автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование и оптимизация параметров технологической линии и технических средств приготовления гранулированной белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы

На правах рукописи

Бушуев Сергей Васильевич

ОБОСНОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОЙ БЕЛКОВО-МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПТИЦЫ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

5 дп? 2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Благовещенск-2012

005020099

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточ ный государственный аграрный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор СамуйЛ' Виктор Вацлавович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Курков Юрий Борисович, ФГБОУ ВП( ДальГАУ / институт заочного и дополнительного профессионального образо вания, директор

кандидат технических наук Сюмак Анатолий Васильевич, ГНУ ВНИИ сои Рос сельхозакадемии / лаборатория севооборотов и технологий возделывания сої: ведущий научный сотрудник

Ведущая организация ГНУ ДальНИИМЭСХ Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 20 апреля 2012 г. в II30 часов на заседа нии диссертационного совета при ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государ ственный аграрный университет» по адресу: 675005, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, корп.12, ауд.82. Телефон/факс. 8-(4162) 49-10-44

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дальне восточный государственный аграрный университет»

Автореферат разослан 14 марта 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета

Якименко Андрей Владимирович

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Известно, что в кормовом балансе зарубежных стран соевое зерно и продукты ее переработки занимают ключевую роль, так как эти продукты богаты протеином, жирами, а также биологически активными веществами.

В нашей стране не смотря на то, что на Дальнем Востоке и Краснодарском крае производится такая высокобелковая культура как соя, данные продукты не нашли широкого применения в кормлении животных и птицы. Наличие данной проблемы обусловлено отсутствием специальной техники и технологий, а также научно обоснованных данных для их проектирования и конструирования.

В тоже время, не в полной мере используется и минеральное сырье, такое как морская капуста, наличие которой характерно для Дальневосточного региона.

Однако, как показывают многолетние исследования, проведенные докторами сельскохозяйственных наук Т.А.Краснощековой, РЛ.Шарвадзе и другими учеными, использование данного сырья, в различных его сочетаниях, дает существенный зоотехнический и экономический эффекты.

В этой связи, исследования, направленные на создание технологической линии и технических средств приготовления белково-минеральных продуктов на основе местного Дальневосточного сырья, являются актуальными.

Целью исследований является повышение эффективности приготовления гранулированной белково-минеральной добавки для с.х. птицы путем обоснования и оптимизации технологической линии и технических средств их производства.

Объект исследований - технологические процессы получения гранулированной белково-минеральной добавки на основе соевого компонента и ламинарии.

Предмет исследований - закономерности процессов смешивания соевого компонента и ламинарии, а также формования и сушки гранул данного состава.

Научной гипотезой по данным литературного обзора и поисковых опытов можно заключить, что эффективность получения гранулированной белково-

минеральной добавки на основе смеси соевого компонента и ламинарии в первую очередь определяется их физико-механическими и реологическими свойства. От данных свойств функционально зависят конструктивные и режимные параметры смесителя и гранулятора, обеспечивающие получение качественных (однородных по составу и прочных по свойствам) гранул.

Знание данных закономерностей и зависимостей позволяют управлять процессом получения гранул заданного состава и свойств.

Научная новизна исследований состоит в том, что:

- обоснована возможность и целесообразность получения гранулированной белково-минеральной добавки на основе соевого компонента и ламинарии;

- получены аналитические выражения для расчета длины камеры смесителя с позиции диффузионного процесса и канала гранулирующей решетки с учетом времени релаксации напряжений в гранулах, производительности смесителя - гранулятора и затрачиваемой мощности на процессы смешивания и гранулирования;

- с позиции теории вероятности обоснованы условия загрузки компонентов в бункер смесителя - гранулятора и выравнивания колебаний влажности путём её усреднения в процессе получения двухкомпонентной смеси;

- экспериментально получены математические модели процессов приготовления гранулированных смесей, на основе которых обоснованы области оптимальных значений факторов, влияющих на однородность смеси, затраты мощности и прочность гранул.

Практическая значимость работы. Обоснована технологическая линия и технические средства получения гранулированной белково-минеральной добавки с использованием соевого компонента и ламинарии.

Разработана методика расчета технологической линии по производству гранулированной белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы.

Разработаны рекомендации по использованию технических средств получения гранулированной белково-минеральной добавки сельскохозяйственной птице.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в ООО «Амурагроцентр» Амурской области.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: международной научно-практической конференции «Ва-виловские чтения 2010» (Саратов, 2010); межвузовских научных конференциях ДальГАУ (Благовещенск 2009- 2011г.г.); международной научно-практической конференции «Инженерно-техническое обеспечение регионального машиноис-пользования и сельхозмашиностроения» ДальНИИМЭСХ (Благовещенск,2011).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ -1 и патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений, списка литературы включающего 187 источников.

Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 47 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы исследования, показаны научная новизна и практическая значимость, а также основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе «Состояние механизации и исследований по приготовлению гранулированных добавок птице. Цель и задачи исследований» обоснована возможность и целесообразность приготовления белково-минеральной добавки на основе соевого компонента и морской капусты - ламинарии.

Однако, как показал анализ исследований Алешкина В.Р., Доценко С.М., Миончинского П.Н., Мельникова C.B., Сыроватка В.И., Королева М.И. и других ученых в области механизации приготовления добавок сельскохозяйственной птице, в настоящее время не решен вопрос, связанный с созданием рациональных технологий и технических средств получения соево-ламинариевых кормовых смесей.

