автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение способа производства порошкообразных кормовых добавок

На правах рукописи

ТОНКИХ Наталья Викторовна

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКООБРАЗНЫХ КОРМОВЫХ ДОБАВОК

Специальности: 05.18.12 — Процессы и аппараты пищевых производств 05.18.01 — Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и

виноградарства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005562486

2 3 СЕН 2015

Воронеж-2015

005562486

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»)

Научные руководители - заслуженный изобретатель РФ.

доктор технических наук, профессор Шевцов Александр Анатольевич (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

доктор технических наук, доцент Шснцова Евгения Сергеевна

(ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Официальные оппоненты - Панин Иван Григорьевич

доктор технических паук, старший научный сотрудник (ООО «Лвита»), директор

Пономарев Александр Владимирович

кандидат технических наук

(ООО «Инжиниринговый центр ВСМ»), главный технолог проектного отдела Ведущая организация - ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт комбикормовой промышленности» (ОАО «ВНИИКП». г. Воронеж)

Зашита состоится «15» октября 2015 г. в 13 часов 30 мин на заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» по адресу: 394036. г. Воронеж, проспект Революции, 19. конференц-зал.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим присылать ученому секретарю совета Д 212.035.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ». Полный текст диссертаций размещен в сети «Интернет» на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» |1ир://\у\ч\\'. vsuet.ru «2» июля 2015 г.

Автореферат размещен в сети «Интернет» па официальном сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки РФ по адресу: https://vak2.ed.gov.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» |1Ир://\\\\и'. vsuet.ru «11» августа 2015 г.

Автореферат разослан «8» сентября 2015 г.

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

I

./'7'■*'!'" Л.Н.Фролова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции через техническую и технологическую модернизацию производства является важнейшей задачей национального проекта «Развитие Агропромышленного комплекса на 2013-2020 годы». В настоящее время сложившиеся рыночные отношения предъявляют высокие требования к качеству комбикормов, их ассортименту. Повышение потребительских свойств комбикормов связано с привлечением в рецептуру премиксов новых добавок, которые увеличивают продуктивность сельскохозяйственных животных и птицы, снижают затраты кормов, положительно влияют на иммунную систему. Этим требованиям отвечают порошкообразные кормовые добавки — цеолитсодержащая с хелатным соединением меди и ферментный препарат ß-маннаназы. Ферментный препарат ß-маннаназы позволяет гидролизовать некрахмалистые полисахариды, в том числе трудногидролизуемые маннаны клеточных стенок растительного сырья, что позволяет повысить усвояемость кормов. Хелат-ное соединение меди в составе премиксов оказывает положительное влияние на процесс воспроизводства сельскохозяйственных животных и птицы, способствует предупреждению их заболеваний, связанных с недостатком витаминов и микроэлементов.

Особое место в технологии ферментных препаратов отводится мембранному разделению жидких сред с возможностью их концентрирования при обычной температуре при подготовке к распылительной сушке - наиболее энергоемкому процессу, влияющему на себестоимость готовой продукции.

Современные тенденции в развитии теории распылительной сушки подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергоэффективных технологий кормовых добавок с использованием важнейших принципов энергосбережения и экологической безопасности на всех этапах производства.

Теоретические основы тепломассообмена в процессах распылительной сушки и их аппаратурное оформление отражены в работах A.B. Лыкова, Б.И. Леончика, A.C. Гинзбурга, A.A. Гухмана, Д.Г. Пажи, И.Т. Кретова, С.Т. Антипова, П.Д. Лебедева, М.Ю. Лурье, В.И. Муштаева и др., а также зарубежных ученых - У. Маршалла, Р. Робинсона н др.

Научная работа проводилась в рамках Федеральных целевых научно-технических программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в соответствии с тематическим планом НИР кафедры технологии хлебопекарного, кондитерского, макаронного и зерноперерабаты-

вающего производств ВГУИТ (№ гос. регистрации 01201253866) «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологически чистых технологий хранения и переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные продукты с программируемыми свойствами и соответствующим аппаратурным оформлением на предприятиях АПК». Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по Соглашению о предоставлении субсидии от 28.11.2014 г. № 14.577.21.0139 (уникальный идентификатор научных исследований и экспериментальных разработок КРМЕР157714X0139).

Цель работы - разработка научно обоснованных ресурсосберегающих, экологически безопасных и энергоэффективных способов производства порошкообразных кормовых добавок.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Изучение порошкообразной цеолитсодержащей добавки с хе-латным соединением меди и ферментного препарата Р-маннаназы как объектов кормопроизводства.

2. Разработка научно-практических подходов к созданию энергоэффективных технологий получения ферментных препаратов с использованием холодильной техники.

