автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Режимы озонирования и параметры электроозонатора для стерилизации растительных субстратов кормопродуктов

На правах рукописи

Денисенко Евгений Александрович

РЕЖИМЫ ОЗОНИРОВАНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРООЗОНАТОРА ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ СУБСТРАТОВ КОРМОПРОДУКТОВ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Краснодар -2013

005541520

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: Шевченко Андрей Андреевич

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Газалов Владимир Сергеевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» профессор кафедры «Энергетики»

Николаенко Сергей Анатольевич

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» доцент кафедры «Электрические машины и электропривод»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет» (г. Ставрополь)

Защита диссертации состоится «24» декабря 2013 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, КубГАУ, ауд. 4 учебного корпуса факультета энергетики и электрификации.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России Ырр://уак2.ed.gov.ru/ и на сайте ФГБОУ ВПО Кубанского ГАУ Ырр://киЬ5аи.ги/

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

В. С. Курасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время одним из направлений использования вторичного сырья в пищевой и перерабатывающей промышленности является производство кормов для скота и птицы. При этом достигается значительная экономия первичного сырья за счет использования вторичного, в том числе пшеницы, фуражного зерна, кормовой свеклы и др. Помимо получения ценных кормов биологического происхождения переработка вторичного сырья имеет еще и экологический аспект, поскольку снижается антропогенная нагрузка на окружающую среду за счет уменьшения массы производственных отходов предприятий.

Переработка вторичного сырья предполагает получение биологически ценного, безопасного и стойкого при хранении корма. Отходами перерабатывающей промышленности являются субстраты, которые служат сырьем для приготовления биопрепаратов. Такие препараты могут применяться для нормализации симбиотической кишечной микрофлоры, являющейся естественным барьером для проникновения патогенов в организм животных. Кроме того, они играют роль иммуномодулятора, вырабатывая собственные анабиотические вещества и стимулируя работу защитных средств организма.

В настоящее время субстраты поступают на биофабрики от сельхозтоваропроизводителей, которые не уделяют надлежащего внимания их хранению, поэтому на субстратах начинает развиваться патогенная микрофлора (различные плесневые грибы и микроорганизмы). Поэтому перед приготовлением биопрепаратов необходимо проводить стерилизацию субстратов с целью угнетения патогенной микрофлоры, которая пагубно влияет на развитие полезной биомассы.

Стерилизация субстратов — долгий и трудоемкий процесс, требующий больших затрат тепловой и электрической энергии, так как он осуществляется с использованием пара, получаемого в электропарогенераторе. При термической обработке значительно увеличивается влажность субстратов, а следо-

вательно, необходимо производить их сушку, что также требует дополнительных энергетических затрат.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что разработка электротехнологии для стерилизации растительных субстратов является актуальной темой научного исследования.

Работа выполнена в соответствии с планом НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной теме «Теоретическое обоснование и практическая реализация энергосберегающего оборудования, электротехнологий и систем автономного электро- и теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей с использованием ВИЭ» на 2011-2015 гг. (№ ГР 01.2011.53641).

Научная гипотеза — использовать озоновоздушную обработку для стерилизации растительных субстратов кормопродуктов можно, если определить параметры озонирования и разработать конструкцию электроозонатора, удовлетворяющую технологическим параметрам стерилизации.

Цель работы - определение эффективных параметров электроозонирования субстратов кормопродуктов для их стерилизации и разработка соответствующей конструкции электроозонатора.

Задачи исследования:

1. Разработать функциональную схему стерилизации субстратов с помощью озоновоздушной смеси.

2. Определить параметры озоновоздушной обработки субстратов с целью их стерилизации.

3. Построить математические модели влияния озона на микрофлору и плесневые грибы на поверхности субстрата.

4. Предложить новое конструктивное решение и режимы работы электроозонатора, позволяющие сократить нагрев диэлектрических пластин разрядного блока.

5. Экспериментально подтвердить полученные теоретические данные.

