автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение и разработка способа сушки ферментированного пшеничного сырья в аппарате с виброкипящим пересыпающимся слоем

На правах рукописи

МАРТЕХА Александр Николаевич

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА СУШКИ ФЕРМЕНТИРОВАННОГО ПШЕНИЧНОГО СЫРЬЯ В АППАРАТЕ С ВИБРОКНПЯЩИМ ПЕРЕСЫПАЮЩИМСЯ СЛОЕМ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

д янв ш

Воронеж-2013

005544499

005544499

Работа выполнена ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»).

Научный руководитель - Антипов Сергей Тихонович

заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Официальные оппоненты - Шевцов Александр Анатольевич

заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор, (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Попов Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»)

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Зашита диссертации состоится «19» декабря 2013 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при Воронежском государственном университете инженерных технологий по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Воронежского государственного университета инженерных технологий.

Автореферат размещен на сайте http://vak2.ed.gov.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» www.vsuet.ru Автореферат разослан «19» ноября 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, ^ на соискание ученой степени доктора наук // Д 212.035.01,

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсификация и расширение сельскохозяйственного производства широко связаны с задачей повышения выпуска продукции животноводства В настоящее время эта задача не может быть решена без организации правильного применения кормопродуктов, так как в последние годы появился дефицит рационов по ряду биологически активных и минеральных веществ. Существующее положение кормовой базы, низкое производство белково-витаминных добавок не в состоянии обеспечить животноводство сбалансированным кормовым сырьем в необходимом объеме.

Для роста продуктивности животных, повышения производства продукции животноводства, необходимым условием является полноценное кормление, предусматривающее выдачу животным полнорационных многокомпонентных кормовых смесей.

Такие смеси значительно лучше усваиваются животными и способствуют повышению продуктивности. Многочисленными исследованиями выявлено, что наиболее рационально использовать в животноводстве полнорационные кормосмеси с частичным или полностью гидролизованным комплексом некрахмалистых полисахаридов. Гидролизованные кормосмеси готовятся с использованием специальных ферментов, гидролизующих полисахариды на моноолигосахара.

Основным кормопродуктов в РФ являются зерновые культуры, в частности пшеница составляет большую его часть и содержит порядка 11% некрахмалистых полисахаридов, поэтому представляется интересным исследование данного вида сырья после его ферментации.

Использование предложенного ферментированного пшеничного сырья при производстве кормопродуктов в животноводстве позволит получить эффект, обусловленный нормализацией микробиоценоза, повышением усвояемости кормов за счет активации деятельности ЖКТ, улучшения углеводного обмена, что приведет к увеличению прироста живой

массы, повышению сохранности и обеспечению улучшения экологического состояния животных и птиц.

Вследствие высокой начальной влажности ферментированного пшеничного сырья это продукт обладает небольшим сроком хранения. В связи с этим актуальным является разработка ресурсосберегающих и высокоэффективных технологий сушки, обеспечивающих получение готовой продукции высокого качества и высокий срок хранения.

Таким образом, использование ферментированного пшеничного сырья в животноводстве и разработка способа сушки такого сырья является актуальной задачей.

Значительный вклад в теорию сушки дисперсных материалов внесли такие отечественные и зарубежные ученые как A.B. Лыков, П.А. Ребиндер, П.Г. Романков, A.C. Гинзбург, П.С. Куц, В.И. Муштаев, Б.С. Сажин, Б.И. Леончик, И.Т. Кретов, М.А. Гришин, Л. Венцель, Р. Уайт, О. Кришер и многие другие.

Проведя литературный поиск по сушке высоковлажных дисперсных материалов, и изучив свойства ферментированного пшеничного сырья, нами был сделан вывод о том, что сушку необходимо проводить в виброкипящем слое, вследствие склонности продукта к конгломерированию.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры машин и аппаратов пищевых производств ВГУИТ на 2011-2015 гг. «Адаптация пищевых машинных технологий к тепло- и мас-сообменным процессам на основе диагностики техники и технологии пищевых производств» (№ государственной регистрации 01201253880).

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является научное обеспечение и разработка способа сушки ферментированного пшеничного сырья в аппарате с виброкипящим пересыпающимся слоем.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- экспериментальное изучение и обобщение характеристик ферментированного пшеничного сырья как объекта сушки;

- исследование кинетических закономерностей сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое;

- исследование и оценка основных факторов, оказывающих наибольшее влияние на сушку;

- статистическое определение оптимальных режимов работы экспериментальной сушильной установки, позволяющее в широком диапазоне изменения входных факторов обеспечить минимальную величину энергозатрат при обезвоживании ферментированного пшеничного сырья;

- разработка математической модели процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое;

- проведение качественной оценки полученной сухого продукта;

- разработка машинной технологии производства ферментированного пшеничного сырья;

- разработка высокоинтенсивной сушильной установки в виброкипящем слое для сушки высоковлажных дисперсных материалов;

- термодинамическая оценка экспериментальной установки методом эксергетического анализа.

- проведение промышленной апробации предлагаемых разработок.

Научная новизна. Исследовано влияние влажности ферментированного пшеничного сырья на изменение его физико-механических, гигроскопических и теплофизических свойств, как объекта сушки.

Установлены кинетические закономерности процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое. По результатам планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных установлено влияние различных факторов на кинетику процесса сушки.

Проведено комплексное исследование качественных показателей ферментированного пшеничного сырья, высушенного в виброкипящем пересыпающемся слое.

Проведен термодинамический анализ эффективности процесса сушки ферментированного пшеничного сырья.