3. Определение рациональных технологических режимов ультрафильтрационной установи! методами планирования эксперимента, обеспечивающих минимум удельных энергозатрат на прокачку раствора и максимум массовой доли сухих веществ и активности Р-маннаназы в концентрате на выходе из мембраны.

4. Разработка конструкции мембранного аппарата, обеспечивающего повышение эффективности мембранного разделения при концентрировании культуральной жидкости за счет снижения поляризационной концентрации.

5. Получение аналитического решения математической модели процесса теплопереноса при распылительной сушке ферментного препарата Р-маннаназы с нанесением структурообразующей пленки и экспериментальная проверка результатов моделирования. Разработка методики построения кривых кинетики влагоудаления по экспериментальным данным.

6. Разработка программно-логического алгоритма управления технологическими параметрами при получении капсулированных ферментных препаратов, обеспечивающего наименьшие потери теплоты и электроэнергии.

7. Разработка способа получения и ввода хелатного соединения меди в состав премиксов; изучение влияния цеолитсодержащей добавки на качество комбикормовой продукции; выполнение оценки допустимого предела вариаций содержания биологически активных веществ в партии премикса относительно данных рецепта.

8. Промышленная апробация, технико-экономическая оценка и эксергетический анализ предлагаемой технологии получения кормовой добавки на основе цеолита.

Научные положения, выносимые на защиту:

- результаты исследований по возможности использования ферментного препарата Р-маннаназы и хелатного соединения меди в составе комбикормов и премиксов;

- экспериментальные данные и результаты статистического моделирования процесса ультрафильтрации;

- математическая модель процесса распылительной сушки ферментного препарата;

- предлагаемые способы получения порошкообразных ферментного препарата и кормовой добавки на основе цеолита с использованием рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов;

- программно-логический алгоритм управления технологическими параметрами при получении капсулированных ферментных препаратов;

- метод расчета допустимого предела вариаций содержания биологически активных веществ в партии премикса.

Научная новизна.

1. Разработана статистическая модель процесса ультрафильтрации ферментного препарата р-маннаназы, в которой в качестве критериев оптимизации использованы такие важные показатели, как удельные энергозатраты, массовая доля сухих веществ и активность ферментного препарата в концентрате на выходе из мембраны.

2. Решена нестационарная задача распределения температурных полей гранул с пленкой раствора на ее поверхности в процессе распылительной сушки в виде дифференциальных уравнений второго порядка методом преобразования Лапласа. Предложена методика построения кривых кинетики влагоудаления распылительной сушки ферментного препарата.

3. Составлен программно-логический алгоритм управления способа получения капсулированных ферментных препаратов на базе па-рокомпрессионного теплового насоса, обеспечивающий повышение энергетической эффективности совместно протекающих процессов ферментации и распылительной сушки.

4. Предложен метод расчета, позволяющий оценить допустимый предел вариаций содержания биологически активных веществ в партии премикса относительно данных рецепта.

5. Выполнен эксергетический анализ и проведена оценка термодинамического совершенства способа получения порошкообразной кормовой добавки на основе цеолита как системы процессов.

Практическая ценность. Разработана энергоэффективная технология получения ферментных препаратов с использованием паро-компрессионного теплового насоса (Пат. РФ № 2495122).

Определены рациональные интервалы изменения технологических режимов процесса ультрафильтрации культуральной жидкости ферментного препарата р-маннаназы: массовая доля сухих веществ в исходном растворе С„= 6,15-7,25 %; активность р-маннаназы в культуральной жидкости Л„ = 2399,014-2402,5 ед/см3; разрешающая способность мембраны £> = 105,75-189,20 кДа; расход исходного раствора О,, = 0,0340-0,0354 м3/с.

Разработана конструкция вертикального мембранного аппарата (Решение о выдаче патента по заявке № 2014122596 от 18.05.2015).

Определены рациональные параметры процесса распылительной сушки: температура на входе в распылительную сушилку 75 — 90 °С; давление сжатого воздуха, подаваемого в пневматическую форсунку 150 кПа; расход жидкости на распыление - 960 мл/ч; расход сушильного агента 30 м3/ч. Соотношение распыляемой жидкости и сжатого воздуха 1:10. Предложена методика построения кривых кинетики влагоудаления распылительной сушки ферментного препарата.

Разработан способ управления процессом получения капсулиро-ванных ферментных препаратов на базе парокомпрессионного теплового насоса (Решение о выдаче патента по заявке № 2014122382 от 10.04.2015).

Разработан способ производства кормовой добавки на основе цеолита и линия для его осуществления (Пат. РФ № 2484640).