В соответствии с поставленной целью необходимо решение следующих задач:

- на основании анализа литературных источников и практического опыта получения вторичного сырья при производстве соевой муки, обосновать возможность и целесообразность получения гранулированной белково-минеральной добавки сельскохозяйственной птице;

- провести теоретические исследования процесса получения гранулированной добавки на основе принятого сырья и обосновать параметры технических средств для его реализации;

- провести экспериментальные исследования, получить математические модели процесса гранулирования двухкомпонентной смеси и обосновать параметры смесителя-гранулятора;

- провести производственную проверку результатов исследований, дать им технико-экономическую оценку, разработать методику расчета технологической линии по производству гранулированной белково-минеральной добавки и дать рекомендации производству по проектированию и использованию такой линии.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса получения гранулированной добавки и обоснование параметров технических средств для его реализации» приведена классификация технологических операций по приготовлению белково-минеральных добавок и устройств для их осуществления.

Технологический процесс получения гранулированных кормовых добавок является сложным процессом. В общем виде он включает следующие операции: измельчение кормовых компонентов, их дозирование, смешивание, гранулирование, хранение и реализацию готового продукта. При этом, на качество готового продукта оказывает влияние множество управляемых и случайных (неуправляемых) факторов.

Наиболее рациональными и приемлемыми технологическими операциями получения гранулированной кормовой добавки на основе отходов от переработки семян сои и морской капусты (ламинарии), являются подача предварительно подготовленных (измельченных) компонентов, выравнивание колебаний качественного состава компонентов и, в первую очередь влаги, отделение от

сформированного при загрузке в бункер монолита порций продукта, их перемещение и смешивание, формование гранул, а также их сушка. На основе разработанной схемы осуществлен выбор условий, способов и технических средств, посредством которых возможно получение качественных гранулированных добавок на основе соевого компонента и морской капусты.

Задача по повышению эффективности работы технологических линий и технических средств получения кормовых продуктов для сельскохозяйственной животных и птицы, с позиций классических подходов, сводится к минимизации материальных и трудовых затрат, при установлении определенных ограничений на критерии качества выполнения соответствующих операций.

С учетом данного факта, для процесса получения качественных гранулированных кормовых смесей, необходимо обеспечить выполнение следующих условий:

наметить пути снижения материальных и трудовых затрат, поставить на решение и решить так называемую задачу по минимизации затрат;

- определить критерии оценки качества по осуществлению исследуемых процессов, выявить факторы, влияющие на данные критерии, раскрыть зависимости таких критериев от установленных факторов и определить области оптимальных значений исследуемых факторов.

С учетом приведенных выше подходов, можно записать

где И - удельные эксплуатационные затраты по процессу приготовления гранулированных кормовых смесей; Е - нормативный коэффициент эффективности; К - капитальные вложения в технологию; (2 - производительность технологической линии; I - продолжительность работы линии; ПР - прочность гранулированных кормовых смесей; 0 - однородность смеси в гранулах; 0о?; - оптимальное, определенное технологическими требованиями значение однород-

(и + ЕК)0-1 -* шш; Пр =/«?)—тах; в - в,Р, ■ тах; при дм(г)->о

>

(1)

ности смеси компонентов 0ор,—» 100%; дм(г)-»0 - функция отклонения массы влаги ДМ в компонентах и их смеси по длине потока подачи.

Из выражения (1) очевидно, что при ДМ (¿)-+0, еАМ(^> —> 1, а значение критерия удовлетворяет условию, соответствуя оптимальному, ТО есть б = 0ор1 = 6тах. Для рассматриваемой схемы смесителя-гранулятора (рис. 1) справедливо следующее условие работоспособности устройства

Ос^пг, (2)

где С>с -подача шнекового смесителя; (2„г -производительность пресс-гранулятора.

1 - бункер; 2 - смешивающая камера; 3 - прессующий узел; 4 - формующая решетка; 5 - лоток для гранул

С учетом степени уплотнения продукта X в каналах формующей решетки,

времени его переработки, а также конструктивных параметров смесителя получено выражение, характеризующее скорость движения гранулы в канале решетки

где Бс, ёс - диаметры винта и его вала; Бс - шаг винта; шс - угловая скорость винта; Ус - коэффицент заполнения камеры смесителя; И - площадь поперечного сечения канала формирующей решетки; Р - коэффициент живого сечения решетки; Ъ - число каналов в решетке.

Степень уплотнения продукта X характеризует прочность получаемых гра-

нул. С другой стороны, от данной характеристики процесса прессования, в значительной степени зависят затраты энергии.

Степень уплотнения материала должна быть такой, при которой прочность гранул имела бы оптимальное значение, т.е. не была меньше допускаемых значений, определенных требованиями технологии [Пр] > 95%.

Поэтому, необходимо раскрыть зависимость Я = /((„), где - длина продукта (гранулы).

С этой целью рассмотрим процесс формования гранулы в канале решетки за один оборот шнека (рис.2)

Рисунок 2 Схема к определению параметров пресс-гранулятора Согласно условию неразрывности материального потока

Где

уп - У[/ - т1'1П2и ^

(4)

(5)

(6)

где 1Ш - длина винта, п - число условных поперечных сечений по длине камеры смесителя - гранулятора.

Решая равенство (4), с подставленными в него значениями V,. и Уп, относительно параметра 1Ш получили

'•ЧЙ^- (7)

па ■ ¿0•п■ Л

Из анализа рассматриваемых явлений следует, что в формующей решетке

происходят два процесса: уплотнение материала с его упрочнением; проталкивание формируемой гранулы вдоль канала решетки.

На проталкивание гранулы затрачивается дополнительная энергия, расходуемая на преодоление сопротивления внешнего трения гранулы о стенки канала и повторное сжатие расширившейся части гранулы. В этой связи, имеет важное значение решение вопроса о выборе длины канала формующей решетки. Чтобы получить гранулы требуемой плотности - рф, в канале необходимо создать противодавление, достаточное для удержания спрессованной гранулы в канале при достижении давления Ртах. Противодавление в канале создается силами трения материала гранулы о стенки канала формующей решетки.

