Введение к работе
Актуальность работы. Приоритетным направлением социально-экономической политики государства является развитие агропромышленного комплекса страны. Перед комбикормовой промышленностью стоит задача производства высококачественных комбикормов, обеспечивающих полноценное кормление животных и птицы для сохранения их здоровья, получения безопасной высокопитательной продукции. Для этого необходимо увеличить объём производства биологически ценных комбикормов, обладающих профилактической направленностью. При создании высокоэффективных технологий биологически ценных комбикормов (БЦК) предусматривается применение различных добавок для их обогащения, в том числе минеральных и витаминных. Производство комбикормов, направленных на регуляцию жизнедеятельности организма животных и птицы, массовую профилактику заболеваний – насущная проблема комбикормовой промышленности.
Значительный вклад в развитие теории и практики комбикормового производства и совершенствование его технологий внесли: В. А. Афанасьев, Л. С. Кожарова, Н. И. Кузнецов, И. Г. Панин, Е. Н. Колошина, А. Д. Пелевин, Н. П. Черняев, В. М. Шевандина, О. Е Щербакова, K Behnke, H. Niesar, J. Bruqqemann.
Работа выполнялась в рамках федеральных целевых программ Министерства образования и науки РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», плана госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры технологии хранения и переработки зерна Воронежского государственного университета инженерных технологий «Разработка энерго-и ресурсосберегающих и экологически чистых технологий хранения и переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК» (№ гос. регистрации 65. 31. 13).
Цель и задачи диссертационной работы – разработка научно обоснованных ресурсосберегающих, экологически безопасных и энергоэффективных технологий биологически ценных комбикормов с использованием природного сырья и биоресурсов, обеспечивающих функциональность, коррекцию иммунного статуса и высокую продуктивность сельскохозяйственных животных и птицы.
Задачи исследования.
1. Сформулировать концептуальные принципы создания высокоэффективных технологий биологически ценных комбикормов (БЦК), обеспечивающих рост продуктивности сельскохозяйственных животных и птицы, и создать систему контроля гарантированного качества сырья и готовой продукции.
2. Научно обосновать технологию получения сыпучей формы холинхлорида (витамина В4) и способа управления технологическими параметрами.
3. Предложить схему биомеханизма действия фумаровой кислоты на ход окислительных процессов в премиксах и комбикормах при хранении.
4. Изучить основные закономерности непрерывного культивирования микроводоросли Chlorella vulgaris;определить ростовые характеристики и установить зависимость скорости накопления биомассы от режимов процесса. Разработать способ автотрофного культивирования и предложить конструкцию пленочного биореактора для его осуществления.
5. Разработать биотехнологию комбикормов для сельскохозяйственной птицы с суспензией хлореллы с применением влажного гранулирования.
6. Разработать методологическое обеспечение БЦК с заданной однородностью, обеспечивающей равномерное распределение биологически активных веществ (БАВ).
7. Научно обосновать целесообразность процесса экструдирования при получении БЦК для поросят и домашних животных.
8. Разработать энергосберегающие технологии БЦК, обеспечивающие рациональный расход тепла и холода.
9. Разработать программно-логические алгоритмы функционирования систем управления технологическими процессами кормопроизводства для обеспечения высокого качества готовой продукции. Провести производственные испытания технологий получения БЦК и определить эффективность их скармливания.
10. Подготовить технологические регламенты производства БЦК с суспензией хлореллы и фумаровой кислотой. Провести расчет эффективности внедрения предлагаемых технических и технологических решений.
Научная концепция. Разработка методологического подхода к созданию эффективных технологий БЦК с применением биологически активных компонентов природного происхождения, обеспечивающих сбалансированность кормовых рационов и рост продуктивности сельскохозяйственных животных и птицы; разработка способов производства и управления качеством продукции, направленных на экономию материальных, энергетических ресурсов и экологическую безопасность комбикормов.
Научные положения, выносимые на защиту:
- инновационные ресурсосберегающие технологии биологически ценной комбикормовой продукции;
- результаты экспериментальных и теоретических исследований по культивированию микроводоросли, гранулированию и экструдированию биологически ценных комбикормов, хранению готовой продукции;
- принципы достижения необходимой однородности премиксов и комбикормовых рационов при вводе кормовых форм биологически активных веществ;
- новые схемы и режимы линий получения и ввода биологически активных добавок в премиксы и комбикорма;
- схемы управления качеством продукции при производстве биологически ценных комбикормов.
Соответствие темы диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.18.01 «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства».
Научная новизна.
1. Научно обоснован выбор и дана физико-химическая характеристика биологически активных объектов природного происхождения, обеспечивающих сбалансированность кормовых рационов и рост продуктивности сельскохозяйственных животных и птицы.
2. Установлены кинетические закономерности роста микроводоросли Chlorella vulgaris в технологии получения биодобавки.
3. Разработана математическая модель культивирования микроводоросли Chlorella vulgaris в пленочном фотобиореакторе. Составлена и решена задача оптимизации процесса культивирования фотоавтотрофных микроводорослей.
4. Предложена схема стабилизирующего действия на процессы окисления с участием липоксигеназы фумаровой кислоты в наполнителях премиксов и комбикормах при хранении.
5. Установлена зависимость равномерности распределения БАВ в премиксах и комбикормовых рационах от их параметров.