Проведены производственные испытания в условиях ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод», которые показали высокую эффективность предлагаемых технических и технологических решений.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует п. п. 1, 3 и 4 паспорта специальности 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств и п. п. 2 и 5 специальности 05.18.01 — Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных, всерос-

сийских научно-практических конференциях и семинарах (Воронеж, 2012-2014), (Иваново, 2014), (Алматы, 2014), (Краснодар, 2015), отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воронеж, 2013-2014).

Результаты работы отмечены дипломом лауреата конкурса «Инженерные технологии XXI века» (2013), дипломами участника выставки «Инновационные технологии в производстве кондитерских, хлебобулочных, макаронных изделий и зернопродуктов» (2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в т.ч. 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 10 тезисов докладов, получено 2 патента РФ.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 125 наименований, в т.ч. 10 зарубежных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства порошкообразных кормовых добавок, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о современном состоянии теории, технологии и техники получения порошкообразных кормовых добавок как системы процессов, в т.ч. вопросы мембранного разделения культуральных жидкостей и тенденции их совершенствования, распылительная сушка ферментных препаратов.

Во второй главе предложена научная программа исследований, направленная на совершенствование ресурсосберегающих, энергоэффективных технологий получения порошкообразных кормовых добавок с применением холодильной техники.

Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедр технологии хлебопекарного, макаронного, кондитерского и зерноперерабатывающего производств; технологии бродильных и сахаристых производств; биохимии и биотехнологии ВГУИТ, а также в производственно-технологической лаборатории ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод».

В качестве основных объектов исследований были выбраны чистая культура микроорганизмов микромицет ТпсЬоскгта Ьагаапит П14 - продуцент фермента (З-маннаназы и хелатное соединение меди, полученные соответственно на кафедре биохимии и биотехнологии и кафедре технологии хлебопекарного, макаронного, кондитерского и зерноперерабатывающего производств. В культуральной жидкости по-

еле ферментации определяли активность р-маннаназы методом Сомоджи-Нельсона, содержание сухих веществ - рефрактометрическим методом; состав и устойчивость соединений меди- спектрофотометрическим методом на портативном спектрофотометре иУМ1ш-1240 японской фирмы «8Ытас1ги» и ИК-спектрофотометре; содержание витаминов -высокоэффективной жидкостной хроматографией.

Для использования полученного хелатного соединения меди в производстве премиксов изучены его физико-механические свойства (таблица 1).

Таблица 1 - Физико-механические свойства хелатного соединения меди

Наименование продукта £ 5 0 1 п: ОЭ о и. та 5 Остатки на сетках №, % а.

Угол естествен«' откоса, град Объемная масс кг/м3 л 5 о 0 1 3 с та с. Гигроскопическ точка, % о во о ю о о V-1 о ТГ О дно Средний разме частиц, мм

Хелат меди 6,2 37 442 6,9 71,5 - 6,1 20,3 4,6 3,4 65,5 0,4

В третьей главе приведены результаты исследований процесса ультрафильтрации культуральной жидкости Trichoderma harzianum F114 на пилотной установке мембранной фильтрации.

В ходе экспериментальных исследований изучены кинетические закономерности процесса ультрафильтрации культуральной жидкости (рисунок 1) при следующих исходных параметрах: содержание сухих веществ в культуральной жидкости 6,5 %, давление в ходе процесса составляло 200 кПа, мембрана со средним размером пор 0,017 мкм, внешний диаметр канала мембраны — 10 мм, длина мембраны — 1178 мм.

В качестве основных факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации, были выбраны следующие: массовая доля сухих веществ (СВ) в исходном растворе (А',) С„= 5,0-8,0 %; активность р-маннаназы в культуральной жидкости (Х2) А„ = 2395-2405 ед/см3; разрешающая способность мембраны (Х3) D = 20-300 кДа; расход исходного раствора (Х4) GH= 0,032-0,040 м3/с. Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса ультрафильтрации продуцента фермента Р-маннаназы, а также технико-экономическими показателями процесса.

Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации культуральной жидкости Trichoder-

та Ьагаапит Р114 продуцента (3-маннаназы, применили математические методы планирования эксперимента.

100 200

500 600

100 200 400 500 600

С

б)

Рисунок I Зависимость проницаемости мембраны (G) от времени (г) фильтрации культуральной жидкости: а - при различном трансмембранном давлении; б - при различной концентрации растворенного вещества;

в - при различной скорости потока.

Критериями оценки влияния различных факторов на процесс ультрафильтрации были выбраны F, - удельные энергозатраты на прокачку раствора, отнесенные на 1 м3 пермеата, мДж/м3; У2 — массовая доля СВ в концентрате, %; Y3 - активность Р-маннаназы в концентрате, ед/см3.