Суммарная сила трения равна

(8)

где /- коэффициент трения; £ - коэффициент бокового распора; Рупл - давление уплотнения; 1п - длина канала формующей решетки.

Для получения гранулы заданной плотности - рГР необходимо, чтобы выполнялось условие

(9)

С учетом выражений (8) и (9) длина канала формующей решетки должна быть равной

1„>(10) " 2 /Л,

В этом выражении неизвестной величиной является Рупл. Данный параметр определили как

Р = (11)

К'»

где ДЛ - длина элемента продукта заключенного между смежными сечениями; £0 - модуль упругости смеси компонентов; ц - коэффициент Пуассона.

С учетом выражения (9) можно записать

_ п ■ А/г ■ Е„ ■ ¿1 ■ г„ П7.

Данное выражение характеризует силу трения с учетом, как конструктивно-

технологических факторов пресс-гранулятора, так и с учетом физико-механических свойств смеси компонентов.

В тоже время, при проталкивании материала по каналу формующей решетки, должна завершиться релаксация напряжений в материале, так как в противном случае не будет обеспечена требуемая прочность гранул.

Из условия релаксации напряжений длина канала 1Р„ - 1>'ср ■ , где 1рел - необходимое время выдержки гранул в каналах.

При этом необходимо, чтобы соблюдалось следующее условие и,

следовательно,1„>1Р,„ а

Производительность пресс-гранулятора, с учетом приведенных выше параметров смесителя, определитея как

и-»--— -рГх • (13)

Мощность 1ЧСП, затрачиваемая на процессы смешивания Ысм и прессования

определится как

(14)

где т]с - КПД привода смесителя; т^ - КПД привода гранулятора.

Мощность, затрачиваемая на осуществление процессов смешивания и транспортирования компонентов определяется по зависимости

ыа,=ат-Оа,^Ш1 (15)

где К - коэффициент, учитывающий сопротивление движению продукта.

Значения параметра Ьш обусловлены явлениями, протекающими при взаимодействии частиц соевого компонента в виде муки влажностью \*/м = 8-10% и размером 28 мкм, а также частицами ламинарии, размером 2-3 мм и влажностью \УЛ = 60-62%. Данные параметры являются исходными, так как определены технологией получения гранул.

Согласно схеме работы смесителя-гранулятора (рис.3), соевый компонент влажностью 8-10% послойно укладывается на измельченный компонент - ламинарию, которая имеет влажность 60-62% в соотношении, как 1:1.

Рисунок 3 Схема к определению параметров смесителя-гранулятора

Как установлено поисковыми опытами, при поступлении данных компонентов на гранулирование, получаемая смесь, во-первых должна иметь однородный состав, характеризуемый показателем в, %, во-вторых - влажность в пределах №,"р=35%, причем влага должна быть распределена равномерно по объему формуемых гранул.

Только при данных условиях, создаются предпосылки к получению качественных и прочных гранул.

Следовательно, существует зависимость, в общем виде, которую можно представить как

= 06)

где тсм - продолжительность смешивания; <1ф - диаметр гранул.

Вполне очевидно, что ключевую роль в получении гранул однородного состава играет фактор - тсм.

Для его определения процесс рассмотрен с точки зрения явлений массопере-носа диффузного потока в ламинарном режиме.

Такой режим работы (молекулярная диффузия) обеспечивает шнековый смеситель, перемещая частицы соевой муки размером 28 мкм и частицы влажного продукта - ламинарии.

Соприкасаясь между собой в движущемся потоке хаотично, молекулы воды от частиц ламинарии переходят в частицы муки, в результате чего происходит

выравнивание содержания влаги путем его усреднения

где Wл - влажность компонентов; аи,а7- массовая доля компонентов в смеси.

При этом, концентрацию воды в слое соевой муки обозначим как См, а концентрацию воды в слое частиц ламинарии - как Сл.

Разница концентраций воды Сл - См = ДС является движущей силой молекулярного диффузионного процесса массопереноса. Количество воды М, про-диффундировавшего за время т > тсм определяется по формуле

М = + (18)

о

где Э - коэффициент диффузии, зависящий от свойств среды, ее температуры, давления, концентрации и свойств диффундирующего вещества; Еь - коэффициент конвективной диффузии; ^ - площадь слоя, через который проходит диффундирующее вещество; <5 - толщина смеси компонентов.

Время, необходимое для осуществления процесса перехода молекул воды из одного компонента в другой в движущемся потоке двух смежных фаз, можно к,

представить как гс„ = —, где исм - скорость движения смешиваемых компонентов в камере смесителя (исм = иф).

Подставляя значения иф из выражения (3) для определения тсм> а затем в выражение (18), приняв что т = тш и решая его относительно получили

(Р1-с11)8с-сос-Ус-М-8 П9)

" ДСф + Яд)'

Тогда мощность затрачиваемая на процесс гранулирования определяется как

0,785-ДА. _ _2 .

------—

ЬШ ' И ' 'обр

!Пгр, (20)

где Я„ - радиус винта в прессующем узле гранулятора; Ь„ - длина камеры прессующего узла гранулятора; шп - угловая скорость вращения винта гранулятора.

В процессе работы, данный смеситель-гранулятор должен обеспечивать выравнивание колебаний влажности в смешиваемых компонентах, которые имеют

место в реальных условиях и которые обусловлены влиянием множества различных как управляемых, так и неуправляемых факторов. При составлении и решении дифференциальных уравнений, описывающих реальный технологический процесс учесть все эти факторы не представляется возможным.