6. Произвести технико-экономическое обоснование применения озонирования для стерилизации субстратов.

Объектом исследования является процесс стерилизации растительных субстратов, а также электроозонатор барьерного типа.

Предмет исследования - закономерности режимов и параметров электроозонирования при стерилизации субстратов; динамические характеристики электроозонатора.

Методы исследований. В работе использованы основные положения электротехники, теория электрического разряда, методика планирования многофакторного эксперимента, методы теории вероятностей и математической статистики, программное обеспечение STATISTICA 6.0, MathCAD Professional 11.

Научную новизну работы составляют:

1. Функциональная схема технологического процесса стерилизации субстратов с применением озоновоздушной смеси.

2. Математическая модель влияния параметров озонирования на обсе-мененность субстратов кормопродуктов патогенной микрофлорой и плесневыми грибами, позволяющая определить оптимальные концентрации озоновоздушной смеси и время ее воздействия.

3. Алгоритм для автоматизированного управления процесса стерилизации растительных субстратов с использованием озоновоздушной смеси.

4. Двухэлементная тепловая модель электроозонатора, позволяющая оценить степень влияния энергии лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин.

Практическую значимость работы составляют:

- технологическая схема озоновоздушной стерилизации субстратов;

- оптимальные режимы и параметры озонирования растительных субстратов, снижающие количество микроорганизмов и плесневых грибов;

- конструкция озонатора, позволяющая снизить влияние лучистого теплообмена, что приведет к снижению нагрева диэлектрических пластин;

- алгоритм автоматического управления технологического процесса стерилизации растительных субстратов с использованием озоновоздушной смеси, что позволит упростить создание программы для контроллера;

- номограмма для определения размеров газоразрядного устройства электроозонатора по количеству микрофлоры на поверхности субстрата.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• функциональная схема технологического процесса стерилизации субстратов с применением озоновоздушной смеси;

• математическая модель влияния параметров озонирования на обсеме-ненность субстратов кормопродуктов патогенной микрофлорой и плесневыми грибами, позволяющая определить оптимальные концентрации озоновоздушной смеси и время ее воздействия;

• алгоритм для автоматизированного управления процесса стерилизации растительных субстратов с использованием озоновоздушной смеси;

• двухэлементная тепловая модель электроозонатора позволяющая оценить степень влияния энергии лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин;

« конструкция озонатора позволяющая снизить влияние лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин газоразрядного блока;

• номограмма для определения размеров газоразрядного устройства электроозонатора по количеству микрофлоры на поверхности субстрата.

Реализация результатов исследования. Разработанный электроозонатор используется для дезинфекции фуражного зерна при помощи озоновоздушной смеси в ООО «Зонд» Староминского района Краснодарского края и хозяйстве индивидуального предпринимателя Горяевой Е.С.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:

- 4-й, 5-й и 6-й Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2010-2012 гг.);

- Международном промышленно-техническом форуме «Технофорум» (г. Волгоград, 2010 г.);

- II туре Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства России, номинация «Технические науки» (г. Зерноград, 2011 г.);

- 3-й и 4-й Международных научно-практических конференциях «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва, 2011-2012 гг.).

В 2010 году на 4-й Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение АПК» автором получен диплом 2-й степени.

В 2011 году на 3-й Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» автором получен диплом конкурса научных разработок.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 19 научных работах, в том числе 3 статьи - в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 5 п. л., из них на долю автора приходится 2,6 п. л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 117 наименований, в том числе 6 - на иностранном языке, и приложения. Диссертация изложена на 122 страницах машинописного текста, включает 37 рисунков и 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены различные виды кормовых добавок и их использование в животноводстве. Рассмотрены различные способы стерилизации субстратов, доказана возможность использования озоновоздушной смеси для стерилизации субстратов.

Проанализированы способы стерилизации растительных субстратов. Установлено, что существующие способы в различной степени влияют на субстраты после обработки, однако они имеют и различные недостатки. Анализ литературных источников показывает, что озонирование является наиболее приемлемым методом стерилизации растительных субстратов кормопро-дуктов.