В результате математической обработки получены нелинейные уравнения регрессии, описывающие данный процесс:

У, = 0,22 - 2,97 ■ 10"' X, - 5 ■ 10"'Хг - 0,028А", + 0,015 А'4 +1,25 • I О"1 X,X, --110"'ад+2,6210-'ХгА3+ 2,23-Yf + 0,011*,2 + 8,3510"'^ (j)

Yz = 33.13 + 0,6LY, + 0,92Х2 -1,63 Af, -1,29Х4 + 0, Ü9XlX1 -0,09Х,Х, --0,21.V,A'4- 0,22Х,Х,- 0,35AVVJ+0,35X,Ar4+ 0.61А',2- О.ЗОАГ2 - 0,28АГ2 п) Y, = 3001,14 + 47.86А', + 24,06Á'2-41.51АГ3 -14,44^ -11,57Х,Х2 + 5,31А',Х1 + +15,77А',А', + 15,77A',A'j+ 1,41А'гАГ4-20,27Х,ХА-4.18,Г=-5,91А";+6.69А; Определены оптимальные интервалы изменения параметров X¡ для всех исследуемых выходных факторов (таблица 2).

Уу Хъ % Х2, ед./см3 X), кДа Х4, м3/с

1ТЦП шах тт гпах тт тах тт тах

у. 5 5,75 2395 2397,5 20 90 0.038 0,04

Гг 7,25 8 2402,5 2405 230 300 0.038 0,04

7,3 7,5 2400 2403.5 220 290 0,030 0,035

В результате применения метода «ридж - анализ» для определения оптимальных режимов получены рациональные границы исследуемых факторов: массовая доля сухих веществ в исходном растворе С„ = 6,15-7,25 %; активность Р-маннаназы в культуральной жидкости А„ = 2399,014-2402,5 ед/см3; разрешающая способность мембраны 0= 105,75-189,20 кДа; расход исходного раствора С,„ = 0,034-0,0354 м3/с.

Для проверки правильности полученных результатов был поставлен ряд параллельных экспериментов, полученные результаты попадали в рассчитанные доверительные интервалы по всем критериям качества. При этом среднеквадратичная ошибка не превышала 6,7 %.

Построена инженерная номограмма, позволяющая прогнозиро-ать удельные энергозатраты на прокачку раствора (У]), массовую долю СВ в концентрате (¥г) и активность Р-маннаназы в концентрате (У3) в зависимости от массовой доли СВ в культуральной жидкости (С„) и рас-

Рисунок 2 Номограмма для определения удельных энергозатрат на прокачку раствора (К]), массовой доли СВ в концентрате (У2) и активности Р-маннаназы в концентрате (У3 ) в зависимости от массовой доли СВ в культуральной жидкости (С„) и расхода исходного раствора (б,,)

о., %

По результатам исследований разработан мембранный аппарат (рисунок 3) (Решение о выдаче патента по заявке № 2014122596 от 18.05.2015).

Исходная жидкость

¡В / п , 9 4

¿3 Й

я г/

Концентрат (

Фильтрат

а в

Рисунок 3 а - вертикальный мембранный аппарат; б - зона отвода концентрата и фильтрата; в - вид планетарной зубчатой передачи со стороны отвода концентрата и фильтрата

Данный мембранный аппарат позволяет обеспечить повышение эффективного мембранного разделения при концентрировании куль-туральной жидкости за счет снижения поляризационной концентрации перед ее подачей на распылительную сушку.

Четвертая глава посвящена математическому моделированию процесса распылительной сушки капсулированных ферментных препаратов со структурообразующей пленкой. В основу моделирования легла краевая задача теплопроводности в следующем виде: дТ.Сг, т)

дт

д2ТАг, т) 2 9Гг(г, т)1

-+--^-1 и>0,0<г <Й!,

дг2 г дг

(4)

дТ2(г, т) Зт

а 2

д2Т2(г, т) 2 дТ2(г, т)

Т\ (г, 0) = 1с-С10 -

дг2 рАРг

+ — г

дг

,т > < г < Д2 = + Л. (5)

= Г10; Т2(г, 0) = 1е-Ьг

РйРг *

= Г„

(6)

11

——— = 0;7\(0,т) * +cra, (7)

дг

дТ^т) ЭГ^.т) Яг

дг :Кл=л1' (8)

7"i(/?i,T) = Г2(Я, т), (9)

аг2(л?т) А2 /1Л.

t2(r2t) = -я ; 'Ля = —. СО)

v ' ' дг a

где 7\(г, т), Г2(г, т), tc— температуры твердой частицы, пленки и сушильного агента соответственно. К; г - текущий радиус, м; h - толщина пленки, м; а1( а2- коэффициенты температуропроводности частицы и пленки, м7с; Я1,Я2 — их теплопроводности, Вт/(мК); a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); /? — коэффициент массоотдачи, с/м; ZlP-разность парциальных давлений пара над поверхностью пленки и в

газе, Па:, г*- удельная теплота испарения, Дж/кг; КН - безразмерный параметр; Rlt R2~ радиус частицы и внешний радиус пленки соответственно, м.