Разработана математическая модель процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем слое.

Практическая значимость работы. На основании комплекса исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях, показана целесообразность применения аппарата с виброкипящим пересыпающимся слоем для сушки ферментированного пшеничного сырья.

Разработана машинная технология производства ферментированного пшеничного сырья. Разработана оригинальная конструкция сушильной установки, использующая принцип вибро-кипящего пересыпающего слоя.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (с 2010 по 2013 гг.).

Результаты работы экспонировались на Международных постоянно действующих выставках г. Воронеж и были отмечены 5 дипломами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе, 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на странице машинописного текста, содержит 87 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 151 наименование. Приложения к диссертации представлены на 21 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние кормовой промышленности РФ, основные ее проблемы, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные об объекте исследования: ферментированном пшеничном сырье, яв-

ляющимся источником манноолигосахаридов, которые в свою очередь благотворно влияет на организм животных и птицы. Приведена общая классификация сушилок, представлены способы и аппараты для проведения процессов тепло- и массообмена с использованием виброкипящего слоя.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы, обоснован выбор объекта исследования, определены методы решения поставленных проблем.

Во второй главе для научно-практического анализа процесса сушки приводятся данные, характеризующие свойства выбранного продукта и методы их определения.

Для научного обоснования рациональных методов обработки и оптимальных режимов процесса, инженерного расчета процесса и аппаратов, а также создания современных систем автоматического регулирования были исследованы физико-механические, гигротермические и теплофизические характеристики ферментированного пшеничного сырья.

Исследования физико-механических характеристик показали, что с увеличением влажности W° от 0 до 150 % насыпная плотность уменьшается от 745...500 кг/м3; коэффициент внутреннего трения снижается от 0,40 до 0,32; порозность слоя снижается от 0,48 до 0,39; угол естественного откоса увеличивается от 35 до 60 градусов.

Проведен дифференциально-термический анализ ферментированного пшеничного сырья, в результате которого были получен ы зависимости степени превращения а от температуры Т. Для получения данных о процессе влагоудаления, используя представления о кинетике в твердофазных системах, построили кривую в координатах «-lga, 103/Г».

Полученные изотермы десорбции ферментированного пшеничного сырья имеют вид, характерный для изотермы капиллярно-пористых коллоидных тел. Изотермы представляют собой S-образные плавные кривые без наличия сингулярных точек, что свидетельствует об отсутствии отдельных стадий связывания влаги с продуктом.

По методу B.C. Волькенштейн определены: коэффициент температуропроводности а, коэффициент теплопроводности Я и удельная теплоемкость с в интервале влажности W' от 0 до 150 % и температуре исследуемого образца 290...390 К (рис. 1). На всем интервале влажности величины возрастают: а от 5,9 10" до 6,9-10"8 м2/с, Лот 0,1 до 0,3 Вт/(м К), с от 2,2 до 3,1 кДж/(кгК).

После статистической обработки экспериментальных данных с учетом значимости коэффициентов получены эмпирические уравнения, отражающие связь теплофизических характеристик ферментированного пшеничного сырья с температурой продукта 7" и влажностью W1-.

2770 с XJ0

О 'Г

□ -1

у.

75 too ts ISO П5

а б в

Рис. 1. Зависимости теплофизических коэффициентов ферментированного пшеничного сырья от влагосодержания при: 1 - Т=393 К; 2 — Т=363 К;

3 _ т=333 К; 4 - Т=293 К; а - теплопроводности, б - температуропроводности , в - удельной теплоемкости.

В третьей главе для полного анализа и обоснования рациональных режимных параметров процесса изложено описание экспериментальной установки (рис. 2) и методика проведения экспериментальных исследований, приведены результаты исследований по и кинетике сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем слое с использованием математических методов планирования эксперимента

Для исследования влияния параметров процесса сушки ферментированного пшеничного сырья на характер работы сушильной установки, а также затрат энергии на проведение процесса было проведено центральное композиционное униформ-ротатабельное планирование и выбран полный факторный

эксперимент типа 24, позволяющее варьировать всеми факторами и получать количественные оценки эффектов их взаимодействия.

В качестве основных факторов, влияющих на процесс сушки ферментированного пшеничного сырья, были выбраны следующие: Тса - температура сушильного агента, подаваемого в сушилку, К; Vca - скорость сушильного агента, м/с; А - амплитуда колебаний газораспределительных полок, м; / - частота колебаний газораспределительных полок, Гц.

Критериями оценки влияния различных факторов на процесс сушки ферментированного пшеничного сырья были выбраны: у) — напряжение объема сушильной камеры по испаренной влаге, кгвл/(м3ч); у2 - удельные энергозатраты на килограмм готовой продукции, кВтч/кг.

В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие данный процесс под влиянием исследуемых факторов:

15 Г j X,

'пи

о о о о о -■-"'л

OiDli

9

я

Рис. 2 - Схема экспериментальной установки:

1 - рабочая камера; 2 - перфорированная полка; 3 - окно; 4 - пластина; 5 - вибропривод; 6 — рециркуляционный трубопровод; 7 — осушитель воздуха;8 - вентилятор; 9 - электродвигатель; 10 - нагреватель; 11 - загрузочный бункер; 12 - разгрузочное устройство; 13— термометр; 14-заслонка; 15 - щит управления.