6. Сформулирована и решена оптимизационная задача математической статистики, обеспечивающая минимальное значение удельных энергозатрат, высокую активность витаминов и заданную влажность в премиксе при его хранении.
7. Решена задача экстремального управления технологией экструдированных БЦК при минимизации материальных и энергетических затрат на единицу массы получаемого комбикорма.
8. Научно обоснована и экспериментально подтверждена необходимость ввода фумаровой кислоты в БЦК для стабилизации их качества при хранении.
9. Составлены программно - логические алгоритмы управления качеством продукции при получении БЦК (пат. РФ № 2363235, 2356907), обеспечивающие массовую профилактику снижения продуктивности и возникновения заболеваний у животных, а также экономию материальных и энергетических ресурсов.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
1. Разработаны технологии получения БЦК, обеспечивающие прогнозируемое качество комбикормовой продукции и снижение ее стоимости (пат. РФ № 363728, 2363235, 2411885, 2320198, 2226844, 2302122, 2352185, 2328138).
2. Разработана технология получения сыпучей формы холинхлорида из его водного раствора с последующим использованием в производстве премиксов и комбикормов, а также способов управления технологическими параметрами при стабилизации качества готовой продукции (пат. РФ № 2356907, 2276867).
3. Предложен экспресс-метод определения витамина В4 в премиксах с помощью детектирующего устройства «пьезоэлектронный нос» (пат. РФ № 2412436) и метод определения витамина U в премиксах (а. с. СССР №1343356).
4. Разработаны способы приготовления комбикормов для сельскохозяйственной птицы (пат. РФ № 2226844, 2320198, 2302122) с использованием технологии влажного гранулирования (пат. РФ № 2411885), предусматривающей ввод в комбикорм суспензии микроводоросли Chlorella vulgaris в количестве 8…12 % с содержанием от 15,08 до 19,08 млн/см3 клеток и обеспечивающей получение однородной продукции высокого качества.
5. Предложены рациональные режимы фотоавтотрофного культивирования Chlorella vulgaris. Разработан фотобиореактор (пат. РФ №2363728), обеспечивающий необходимый выход биомассы в зависимости от интенсивности освещенности и концентрации СО2 в газовоздушной смеси при культивировании, а также алгоритм управления качеством продукции (пат. РФ № 2363235) на всех стадиях производства.
6. Разработан способ стабилизации витаминов в сырье и комбикормовой продукции (пат. РФ № 2138960, а. с. СССР № 1395270).
7. Получены экструдированные БЦК для поросят и домашних животных при следующих режимах (пат. РФ № 2302122): влажность исходного зернового сырья 18…22 %; его температура перед матрицей 380…400 K; скорость вращения шнека 5,1…6,5 с-1; давление продукта в предматричной зоне экструдера 5…6 МПа.
9. Проведены производственные испытания предлагаемых технологий комбикормов в условиях ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод», «Бутурлиновский мелькомбинат», ОАО ЗПК «Промагро». Разработан технологический регламент производства комбикормов с вводом суспензии хлореллы.
10. Определена эффективность использования комбикормов с суспензией хлореллы и новой формой холинхлорида в составе премикса при скармливании цыплятам-бройлерам.
Новизна предложенных технических решений подтверждена 17 патентами РФ и 2 авторскими свидетельствами СССР. Конкурентоспособность разработок подтверждена договорами № 21157/05 от 14.06.2005г., № РД0036375 от 22.05.2008 г., РД00529 55 от 23.07.2009 г., РД0036133 от 16.05.2008 г. лицензий на право использования интеллектуальной собственности предприятиями: ООО «Форост», «Зерновой потенциал», «Экологическая безопасность» «СуперАгро» по пат. РФ № 2226844, 2302122, 2352185 и 2276867. Экономический эффект от реализации предлагаемых технологических решений составит 4537 тыс. р. в год.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам «Технология комбикормов», «Технохимический контроль зерноперерабатывающих предприятий».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных, всероссийских научно-практических конференциях и семинарах (Москва, 2000, 2006 - 2012), (Воронеж, 2003, 2006), (Саратов, 2008), (Краснодар, 2002), (Могилев, 2003, 2006), (Уфа, 2003), (Орел, 2003, 2007), (Cанкт-Петербург, 2004), (Ростов- на- Дону, 2004), (Тамбов, 2004), (Мичуринск, 2007), (Одесса, 2006, 2007), (Тула, 2008), отчетных научных конференциях ВГТА (Воронеж, 1999 – 2009).
Результаты работы демонстрировались на региональных, межрегиональных, всероссийских агропромышленных выставках «Центрагромаш» (Воронеж, 2003-2006), «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2005), «Продторг» (Воронеж, 2003), «ИННОВ-2005» (Новочеркасск, 2005), «Воронежагро» (Воронеж, 2007), на конкурсе инновационных проектов «Воронежский промышленный форум» (Воронеж, 2008), и отмечены дипломами.
Публикации. По материалам работы опубликовано 75 научных работ, в т. ч. 35 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3 монографии, 3 учебных пособия с грифом УМО ТПП, 16 патентов РФ и 2 авторских свидетельства СССР на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 275 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков и 95 таблиц. Список литературы включает 320 наименований. Приложения к диссертации представлены на 78 страницах.