Методом интегральных преобразований Лапласа при условии, что величина Ti0 не зависит от радиуса и ограниченности температуры в центре частицы С, (s) = 0, решение системы уравнений (6)-(10) для области 0 <r <R¡ получено в виде:

•^♦^(«.-««Л-Йг,) <»>

где — изображение по Лапласу; s — переменная в пространстве изображения; Q¡ - вспомогательная функция. Для области R¡ <r < R,:

Т20 ¡7 17 (Qz-QsWiTzi-^Tn

fi 17 17 T (12)

4 21 Ja2 Ja 2 sr

\ \

где преобразования Лапласа по времени для уравнений (4)-(5) имеют вид:

, , д2в1(г, г) 2двг(г, т)

se^r,s) - Т10 = а, дг2 + 0 < г < /?!, (13)

, ч д2е2 (г, г) 2дв2(г, т)

(г, s) - Г20 = а2 гдг2 + , Кг < Г < R2, (м)

где изображения 0¡(r,s)-T¡(r, т) (í = 1,2).

Точное решение для твердой частицы в области 0 < г < в пространстве оригиналов получено в виде бесконечной суммы:

«i

(15)

(т20 0 + т21 \(МгКа ^ - ^-)sin(jip) - {d2 +

Для области пленки R1<r<R2 решение получено в виде:

fiKa V Ri /

r-Rj

+SÍn[lCOS(liKa —-—■),

sin — • «1

(16)

где F0 — ~ число Фурье; d2 —

r2-h

H

; fu — положительные корни урав-

нения; ЛТа, р - безразмерный параметр.

Результаты моделирования получены для изменения температуры твердой частицы в процессе сушки по уравнению (16). Их погрешность при сравнении с экспериментальными данными составила 8-10 %. Сравнение графиков полученного точного решения с приближенным представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 Изменение безразмерных температур и температурного градиента в зависимости от времени. Сравнение точного и приближенного решений для значений параметров Ка = 1, Кл = 1, Я2 = 1ДКЬ Я = 00, 110 = 20, 120 = 30,£с = 70. Точные решения показаны сплошными линиями, приближенные решения - пунктирными. Кривые 1 на рисунке отвечают г = 0, кривые 2: г = Я,, кривые 3: г = Л*

Проверка математической модели на адекватность выполнена по экспериментальным данным распылительной сушки ферментного препарата Р-маннаназы при следующих входных параметрах: начальная влажность ферментного препарата (3-маннаназы после ультрафильтрации 65 %; темпе-

13

ратура на входе в распылительную сушилку 75 - 90 °С; давление сжатого воздуха, подаваемого в пневматическую форсунку 150 кПа; расход жидкости на распыление - 960 мл/ч; расход сушильного агента 30 м'/ч. Соотношение распыляемой жидкости и сжатого воздуха 1:10. Высота сушильной камеры 1,5 м. Отклонение конечной температуры препарата от расчетной не превышала 10 %.

При изучении кинетических закономерностей процесса распылительной сушки ферментного препарата использовался метод построения кривых влагоудаления. Сначала фиксировались температура и влажность ферментного препарата на входе в сушилку и конечная влажность и температура полученного порошка. По этим значениям строились графические зависимости температуры материала (Т„) от влажности (И7) при различных значениях температуры сушильного агента (Тса). Функциональная связь между температурой материала (7"„) и влажностью имела вид прямой, которая аппроксимирована уравнением линейной регрессии (рисунок 5, а):

T„ = T0-qW (17)

где Т„— отрезок на оси ординат; q- tg а- тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс.

0 10 20 50 60 70

Рисунок 5 Кривые кинетики влаго-

удаления распылительной сушки

ферментного препарата:

а — область допустимых значений

изменения влажности при заданных

условиях; б - теоретические кривые

нагрева; в - кривые скорости сушки,

полученные методом графического

дифференцирования

При расходе сушильного агента 30 м'/ч:

1 -1=90 "С, ^ «,=0,684.

2-1=85 "С, 02=0,598;

3-1=80 "С, 18 05=0,513;

4-1=75 °С, оц=0,427.

