Введение к работе
Актуальность работы. Как бы не менялась социально-экономическая ситуация в стране, от эпохи застоя и стабилизации народного хозяйства до периода перехода к рыночным отношениям и формирования многоукладности - создание прочной кормовой базы является основой (фундаментом) благополучного существования любой отрасли животноводства. Количество заготавливаемых кормов, их качество и величина потерь при консервировании и хранении - главные критерии состояния кормовой базы. Поэтому проблемы заготовки, консервирования растительного сырья, сохранения и использования готового продукта были всегда острыми и значимыми
Величина потерь питательного и продуктивного потенциала разных видов влажного фуражного кормового сырья есть функция уровня совокупной концентрации фито- и микробных энзимов, скорости накопления органических кислот-депрессоров роста микроорганизмов и ингибиторов брожения, а также способов и качества заготовки кормов и условий их хранения. Максимальная величина потерь достигает 30% и выше.
Концепция развития кормопроизводства, основывающаяся на анализе современного состояния отрасли и научно-обоснованных перспективах ее развития, предусматривает не только разработку и внедрение высокоэффективных технологий заготовки и хранения кормов, но и снижение затрат энергии при производстве и использовании силоса, сена, фуражного зерна, травяной муки. К числу прогрессивных способов заготовки кормов относятся активное вентилирование и химическое консервирование, которые позволяют при этом существенно снизить огромные потери и только за счет этого увеличить выход кормовых единиц в масштабах России свыше 25 млн. тонн.
Химические препараты, внесенные во влажное кормовое сырье, ингибируют в нем развитие гнилостных и маслянокислых бактерий, подавляют развитие плесневых грибков, замедляют дыхание растительных клеток, тормозят деятельность газообразующих микроорганизмов, предупреждают денатурацию питательных веществ и тем самым создают благоприятные условия для их сохранности и влияния на организм животных, поедающих консервированный корм. Считается, что по сравнению с обычным силосом в консервированном корме всегда выше концентрация питательных веществ.
Химическое консервирование влажного зерна и трав при заготовке сена исключает расход жидкого топлива и гарантирует сохранение корма в период обработки и последующего хранения, однако требует значительного расхода дорогостоящих консервантов от 5 до 30 литров на 1 т сырья. Использование же консерванта в объемной форме в виде его паров при вентилирования неподогретым воздухом, благодаря его влагопоглощающей способности, обеспечивает уменьшение энергозатрат до уровня 170..250 МДж против 350..400 МДж при активном вентилировании подогретым воздухом и снижает расход консерванта в 1,5...2,0 раза по сравнению с обычным химическим консервированием.
Проблему химического консервирования кормов необходимо рассматривать с учетом всех факторов, в том числе качества растительного сырья, химического вещества (консерванта), технических средств для внесения, технологии внесения, реакции организма животных, которые будут поедать обработанный корм и вопросы безопасности людей, участвующих при заготовке корма.
Технология применения консервантов кормов включает операции хранения, транспортировки и внесения их в растительное сырье, а также наличие научно- обоснованной методики оценки, как технологического процесса, так и работы основных механизмов, применяемых для реализации этого процесса. Рассмотрению указанных аспектов проблемы сохранения влажного сырья и разработке научного обеспечения и механизации химического консервирования кормов посвящена данная работа.
Исследования и разработки, составившие основу диссертации, выполнены во ВНИП-ГИХИМе по планам научно-исследовательских опытно-конструкторских работ на
1984...1988 гг., 1988...1990 гг., 1989...1991 гг. и 1990...1995 гг. в соответствии с утвержденными Государственным комитетом по науке и технике СССР проблемам и заданиям:
задание ГКНТ № 378 от 13.06.1984 г. «Разработать и внедрить в РСФСР операционные технологии транспортировки, хранения и внесения консервантов в корма» - 1984-1988 годы;
задания Минсельхозпрода РСФСР 07.02.01. «Усовершенствовать технологию внесения консервирующих препаратов в корма (силос, сено) в процессе их закладки на стацио-
'наре» - 1988-1990 годы.
задание Госагропрома РСФСР 20.002-89 «Отработать в хозяйственных условиях технологию сохранения влажного фуражного зерна вентилированием его смесью консервирующих добавок с воздухом» - 1989-1991 годы.
задание РАСХН - 02.01.06 «Разработать эффективные технологии и технологические средства заготовки, хранения и приготовления кормов, обеспечивающие высокую их сохранность и питательную ценность» - 1990-1995 годы.