Применяя положения теории вероятности, к изучаемому процессу, возможно учесть изменения колебаний влажности, преобразуя при этом входящий поток продуктов определенными способами.

Изменения колебаний во входном и выходном потоках, рассмотрели как стационарный случайный процесс, обладающий свойством эргодичности.

Рассмотрев стационарную случайную функцию распределения массы влаги -на длине преобразованного посредством загрузки материального потока.

В результате преобразований, среднее значение влаги в кормовых компонентах определяется как

где МХ1 и М:, - масса влаги в соевом и минеральном компонентах, соответственно.

В третьей главе «Программа, методика экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных», приведены программа, объекты и методы исследований.

В соответствии с поставленной целью и задачами исследований, программой экспериментальных исследований предусматривалось решение следующих задач:

- определение объектов и методов исследования;

- выделение основных факторов, влияющих на критерии оценки исследуемых процессов;

- разработать и создать пилотную установку для проведения эксперимента методами физического и математического моделирования;

- разработать частные методики по проведению эксперимента;

- подобрать приборы и оборудование;

- изучить влияние факторов на критерии оптимизации процессов смешива-

ния и гранулирования;

- провести обработку экспериментальных данных и обосновать оптимальные значения параметров исследуемых процессов.

Для проведения экспериментальных исследований использовано технологическое оборудование, с возможностью варьирования факторами в необходимых пределах.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» изложены результаты с обоснованием оптимальных параметров процесса приготовления белково-минеральных гранул.

Исследованию подвергалось соевое сырье, полученное на термоагрегате КПСМ-850, а также ламинария. В результате исследований установлено, что в составе вторичного сырья от переработки семян сои на термообработанную полножирную муку, находятся следующие фракции: оболочка семян сои в количестве 40%; зародыш семени сои в количестве 10%; дробленые семядоли в количестве 50%. Расссв фракций осуществляли на решетном классификаторе.

В дальнейшем, вторичное сырье подвергалось тонкому измельчению (28 мкм), а на основе ламинарии готовилась паста, посредством ее измельчения на волчке с диаметром отверстий решетки равном 3.0 мм.

Предварительно, на основании поисковых опытов и априорного ранжирования факторов исследуемых процессов, были выделены наиболее значимые из них, как оказывающие наибольшее влияние на критерии оптимизации.

В качестве критериев оптимизации для процесса получения белково-минеральных гранул были приняты:

- однородность гранулируемой смеси - в, % - (У0;

- энергоемкость процессов смешивания компонентов и формования гранул -Х1 кВт-с ,,г ...

Муд,--(У

кг

- прочность сушеных гранул - Пр, % - (Уз).

Для первых двух критериев оптимизации процесса получения гранул - в и Иуд, такими факторами являются:

- массовая доля соевого компонента - XI (Мс, %);

- диаметр отверстий формующей решетки - х2 (d0, мм);

- угловая скорость вращения винта смесителя - х3 (со, с-1).

Для показателя прочности сухих гранул Пр, определены следующие факторы:

- начальная влажность гранул - xi (WH, %);

- температура сушки - х2 (t, °С);

- диаметр гранул - х3 (с!ф, мм).

Таким образом, для процесса получения влажной гранулированной смеси необходимо было раскрыть следующие функциональные зависимости

в =/(х,; х2; х3) -ипах, (22)

Nya =/(хь х2; хз) -»min, (23)

а для процесса получения сушенных белково-минеральных гранул:

Пр=/(х,;х2;хз)-»100%. (24)

После реализации 3-уровневого плана эксперимента и получения значений критериев оптимизации Y( и Y2, проведена их обработка, а также регрессионный анализ полученных зависимостей (22) и (23).

Первая зависимость исследована на шах, а вторая на min. Для данных зависимостей определены коэффициенты математической модели методом шаговой регрессии.

На основании данных расчетов и сделанных выводов, построены следующие математические модели в их кодированном виде

- для однородной смеси:

Y, = 95.5105+1.6307 хг3.250 х,х2 -2.125 х,х3 -4.500 х2х3 -2.946 х,2

-4.978 х22 -2.269 х32 -^тах; (25)

- для энергоемкости:

Y2 = 78.620-2.654 х1 -2.576 х3 -2.125 х2х3 +6.099 х,2 +7.115 х22

+4.744 х32 —>min (26)

Полученные модели (25) и (26) адекватны.

Для определения области экстремальных значений факторов хь х2 и х3 построены поверхности откликов Y, и Y2, а также их сечения.

Области экстремальных значений, при которых Yi—»шах находятся в следу-

ющих пределах: х,=-0,07; х2=0,31; х3=-0,27, a Y2 min - х,=0,22; х2=0,04 и х3=0,28.

Оптимальные значения факторов находятся в следующих пределах:

массовая доля соевого компонента - М* = 48.25-55.5%; диаметр отверстий формующей решетки - d0 - 2.04-2.31 мм; угловая скорость вращения винта - со = 8.65-11.4 с"1.

При данных значениях факторов в =95,7%, a Ny„ = 77.9 с .

На втором этапе исследований установлена зависимость степени уплотнения Я получаемых гранул от длины канала формующей решетки /,, то есть Л = /(/,). Данная функция аппроксимирована выражением вида у=а+Ьх, где а и Ъ - эмпирические коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов.

Для данной зависимости а=1,05, ¿=0,02, то поэтому

1=1,05+ 0,021К. (21)

Проведя соответствующие преобразования, получили формулу для расчета

длины канала формующей решетки

1 = 501-52,5. (28)

На этом же этапе исследований определено значение дисперсий Dm колебаний влаги в потоке 2-х компонентов при их послойной загрузке в бункер смеси-теля-грану лятора.