Для построения кривых сушки использовались теоретические кривые нагрева (рисунок 5, б). Данная информация позволила построить характерные кривые сушки в области допустимых свойств ферментного препарата при различных значениях температуры сушильного агента.

Кривые сушки и полученные методом графического дифференцирования кривые скорости сушки (рисунок 5, в) свидетельствовали о наличии первого и второго периодов сушки. При этом лимитирующим фактором, оказывающим влияние на скорость сушки, являлась температура гранулы, которая не превышала 60 °С.

В пятой главе представлен способ получения капсулированных ферментных препаратов на базе парокомпрессионного теплового насоса со средствами контроля и управления технологическими параметрами, обеспечивающий повышение энергетичекой эффективности совместно протекающих процессов ферментации и распылительной сушки (Решение о выдаче патента по заявке № 2014122382 от 10.04.2015). Лабораторно-производственными испытаниями установлено, что полученный ферментный препарат обладает хорошими технологическими свойствами. Он хорошо сыпучий, не гигроскопичен, не слеживается. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что размер частиц обеспечивает его равномерное распределение в составе премиксов и комбикормов.

В состав кормовой добавки в соответствии с предложенным способом производства (Пат. РФ № 2484640) входит хелатное соединение меди, цеолит, кормовой жир, антиоксидант. Норма ввода добавки в состав премикса - 2 %.

В результате изучения физико-механических свойств установлено, что физико-механические свойства кормовой добавки соответствуют требованиям, предъявляемым к компонентам комбикормов (таблица 3). Это позволило ей равномерно распределиться в составе премиксов и комбикормов. Коэффициент вариации содержания меди составил соответственно 6,7 % и 8,6 %, что свидетельствует о высокой однородности продукции. Полученные результаты находились в допустимых пределах значений вариаций содержания биологически активных веществ в партии премикса относительно данных рецепта.

Таблица 3 - Физико-механические свойства добавки

Кормовая добавка Влажность, % Угол естест. откоса, град. Объемная масса, кг/м3 Распыляемость, % Остаток на сите с сеткой №1,2,% Условная слеживае-мость

Приготовленная по предложенному способу 6,2 42 685 6,9 2,0 Не слеживается

Для исследования влияния полученной добавки на качество комбикормовой продукции были выработаны опытные партии премиксов: с сернокислыми солями микроэлементов (контроль); с добавкой, содержащей хелат меди (опыт).

Ввод исследуемых добавок не оказывал отрицательного влияния на качество комбикормовой продукции при хранении в производственных условиях. Влажность в премиксах, выработанных в заводских условиях за время опытов, изменялась с 9,9 до 11,8... 11,9 % (рисунок 6). Кислотность повысилась от 3,0...3,4 град, до 4,5...4,7 град. В течение опыта активная кислотность (рН) существенно не менялась. Ее значения в опытном и контрольном вариантах находились в пределах 4,3...5,0.

В опытах по хранению готовой продукции установлено, что потери активности витамина А в контроле были выше, чем в опытном варианте премиксов. Через 6 месяцев активность находилась на уровне 94,3...95,2 %. Изменение содержания витамина А в премиксах для поросят при хранении в складе представлено (рисунок 6). Аналогичная динамика характерна для витаминов Е, Вь В2 в течение всего срока хранения.

Рисунок 6 - Изменение влажности и содержания витамина А в премиксах для поросят при хранении

0 1 2 3 4 5 6 срок хранения, мес

100

98

« * 96

с.

* 94

о

1;

92

12 3 4 5 6 месяцы ©опыт О контроль

Исследования физико-химических свойств премиксов для поросят, показали, что начальные значения крупности и влажности продукции соответствовали требованиям стандарта. Премикс, содержащий добавку, обладал удовлетворительными физико-механическими свойствами на начало хранения: объемная масса была равна 645 кг/м3, угол естественного откоса - 38 град. Через 6 месяцев хранения в складе напольного типа в продукции не наблюдалось признаков порчи, значительного увеличения влажности, изменения угла естественного откоса, объемной массы и распыляемости. При вводе премикса в комбикорм, в нем при хранении в течение двух месяцев не отмечалось признаков слеживания, он имел хорошие технологические свойства.

Скармливание кормовой добавки на основе цеолита, произведенной по новой технологии, в опытах на поросятах позволило повы-

сить на 8,1 % среднесуточные приросты животных с применением хелатного соединения, а чистую прибыль - на 7,8 % по сравнению с контролем (таблица 4).

