графическую зависимость, из которой видно, что максимальное количество сырого жира в зерне составляет 13,95% при соблюдении угла наклона выгрузного винтового транспортера 30,0…30,5 град.
Анализируя графическую зависимость, представленную на рисунке 4.8, наблюдаем увеличение содержания сырого протеина в зерне до 20,70% при соблюдении угла наклона выгрузного винтового транспортера 30,0…30,5 град.
Зависимость содержания сырого протеина в зерне от угла наклона выгрузного винтового транспортера
Таким образом, на основе экспериментальных данных, полученных путем обжаривания зерновой массы ячменя в установке в нагретой жировой среде при температуре 154…155 С, времени выдержки 106…108 с. и угле наклона выгрузного винтового транспортера 30,0…30,5 град. прослеживается определенная зависимость между вышеуказанными показателями и питательностью зерна ячменя.
Исходя из результатов исследований следует, что зерно непосредственно перед скармливанием необходимо подвергнуть тепловой обработке с целью повышения его питательной ценности, вкусовых качеств и обеззараживания. Зерно злаковых культур содержит до 50 % крахмала, на усвоение которого животные затрачивают большое количество энергии, которая могла бы использоваться для получения высоких продуктивных показателей содержания мяса, жира и молока, в случае его предварительной тепловой обработки.
Оптимизация технологических режимов установки для обжаривания зерна ячменя На основании вышеуказанных данных и в соответствии с принятой методикой для исследования области оптимума был реализован план Рехтшафнера для 3 86 х факторного эксперимента (Приложение Д, Е). Критерием оптимизации являлась питательность корма в Дж. Факторы, их уровни и интервалы варьирования представлены в таблице 4.1.
Поскольку все коэффициенты при квадратных членах имеют отрицательные знаки, то поверхности откликов, описанные уравнениями (4.8), (4.9), (4.10) и (4.11), представляют не что иное, как трехмерные параболоиды с координатами центров поверхностей в оптимальных значениях факторов.
В качестве основного критерия оптимизации была принята максимальная питательность П = 17000 Дж.
Дополнительными критериями оптимизации приняты: процентное содержание сырого протеина СП, сырого жира СЖ, сырой клетчатки СК.
При этом решалась компромиссная задача, в которой требовалось найти значения факторов, дающих максимальное значение питательности при заданном уровне процентного содержания сырого протеина СП (20,64 %), сырого жира СЖ (12,80 %), сырой клетчатки СК (3,40 %).
При рассмотрении двумерного сечения поверхности отклика по уравнениям регрессии относительно факторов (х1) и (х2), а фактор (х3) фиксировался на уровне, оптимальном по основному критерию оптимизации: х3 = – 0,04.
Анализ двумерного сечения (рисунок 4.9) показывает, что поверхности откликов имеют общую зону оптимума, рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х1= – 0,6…– 0,5 и х2 = + 0,3…+ 0,4.
При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнениям регрессии относительно факторов (х1) и (х3), фактор (х2) фиксировался на уровне, оптимальном по основному критерию оптимизации: х2 = – 0,04. Рисунок 4.9 – Двумерное сечение для изучения влияния факторов х1 и х2 при х3 = – 0,04 на % сырого протеина СП, сырого жира СЖ, сырой клетчатки СК и питательности П Анализ приведенного двумерного сечения (рисунок 4.10) показывает, что поверхности откликов имеют общую зону оптимума. Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х1= – 0,6…– 0,5 и х3 = 0,0…+ 0,1.
Рисунок 4.10 – Двумерное сечение для изучения влияния факторов х1 и х3 при х2= – 0,04 на % сырого протеина СП, сырого жира СЖ, сырой клетчатки СК и питательности П При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнениям регрессии относительно факторов х2 и х3, а фактор х1 фиксировался на уровне, оптимальном по основному критерию оптимизации: х1 = – 0,6. Анализ приведенного двумерного сечения (рисунок 4.11) показывает, что поверхности откликов имеют общую зону оптимума. Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х2= + 0,3 …+ 0,4 и х3 = 0 …+ 0,1.
