Исследование импульсного диспергирования многофазных сред термомеханическими способами

УДК 631.171

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МНОГОФАЗНЫХ СРЕД ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ

А.В. Колпаков

Разработана методология термомеханического импульсного ввода энергии в вещество, реализованная в новой технологии баротермической деструкции растительного сырья. Обозначены главные проблемы кормопроизводства страны и метод их решения. Описаны операции технологии баротермической деструкции зернобобовых семян и отходов растениеводства, достигаемые преимущества получаемых кормов и планируемые результаты применяемого аппарата для взрывного вспучивания сырья (АВВС-100).

Ключевые слова: импульсный, баротермическая деструкция, многофазная среда, корм, зернобобовые семена, аппарат.

Анализ открытых явлений и новых научных направлений в фундаментальных и прикладных науках показывает превосходство импульсного ввода энергии в обрабатываемое вещество в отличие от способов формирования сверхдавления в статическом режиме. Суть импульсного ввода энергии в вещество с целью его деструкции заключается в создании высоких градиентов мощности при сверхнизкой длительности импульсов. При этом за счет одновременного уменьшения времени воздействия и пространственной области локализации энергии в веществе достигается существенное высокое значение удельной мощности в зоне обработки.

Независимо от способа практической реализации метода импульсного ввода энергии (акустический, механический, электрический, магнитный, тепловой, радиационный или химический) необходимо обеспечить соблюдение следующих условий:

1. Скорость трансформирования потенциальной энергии в системе должна превышать скорость ее аккумулирования;

2. Длительность трансформирования энергии должна быть чрезвычайно короткой, поскольку полезная мощность, выделяемая в виде импульса, обратно пропорциональна времени трансформации и прямо пропорциональна величине энергии, аккумулированной за это время;

3. Энергия в форме импульса должна выделяться одновременно в большом количестве малых локальных зон, равномерно расположенных во всем рабочем объеме аппарата.

Главным условием эффективного проведения механического способа ввода энергии в обрабатываемое вещество является замкнутость технологического процесса деструкции многофазных сред (постоянное изменение состояния каждого элемента под действием последовательно замкнутых обратных связей). Такой тип технологического процесса возможно реализовать за счет высокой герметизации пространства ввода энергии (рабочей камеры).

Известным способом реализации импульсного ввода энергии в вещество является процесс экструдирования и экспандирования многофазных сред (пищевых продуктов и кондитерских изделий, комбикормов, топливных брикетов, металлов, керамики, бетонов, полимеров и композиционных материалов). При этом получить экологически безопасные и высокопитательные зерновые продукты для населения и корма для сельскохозяйственных животных возможно с помощью новой импульсной технологии баротермической деструкции (переработки) зернобобового и отходного растительного сельскохозяйственного сырья.

В настоящее время главными проблемами кормопроизводства в России являются:

1) Существование на рынке крупных монополистов - комбикормовых заводов, устанавливающих цены на комбикорма;

2) Компонентный состав кормов не соответствует требуемому рациону кормления животных разных пород;

3) Невозможность использования сельхозпроизводителями отходов растительного сырья для регулирования компонентного состава кормов и получения дополнительной прибыли от продаж высвободившегося объема зерна. Доля зерновых культур в кормах в среднем по России - 75%, по Евросоюзу - 45%.

С 2005 г. продажи комбикормов и пищевых добавок для с.-х. животных в России демонстрируют непрерывную положительную динамику - объем производства комбикормов вырос на 37%. Производство концентрированных кормов в 2015 г. должно составить 54,9 млн т кормовых единиц, что на 28,6% выше уровня 2009 г. [1].

В 2020 г. должно быть произведено 60,6 млн т кормовых ед. концентрированных кормов (+41,9% к уровню 2009 г.). Главным недостатком кормов, полученных традиционной технологией дробления зернового и отходного растительного сырья, является низкий уровень энергетической (общей) питательности зернобобового и отходного сырья.

Наблюдается дефицит обменной энергии в корме из-за содержания в пленке зерновки и стебельной массе плохо перевариваемой клетчатки, невысокого уровня протеина и жира. Нужно отметить, что оболочка зерновых семян составляет до 30.. .40% объемной массы.

Journal of VNHMZH №1(13)-2014

123

Существенными недостатками существующих технологий экструдирова-ния и экспандирования зерна являются высокие удельные энергозатраты и низкое значение КПД переработки (2,5... 4%), сопровождающееся высокой температурой деструкции растительных смесей. В результате происходит уменьшение содержания витаминов, углеводов, жиров и прочих компонентов кормов.

Нами предлагается способ баротермической деструкции многофазных сред, включающий операции загрузки, пропаривания при давлении 0,11.0,5 МПа и температуре 100...130°С, продувки пищевым газом высокого давления 0,5.3 МПа и температуры до 450°С, разгерметизации рабочей камеры при понижении давления до атмосферного и ниже - 0,06 МПа, выгрузки переработанных многофазных сред, а также оперативного контроля и управления эксплуатационными параметрами процесса (давление и время операции, температура и влажность среды).

Назначение технологии баротермической деструкции - повышение энергетической (общей) питательности зернобобового и отходного сырья растениеводства на 10-15%.

Преимущества кормов, полученных технологией баротермической деструкции [2, 3]:

1) Восполняется дефицит обменной энергии в корме при отделении пленки (оболочка зерновых семян 30.40% объема) семян - по КРС на 11,5%, по птице 8.10%.

2) Снижается уровень содержания клетчатки по КРС - с 10,3% до 2,2%, по птице с 5,6% до 2,2%. Каждый процент снижения содержания клетчатки увеличивает перевариваемость корма на 1,2.1,6%. При отделении (разрушении) пленки семени уменьшается содержание компонентов клетчатки - целлюлоза, пентозаны, минин, которые образуют уксусную, масляную, молочную, пропионовую кислоты.