Таблица 4 - Эффективность использования кормовых добавок в опытах на поросятах

Показатели Контроль Опыт (с медьсодержащими добавками)

С сульфатом меди С хелатным соединением

Живая масса, кг

в начале опыта 11,6 11,4 11,5

в конце опыта 35,0 35,9 36,8

Прирост живой массы, кг 23,4 24,5 25,3

Среднесуточный прирост, г 468 490 506

Затраты комбикорма на 1 кг прироста, кг 2,10 2,06 1,93

Валовой прирост, кг 3110 3247 3325

Выручено от реализации, руб 16785,3 18893,7 19968,0

Всего затрат, руб 3105,2 3087,1 2935,3

Полная себестоимость, руб 18822,6 17011,7 16640,2

Чистая прибыль, руб. 3087,3 3255,4 3328,0

Себестоимость 1 кг живой массы, руб. 56,9 53,2 50,4

Для оценки энергоэффектнвности способа производства кормовой добавки на основе цеолита и линии для его осуществления был выполнен эксергетический анализ, основанный на методике Бродян-ского, в соответствии с моделью Шаргута.

Оценку термодинамического совершенства теплотехнологиче-ской системы производства кормовой добавки на основе цеолита проводили по эксергетическому КПД.

Эксергия материальных и энергетических потоков, а также внутренние и внешние эксергетические потери составили эксергетический баланс теплотехнологической системы производства кормовой добавки на основе цеолита. Диаграмма Грассмана-Шаргута позволила рассчитать эксергетический КПД, который составил 7,2 %, что свидетельствуете высокой степени ее термодинамического совершенства.

Результаты производственных испытаний предлагаемой технологии в условиях ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод» показали целесообразность их внедрения в производство.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых разработаны энергоэффективные способы получения порошкообразных ферментных препаратов (Пат.

РФ № 2495122) и производства кормовой добавки на основе цеолита и линия для его осуществления (Пат. РФ № 2484640).

2. Экспериментально-статистическими методами получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс ультрафильтрации ферментного препарата Р-маннаназы. Определены рациональные технологические режимы ультрафильтрационной установки методами планирования эксперимента, обеспечивающие минимум удельных энергозатрат на прокачку раствора, максимум массовой доли сухих веществ и активности ферментного препарата в концентрате на выходе из мембраны: Х1 = 6,15-7,25 %; Х2 = 2399,014-2402,5 ед/см3; X, = 105,75-189,20 кДа; Х4 = 0,034-0,0354 м3/с.

3. Разработана конструкция мембранного аппарата, обеспечивающего повышение эффективности мембранного разделения при концентрировании культуральной жидкости за счет снижения поляризационной концентрации (Решение о выдаче патента по заявке № 2014122596 от 18.05.2015).

4. Получено аналитическое решение математической модели процесса теплопереноса при распылительной сушке ферментного препарата р-маннаназы с нанесением структурообразующей пленки и проведена экспериментальная проверка результатов моделирования. Разработана методика построения кривых кинетики влагоудаления по экспериментальным данным.

6. Разработан программно-логический алгоритм управления технологическими параметрами при получении капсулированных ферментных препаратов, обеспечивающий наименьшие потери теплоты и электроэнергии (Решение о выдаче патента по заявке № 2014122382 от 10.04.2015).

7. Разработан метод расчета, позволяющий оценить допустимый предел вариаций содержания биологически активных веществ в партии премикса относительно данных рецепта.

8. Получена кормовая добавка на основе цеолита, которая соответствует требованиям, предъявляемым к компонентам комбикормов. Ввод ее не оказал отрицательного влияния на качество комбикормовой продукции. Кормовая добавка позволила повысить на 8,1 % среднесуточные приросты животных с применением хелатного соединения, а чистую прибыль - на 7,8 %.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Шевцов, А. А. Оценка эффективности использования кормовой добавки на основе цеолита в животноводстве [Текст] / А. А. Шевцов, Е. С. Шен-

цова. Е. Л. Острикова. Н. В. Шатунова // Кормопроизводство. - 2013. - № 9. -С. 38-39.

2. Шевцов. Л. Л. К решению краевой задачи теплопроводности гранул с пленкой раствора на ее поверхности в процессе распылительной сушки [Текст] / А. Л. Шевцов. Д. С. Сайко. А. В. Дранннков. И. В. Шатунова // Теоретические основы химической технологии. - 2013. - № 6. - С. 630 — 633.

3. Шенцова, Е. С. Теоретическая оценка допустимых пределов погрешностей содержания БАВ в премиксах [Текст] / Е. С. Шенцова. Ю. М. Колпаков. Н. В. Тонких. О. А. Апалихина // Аграрная наука. - 2014. - № 12. - С. 25 - 27.