При проведении опытов, скорость потока составляла v =1 м/с, что соответствовало подаче продуктов Q = 0,028 кг/с.

Дисперсия колебаний влаги в потоке составила Dm=0,02 г/м.

Относительное фактическое отклонение ДМ составило 4,99%.

На третьем этапе исследований проводилось нахождение зависимости, общий вид которой представлен функцией (29).

На основании проведенного анализа построена математическая модель получения сушенного белково-минерального гранулята в ее кодированной форме

Y3 = 97,342-1,376х, -3,578 х,2 -1,546 х22 -2,054х32 шах. (29)

С целью определения области экстремальных значений факторов, при кото-

рых Y3 —* max (100%) построена поверхности отклика Y3 и его сечения (рис.4).

При этом, оптимальные значения факторов равны: начальная влажность гранул - WH=34,0%; температура сушки -1° = 150°С; диаметр гранул - d^ = 2.0 мм. При данных значениях факторов прочность сухих гранул составляет

В пятой главе «Производственная проверка результатов, их экономическая эффективность и методика расчета параметров разработанной технологической линии и оборудования получения белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы» приведены условия проведения производственных испытаний, экономическая оценка результатов исследований, а также методика расчета разработанной технологической линии.

Производственная проверка результатов исследований проводилась в ООО «Амурагроцентр» Амурской области. В качестве базового рецепта был принят состав по рецепту ПК-5-1-89, в котором соевый и подсолнечниковый шрот, а также рыбная мука были заменены на гранулированную белково-минеральную добавку.

На рисунке 5 представлена конструктивно-технологическая схема линии получения добавки.

Пр=97,4%.

Рисунок 4 Поверхность и сечения откликов Y3=f(Xi;X2;X3)

і

Оболочка, зародыш, ▼

дробленые семядоли семян сои

Морская капуста (ламинария)

Паста

шг

с н?

63

і

ч) 7

Добавка (грануїигт) V

Рисунок 5 Конструктивно - технологическая схема линии по производству белково-минеральной добавки: 1-бункер-накопитель; 2-дозатор; 3-бункер-дозатор; 4-штифтовый измельчитель; 5-измельчитель; 6-смеситель - гранулятор; 7-шкаф сушильный «Универсал»; 8-весы

ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных источников и опыта практического использования агрегата КПСМ-850, обоснована возможность и целесообразность приготовления белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы на основе соевого компонента и ламинарии.

2. В результате теоретического анализа выявлены факторы, оказывающие влияние на эффективность процесса получения гранулированных кормовых смесей.

Установлены аналитические зависимости и получены выражения для расчета производительности, энергоемкости и конструктивно-режимных параметров смесителя-гранулятора с плоской формующей матрицей в виде решетки.

Получена аналитическая модель, учитывающая способы, условия и возможность выравнивания колебаний влажности в процессе приготовления двухком-понентной гранулированной смеси на основе соевой муки из вторичного сырья и пасты из ламинарии;

3. На основе экспериментальных данных получены математические модели процесса приготовления гранулированной белково-минеральной добавки. Посредством данных моделей обоснованы оптимальные значения конструктивно-режимных и технологических параметров:

для процесса получения гранулированных двухкомпонентных смесей:

- массовая доля соевого компонента - Мс=48-55%;

- диаметр отверстий формующей решетки - с^=2,0-2,5 мм;

- угловая скорость вращения винта смесителя - со =8,65-11.4 с"1;

для процесса сушки белково-минеральных гранул:

- начальная влажность гранул - №'„=34,0%;

- температура сушки - 1:0=1500С;

- диаметр гранул - с1ф=2,0 мм;

4.В ходе производственной проверки подтверждены результаты теоретических и экспериментальных исследований. На основе полученных данных обоснована технологическая линия приготовления белково-минеральной добавки для рационов сельскохозяйственной птицы, а также методика ее расчета.

При этом установлено, что технологическая линия обеспечивает получение белково-минеральной добавки заданного однородного состава и требуемых свойств в виде гранул влажностью 8-10%, а также прочностью не менее 95%.

5. В результате сравнительной технико-экономической оценки разработанной технологической линии и технических средств установлено, что они имеют по сравнению с оборудованием ДГ-1 меньшую на 23% металлоемкость, а также меньшую на 73% энергоемкость. Годовая стоимость дополнительной продукции, получаемой при производстве мяса птицы, будет равна 32,3 р./гол.

Основные положения диссертации опубликованы

в следующих работах: а) статьи в рекомендованных изданиях ВАК России

1. Бушуев C.B. Технология производства белково-минеральной добавки на основе соевого сырья и морской капусты / С.В.Бушуев., С.М.Доценко,

B.В.Самуйло, С.А.Иванов// Вестник КрасГАУ - 2010. - Л"°8.- С. 143-146.

б) статьи в других изданиях

2. Бушуев, C.B. Обоснование технологии и технических средств для производства белково-минеральной добавки птице /С.В.Бушуев, В.В.Самуйло// Сборник научных трудов «Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве» - Благовещенск: ДальГАУ. 2010.-Вып. 17,-С. 212-214.

3.Бушуев, C.B. Технология производства соевой белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы /Бушуев C.B., Самуйло В.В.// 2 международная научно-практическая конференция «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: Опыт, проблемы и пути их решения» - Ульяновск: УГСХА, 2010. -т.2,- С. 123-125.

4. Бушуев, C.B. Обоснование параметров технологии и технических средств для производства белково-минерального продукта /С.В.Бушуев,

C.М.Доценко,Е.Б.Обухов // Международная научно-практическая конференция «Вавиловские чтения -2010». - Саратов: СарГАУ, 2010.-т.З,-С.282-283.