Традиционной считается многочасовая термообработка при повышенном давлении в аппаратах периодического действия, в частности, в вакуумных котлах (котлах-утилизаторах Лапса). Структурная схема данной установки представлена на рисунке 1.

пар

готовый 1 - парогенератор; продукт 2 - стерилизатор растворов;

3 - ферментер;

4 - стерилизатор газов.

Рисунок 1 - Структурная схема установки для производства биологически активных добавок оснащенной термостерилизационным устройством

Технологический процесс приготовления биологически активных добавок (БАД) при использовании традиционной технологии заключается в следующем:

- растительный субстрат помещается в стерилизатор растворов 2, где обрабатывается паром в течении 5 часов, при этом затрачивается 120 кВтч электроэнергии;

— затем субстрат помещается в ферментер, в котором на поверхность субстрата высевается полезная микрофлора, в результате роста которой получается БАД.

К недостаткам традиционной технологии следует отнести следующее:

1. В результате многочасовой термообработки протеины, точнее, их белковая часть, подвергаются глубоким изменениям, что значительно снижает их кормовую ценность;

2. Длительность переработки (несколько часов);

3. Энергоемкость: для работы установок помимо электроэнергии необходимы пар и горячая вода;

4. Недостаточная экологичность процесса: термообработка сопровождается, как правило, неприя тным запахом.

Для того чтобы избавиться от этих недостатков традиционной технологии обработки кормов, мы решили заменить процесс термообработки на озо-новоздушную обработку. Структурная схема с замещениями представлена на рисунке 2.

и

1 — — 2 :т*е>Г|»» сема 3

готов**

03 - электроозонатор.

Рисунок 2 - Структура измененного технологического процесса для производства биологически активных добавок

В разработанном технологическом процессе предлагается замена парогенератора, использующегося для стерилизации, на электроозонатор, без нарушения стандартного технологического процесса.

Для повышения качества обработки и снижения ее себестоимости целесообразно создание недорогих высокопроизводительных озонаторов. Технические требования к таким генераторам озона из-за специфики применения отличаются от требований к генераторам, используемым для других целей, в том числе выпускаемых промышленностью.

Наиболее целесообразным представляется использование для стерилизации растительных субстратов кормопродуктов озонаторов пластинчатого типа с генерацией озона в барьерном разряде. Применение таких озонаторов позволит сократить затраты электрической энергии при стерилизации субстратов.

Во второй главе рассмотрены теоретические аспекты процессов нагрева и охлаждения разрядного устройства электроозонатора, определено влияние лучистого теплообмена на данные процессы. Также предложена номограмма, позволяющая определить площадь газоразрядного блока от конечного количества патогенной микрофлоры на поверхности субстрата.

Анализ литературных источников показал, что длительная непрерывная работа электроозонатора приводит к его перегреву и выходу из строя. Для решения данной проблемы был составлен тепловой баланс электроозонатора и определены параметры, влияющие на его нагрев. Для этого нами построены энергетические диаграммы, на основании которых было составлено первичное уравнение теплового баланса:

0=<5сисг+РлУч+(Зк, (О

где <3 - общее количество теплоты, Дж; (}сист — количество теплоты, необходимое для нагревания системы, Дж; (2луч - количество теплоты, необходимое

на лучистый теплообмен, Дж; <3К - количество теплоты, необходимое на конвективный теплообмен, Дж.

Процессы нагрева электротермических установок, их отдельных элементов, а также нагреваемых материалов являются динамическими. Общеизвестное дифференциальное уравнение теплового баланса за время ей имеет вид:

Р ■ йь = с • йт + а ■ ^ • т ■ сИ, (2)

где Р Ш — подводимая тепловая энергия или теплота, выделяющаяся в нагревателе установки; с-ск — часть теплоты, выделяющаяся в материале (и идущая на повышение его температуры) или запасаемая в элементах электротермической установки; а-Р-ик - часть теплоты, рассеиваемая в окружающую среду.