у, = 347,614 + 38,687x1 + 42,960х2 + 12,142х3 - 9,857х4 + 12,265х,-х4 + 1 3,261х2-х4 - 8,309х/ - 10,456х/- 5,073х/ + 5,915 х/ (1)

у2- = 1,065 + 0,077xi + 0,071х2 +0,013х2х} + 0,024Х2Х4

- 0,011х3 - 0,023х4 + 0,046хрс4 +

0,019х]2 - 0,014х/ - 0,014х32 + 0,040х/

(2)

Анализ уравнений регрессии (1), (2) позволил выделить факторы, наиболее влияющие на рассматриваемый процесс.

о -/ а -2 □ -1

Анализ влияния температуры и скорости воздуха на процесс сушки корма в виброкипящем слое показывает, что процесс протекает в первом и втором периодах. Изменение скорости и температуры сушильного агента не влияет на характер изменения кривых сушки корма. При этом большая часть влаги (порядка 75 % от общего количества) удаляется в периоде постоян-

I о я 50 к ео & ео

ной скорости сушки. Это объясняется тем, что ферментированное пшеничное сырье имеет развитую поровую структуру, которая содержит значительное количество влаги в макрокапиллярах.

При достижении материалом первой критической влажности наступает период падающей скорости сушки, который по характеру изменения кривой неоднороден (рис. 3, 5.).

Вначале этого периода скорость сушки уменьшается по кривой, обращенной выпуклостью к оси абсцисс, а затем по кривой, « ш т «? из к» , «я

обращенной выпукло- г

Рис.4.Температурные кривые ферментирован-стью к оси ординат. к р „; Г,гП0/ л ,

' ного пшеничного сырья при Ил=\ 50 %, л=3мм;

Точка перегиба во вто- /=12,5Гц; г=2 м/с; </= 10 кг/м2:

ром периоде сушки I -393 К; 2-400,5 К; 3-415,5 К; 4 -423 К. (вторая критическая влажность) условно разделяет влагу микрокапилляров и адсорбционно-связанную влагу.

Рис. 3. Кривые сушки и скорости сушки ферментированного пшеничного сырья при *Г=150 %, Л=Змм;/=12,5Гц; м=2 м/с; </= 10

кг/м

1 - 393 К; 2 - 400,5 К; 3 - 415,5 К; 4-423 К.

О < 0 0 /

/ /

/ /

/ /

__

Влияние скорости и температуры воздуха на интенсивность сушки в этом периоде по сравнению с периодом постоянной скорости в целом не меняется.

Характер изменения температуры частиц ферментированного пшеничного сырья, наблюдаемый на кривых нагрева (рис. 4.), соответствует периодам постоянной и падающей скорости сушки. Как видно из графика, материал прогревается до постоянной температуры очень быстро. Это обусловлено тем, что сушка осуществляется в активном гидродинамическом режиме, малым характерным размером частиц объекта сушки, а также высокими коэффициентами теплообмена.

Анализ приведенных кривых (рис.6) показывает, что при увеличение амплитуды колебания с I до 5 мм (в 5 раз) уменьшает время сушки в 1,4 раза, а повышение частоты колебаний полок до 12,5 Гц (в 1,6 раза) способствует уменьшению времени сушки в 1,2 раза.

При этом наблюдается равномерное повышение интенсивности сушки во всем интервале рассматриваемых амплитуд.

Анализ графиков, представленных на рис. 7. показывает, что повышение частоты колебаний газораспределительной решетки тоже способствует снижению длительности процесса сушки ферментированного пшеничного сырья. Но следует отметить, что амплитуда колебаний сильнее влияет на снижение продолжительности сушки корма, чем частота.

Таким образом, нами был сделан вывод, что в исследуемых интервалах изменения амплитуды А и частоты f колебаний перфорированных полок на процесс сушки ферментированного пшеничного сырья сильнее влияет амплитуда колебаний. Кроме того, при

А''

Рис. 5. - Кривые сушки и скорости сушки ферментированного пшеничного сырья при различных скоростях сушильного агента, м/с: 1 - 1; 2-2; 3 - 3; Л=Змм;/=12,5Гц; Г=408К; д= 10 кг/м2.

выборе параметров вибрации следует учитывать величину удельной нагрузки материала на решетку и его начальную влажность.

По регрессионным моделям (4), (5) были построены инженерные номограммы для определения режимных параметров процесса, а также поставлена и решена задача оптимизации, которая была сформулирована следующим образом: найти такие режимы работы сушильной установки, которые бы в широком диапазоне изменения входных параметров обеспечивали минимум удельных энергозатрат на получение одного килограмма готового продукта, и максимальное напряжение объема сушильной камеры по испаренной влаге.

Поиск оптимальных режимов процесса показал, что для выходных параметров в качестве оптимальных могут быть приняты следующие интервалы значений: температура сушильного агента перед сушильной камерой 397,5... 404,5 К; скорость потока теплоносителя 2,3—2,6 м/с; амплитуда колебаний газораспределительных полок (3,0.. .3,3)10"" м, частота колебаний газораспределительных полок 11,2... 12,1 Гц.

Рис. 6. - Кривые сушки и скорости сушки ферментированного пшеничного сырья при различных амплитудах колебаний газораспределительных полок, мм: 1-1,2-2,3-4,4-5; 7=408 К;/=12,5Гц; у=2 м/с; с/= 10 кг/м2.

Рис. 7. - Кривые сушки и скорости сушки ферментированного пшеничного сырья при различных частотах колебания газораспределительных полок, Гц: 1 - 8, 2 - 12,5, 3-17; /1=3мм; у=2 м/с; Г=408К; д= 10 кг/м2.