Цель исследований - разработка эффективных ресурсосберегающих технологий и технических средств сохранения влажных кормов с применением химических консервантов, обеспечивающих существенный научно-технический прогресс в системе заготовки кормов путем снижения не только потерь питательного и продуктивного потенциала, но и удельных энергозатрат при их заготовке, консервировании и хранении.
Объекты исследования - влажный зерновой ворох, подвяленные травы, скирды сена, свежескошенные травы, силос, химические консерванты, процессы и рабочие органы для заготовки кормов, емкости, дозирующие установки, смесители и распылители консервирующих препаратов
Методика исследований. Физико-химические свойства влажного кормового сырья, а также физико-химические свойства химпрепаратов определяли по специально разработанным нами методикам, а также методикам, разработанным институтом кормов (ВИК), институтом животноводства (ВИЖ) и в соответствии с государственными и отраслевыми стандартами (ГОСТ 12041-78, ГОСТ 4808-87, ГОСТ 24230-80, ГОСТ 2363-79, ОСТ 46125-82).
Потери питательных веществ в обработанном корме определяли в соответствии с «Методическими указаниями о проведении опытов по силосованию кормов» (М.,1968). При проведении опытов, имитирующих технологические процессы, количество растительной массы устанавливалось в соответствии с методическими указаниями, разработанными институтом кормов «Методика проведения полевых опытов с кормовыми культурами» (М.,1971), атакже - с «Методическими рекомендациями по изучению в лабораторных условиях консервирующих свойств химических консервантов, используемых при силосовании кормов» (Дубровицы,1983) При разработке механизма взаимодействия растительного сырья с химпрепаратами использовали экспериментально-теоретический метод исследования. Теоретические основы процесса сорбции растительным сырьём паров консервантов разрабатывали, исходя из основных теоретических законов сорбционных процессов для газов и паров известных зернистых поглотителей. Принимали, что любой сорбционный процесс описывается уравнениями изотермы сорбции, кинетики сорбции и баланса вещества.
При экспериментальном исследовании системы «влажное сырье - химпрепарат» применяли метод однофакторного эксперимента. Определяли функциональную зависимость при различных комбинациях изменения одного из основных факторов и постоянстве других.
Функциональные зависимости взаимодействия влажного кормового сырья с паровоздушной смесью получены на специально разработанной лабораторной установке, состоящей из испарителя - (генератора) пара консерванта высокой концентрации, смєситєліі паров с воздухом, емкости для обработки исследуемого сырья, увлажнителя воздуха и системы подачи консервирующей смеси. Конструктивная схема установки позволяла изменять основные режимы обработки, применяемые в реальных производственных условиях:, подача смеси от 50 до 1000 м э/ч т с погрешностью, не превышающей ± 2,5%, относительная влажность воздуха - от 60 до 90% ± 1,5%, концентрация паров от 0,1 до 10 мг/м 3 ± 2,0%. влаж-
ность исходного сырья от 25 до 45% ± 2,0%.
Питательность и химический состав обработанного сырья определяли в условиях Московской, Тамбовской, Белгородской и Калужской лабораторий станций химизации сельского хозяйства в соответствии с Инструкцией ло анализам кормов и методикам ЦИНАО.
Технологические режимы и параметры рабочих органов оборудования, обеспечивающие выполнение агротехнических требований, надежности и безопасности работ, исследовали на макетных и экспериментальных образцах в производственных условиях и при ведомственных испытаниях в различных регионах бывшего СССР и РФ.
Результаты экспериментов обрабатывали методами математической статистики и в соответствии с требованиями ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».