5. Бушуев, C.B. Производство соево-ламинариевой добавки для птицы /С.В.Бушуев, В.В.Самуйло, С.М.Доценко// Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию со дня рождения профессора Кобы В.Г. - Саратов: СарГАУ, 2011.-С.18-21.

6. Бушуев, C.B. Технология получения добавки на основе соевого сырья и ламинарии / С.В.Бушуев, В.В.Самуйло // Сборник научных трудов «Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве» - Благовещенск: ДальГАУ. 2011.-Вып. 18.-С. 12-14.

7. Бушуев, C.B. Обоснование технологии и параметров процесса получения

соево-ламинариевой добавки для птицы /С.В.Бушуев, С.М.Доценко,

B.В.Самуйло, С.А.Иванов// Международная научно-практическая конференция «Инженерно-техническое обеспечение регионального машиноиспользования и сельхозмашиностроения» - Благовещенск: ДальНИИМЭСХ, 2011. - С.208-214.

8. Бушуев, C.B. Приготовление белково - минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы /С.В.Бушуев// Региональная научно-практическая конференция « Взаимодействие научно-образовательных учреждений, бизнеса и власти». - Благовещенск: ДальГАУ, 2011,-С. 159-162.

9. Бушуев, C.B.Технологическая линия приготовления белково - минеральной добавки. /С.В.Бушуев, В.В. Самуйло. - Благовещенск: ДальГАУ, 2012. -18 с.

10. Способ получения функционального продукта из сои: патент РФ на изобретение № 2437571 МПК А23 L 1/20/ С.М.Доценко, О.В.Скрипко,

C.В.Бушуев, С.А.Иванов; №201023559/13, заяв.09.06.2010; опубл. 2011 г., Бюл. N»36.

Бушуев Сергей Васильевич

ОБОСНОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОЙ БЕЛКОВО-МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПТИЦЫ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия ЛР 020427 от 25.04.1997 г. Подписано к печати 07.03.2012 г. Формат 60x90/16. Уч.-издл. - 1,0. Усл.-п.л. - 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 39.

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии издательства ДальГАУ 675005, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86

61 12-5/3382

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный аграрный университет»

Обоснование и оптимизация параметров технологической линии и технических средств приготовления гранулированной белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы

На правах рукописи

Бушуев Сергей Васильевич

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук Самуйло Виктор Вацлавович

Благовещенск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................. 4

Глава 1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 8

1.1 Обоснование возможности и целесообразности приготовления белково-минеральной добавки на основе соевого компонента и морской капусты......................................................... 8

1.2 Существующие технические средства для приготовления гранулированных кормовых смесей и их анализ.................. 27

1.2.1 Существующие конструкции и конструктивно-технологические схемы смесителей................................. 27

1.2.2 Существующее оборудование для прессования кормовых продуктов и его анализ................................................... 38

1.3 Обзор проведенных исследований по изучению процесса

получения гранулированных кормовых смесей.................. 49

Цель и задачи исследований............................................. 60

Глава 2 Теоретические исследования процесса получения гранулированной добавки и обоснование параметров

технических средств для его реализации........................... 63

Глава 3 Программа, методика экспериментальных исследований и

обработка экспериментальных данных.............................. 82

3.1 Программа, объекты и методы исследований...................... 82

3.2 Оборудование для проведения эксперимента...................... 83

3.3 Методика определения физико-механических свойств сырья и гранулированной белково-минеральной добавки.................. 87

3.4 Методика определения влажности исходных компонентов и готового белково-минерального продукта........................... 87

3.5 Методика определения прочности белково-минеральных гранул........................................................................ 88

3.6 Методика определения производительности смесителя-гранулятора.................................................................. 89

3.7 Методика определения мощности, затрачиваемой на процесс получения белково-минеральных гранул............................ 89

3.8 Методика определения однородности смеси и выравненное™ влажности................................................................... 90

3.9 Методика планирования многофакторного эксперимента по определению оптимальных конструктивно-режимных параметров смесителя-гранулятора, процесса сушки белково-минеральных гранул и обработки экспериментальных данных.. 91

Глава 4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ...... 99

Глава 5 Производственная проверка результатов, их экономическая эффективность и методика расчета параметров разработанной технологической линии и оборудования получения белково-минеральной добавки в рационы сельскохозяйственной птицы 122

5.1 Производственная проверка результатов исследований......... 122

5.2 Экономическая эффективность результатов исследований...... 125

5.3 Методика расчета параметров линии и оборудования по производству белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы.......................................... 131

Выводы.................................................................................. 133

Список использованной литературы............................................... 135

Приложения............................................................................ 150

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что в кормовом балансе зарубежных стран соевое зерно и продукты его переработки занимают ключевую роль, так как эти продукты богаты протеином, жирами, а также биологически активными веществами.

В нашей стране не смотря на то, что на Дальнем Востоке и Краснодарском крае производится такая высокобелковая культура как соя, данные продукты не нашли широкого применения в кормлении животных и птицы. Наличие данной проблемы обусловлено отсутствием специальной техники и технологий, а также научно обоснованных данных для их проектирования и конструирования. В тоже время, не в полной мере используется и минеральное сырье, такое как морская капуста, наличие которой характерно для Дальневосточного региона.

Однако, как показывают многолетние исследования, проведенные докторами сельскохозяйственных наук Краснощековой Т.А., Шарвадзе P.A. и другими ученными, использование данного сырья, в различных его сочетаниях, дает существенный зоотехнический и экономический эффекты.

В этой связи, исследования, направленные на обоснование и оптимизацию технологической линии и технических средств получения белково-минеральных продуктов на основе упомянутого местного Дальневосточного сырья, являются актуальными.