Рис. 8. Зависимость напряжения объема сушильной камеры по испаренной влаге от температуры и скорости воздуха

Рис. 9. Зависимость напряжения объема сушильной камеры по испаренной влаге от температуры воздуха и амплитуды колебаний

Анализ полученных кривых показал, что параметры процесса сушки, значениями которых возможно было варьировать в ходе проведения экспериментов, идентично влияют на напряжения объема сушильной камеры по испаренной влаге, а именно, с увеличением температуры сушильного агента и его скорости величина напряжения объема сушильной камеры по испаренной влаге монотонно увеличивается (рис. 8, 9) вследствие интенсивного испарения значительного количества свободной и адсорбционно связанной влаги, присутствующей в значительном количестве в исходном продукте, подаваемом в сушильную камеру.

Также в главе проведены исследования комплексной оценки качества ферментированного пшеничного сырья, высушенной в виброкипящем слое по органолептическим и физико-химическим показателям; а также исследования по составу аминокислот, доказана безопасность и питательность предлагаемого продукта.

В четвертой главе предложено математическое моделирование процесса сушки ферментированного пшеничного сырья а при следующих допущениях: высота слоя сырья постоянна; средняя скорость направленного движения частиц сырья постоянна; поля температуры и влагосодержания в частице сырья однородны; частицы сырья интенсивно перемешиваются в вертикальном направлении, обеспечивая постоянство температуры ча-

стиц по высоте слоя; тепло- и влагопроводность частиц сырья не оказывает существенного влияния на процесс сушки.

На рис. 10 представлена схема процесса сушки, протекающего на отдельной вибрирующей полке сушильной камеры. Влажное сырье в количестве С„ при влагосодержании IV,, поступает на вибрирующую полку и перемещается по ней слева направо со

средней скоростью о„,. Воздух проходит через слой снизу вверх. Начальная и конечная температуры воздуха равны Т и Т'\ влагосодержания - х, х. Вибрация полок обеспечива-|||| ет устойчивое движение сы-

„ т х рья через аппарат, а также

Рис. Ю - Движение сред на полке способствует существенному

увеличению коэффициентов тепло- и массоотдачи и интенсификации процесса сушки.

В основу модели положены уравнения теплового баланса, записанный в следующем виде:

с„,„ • к„,„ • рт, - (к ■ сГГ = «(0-Т)-/с ■ сЬ ■ (¡У,, (3)

Начальные условия:

Т—Т^ при у —0. (4)

Температуру воздуха на выходе из слоя:

Т" =в+(Т' -0)ехр| -

е. \ 1* 1 1

IV, в. ■ г г

&

«-/«-* 1. (5)

, ■ Р.,„ ■ "

Уравнение массоотдачи для элемента Атйу.

Р

Начальные условия:

Рп(0)=Рп <7)

На выходе из слоя (у=/г):

P-f.-P.-h \ (В)

Рц — + (^П "

0,622рт-утЯ,,-Т

Для определения зависимости температуры сырья ® от продольной координаты г запишем уравнения теплового баланса для элемента /гёг:

сс-0,-40 = ст ■ рт - Ут(Т' -Т")-ЬсЬ + рт ■ (.х'-х")-Ь-гсЬ,, (9)

Начальные условия:

©(0)= 0Я ¿0

А,(Т'-&) + А2(Р^-РП1УУ

где А. =

А, =0,622

в,:-сс рвп ■ -г Ь

1 -ехр

О-с-Р,

1-ехр -

с,„, - Р.„, ■ К,

Р-Г.-Ь-Р.

0,622Р,0,-у„с,-ЯпТ

(10) (П) (12) (13)

Данная математическая модель представлена в неявном виде, ее решение получено числено, с применением конечно-разностных технологий. Это решение позволяет производить инженерные расчеты по прогнозированию температуры воздуха по длине полки, температуры ферментированного пшеничного сырья.

На рис. 11 и 12 представлены графики зависимости распределения температуры продукта по длине решетки и распределения температуры воздуха на выходе из решетки по ее длине.

36

к

зю

295 290

Рис. 11 - Распределение температуры воздуха по длине решетки

о а/ о.2 о.з V м

г

Рис. 12 - Распределение температуры сырья по длине решетки

2

■—

4

к;

. м. 9

Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных показал хорошую сходимость: отклонение расчетных от экспериментальных данных не превышало 14,8 %.

В пятой главе на основании результатов исследования было разработано оригинальное машинно-аппаратурное оформление технологической линии ферментированного пшеничного сырья.

Также был разработан способ производства кормов для птицы с применением мультиэнзимного порошкового ферментного препарата. Разработана перспективная высокоинтенсивная конструкция сушильной установки (рис. 13) использующая принцип виброкипя-щего пересыпающего слоя продукта с рециркуляционным подводом воздуха.

Разработан бизнес-план

реализации инновационного

проекта сушки ферментированного пшеничного сырья и его технико-экономическое обоснование.

Выполнена термодинамическая оценка экспериментальной

установки в виде ее эксергетического анализа.

Оценку термодинамического совершенства теплотехнологических систем сушки проводили по эксергетическому КПД, исходя из значения эксергии высушенного ферментированного пшеничного сырья. Полученный эксергетический КПД равен 8,4 %, что выше, чем при сушилки-прототипа (учитывая подогрев воздуха на 8 %. Это говорит о повышении степени совершенства системы при использовании

у

\

Г

Рис.13 — Вибрационная сушилка с пересыпающимся слоем: 1 - рабочая камера; 2 - перфорированная полка; 3 - окно; 4 - пластина;

5 — вибропривод; 6 - рециркуляционный трубопровод; 7 — осушитель воздуха; 8 - вентилятор;

9 - нагреватель; 10 — загрузочный бункер; 11 - разгрузочное устройство;

использовании перед сушкой) термодинамического

контура рециркуляции по теплоносителю - осушающему воздуху, а также более эффективному теплообмену воздуха с высушиваемым продуктом при использовании вибропривода.