Основываясь на уравнении (2), составим дифференциальное уравнение теплового баланса за время <Л для электроозонатора пластинчатого типа. Так как материал блока генератора озона неоднороден, т.е. состоит из металла (электрод) и диэлектрика, то часть теплоты, выделяющаяся в материале или запасаемая в элементах электротермической установки, будет определяться как:

с ■ йт = сг ■ йт + с2 ■ <1т (3)

где С/ и С2 - удельные теплоемкости металла и диэлектрика соответственно.

Поскольку металл и диэлектрик находятся в плотном соприкосновении друг с другом, то удельное сопротивление всей конструкции можно определить исходя из объемных долей каждого компонента. Тогда выражение (3) примет вид:

с<1т = (т! ■ су + т2 • с2) ■ йт = Сх ■ с1т + С2 • <2г, (4)

тв

где т1и т2 - массовые доли металла и диэлектрика соответственно, т =-,

"•общ

т„ - масса компонента генерирующего блока, кг; т,Лщ - суммарная масса генерирующего блока, кг.

Тогда дифференциальное уравнение для генерирующего блока генератора озона пластинчатого типа можно записать следующим образом:

Р<И = Сгйт + С2(1г + а^тсН + <хгР2<И, (6)

Решение уравнения (6) при условии, что разогрев идет не из холодного состояния, имеет вид:

Т - тусТ1 ■ (1 - е-^-О + ту„2 ■ (1 - +

+т01 ■ е-'/7"! + т02 ■ е-'/т»г, (7)

где т0 - начальная температура, °С; туст - установившееся значение температуры, °С.

Установившееся значение температуры определяется:

_ Р + Рлуч _ Р~^Рлуч

ТУст1 ТУ"2 - а2Р2 { >

где Рлу4 - мощность, затрачиваемая на лучистый теплообмен, Вт.

Величина постоянной интегрирования Т„ называется постоянной времени нагрева и может быть определена как:

Количество теплоты, идущее на лучистый теплообмен, определяется уравнением Стефана-Больцмана и зависит от степени черноты и четвертой степени температуры материала.

При отключении установки она и материал охлаждаются. Если этот процесс начинается с установившегося значения превышения температуры тУст, то уравнение (10) преобразуется:

т = — •е-(/г»1 + — (10)

Уравнения (7) и (10) использованы для построения характеристик изменения температуры диэлектрика во времени при охлаждении и нагреве при различных значениях подводимой к генератору озона мощности. Динамика изменения температуры диэлектрика во времени при различных параметрах подводимой к генератору озона мощности представлена на рисунке 3.

-Р1-22 Вт -Р2=39 Вт -Р3=58 Вт

20 40 60 80 100 120

Время работы генерирующего блока, мин

Рисунок 3 - Характеристика изменения температуры диэлектрических пластин генераторов озона различной мощности

На основе проведенных нами теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости: влияния концентрации озоновоздушной смеси на количество патогенной микрофлоры на поверхности растительного субстрата кормопродуктов; производительности электроозонатора от его активной мощности, потребляемой из сети; площади генератора озона от его мощности при различной толщине стекла. При объединении графиков данных зависимостей получена номограмма для определения размеров газоразрядного устройства электроозонатора по количеству микрофлоры на поверхности субстрата после его обработки (рисунок 4).

Р, Вт

1 - зависимость концентрации озоновоздушной смеси от количества микроорганизмов на поверхности субстрата за 30 мин; 2 - зависимость концентрации озоновоздушной смеси от количества микроорганизмов на поверхности субстрата за 60 мин; 3 — зависимость концентрации озоновоздушной смеси от количества микроорганизмов на поверхности субстрата за 90 мин; 4 — зависимость концентрации озоновоздушной смеси от количества микроорганизмов на поверхности субстрата за 120 мин; 5 - зависимость площади генерирующего блока от мощности при толщине стекла 2,5 мм; 6 — зависимость площади генерирующего блока от мощности при толщине стекла 3,5 мм; 7 — зависимость площади генерирующего блока от мощности при толщине стекла 4,5 мм.