Научная гипотеза. По данным литературного обзора и поисковых опытов можно заключить, что эффективность получения гранулированной белково-минеральной добавки на основе смеси соевого компонента и ламинарии в первую очередь определяется их физико-механическими и реологическими свойства*/7 < '

От данных свойств функционально зависят конструктивные и режимные параметры смесителя-гранулятора, обеспечивающие получение качественных (однородных по составу и прочных по свойствам) гранул.

Знание данных закономерностей и зависимостей позволяют управлять процессом получения гранул заданного состава и свойств.

Объект исследований. Технологические процессы получения гранулированной белково-минеральной добавки на основе соевого компонента и ламинарии.

Предмет исследований. Закономерности процессов приготовления гранулированной белково-минеральной добавки на основе соевого компонента и ламинарии, а также формования и сушки гранул данного состава.

Научная новизна исследований состоит в том, что:

обоснована возможность и целесообразность получения гранулированной белково-минеральной добавки на основе соевого компонента и морской капусты;

- получены аналитические выражения для расчета длины камеры смесителя с позиции диффузионного процесса и канала гранулирующей решетки с учетом времени релаксации напряжений в гранулах, производительности смесителя - гранулятора и затрачиваемой мощности на процессы смешивания и гранулирования;

- с позиции теории вероятности обоснованы условия загрузки компонентов в бункер смесителя - гранулятора и выравнивания колебаний влажности в процессе получения двухкомпонетной смеси;

- экспериментально получены математические модели процессов приготовления гранулированных смесей, на основе которых обоснованы области оптимальных значений факторов, влияющих на однородность смеси, затраты мощности и прочность гранул.

Практическая значимость работы. Обоснована технологическая линия и технические средства получения гранулированной белково-минеральной добавки с использованием соевого компонента и ламинарии.

Разработана методика расчета технологической линии по производству гранулированной белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы.

Разработаны рекомендации по использованию технических средств получения гранулированной белково-минеральной добавки сельскохозяйственной птице.

Реализация результатов исследований. Результаты исследования внедрены в ООО «Амурагроцентр» Амурской области.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: международных научно-практических конференциях «Аграрная наука и образование на современном этапе развития (Ульяновск, 2010), «Вавиловские чтения 2010» (Саратов, 2010), «Посвященная 80-летию со дня рождения профессора Кобы В.Г.» (Саратов, 2011); межвузовских научных конференциях ДальГАУ (Благовещенск 2009- 2011г.г.); международной научно-практической конференции «Инженерно-техническое обеспечение регионального машиноиспользования и сельхозмашиностроения» ДальНИИМЭСХ (Благовещенск,2011).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ - 1 и патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы включающего 187 источников отечественных и зарубежных авторов. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 47 рисунков.

Основные положения, вынесенные на защиту:

обоснование возможности и целесообразности создания гранулированной белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы на основе соевого компонента и ламинарии;

- результаты теоретических исследований в виде аналитических выражений для расчета параметров технологической линии и технических средств получения гранулированных кормовых смесей;

- математические модели и обоснованные на их основе оптимальные параметры процесса получения гранулированных кормовых продуктов;

-методика расчета технологической линии получения гранулированной белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы.

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обоснование возможности и целесообразности приготовления белково-минеральной добавки на основе соевого компонента и морской

капусты

Известно, что производство животноводческой и птицеводческой продукции невозможно без использования балансирующих кормовых добавок. Они, как правило, представляют собой однородные смеси измельченных до необходимой крупности высокобелковых кормовых средств и микродобавок, используемых для приготовления комбикормов на основе зернофуража.

В зависимости от содержания в добавках протеина, биологически активных веществ и потребности в этих веществах животных и птицы разных видов половозрастных и производственных групп белково-минеральные, белково-витаминные и другие добавки вводят в кормовые смеси в количестве от 25 до 5% по массе ¡132]. Их качество должно соответствовать стандартам. Все компоненты комбикормов, включая добавки должны быть перемешаны до однообразной массы [132].

Анализ литературных источников [9,13,15,19,32,47,48,95,123,151,159,187] показывает, что семена сои являются высокоэффективными кормовыми продуктами, применяемыми в качестве белковой добавки в рационах сельскохозяйственных животных и птицы. Соя богата белком, незаменимым аминокислотами, витаминами и энергией, обеспечивающими высокую продуктивность животных и птицы.

В одном кг соевого зерна содержится жира - 173 г и минеральных веществ, (мг): натрия - 440, калия - 160, кальция - 3480, магния - 1910, фосфора - 5100, железа 3950. Кроме указанных выше микроэлементов, в них

содержится марганец и кобальт, которые необходимы для биологически полноценного питания животных и птицы [107].

В одном кг семян сои также содержатся, (мг): каротина до 2, тиамина до 18; рибофлавина до 3,8; ниацина до 35,0; пиридоксина до 13; пантотеновой кислоты до 22,3; биотина до 0,9; фолиевой кислоты до 2,0; инозита до 2,5; холина до 3,6; альфа - токоферола до 7,8; витамина К до 2,0. Такой набор веществ и витаминов при скармливании сои сельскохозяйственным животным и птице существенно повышает биологическую ценность рационов и обеспечивает повышение их продуктивности [57].

В таблице 1.1 представлен состав, кормовая ценность и переваримость сои, а также продуктов ее переработки, используемых в качестве белковой добавки в рационах сельскохозяйственных животных и птицы.

Рациональное использование зерна сои в кормлении сельскохозяйственных животных и птицы связано не только с качеством протеина и наличием минеральных веществ, жира и витаминов. В связи с тем, что зерно сои содержит антипитательные вещества (ингибиторы, танины, глюкозиды, алкалоиды), которые сильно снижают его поедаемость животными и биологическую доступность протеина, их необходимо подвергать обработке перед скармливанием [128].