Графическая интерпретация эксергетического баланса

представлена в виде диаграммы Грассман-Шаргута (рис. 14).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ и РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Исследованы физико-механические характеристики ферментированного пшеничного сырья: истинная плотность, эквивалентный диаметр, статический угол естественного откоса, коэффициенты трения ферментированного пшеничного сырья О стальные поверхно- Шаргута для предлагаемой конвектив-

сти в интервале влажности от ной сушилки. 1-Ш - номера контроль, _ „ ' ных поверхностей.

10 ДО 150 %.

2. Построены изотермы десорбции ферментированного пшеничного сырья, которые позволяют определить энергетические формы связи влаги с материалом и равновесную влажность, необходимую для выбора режима хранения продукта.

3. Определены теплофизические характеристики ферментированного пшеничного сырья: удельная теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, в интервалах влажности 10...150 % к температуре 293...393 К.

4. Изучены механизм и основные кинетические закономерности процесса сушки ферментированного пшеничного сырья, в результате чего обоснован выбор технологических режимов проведения процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое.

5. Выявлено, что основными факторами, влияющими на протекание процесса сушки ферментированного пшеничного сырья, являются: температура сушильного агента, скорость теплоносителя, амплитуда и частота газораспределительных полок. Получены следующие рациональные режимы сушки: температура сушильного агента 397,5...404,5 К; скорость потока теплоносителя 2,3...2,6 м/с; амплитуда колебаний газораспределительных полок (3,0...3,3)10"3 м, частота колебаний газораспределительных полок 11,2...12,1 Гц.

6. На основе многофакторного статистического анализа процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в вибро-кипящем слое поставлена и решена многокритериальная оптимизационная задача, обеспечивающая компромисс минимальным временем сушки, минимумом энергозатрат на получение 1 кг сухого корма и максимальной величиной напряжения объема сушильной камеры по испаренной влаге в широком диапазоне режимных параметров процесса сушки.

7. Выполнен комплексный анализ показателей качества, в результате которого установлено, что ферментированное пшеничное сырье, высушенное в виброкипящем слое, не ухудшило своих потребительских свойств и сохранило высокую пищевую и энергетическую ценность.

8. Разработана математическая модель процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в установки с виброкипящим слоем.

9. Проведен термодинамический анализ сушильной установки методом эксергетического анализа, в результате был расчитан эксергетический КПД установки, равный 8,4%.

10. Разработано оригинальное машинно-аппаратурное оформление технологической линии производства ферментированного пшеничного сырья, предложена конструкция сушильной установки с виброкипящим пересыпающимся слоем.

11. Проведены производственные испытания, которые подтвердили высокую эффективность разработанных рациональных технологических режимов процесса сушки, разработан бизнес-план и технико-экономическое обоснование реализации производства ферментированного пшеничного сырья.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

W - влажность по сухим веществам, %; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м'К); с - удельная теплоемкость, Дж/(кгК); Т - температура теплоносителя, К; А - амплитуда колебаний газораспределительных полок, м;/- частота колебаний газораспределительных полок, Гц; v - скорость теплоносителя, м/с; q - удельная нагрузка, кг/м , О,, - начальный расход сырья, кг/с, W„ - начальное плагосодержание сырья, кг/кг, с„т - теплоемкость воздуха, Дж/(кгК); сс - теплоемкость сырья, Дж/(кгК); v„„3 - кинематическая вязкость воздуха, м2/с; pml - плотность воздуха, кг/м';0 - температура сырья, К; fc - удельная поверхность сырья, м ; f, i" - начальная и конечная температуры воздуха соответственно, К; х7, У - начальное и конечное влагосодержание воздуха, кг/кг; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); ß - коэффициент массообмена, кг/(м2ч); h - высота слоя сырья, м; Л/7 - универсальная газовая постоянная, Дж/кгК; Г - средняя абсолютная температура, К; Рп - парциальное давление пара в воздухе, Па; Рпп- - парциальное давление пара у поверхности частиц сырья, Па; П - атмосферное давление, Па; Ь - ширина газораспределительной полки, м; z - длина газораспределительной полки, м; г -теплота парообразования воды, кДж/кг.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Аитипов, С.Т. Режимные параметры процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем слое [Текст] / С.Т. Аитипов, С.В Шахов, В.Ю. Овсянников, А.Н. Мартеха // Хранение и переработка сельхозсырья, 2013. — с. 58 — 60.

2. Аитипов, С.Т. Термодинамический анализ процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в аппарате с виброкипящим слоем [Текст] / С.Т. Аитипов, А.Н. Мартеха // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий — Воронеж, ВГУ-ИТ, 2013. - № 4. - с. 117 - 119.

3. Жучгсоо, A.B. Математическое моделирование процесса сушки модифицированного корма [Текст] / A.B. Жучков, A.B. Прибытков, И.В. Черемушкина, А.Н. Мартеха // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий - Воронеж, ВГУ-ИТ, 2013. -№ 2. — с. 100-105.

4. Кравченко, В.М. Исследование гигротермических свойств модифицированного корма [Текст] / В.М. Кравченко, А.Н. Мартеха // Кормопроизводство, 2012. - № 9. - с. 45 - 46.