Рисунок 4 - Номограмма для определения размеров газоразрядного устройства электроозонатора по количеству микрофлоры на поверхности субстрата после его обработки

Полученная номограмма позволяет определить геометрические размеры генерирующего блока по максимально необходимому количеству микрофлоры на поверхности субстрата. Определение размеров газоразрядного блока электроозонатора с помощью представленной номограммы осуществляется следующим образом. Зная максимально необходимую величину количества микрофлоры после обработки и время воздействия, находим ее на оси ппм и проводим прямую линию до пересечения с кривой зависимости концентрации озоновоздушной обработки от количества патогенной микрофлоры на поверхности субстрата. Следующий шаг: от полученной точки А поднимаем перпендикуляр до пересечения с кривой зависимости активной мощности от концентрации озоновоздушной смеси, получаем точку В. От нее проводим перпендикуляр до пересечения с прямой зависимости площади газоразрядного устройства от мощности газоразрядной камеры. Перпендикуляр необходимо проводить до линии, соответствующей толщине стекла, которое будет использоваться при изготовлении газоразрядного блока. Получаем точку С и от нее опускаем перпендикуляр до пересечения с осью Б. Значение, полученное на оси 8, соответствует значению общей площади газоразрядного блока электроозонатора.

Таким образом, полученная нами номограмма позволяет определять размеры газоразрядного блока электроозонатора без использования специального оборудования, что значительно облегчает его создание.

В третьей главе представлены результаты экспериментов по определению влияния параметров озоновоздушной обработки на количество патогенной микрофлоры и плесневых грибов на поверхности субстратов, определено влияние энергии лучистого теплообмена па нагрев диэлектрических пластин электроозонатора и построен алгоритм автоматического технологического процесса стерилизации растительных субстратов с помощью озоновоздушной смеси.

Для определения области, в которой влияние параметров озоновоздуш-ной смеси на обсемененность растительных субстратов наиболее эффективно, был проведен поисковый эксперимент. По его результатам установлено, что стерилизация озоновоздушной смесью угнетает патогенную микрофлору на поверхности субстратов и время воздействия при концентрации 80 мг/м3 должно составлять не менее 150 мин. Поэтому было принято решение провести полнофакторный эксперимент по определению влияния параметров озоновоздушной обработки на обсемененность растительных субстратов.

Полнофакторный эксперимент проводился при четырех уровнях концентрации (х2) и четырех уровнях времени воздействия (х,), после чего осуществлялся анализ на обсемененность обработанных образцов и одного образца, не подвергшегося обработке.

В результате обработки экспериментальных данных программой «8ТЛТ(8Т1СЛ 6.0» получены уравнения регрессии, описывающее влияния параметров озоновоздушной смеси на количество патогенной микрофлоры (12) и количество спор плесневых грибов (13) на поверхности субстратов.

У1 = 74473,75 - 1,52613*! - 2,65553*2 + 0,67525*!*;, + +0,56474*1 + 1,48019*|, (12)

где у] - количество патогенной микрофлоры на поверхности субстрата, кл/г.

у2 = 9158,75 - 1,9663*! - 3,65592*2 + 1,25034*1*2 + +0,6954*| + 2,18513*|, (13)

где у2 - количество спор плесневых грибов на поверхности субстрата, кл/г.

По уравнениям (12) и (13) построены диаграммы влияния параметров озонирования на количество патогенной микрофлоры (рисунок 5) и количество спор плесневых грибов (рисунок 6) на поверхности растительных субстратов.

Рисунок 5 - Диаграмма влияния времени воздействия (х¡) и концентрации озоновоздушной смеси (х2) на количество патогенной микрофлоры на поверхности растительного субстрата (у/)

Рисунок 6 - Диаграмма влияния времени воздействия (х/) и концентрации озоновоздушной смеси (х2) на количество спор плесневых грибов на поверхности растительного субстрата (уг)

При наложении друг на друга сечений диаграмм влияния озоновоз-душного воздействия на споры плесневых грибов и патогенную микрофлору, пересечение линий экстремумов дает область оптимальных параметров по двум показателям (рисунок 7).

