СПОСОБ ВЛАГОТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ В ТЕХНОЛОГИИ КОМБИКОРМОВ
METHOD FOR MOISTURE-AND-HEAT TREATMENT OF CEREAL CROP GRAINS USING BY-PRODUCTS OF THEIR PROCESSING IN FEEDSTUFF TECHNOLOGY

Изобретение относится к зерноперерабатывающей промышленности и может быть использовано в линиях переработки зернопродуктов и производства комбикормов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ гидротермической обработки зерна крупяных культур [Егоров Г.А. Технология муки. Технология крупы. - 4-е изд., перераб. и доп.Учебник. - М.: Колос, 2005. - 296 с.], согласно которому зерно, очищенное от сорных и зерновых примесей на зерновом сепараторе и триере, и пропущенное для улавливания ферропримесей через магниты, подают в пропари-ватель и подвергают обработке паром при давлении 0,25…0,30 МПа в течение 3…5 минут, после пропаривания зерно в течение 30 минут выдерживают в закроме для усиления преобразования структурно-механических и технологических свойств зерна, затем его подсушивают, охлаждают и после провеивания направляют на шелушение. Влажность зерна при этом снижается до 12,5…14,5%.
Недостатками известного способа являются:
- невысокая эффективность сушки зерна крупяных культур, т.к. значительная часть теплоты выбрасывается в атмосферу с отработанным сушильным агентом, а не используется, например, для подогрева зерна перед пропариванием;
- отсутствуют условия для использования побочных продуктов переработки зерна крупяных культур в технологии комбикормов;
- неравномерность подсушивания;
- высокие энергозатраты из-за отсутствия рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов, замкнутые рециклы;
- не предусмотрена сушка зерна крупяных культур перегретым паром в виброкипящем слое, обеспечивающая высокие сыпучие свойства зерновой массы при движении за счет сил гравитации, равномерность подсушивания при удалении поверхностной и осмотически связанной влаги;
- не предусмотрено использование побочных продуктов.
Технической задачей изобретения является повышение энергетической эффективности сушки за счет использования в качестве теплоносителя перегретого пара, снижение удельных энергозатрат и создание экологически чистой, ресурсосберегающей технологии влаготепловой обработки зерна крупяных культур с использованием продуктов их переработки в технологии комбикормов за счет организации рециркуляционных схем по энергетическим потокам.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в способе влаготепловой обработки зерна крупяных культур с использованием побочных продуктов их переработки в технологии комбикормов, включающем пропаривание зерна в течение 3…5 мин при давлении пара 0,25…0,30 МПа, термовлаговыравнивание в течение 30 минут, смешивание, сушку и охлаждение зерна, новым является то, что перед пропариванием зерна осуществляют его предварительный подогрев до температуры 120…130°С, а сушку зерна до влажности 12…14% осуществляют в кипящем слое перегретым паром с температурой 120…130°С и скоростью движения зерна крупяных культур 0,6…0,8 м/с в замкнутом контуре его рециркуляции, причем после сушки зерно направляют на шелушение; часть отработанного перегретого пара в количестве испарившейся из зерна влаги направляют на предварительный подогрев зерна; побочные продукты, образовавшиеся при шелушении зерна крупяных культур - лузгу, сечку, мучку, дозируют в необходимом количестве на экструдирование, смешивают с компонентами комбикормов и направляют в экструдер с греющей рубашкой; полученный экструдат охлаждают, измельчают и фракционируют на крупную, среднюю и мелкую фракции, причем крупную фракцию возвращают на доизмельчение, среднюю фракцию выводят в качестве готового экструдированного комбикорма выровненной крупности, а мелкую фракцию на экструдирование с выводом; охлаждение зерна после сушки осуществляют с помощью пароэжекторной холодильной машины, включающей парогенератор, эжектор, испаритель, конденсатор-рекуператор, терморегулирующий вентиль, холодоприемник, работающую по замкнутому термодинамическому циклу; рабочий пар, полученный в парогенераторе под давлением 0,8…1,0 МПа, направляют в сопло эжектора, создавая при этом пониженное давление 0,0009…0,001 МПа и температуру 4…7°С в испарителе с рециркуляцией в холодоприемнике хладагента, в качестве которого используют воду; образовавшуюся смесь паров хладагента и рабочего пара после эжектора с давлением 0,25…0,3 МПа разделяют на три потока, один из которых направляют на пропаривание зерна, второй - в греющую рубашку экструдера, третий - в конденсатор-рекуператор для перегрева пара, подаваемого на сушку, за счет рекуперативного теплообмена; охлаждение зерна после сушки и охлаждение полученного экструдата осуществляют воздухом, который охлаждают в холодопримнике пароэжекторной холодильной машины путем теплопередачи от хладагента с образованием контуров рециркуляции; при этом одну часть образовавшегося в конденсаторе-рекуператоре водяного конденсата подают в испаритель для пополнения убыли воды, а другую вместе с конденсатами, образовавшимися в греющей рубашке экструдера, после предварительного подогрева зерна и при охлаждении воздуха в холодоприемнике, отводят сначала в сборник конденсата, а затем в парогенератор с образованием замкнутого цикла.