Рациональное использование сои в рационе животных и птицы предполагает эффективное разрушение указанных веществ и повышение доступности протеина. Для свиней и птицы, необходимо повышать доступность аминокислот, а для жвачных - защищать протеин от чрезмерной деградации в рубце и повышать доступность аминокислот нерасщепленного протеина в тонком кишечнике.

Истинная питательность кормов - показатель, который складывается из потребления, переваримости и эффективного использования корма. Эти слагаемые, при наличии антипитательных факторов, могут изменяться,

причем столь существенно, что традиционная оценка питательности корма становится бессмысленной. Действие их характеризуется снижением поедаемости и усвояемости, ввиду ухудшения вкусовых качеств корма, а также наличия антипитательных веществ [141].

Таблица 1.1- Состав и переваримость зерна сои и продуктов ее переработки [128]

Вид корма

Показатели к о о соевые '5 Л со <и о шроты соевые с содержанием протеина

К & <о СП к) и 2 к N О ° св И (Г >> Й Л § * 3040% 4050% среднее

В 100 кг корма содержится:

кормовые единицы, кг 130,7 145,8 50,8 111,2 125,0 115,3 120,7 118,3

перевариваемый протеин, кг 29,2 34,1 2,6 32,0 34,8 32,8 39,1 36,0

На 1 корм.единицу приходится переваримого протеина, г 223 234 51 288 278 284 323 300

Состав % влага протеин белок жир клетчатка 11,4 33.2 28,1 15.3 7,3 9,2 38.3 33.4 19,7 3,1 14,1 6,0 5,3 2,7 34,3 10.5 36,0 35.6 5,8 8,8 14,9 38,7 38,3 9,8 2,7 18,1 36.5 34.6 2,6 6,1 11,2 43,5 42,0 1,4 6,7 14,6 40,0 38,32 2,0 6,4

* БЭВ 27,6 25,5 32,3 33,9 27,9 32,2 31,5 31,9

зола 5,2 4,2 10,6 5,0 6,0 4,5 5,7 5,1

Коэффициенты переваримости, %: протеин белок жир клетчатка 88 88 85 81 89 89 90 39 44 44 57 51 89 89 90 39 90 88 88 78 90 90 95 94 90 90 95 94 90 90 95 94

* БЭВ 71 69 73 69 94 97 97 97

* Безазотистые экстрактивные вещества

Антипитательные вещества, понижающие протеолитическую активность пищеварительных ферментов, присутствуют во многих видах растений, но наибольшее их количество наблюдается у бобовых [137].

Наиболее распространен ингибитор трипсина. Он ингибирует ферменты, обеспечивающие переваримость белка. Так переваримость необработанной соевой муки составляет 50%, а обработанной теплом - 80%. Снижают потребление такого корма также танины, лектины, сапонины, липоксигеназа, и т.д.

В сое протеазные ингибиторы представлены двумя группами, каждая из которых является смесью белков-ингибиторов Куница и Боумана-Бирка. Молекулярная масса первого равна 20-25 тыс. дальтон, второго - 6-10 тыс., дальтон. Ингибитор Боумана-Бирка содержит больше этих связей и ингибирует, как трипсин, так и химотрипсин.

Механизм действия ингибиторов сои заключается в снижении скорости отщепления от молекулы протеина метионина, вследствие чего всасывание этой аминокислоты замедляется, биологическая ценность белка снижается. В результате депрессивного действия ингибиторов сои у цыплят наблюдается избыточная потеря эндогенных аминокислот и, как следствие, гипертрофия поджелудочной железы (увеличение числа клеток) [107,137].

В связи с этим, сырое зерно сои не пригодно для скармливания животным и птицы. Разрушение этих веществ (инактивация) осуществляется путем тепловой обработки зерна сои, шрота и жмыха.

О степени разрушения антипитательных веществ судят по активности уреазы - показателю, косвенно свидетельствующему об инактивацииантипитательных веществ [128].

На рисунке 1.1 представлена схема классификации основных кормовых продуктов, получаемых из семян сои и используемых в качестве белковой добавки в рационах сельскохозяйственных животных и птиц.

Жмых и шроты получают в результате извлечения масла из семян сои. Жмых образуется при отжиме масла в прессах, а шрот - при экстрагировании масла органическими растворителями. После экстракции масла растворитель удаляется, а оставшуюся массу тостируют (сушат). Жмыхи и шроты, кроме внешнего вида, различаются количеством содержащегося в них жира. В жмыхах оно достигает 7%, а в шротах 0,5-2,5% на абсолютно сухое вещество [1 Об].

Рисунок 1.1. Схема классификации основных видов соевых кормовых

продуктов

Соевые жмых и шрот по своей биологической ценности относится к лучшим белковым кормам, используемым в качестве добавки, благодаря высокому содержанию незаменимых аминокислот.

Соевую муку получают путем измельчения цельной сои, а также жмыха и шрота. При этом она соответственно получается необезжиренной, полуобезжиренной и обезжиренной.

Особую группу соевых белковых продуктов составляют гелеобразные, творогообразные и жидкие кормовые продукты, которые получают путем соответствующей обработки сои. Они, как правило, используются в рационах кормления молодняка сельскохозяйственных животных и птицы в составе влажных мешанок, заменителей цельного молока и т.д. [128].

При этом, как следует из схемы (рисунок 1.1) получение полножирной соевой муки из целого зерна сои характеризуется получением отходов, содержащих оболочку, зародыш и частицы разрушенных семядолей.

По данным многочисленных исследований, имеющийся в сое набор веществ, при скармливании семян [35