5. Кравченко, В.М. Технология производства моднфицирован-

ных кормов с иммунотропным и пребиотическим действием [Текст]/ В.М. Кравченко, И.В Черемушкина, А.Н. Мартеха, Ю.А. Новикова // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий - Воронеж, ВГУИТ, 2012. -№ 2. - с.113 - 115.

6. Кравченко, В.М. Разработка способа производства комбикорма с пребиотическим действием [Текст] / В.М. Кравченко, И.В Черемушкина, А.Н. Мартеха // Хранение и переработка сельхозсырья, 2011.-№ 11.-с. 63-64.

7. Кравченко В.М. Перспективный способ производства кормов с иммунотропным и пребиотическим действием [Текст] / В.М. Кравченко, И .В. Черемушкина, А.Н. Мартеха // Материалы международной научно-технической конференции «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития» — Воронеж, 2011. — с. 180 - 182.

8. Кравченко В.М. Разработка способа сушки модифицированного корма [Текст] / В.М. Кравченко, А.Н. Мартеха // Материалы L отчетной научной конференции за 2011 год - Воронеж, ВГУИТ, 2012. -Часть 1. - с. 45.

9. Кравченко, В.М. Модифицированный комбикорм как объект сушки / В.М Кравченко, А.Н. Мартеха, A.B. Лазарев, М.О. Жигулина // IV Общероссийская студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум», 2012.

(URL: http://rae.ru/forum2012/309/2730).

10. Кравченко, В.М. Сушилка с пересыпающимся слоем для сушки модифицированной смеси компонентов комбикорма [Текст] / В.М. Кравченко, А.Н. Мартеха // Материалы научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям»- Воронеж, ВГУИТ, 2012.-Часть 1.-е. 168.

11. Мартеха А.Н. Кинетические закономерности процесса сушки маннансодержащего сырья [Текст] /А.Н. Мартеха // Материалы LI отчетной научной конференции за 2012 год - Воронеж, ВГУИТ, 2013.-Часть 1.-е. 41.

Подписано в печать 18.11.2013. Формат 60 х 84 Vi6.

Усл. печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394000, Воронеж, пр. Революции, 19

Статьи и материалы конференций

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ»

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА СУШКИ ФЕРМЕНТИРОВАННОГО ПШЕНИЧНОГО СЫРЬЯ В АППАРАТЕ С ВИБРОКИПЯЩИМ ПЕРЕСЫПАЮЩИМСЯ СЛОЕМ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Антипов Сергей Тихонович

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения................................................ 5

Введение................................................................................. 7

Г л а в а 1. Современное состояние теории, техники и технологии

переработки ферментированного пшеничного сырья..... 11

1.1. Общая характеристика ферментированного пшеничного сырья. 11

1.2. Существующие способы и оборудование для сушки высоковлажных дисперсных продуктов................................. 14

1.3. Развитие теории и техники виброкипящего слоя в процессе сушки........................................................................................... 27

1.4. Основные выводы, постановка цели и задач исследования.... 37 Г л а в а 2. Исследование свойств ферментированного пшеничного

сырья как объекта сушки........................................... 40

2.1. Исследование физико-механических свойств ферментированного пшеничного сырья.................................. 40

2.1.1. Анализ гранулометрического состава............................ 41

2.1.2. Определение истинной плотности...................................... 43

2.1.3. Изучение насыпной плотности....................................... 44

2.1.4. Исследование порозности слоя........................................... 46

2.1.5. Определение угла естественного откоса частиц ферментированного пшеничного сырья................................... 46

2.1.6. Определение коэффициентов внешнего и внутреннего трения........................................................................................ 48

2.2. Исследование теплофизических характеристик ферментированного пшеничного сырья.................................. 56

2.3. Исследование гигроскопических свойств ферментированного пшеничного сырья сорбционным методом............................. 66

2.4. Дифференциально-термический анализ ферментированного пшеничного сырья...................................................... 69

Г л а в а 3. Экспериментальные исследования процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое............................................................. 73

3.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента.......................................................... 73

3.2. Многофакторный статистический анализ процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое............................................................... 77

3.2.1. Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов.................................................................................... 77

3.2.2. Выбор оптимальных решений задачи сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое.............................................................. 88

3.2.3. Исследование процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое... 99

3.3. Анализ влияние основных факторов на кинетику процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое..................................... 107

3.3.1. Влияние температуры и скорости сушильного агента... 107

3.3.2. Влияние параметров вибрации...................................... 110

3.3.3. Влияние удельной нагрузки и............................... 112

3.4. Исследование качественных показателей сухого ферментированного пшеничного сырья.................................. 113

3.4.1. Исследование органолептических и физико-химических показателей ферментированного пшеничного сырья......................................................................................... 114

3.4.2. Анализ аминокислотного состава ферментированного пшеничного сырья...................................................... 115

Г л а в а 4. Математическое моделирование процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое................................................... 117

4.1. Физическая постановка задачи....................................... 117

4.2. Моделирование процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем слое.......................... 119

4.3. Численный метод решения........................................... 123

4.4. Анализ результатов моделирования................................. 126

Г л а в а 5. Практическое применение результатов научных и

проектно-технических решений................................... 131

5.1. Разработка способа производства кормов........................ 131

5.2. Разработка линии производства ферментированного пшеничного сырья..................................................... 133