Технический результат изобретения заключается в повышении энергетической эффективности сушки за счет использования в качестве теплоносителя перегретого пара, снижении удельных энергозатрат и создании экологически чистой, ресурсосберегающей технологии влаготепловой обработки зерна крупяных культур с использованием продуктов их переработки в технологии комбикормов за счет организации рециркуляционных схем по энергетическим потокам
На фиг.1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ влаготепловой обработки зерна крупяных культур с использованием побочных продуктов их переработки в технологии комбикормов.
Схема содержит подогреватель зерна 1; пропариватель 2; питатели 3, 4; бункеры для термовлаговыравнивания 5; сушилку 6; конденсатор-рекуператор 7; вентилятор для пара 8; камеру охлаждения зерна 9; эжектор 10; насосы 11, 12, 13; терморегулирующий вентиль 14; испаритель 15; холо-доприемник 16; сборник конденсата 17; парогенератор 18; предохранительный клапан 19; тепловые электронагревательные элементы 20; вентиляторы для воздуха 21, 22; бункеры для сырья 23, 24; шнековые питатели 25, 26; весовые дозаторы 27, 28; смеситель периодического действия 29; оперативный бункер 30; экструдер 31; камеру охлаждения комбикорма 32; измельчитель4 33; просеивающую машину 34; линии материальных и энергетических потоков: 0.2 - исходное зерно; 0.2.1 - пропаренное зерно; 0.2.2 - высушенное зерно; 0.2.3 - охлажденное зерно; 1.8 - конденсат; 2.1 - рабочий пар; 2.2 - смесь паров хладагента и рабочего пара; 2.3 - отработанный перегретый пар; 2.4 - перегретый пар; 3.1 - холодный воздух; 3.2 - воздух после охлаждения; 5.1 - хладагент; 5.2 - пары хладагента.
Способ влаготепловой обработки зерна крупяных культур с использованием побочных продуктов их переработки в технологии комбикормов осуществляется следующим образом.
Зерно, очищенное от сорных и зерновых примесей на зерновом сепараторе и триере, и пропущенное для улавливания ферропримесей через магниты, направляют на предварительный подогрев в подогреватель зерна 1, а затем подают в пропариватель 2 с помощью питателя 3 и подвергают обработке паром при давлении 0,25…0,30 МПа в течение 3…5 минут. После пропаривателя зерно с влажностью 16…18% посредством питателя 4 по линиям 0.2.1 направляют в бункеры для термовлаговыравнивания 5, где в течение 30 минут выдерживают для усиления преобразования структурно-механических и технологических свойств.
Выдержанное в бункерах 5 зерно подают в сушилку 6, где осуществляют его сушку до влажности 12…14% перегретым паром в кипящем слое с температурой 120…130°С и скоростью движения 0,6…0,8 м/с в замкнутом контуре 2.3. При этом часть отработанного перегретого пара с температурой 105…110°С в количестве испарившейся из зерна влаги отводят на предварительный подогрев зерна по линии 2.3. Высушенное зерно по линии 0.2.2 поступает на охлаждение в камеру 9 и далее по линии 0.2.3 на шелушение.
Побочные продукты, образовавшиеся при шелушении зерна крупяных культур - лузгу, сечку, мучку, из бункеров 24 шнековыми питателями подают в весовой дозатор, откуда затем дозируют в необходимом количестве в смеситель периодического действия 29. Одновременно в смеситель 29 из бункеров 23 с помощью шнековых питателей 25 и весового дозатора 27 дозируют остальные компоненты комбикормов в соответствии с рецептурой. После смесителя полученную смесь вначале направляют в оперативный бункер 30, который позволяет далее обеспечить непрерывную подачу смеси в экструдер 31, оснащенный греющей рубашкой.