Основные научные результаты:
закономерности распределения химпрепаратов во влажном кормовом сырье: скорость и глубина проникновения жидкого консерванта в слой обрабатываемой массы в зависимости от ее физико-механических свойств (плотности, сыпучести, влажности, порозности, измельчения и пр.), а также физико-химических свойств препарата (концентрации, дозы, степени разведения, летучести и т.п.), позволившие оценить степень равномерности обработки, величину потерь химпрепарата и дать научно-обоснованную оценку работы различных дозирующих устройств и механизмов для внесения жидкого консерванта в производственных условиях;
уточненные основные технологические требования, предъявляемые к знесенню химпрепаратов в корма: отклонение от заданной дозы не более ± 10%; равномерность распределения консерванта в массе корма и полнота его обработки (не менее 80%); потери консерванта (не более 5%) и другие, послужившие основой для разработки аналитического метода оценки качества технологического процесса заготовки кормов с применением химпрепаратов;
механизированная операционная технология заготовки кормов с химическими консервантами, регламентирующая в комплексе вопросы на этапах хранения, транспортировки, заправки дозаторов и внесения их в корма, позволившая не только определить условия и границы эффективного и безопасного применения консервантов при заготовке кормов, но и установить основные негативные факторы широкого применения жидких консервантов -значительных удельных расходов 10...30 л/т и невысокой степенью перемешивания консерванта с малосыпучей влажной кормовой массой (не выше 50...60%);
механизм взаимодействия влажного кормового сырья с химпрепаратом в виде его паров, позволивший разработать методику определения содержания консерванта в обработанном сырье и определение концентрации паров консервантов в воздухе и послуживший основой для разработки нового способа сохранения влажного кормового зерна путем его вентилирования неподогретым атмосферным воздухом с применением паро-газообразных консервантов;
аналитические зависимости кинетики и динамики сорбционных процессов при вентилировании влажных кормов смесью атмосферного воздуха и паров консерванта, позволившие разработать инженерный способ расчета технологического процесса, предусматривающий определение скорости и продолжительности его с учетом уровня подсушки корма до 19...23% и насыщению консервантом до 0,4..0,6%, что обеспечивает расход консерванта не выше 6...10 л/т при безопасном хранении корма в течение 6 месяцев и выше;
рациональные технологические режимы сохранения влажного сырья при вентилировании паро-воздушной смесью: удельная подача химреагента -J00. .200 мУч-т; концентрация паров - 0,2...0,35 г/м3; продолжительность обработки - 50...90 ч; объемы обработки влажного корма на одном комплекте оборудования 40...50 т при годовой выработке 250..300 т, а также методика выбора основных энергетических механизмов (вентилятора, дозатора, испарителя и распылителя консервантов) и определения их конструктивных параметров: длины
вентиляционного канала (40...50 м), ширины и высоты насыпей зерновой массы и скирд трав, производительности вентилятора - 20...40 тыс.м3/ч при номинальном напоре не менее 120... 180 мм вод.ст., производительности распылителя 20...50 л/мин. при рабочем давлении 0,03...0,04 Мпа.
Научную новизну представляют:
- закономерности взаимодействия жидкого и газо-парообразного консерванта с влаж
ным сырьем: - глубина и скорость проникновения химреагента в уплотненный слой, величи
на сорбции и десорбции, степень связывания консерванта с частицами корма, равномерность
обработки;
аналитические зависимости кинетики и динамики сорбционных процессов при обработке влажного сырья органическими кислотами и величины десорбции из него влаги при вентилировании паро-газовоздушной смесью;
методика определения содержания консерванта в обрабатываемом сырье и концентрация консервирующей аэрозоли - паров химреагента в воздушном потоке;
рациональные режимы технологического процесса сохранения влажного зерна и сена при вентилировании воздухом, обогащенным консервирующими добавками;
уточненные удельные расходы (дозы) химических консервантов с учетом влажности корма, погодных условий и способа его заготовки.
Практическую ценность имеют:
механизированная операционная технология заготовки кормов с химическими консервантами, регламентирующая в комплексе вопросы научно-обоснованного применения химпрепаратов на этапах хранения, транспортировки, заправки дозаторов и внесения их » корма;
способы и механизмы для обработки растительного сырья жидкими хнмпрепарата-ми, позволяющие не только повысить степень равномерности, но и снизить на 15...20% потери консервантов (Авт. Свидетельства №№ 1409155, 1291112,1409156 ц 1204169);
рекомендации по химическому консервированию кормов и контролю за их качеством;
технологии сохранения влажного фуражного зерна и подвяленных трав с применением химических консервантов при вентилировании, обеспечивающая снижение энергозатрат по сравнению с высушиванием на 20...25% и выше и снизить в 1,5...2,0 раза удельный расход химпрепарата;
аэродинамические и технологические параметры комплекта оборудования для обработки насыпей влажного зерна и скирд сена атмосферным (неподогретым) воздухом, обогащенным парами консерванта;
методика и технические средства, позволяющие проводить оперативный контроль за ходом выполнения технологического процесса вентилирования влажного сырья паровоздушной смесью;
способ получения паро-воздушной смеси рабочей концентрации в виде аэрозоли (0,2. .0,35 г/м3) путем введения жидкого консерванта в дозированном количестве в воздушный поток энергетической установки (вентилятора) под давлением 0,03...0,04 Мпа и конструктивная схема генератора (испарителя) паров консерванта;
технологические схемы обработки насыпей влажного зерна и сена в производственных условиях с учетом существующей технологии уборки, материально-технической базы и погодно-климатических условий.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждается дос-, таточной для инженерных расчетов сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Расхождение между расчетными и экспериментальными кривыми кинетики и динамики разработанного технологического процесса не превышают ± 13%.