3) Происходит защита от разрушения протеина зерна в рубце у коров в диапазоне 42. 66% в зависимости от культуры семян - ячмень, нут, вика, бобы. Увеличение переваримости протеина в кишечнике КРС с 65,2 до 70,5%.

4) Повышается стабильность жиров по причине разрушения фермента липазы и уменьшается окисление внутриклеточного жира.

5) Повышается перевариваемость белков вследствие разрушения в молекулах вторичных связей, в результате аминокислоты становятся доступными для полной усваиваемости тонкого отдела кишечника. Состав аминокислот при баротермической обработке практически не меняется.

6) Повышается усваиваемость крахмала, переходящего в структуру желатина. При разгерметизации рабочей камеры АВВС-100 (падение температуры и давления до нормальных атмосферных значений) происходит увеличение конечного зерна в объеме.

7) Снижается активность и разрушаются вещества, оказывающие антипитательные действия на животных (уреаза, ингибиторы протеазы и трилеина, ал-

лергенты, афлатоксины). Не происходит разрушение природных стабилизаторов (лицетин и токоферолы), а отрицательный эффект деструкции витаминов, жиров и аминокислот сведен до минимума за счет быстроты проводимых операций (10.. .30 с) под воздействием максимальной температуры (до 400 град.).

8) Улучшаются органолептические свойства растительных кормов за счет разрушения кристаллической структуры крахмальных зерен эндоспермы (зерно приобретает золотистый цвет, приятный вкус и запах поджаренного зерна).

9) Улучшается санитарный статус корма за счет уничтожения плесневых грибов и анаэробных бактерий.

Для осуществления настоящего способа деструкции многофазных растительных сред предлагается аппарат для взрывного вспучивания сырья (АВВС-100), состоящий из следующих узлов: рабочей и конденсационной камер, соединенных друг с другом трубопроводами с вентилями; источника пара (парогенератор), соединенного с рабочей камерой трубопроводами с вентилями; источника пищевого газа (компрессор, баллон высокого давления), соединенного с рабочей камерой трубопроводами с вентилями.

Достигаемые результаты от применения технологии баротермической деструкции:

1) Снижение себестоимости корма, произведенного баротермическим способом в сравнении с экструзионнным на 30,5%.

2) Значительное повышение продуктивности КРС и птиц без увеличения массы растительного сырья в рационе (увеличение перевариваемости на 510%). Увеличение среднесуточного удоя молока 4% жирности на 8,5% (с 17,2 до 18,8 кг) [4].

3) Снижение удельных энергозатрат на работу АВВС-100 в 5 раз в сравнении с базовой установкой «Пушка» (себестоимость продукции, полученной экструзией, 1 руб/кг, баротермическим вспучиванием: АВВС-100 - 0,38 руб/кг, «Пушка» (Украина) - 4 руб/кг).

4) Достигается высокая производительность АВВС-100 (170 кг/ч, что в 5,5 раз выше производительности аппарата «Пушка» и в 5 раз выше производительности пресс-экструдера ПЭШ-30/4), позволяющая использовать установку АВВС-100 как для производства пищевых продуктов массового спроса населением, так для производства высокопитательных комбикормов для с.-х. животных (обеспечивает кормами фермерское хозяйство с поголовьем 200 коров).

5) Обеспечивается возможность длительного хранения вспученного корма в условиях напольного складирования.

6) Обеспечивается высокая надежность аппарата АВВС-100:

- технология баротермической деструкции исключает взрыв в атмосферу, сопровождающийся разбрасыванием продукта;

- за счет последовательных процессов пропаривания и нагревания сырья теплоносителем, затем сброса избыточного давления в камере (эксплуатацион-

Journal of VNIIMZH №1(13)-2014

125

ные режимы являются составляющей «ноу-хау») достигается 8 циклов вспучивания за час работы;

- прогнозная безотказность установки до планового ТО и гидравлических испытаний составляет 10000 циклов вспучивания.

Таким образом, технология баротермической деструкции зернобобовых семян и отходного растительного сырья является энергосберегающим термомеханическим способом импульсного ввода энергии в вещество, позволяющим повысить общую питательность готовых кормов на 10. 15%.

Литература:

1. Стратегия развития мясного животноводства в Российской Федерации на период до 2020 года: приказ Минсельхоза РФ от 10 августа 2011 г. №267.

2. Чудайкин В.В. Эффективность использования протеина и продуктивность бычков на откорме при барогидротермической и химической обработке кормов: дис. ... канд. биол. наук. Боровск, 2011. 120 с.

3. Погосян Д.Г., Чудайкин В.В. Распадаемость протеина в рубце бычков при физических способах обработки кормов // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2011. №6(80). С. 64-67.

4. Рамазанов И.Г. Влияние барогидротермической и химической обработки кормов на качество их протеина и молочную продуктивность коров: дис. ... канд. биол. наук. Боровск, 2010. 104 с.

Колпаков Антон Васильевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Оренбургский научный центр Уральского отделения Российской академии наук Тел. (3532)77-26-19 E-mail: anton-kolpakov@mail.ru

A methodology thermomechanical pulsed energy input into the substance, implemented new technology barothermal degradation of plant materials. Designated the main problems of the country and forage method of solving them. Describes the operations technology barothermal destruction leguminous seeds and crop waste, the advantage derived feed and deliverables applied apparatus for explosive materials swelling (AVVS100).

Keywords: pulse, barothermal destruction, a multiphase medium, food, leguminous seeds apparatus.