5.3. Разработка установки с виброкипящим пересыпающимся слоем для сушки ферментированного пшеничного сырья........ 136

5.4. Эксергетический анализ процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в вибрационной сушилке.......................... 138

5.5. Расчет экономической эффективности производства комбикорма с использованием ферментированного пшеничного сырья...................................................... 148

5.5.1. Расчет капиталовложений в проект......................... 148

5.5.2. Расчет дополнительных текущих расходов............... 149

5.5.3. Расчет экономии текущих затрат............................ 151

5.5.4. Расчет годового экономического эффекта и показателя эффективности капиталовложений.................................. 152

Основные выводы и результаты работы....................................... 153

Библиографический список........................................................ 155

Приложение.............................................................................. 168

Основные условные обозначения

с - удельная теплоемкость, Дж/(кг- К); И - коэффициент диффузии, м /с; - диаметр, м;

2

Т7 - площадь поверхности, м , сила, Н; f- коэффициент трения; частота, Гц; g - ускорение свободного падения, м /с; Д к - высота, м; О - нагрузка, кг; расход м3/с; х - влагосодержание, кг/кг; а - нормальное напряжение, Па; т - масса, кг;

Р - парциальное давление, Па;

расход кг/с; количество тепла, кДж/с; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); г - радиус, м; удельная теплота парообразования, Дж/кг; Т, £ - температура, К; °С; V - скорость, м/с;

3 3

V- объем, м ; объемный расход, м /с; IV- влажность, %; влагосодержание, кг/кг; А - амплитуда, мм;

П - влагосодержание сушильного агента, кг/кг;

а - коэффициент температуропроводности, м /с; коэффициент теплообмена, 2

Вт/(м -К); степень превращения; ¡3 - коэффициент массообмена, кг/(м"-К); Л - разность, приращение; е - порозность слоя;

X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);

//- коэффициент динамической вязкости, Па-с; коэффициент сдвига;

v-коэффициент кинематической вязкости, м /с; р - плотность, кг/м3; 0 - температура, К;

г - время, с, мин; напряжение сдвига, Па;

ср - угол, градус; относительная влажность газа, %;

Безразмерные числа, критерии

Re - число Рейнольдса; Nu - число Нуссельта; Fo - число Фурье;

Индексы

D - диффузионный; виб - вибрационный; тах - максимальный; min - минимальный; воз - воздух; н - начальная, п - пар, продукт; с - сырье, сухие вещества; сл - слой; м - мокрого термометра, материала; а - атмосферный; к -конечная; р - равновесная; г - груза; са - сушильный агент; ср - средняя; уд -удельная; ч — частицы; э - эталон, эквивалентный, ст - сталь;

Введение

Стремление Правительства РФ обеспечить продовольственную безопасность страны, а также приток частных инвестиций привели к достаточно стремительному развитию отечественного животноводства в последние годы. Увеличение животноводческого сектора (главным образом, сегмента птицеводства), в свою очередь, повлекло за собой рост рынка комбикормов. Таким образом, была преодолена многолетняя динамика спада, вызванная кризисными явлениями 1990-х годов. [106, 114].

За последние годы осуществлена модернизация технической базы многих межхозяйственных, колхозных и совхозных комбикормовых цехов и заводов, построены новые производства комбикормов. Для более полного удовлетворения производства комбикормов в высокобелковом сырье во многих регионах создаются межхозяйственные предприятия по изготовлению кормовых дрожжей, мясокостной, травяной и хвойной муки, сухого обезжиренного молока, карбамидного концентрата и других кормовых добавок. Кроме того, данные предприятия вырабатывают муку из выжимок фруктов и овощей, ботвы свеклы, сушат свекловичный жом, картофель, производят экструзию гороха и других кормовых культур, которые в дальнейшем используют как белковые компоненты при изготовлении стартерных комбикормов и заменителей цельного молока для молодняка сельскохозяйственных животных.

Все это позволило занять к настоящему времени десятое место среди крупнейших производителей комбикормов в мире, следуя за США (мировой лидер - занимает около четверти мирового рынка), Китаем, Бразилией, Японией, Мексикой, Канадой, Францией, Германией и Испанией. [82]. Сейчас техническая политика в комбикормовой промышленности направлена на развитие предприятий с универсальной технологической схемой, позволяющей вырабатывать комбикорма для всех видов сельскохозяйственных животных. В то же время, в зависимости от потребности в комбикормах близлежащих потребителей, формируется оптимальная специализация отдельных комби-

кормовых заводов, обеспечивающая минимальные затраты на доставку готовой продукции. Практически во всех регионах имеются предприятия, производящие комбикорма для птиц и свиней государственных комплексов - ориентация комбикормовых предприятий на углубление предметной специализации дает возможность более эффективно использовать машины и оборудование, сырье и энергетические ресурсы, позволяет повысить уровень механизации и автоматизации производственных процессов.

С 2006 года российский комбикормовый рынок стабильно растет на ~ 10% в год, причем даже в кризисный для животноводства 2009 год прирост рынка был положительный - 5%. Главная особенность российского рынка комбикормов - его ориентированность на внутреннее производство: основная часть объема рынка (99.37%) приходится на российскую продукцию и 99.91% отечественных комбикормов потребляются внутри страны [58].

В структуре рынка основную долю - 55% - занимают полноценные комбикорма, 30% приходится на комбикорма-концентраты и около 15%) - на кормовые смеси. Если структурировать производство по назначению комбикорма, то, по данным Research. Techart, 48.6%) рынка приходится комбикорма для птиц, 28%о - для свиней, 22.1%) - для КРС, 1.3%> - прочие виды комбикормов [82].