Положительные результаты производственных испытаний механизированной технологии и оборудования в различных зонах бывшего СССР и России при заготовке кормов с химическими консервантами также подтверждают достоверность научных выводов. Стати-
стический метод обработки результатов исследований качества заготовленных кормов показал, что адекватность результатов исследований достигает 95% уровня значимости.
Реализация результатов исследований. Операционная технология хранения, транспортировки и внесения консервантов в корма, представленная в виде модульного склада для хранения жидких консервантов в емкостях из полиэтилена, мобильного заправщика, способов и механизмов внесения консервантов в растительное сырье, производственная проверка которой проведена в 1984...1988 гт. в хозяйствах Московской и Калужской областей, Алтайском крае и Высокогорском районе Татарстана, принята НПО «Россельхозхимия» в 1989 году для внедрения во всех хозяйствах России.
Мобильный заправщик-транспортировщик жидких консервантов и дозирующее оборудование для внесения консервантов в корма выпускались «Мособлсельхозтехникой» серийно - от 20 до 50 комплектов ежегодно в течение 1985... 1990 гг.
Объемы заготовок кормов с применением химических консервантов в России в 1985...1990 годах с использованием методического и научного обеспечения, разработанного с участием автора диссертации, согласно «сводному плану внедрения достижений науки, техники и передового опыта в сельскохозяйственное производство МСХ РСФСР» составили от 10 до 15 млн. тонн.
Конструктивная схема испарителя и технологические режимы обработки использованы Головным экспериментально-конструкторским институтом по машинам для переработки травы и соломы (ГЭКИ, г.Вильнюс) в 1984...1986 годах при разработке технологии хранения гранул травяной муки с использованием парообразных консервантов с целью снижения потерь каротина при хранении.
Технология сохранения влажного фуражного зерна и подвяленных трав вентилированием их смесью консервирующих добавок с воздухом рекомендована к внедрению в производство Минсельхозпродом РСФСР в 1991 году. Комплекты оборудования для реализации технологии использовались и используются в хозяйствах Тамбовской, Калужской и Белгородской областях
Апробация работы. Материалы диссертации заслушаны, обсуждены и одобрены на НТС Госагропрома РСФСР (1989 г.), Минсельхозпрода РСФСР (1991 г.), на заседании секции «Технология заготовки и хранения кормов» отделения кормопроизводства РАСХН в 1994 году, а также на научно-практических семинарах ВПНО «Союзсельхозхимия» и НПО «Россельхозхимия» и на координационных совещаниях по проблемам химического консервирования кормов (Рига, 1985 г., Казань, 1988 г., Новосибирск, 1989 г.)
Теоретические и экспериментальные данные по выбору режимных параметров обработки кормов с химическими консервантами доложены и обсуждены на научных конференциях ВНИПТИХИМ и НИИСХ ЦРНЗ (1985 г.), ЦИНАО (1986 г.), ВИЖа (1988,1989 гг.). Латвийской СХА (1984 г.), на научно-технических конференциях ГЭКИ, 1982 и Всесоюзным институтом по разработке машин в животноводстве (ВНИИЖИВМАШ ,1987 г.) и при разработке комплектов оборудования для консервирования растительных кормов и фуражного зерна.
Публикации. Материалы выполненных исследований опубликованы: в книге «Использование химических препаратов при заготовке кормов» (Россельхозиздат, 1988 г., соавторы - Федосеев П.Н., Гундоров ВВ., объем 180 с), в брошюре «Химизация сельского хозяйства» (раздел «Консерванты кормов», 1988 г.), в «Методических указаниях по химическому консервированию кормов и контролю за их качеством» (М.,1986 г.), в «Операционной технологии хранения, транспортировки и применения консервантов кормов» (1990 г.).
Основные результаты исследований опубликованы в 68 печатных работах, в том числе в научных и научно-производственных журналах, трудах и сборниках.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и предложений, списка литературы, включающего 462 наименования источников, в том числе 51 на иностранных языках и 5-ти приложений.