Экструдат охлаждают в камере охлаждения комбикорма 32, а затем подают на измельчение в измельчитель 33 и далее на фракционирование в просеивающую машину 34. Выделенную в машине 34 крупную фракцию возвращают на доизмельчение в измельчитель 33, мелкую возвращают в экструдер 31, а среднюю фракцию выводят в качестве готового экструдированного комбикорма выровненной крупности.
В данном способе используют пароэжекторную холодильную машину, включающую парогенератор 18, снабженный предохранительным клапаном 19, эжектор 10, испаритель 15, конденсатор-рекуператор 7, терморегулирующий вентиль 14, холодоприемник 16, работающую по замкнутому термодинамическому циклу.
Рабочий пар, полученный в парогенераторе 18 под давлением 0,8…1,0 МПа, направляют по линии 2.1 в сопло эжектора 10, создавая при этом пониженное давление 0,0009…0,001 МПа и температуру 4…7°С в испарителе 15. Хладагент, в качестве которого используют воду, рециркулирует по линии 5.1 с помощью насоса 13 в холодоприемнике 16. Пары хладагента по линии 5.2 поступают в эжектор 10, где смешиваются с рабочим паром. Образовавшуюся смесь после эжектора с давлением 0,25…0,3 МПа разделяют на три потока (линии 2.2), один из которых направляют на пропаривание зерна в пропариватель 2, второй в греющую рубашку экструдера 31, а третий в конденсатор-рекуператор 7 для перегрева пара до температуры 120…130°С, подаваемого на сушку по линии 2.4, посредством рекуперативного теплообмена.
Охлаждение зерна после сушки и охлаждение экструдата осуществляют холодным воздухом, который по линиям 3.1 с помощью вентиляторов 21 и 22 направляют в камеры охлаждения соответственно 9 и 32. Причем воздух охлаждают в холодоприемнике 16 пароэжекторной холодильной машины путем теплопередачи от хладагента. После охлаждения воздух по линиям 3.2 возвращают в холодоприемник 16 с образованием контуров рециркуляции.
Из конденсатора-рекуператора 7 конденсат смеси паров хладагента и рабочего пара отводят по линии 1.8 с помощью насоса 11 и делят на две части, одну из которых подают в испаритель 15 для пополнения убыли воды, а другую в сборник конденсата 15. В сборник конденсата также подают конденсат, образовавшийся в греющей рубашке экструдера 31, конденсат после предварительного подогрева зерна из подогревателя 1 и конденсат, образовавшийся при охлаждении воздуха в холодоприемнике 16. Из сборника 15 водяной конденсат по линии 1.8 с помощью насоса 12 направляют в парогенератор 18 с образованием замкнутого цикла.
В случае технологических и аварийных сбоев в работе парогенератора, связанных с возможным увеличением давления насыщенного водяного пара в его рабочем объеме, предусмотрен предохранительный клапан 19.
Способ влаготепловой обработки зерна крупяных культур с использованием побочных продуктов их переработки в технологии комбикормов поясняется следующим примером.
Способ влаготепловой обработки зерна гречихи реализован для поточной линии производительностью 5 т/ч по готовому продукту в производственных условиях ОАО «Геркулес» г. Боброва.
Зерно гречихи очищают от сорных и зерновых примесей на воздушно-ситовом сепараторе при установке сортировочных сит с отверстиями треугольной формы Δ7 мм для выделения крупных примесей и подсевных сит с прямоугольными отверстиями размером 2,4×20 мм для выделения мелких примесей. Мелкие и крупные примеси контролируют в рассевах при установке таких же сит. Далее зерно провеивают в аспираторах и направляют в триер-овсюгоотборник для выделения зерен пшеницы и других сорных семян удлиненной формы. Очищенное зерно гречихи после пропуска через магниты для улавливания ферропримесей направляют на предварительный подогрев до температуры 40°С в подогреватель зерна. В ходе предварительного нагрева из зерна удаляется поверхностная и осмотически связанная влага, обеспечивается равномерность конвективного тепломассообмена между воздухом и зерном, повышаются сыпучие свойства зерновой массы при гравитационном перемещении зерна за счет преодоления сил сцепления между отдельными зернами.
Предварительно подогретое зерно подают в пропариватель, в котором подвергают обработке паром при давлении 0,27 МПа в течение 5 минут. После пропаривателя зерно с влажностью 18% выдерживают в течение 30 минут в бункерах для термовлаговыравнивания для усиления преобразования структурно-механических и технологических свойств.