Интенсификация и расширение сельскохозяйственного производства широко связаны с задачей повышения выпуска продукции животноводства. В настоящее время эта задача не может быть решена без организации правильного применения кормопродуктов, так как в последние годы появился дефицит рационов по ряду биологически активных и минеральных веществ. Существующее положение кормовой базы, низкое производство белково-витаминных добавок не в состоянии обеспечить животноводство сбалансированным кормовым сырьем в необходимом объеме.

Для роста продуктивности животных, повышения производства продукции животноводства, необходимым условием является полноценное кормле-

ние, предусматривающее выдачу животным полнорационных многокомпонентных кормовых смесей.

Такие смеси значительно лучше усваиваются животными и способствуют повышению продуктивности. Многочисленными исследованиями выявлено, что наиболее рационально использовать в животноводстве полнорационные кормосмеси с частичным или полностью гидролизованным комплексом некрахмалистых полисахаридов. Гидролизованные кормосмеси готовятся с использованием специальных ферментов, гидролизующих полисахариды на минорные сахара [39].

Основой комбикормов в РФ являются зерновые культуры, в частности пшеница составляет большую его часть, поэтому представляется интересным исследование данного вида сырья после его ферментации.

Использование предложенного ферментированного пшеничного сырья при производстве комбикорма для птицы позволит получить эффект, обусловленный нормализацией микробиоценоза, повышением усвояемости кормов за счет активации деятельности ЖКТ, улучшения углеводного обмена, что приведет к увеличению прироста живой массы, повышению сохранности и обеспечению улучшения экологического состояния птицы.

Вследствие высокой начальной влажности ферментированного пшеничного компонента комбикорма это сырье обладает небольшим сроком хранения. В связи с этим актуальным является разработка ресурсосберегающих и высокоэффективных технологий сушки, обеспечивающих получение готовой продукции высокого качества и высокий срок хранения.

Таким образом, применение ферментированного пшеничного компонента комбикорма в рационе птицы и разработка способа сушки такого сырья является актуальной задачей.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры машин и аппаратов пищевых производств ВГУИТ на 2011-2015 гг. «Адаптация пищевых машинных технологий к тепло- и массообменным процессам на основе диаг-

ностики техники и технологии пищевых производств» (№ государственной регистрации 01201253880).

Научная новизна. Исследовано влияние влажности ферментированного пшеничного сырья на изменение его физико-механических, гигроскопических и теплофизических свойств, как объекта сушки.

Установлены кинетические закономерности процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое. По результатам планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных установлено влияние различных факторов на кинетику процесса сушки.

Проведено комплексное исследование качественных показателей ферментированного пшеничного сырья, высушенного в виброкипящем пересыпающемся слое.

Проведен термодинамический анализ эффективности процесса сушки ферментированного пшеничного сырья. Разработана математическая модель процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем слое.

Практическая значимость работы. На основании комплекса исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях, показана целесообразность применения аппарата с виброкипящим пересыпающимся слоем для сушки ферментированного пшеничного сырья.

Разработана машинная технология производства ферментированного пшеничного сырья. Разработана оригинальная конструкция сушильной установки, использующая принцип виброкипящего пересыпающего слоя.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (с 2010 по 2013 гг.), Результаты работы экспонировались на Международных постоянно действующих выставках г. Воронеж и были отмечены 5 дипломами.

и

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ФЕРМЕНТИРОВАННОГО ПШЕНИЧНОГО СЫРЬЯ

Исследование процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем слое, интенсификация и оптимизация, а, следовательно, совершенствование на этой основе технологического процесса сушки и оборудования для его осуществления, невозможно без обзора литературных и патентных данных, анализа современного состояния теории, техники и технологии переработки ферментированного пшеничного сырья.

1.1. Общая характеристика ферментированного пшеничного сырья

Ферментированное пшеничное сырье - продукт, получаемый при проведении ферментного гидролиза дробленой пшеницы. По внешнему виду сырье представляет собой коллоидно-дисперсную фракцию, содержащую дробленное, прошедшее температурную и ферментную обработку зерно пшеницы. Ферментация проводится с целью повышения питательной ценности пшеничного сырья. Существуют большое количество ферментов используемых при производстве биомодифицированных кормов, например, [3 - манна-наза, а - галактозидаза, [3 - маннозидаза [19].

Исследованиями выявлено, что у животных, особенно моногастрич-ных, практически нет собственных ферментов, переваривающих некрахмалистые полисахариды, из-за чего они практически не усваиваются организмом. Более того, некрахмалистые полисахариды препятствуют доступу собственных ферментов животных и птиц к другим питательным веществам и их перевариванию. В пищеварительном тракте птиц и животных некрахмалистые полисахариды образуют вязкий раствор, обволакивающий гранулы крахмала и протеинов. Возникают два отрицательных последствия: жидкий и клейкий помет, в котором распространяется инфекция и снижение продуктивности

птиц и животных [13]. Ферментированное пшеничное сырье отличается, прежде всего, повышенной концентрацией молочной кислоты, низким уровнем рН (4,5) и предварительным расщеплением крахмала [35].

В настоящее время ферментированный корм скармливают в жидком виде. Полное использование ферментированного пшеничного сырья в свежем виде затруднено, так как транспортировка ее на дальние расстояния связана с большими затратами из-за высокого содержания в сырье воды (до 95 %) [19, 35, 39, 45].

Количество белков в ферментированном сырье увеличивается за счет �