4. Шевцов. А. А. Резервы энергосбережения в производстве кормовых добавок с заданным гранулометрическим составом [Текст] / А. А. Шевцов. 11. В. Тонких, Е. А. Острикова // Вестник ВГУИТ. -2015. 1. - С. 23-27.

Патенты

5. Пат. № 2484640 РФ, МПК А23К 1/00. Способ производства кормовой добавки на основе цеолита и линия для его осуществления [Текст] / Шевцов А. А.. Шенцова Е. С.. Острикова Е. А., Дранннков А. В.. Руш А. К., Шатунова Н. В.: заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (RU). -№ 2012101744/13; заявл. 18.01.12; опубл. 20.06.13. Бюл. № 17.

6. Пат. № 2495122 РФ. МПК C12N 9/00 С12М 1/02. Способ получения порошкообразных ферментных препаратов [Текст] / Черемушкина И. В., Шевцов А. А., Ключников А. И.. Острикова Е. А., Шатунова П. В.: заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (RU). - № 2012147129/10; заявл. 07.11.12; опубл. 10.10.13. Бюл. № 28.

Статьи и материалы конференций

7. Шевцов. А. А. Технология ввода хелатных соединений в комбикорма [Текст] / A.A. Шевцов. Е.С. Шенцова. Н.В. Шатунова // Материалы LI отчетной научной конференции за 2012 год: В 3 ч. 4.2. - Воронеж: ВГУИТ. 2013. - С. 134.

8. Шевцов. А. А. Технология получения комбикормовой продукции на основе цеолитов [Текст] / A.A. Шевцов. Е.С. Шенцова. Н.В. Шатунова // Материалы конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инженерные технологии XXI века» - Воронеж: ВГУИТ. 2013. - С. 41-45.

9. Шевцов. А. А. Ресурсосберегающая технология получения порошкообразных ферментных препаратов [Текст] / A.A. Шевцов. Н.В. Тонких // Материалы международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности: наука,. образование и производство» - Воронеж: ВГУИТ. 2013. - С. 700.

10. Шевцов, А. А. Производство цеолитсодержащей добавки для комбикормов [Текст] / A.A. Шевцов, Е.С. Шенцова, Н.В. Тонких // Материалы международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений»-Воронеж: ВГУИТ. 2013. - С. 283-285.

11. Лмткина, Л. И. Расчет времени переключения рабочей секции испарителя теплового насоса на регенерацию [Текст] / Л.И Лыткина. С.А. Шевцов. Н.В. Тонких // Материалы LU отчетной научной конференции за 2013 год: В 3 ч. 4.2. - Воронеж: ВГУИГ. 2014. - С. 38-39.

12. Шевцов, А. А. Моделирование процесса получения капсулирован-ных гранул в распылительной сушилке [Текст] / A.A. Шевцов, Д.С. Сайко, Н.В. Тонких // Материалы LII отчетной научной конференции за 2013 год: В 3 ч. 4.2. - Воронеж: ВГУИТ, 2014. - С. 42-43.

13. Шевцов, А. А. Распределения температурных полей в грануле с пленкой раствора на ее поверхности в процессе сушки во взвешенном состоянии [Текст] / A.A. Шевцов, Д.С. Сайко, Н.В. Тонких // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК». - Иваново, 2014. - С.104-107.

14. Лыткина, Л. И. Регенерация рабочей поверхности испарителя в системе кондиционирования воздуха [Текст] / Л.И Лыткина, С.А. Шевцов, Н.В. Тонких // Республиканская научно-практическая конференция молодых ученых «Наука. Образование. Молодежь» - Алматы, 2014. - С. 238-240.

15. Шевцов, А. А. Перспективные технические решения при получении высокоусвояемых добавок в производстве кормовых смесей [Текст] / A.A. Шевцов, A.B. Драшшков, A.C. Муравьев, A.A. Коротаева, Н.В. Тонких // Сборник материалов международной научно-практической конференции «Инновационные технологии переработки сырья животного происхождения» -Краснодар, 2015.-С. 118.

16. Шевцов, А. А. Конструктивные особенности сушилки для высоковлажных дисперсных материалов [Текст] / A.A. Шевцов, A.A. Дерканосова, A.C. Муравьев, A.A. Коротаева, Н.В. Тонких // Сборник материалов международной научно-практической конференции «Инновационные технологии переработки сырья животного происхождения» — Краснодар, 2015. - С. 124.

Подписано в печать 4.06.2015. Формат 60x84 1/к,. Усл. печ. л. 1,0, Тираж 100 экз. Заказ 97 . ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный универыттет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО ВГУИТ) Отдел полиграфин ФГБОУ ВПО ВГУИТ Адрес университета и отдела оперативной полиграфии 394036, Воронеж, пр. Революции, 19