Зерно гречихи, выдержанное в бункерах, высушивают до влажности 12,5% в сушилке в кипящем слое перегретым паром с температурой 125°С и скоростью движения 0,8 м/с в замкнутом контуре. При этом часть отработанного перегретого пара с температурой 110°С в количестве испарившейся из зерна влаги отводят на предварительный подогрев зерна. Высушенное зерно поступает на охлаждение до температуры, не превышающей температуру воздуха производственного помещения на ±5°С. В результате влаготепловой обработки плодовые оболочки зерна гречихи становятся более эластичными, а ядро более прочным, что облегчает последующее шелушение зерна и обеспечивает увеличение выхода целой крупы.
Побочные продукты (лузгу, сечку, мучку), образовавшиеся при шелушении зерна гречихи, дозируют в весовом дозаторе, и в количестве не более 5% подают в смеситель периодического действия, в который одновременно дозируют остальные компоненты комбикормов в соответствии с рецептурой. Полученную смесь направляют в оперативный бункер, позволяющий обеспечивать непрерывную подачу смеси в экструдер, оснащенный греющей рубашкой. Полученный экструдат охлаждают в камере охлаждения комбикорма, а затем подают на измельчение в измельчитель. Далее осуществляют фракционирование в просеивающей машине на крупную, среднюю и мелкую фракции: крупную фракцию возвращают на доизмельчение в измельчитель, мелкую возвращают в экструдер, а среднюю фракцию выводят в качестве готового экструдированного комбикорма выровненной крупности.
Используют пароэжекторную холодильную машину, работающую по замкнутому термодинамическому циклу, включающую парогенератор, эжектор, испаритель, конденсатор-рекуператор, терморегулирующий вентиль и холодоприемник..
Полученный в парогенераторе рабочий пар под давлением 0,9 МПа направляют по линии 2.1 в сопло эжектора, создавая при этом пониженное давление 0,0009 МПа и температуру 6°С в испарителе. Хладагент (вода) рециркулирует в холодоприемнике с помощью насоса. Пары хладагента поступают в эжектор и смешиваются с рабочим паром. Образовавшуюся смесь после эжектора с давлением 0,25 МПа разделяют на три потока, направляют на пропаривание зерна в пропариватель, в греющую рубашку экструдера и в конденсатор-рекуператор для перегрева пара до температуры 125°С, подаваемого на сушку посредством рекуперативного теплообмена.
Охлаждение зерна после сушки и охлаждение экструдата осуществляют холодным воздухом. Воздух охлаждают в холодоприемнике пароэжекторной холодильной машины путем теплопередачи от хладагента. После охлаждения воздух возвращают в холодоприемник с образованием контуров рециркуляции.
Конденсат смеси паров хладагента и рабочего пара отводят из конденсатора-рекуператора и делят на две части, одну часть подают в испаритель для пополнения убыли воды, а другую направляют в сборник конденсата, в который также подают конденсат, образовавшийся в греющей рубашке экструдера, после предварительного подогрева зерна из подогревателя и образовавшийся при охлаждении воздуха в холодоприемнике. Водяной конденсат из сборника конденсата направляют в парогенератор с образованием замкнутого цикла.
Техническая характеристика пароэжекторной холодильной машины, используемой в линии производства комбикорма производительностью 5 т/ч по готовому продукту:
холодопроизводительность, кВт
30
температура кипения:
в испарителе, °С
4
в парогенераторе, °С
170
температура конденсации, °С
127
температура жира на входе
в конденсатор, °С
20
коэффициент эжекции
0,4
коэффициент теплопередачи,·Вт/м<sup>2</sup>К
12
площадь охлаждающей
поверхности испарителя, м<sup>2</sup>
180
хладагент
вода
Предлагаемый способ влаготепловой обработки зерна гречихи позволяет создать условия для реализации энергетически эффективной технологии в непрерывном режиме эксплуатации основного и вспомогательного оборудования.
Дополнительные технологические приемы позволяют реализовать предлагаемый способ как энергосберегающую и экологически безопасную технологию, в частности, обеспечить охлаждение воздуха с применением теплонасосной установки в замкнутом контуре его рециркуляции и снизить при этом окисление продукта кислородом воздуха (технологическая задача), устранить выброс пылевидной фракции с отработанным воздухом в атмосферу (экологическая задача), использовать рекуперацию теплоты конденсации хладагента в конденсаторе теплонасосной установки для нагрева воздуха (задача энергосбережения). В предлагаемом способе решается комплексная задача рационального энергоснабжения новых технологических операций, посредством которых осуществляется воздействие на зерно, что приобретает особую актуальность применения способа на предприятиях малой мощности, фермерских хозяйствах, миникрупоцехах и делает способ более привлекательным для специалистов зерноперерабатывающей промышленности.
В табл.1 представлены показатели качества зерна гречихи при гидротермической обработке известным и предлагаемым способами перед шелушением.
Таблица 1
Показатели
Способ
Известный
Предлагаемый
Влажность, %
14,5
14,0
Содержание ядра, %
71,0
72,0
Сорная примесь, %
2,0
2,0
Испорченные зерна, %
0,3
0,2
Зерновая примесь, %,
3,0
2,0
в том числе:
обрушенные зерна
2,0
1,5
Проросшие зерна
1,0
0,7
Зараженность вредителями
отсутствует
отсутствует
Выход гречневой ядрицы из зерна гречихи (табл.2), прошедшего гидротермическую обработку (ГТО) по предлагаемому способу на 1,0% выше, а гречневого продела ниже, чем при традиционной влаготепловой обработке, что свидетельствует о преимуществе данного способа.
Таблица 2
Продукты переработки, выход, %
Способ
Известный
Предлагаемый
Крупа гречневая ядрица
62,0
63,0
Крупа гречневый продел
5,0
4,0
Мучка кормовая
3,5
3,0
Отходы I и II категории
6,5
6,5
Отходы III категории, механические потери
0,7
0,7
Лузга
20,8
21,3
Усушка
1,5
1,5
Всего
100
100
В табл.3 представлены результаты сравнения показателей качества гречневой крупы, выработанной из пропаренного зерна гречихи.
Таблица 3
Показатели качества
Способ
Известный
Предлагаемый
Цвет
Коричневый разных оттенков
Коричневый однотонный
Запах
Свойственный, без посторонних
Свойственный, без посторонних
Вкус
Свойственный, без посторонних привкусов
Свойственный, без посторонних
Влажность, %
14,0
14,0
Доброкачественное ядро, %,
97,5
98,2
в том числе колотые ядра
5,0
3,5
Нешелушеные зерна, %
0,5
0,4
Сорная примесь, %
0,55
0,4
Мучка, %
-
-
Испорченные ядра, %
0,2
0,1
Развариваемость, мин
25
22
Зараженность вредителями хлебных запасов
-
-
Металломагнитная примесь, мг/кг
3,0
3,0
Плесневые грибы, клеток в 1 г
отсутствуют
отсутствуют
Бактерии группы кишечной палочки, в 1 г
отсутствуют
отсутствуют
Как видно из табл.1-3, в результате более глубокой влаготепловой обработки по предлагаемому способу разрушаются клеящие вещества в плодовых оболочках зерна, в периферийных слоях эндосперма происходит клейстеризация крахмала. Влаготепловая обработка инактивирует ферменты, в том числе липазу и липоксигеназу, при этом повышаются потребительские достоинства крупы, а также стойкость при хранении. Улучшается цвет крупы: зерна крупяных культур имеют однотонный коричневый цвет за счет более равномерного протекания реакции меланоидинообразования. Выход доброкачественного ядра из зерен крупяных культур по предлагаемому способу влаготепловой обработки на 0,7% выше, а содержание колотых ядер на 1,5% ниже, чем в крупе, прошедшей традиционную гидротермическую обработку.
Отклонение температурных и гидродинамических режимов при предварительном нагреве зерна воздухом и последующей сушки перегретым паром от заданных значений приводит к неизбежным теплоэнергетическим потерям и ухудшению качества готового продукта.
Предлагаемый способ влаготепловой обработки зерна крупяных культур с использованием побочных продуктов их переработки в технологии комбикормов позволяет:
- повысить эффективность процесса сушки;
- стабилизировать температурный режим влаготепловой обработки зерна крупяных культур в области заданных значений, что позволяет обеспечить необходимые структурно-механические показатели продукта перед шелушением;
- снизить энергозатраты на тонну высушенного и охлажденного зерна на 10…15%;
- обеспечить экологически чистую технологию влаготепловой обработки зерна крупяных культур, поскольку энергетические потоки осуществляются в замкнутых контурах рециркуляции;
- использовать побочные продукты при производстве комбикормов.