160

140

120

й '00

80

60

40

20

20

40

60

80

100

120

140

Х1

Рисунок 7 - Изображение совмещенных сечений экстремумов диаграмм влияния озоновоздушной смеси на патогенную микрофлору (у/) и споры плесневых грибов (у2) на поверхности растительного субстрата

Следовательно, область оптимальных параметров озоновоздушной стерилизации растительных субстратов составляет: концентрация озона в озоновоздушной смеси,С= 103-119 мг/м3; длительность воздействия, 1= 103-123 мин.

Определено влияние лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических барьеров электроозонатора. По полученным экспериментальным данным построены характеристики нагрева и охлаждения генерирующих блоков различной мощности. На основании полученных данных предложено использовать прозрачный корпус электроозонатора, что позволяет снизить влияние лучистой энергии на нагрев генерирующего блока до 35 %.

Проведенные нами теоретические и экспериментальные исследования позволяют построить временную характеристику автоматизированного процесса стерилизации субстратов озоновоздушной смесью (рисунок 8). Представлены следующие режимы работы электроозонатора при стерилизации растительных субстратов: участок 1-2 мощность электроозонатора Р]_2 = 60 Вт, время работы и.г = 40 мин; участок 3—4 Р3_4 = 60 Вт, 13_4 = 20 мин; участок 5-6 Р5_6=50 Вт, 15_6 = 30 мин; участок 7-8 Р7.8 = 40 Вт, 17.8 = 30 мин.

Рисунок 8 - Временная характеристика автоматизированного технологического процесса стерилизации субстратов

С использованием временной диаграммы был построен алгоритм автоматического технологического процесса стерилизации субстратов с помощью озоновоздушной смеси (рисунок 9).

Рисунок 9 — Алгоритм автоматизированного технологического процесса стерилизации субстратов с помощью озоновоздушной смеси

В четвертой главе определены показатели экономической эффективности от внедрения озоновоздушной обработки в технологический процесс стерилизации субстратов. Сравнение производилось по следующим вариантам: 1) использование в качестве стерилизатора термической обработки; 2) использование в качестве стерилизатора химического протравителя. Чистый дисконтированный доход биотехнологического предприятия с объемом товарооборота 100 т/год составляет 2372 тыс. руб. при норме доходности 19 % и уровне инфляции 6 %.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана функциональная схема стерилизации субстратов с помощью озоновоздушной смеси.

2. Определены технологические параметры озоновоздушной стерилизации растительных субстратов, позволяющие добиться необходимого положительного эффекта (количество микроорганизмов на поверхности субстрата не превышает 200 кл/г и полностью уничтожаются споры плесневых грибов): концентрация озона в озоновоздушной смеси, С = 103-119 мг/м3; длительность воздействия, I = 103-123 мин.

3. Построены математические модели влияния озона на микрофлору и споры плесневых грибов на поверхности субстрата, статистический анализ, которых показал, что исследуемые параметры (концентрация озона и время обработки) в 94 % случаев изменение количества микроорганизмов и в 90 % случаев - изменение количества плесневых грибов объясняется взаимодействием этих параметров. Математические модели, построенные на основе исследований, показывают высокую сходимость с экспериментальными данными: расхождение в данных не превышало 5 %.

4. На основании экспериментальных и теоретических исследований предложено новое конструкционное решение озонатора - использование лу-чепрозрачного корпуса, который позволяет снизить влияние лучистого теп-

лообмена на нагрев диэлектрических пластин (до 35 %), а также режимы ступенчатого изменения мощности и времени работы, которые позволяют сократить нагрев диэлектрических пластин разрядного блока.

5. Составлен энергетический баланс электроозонатора с учетом особенностей конструкции газоразрядного блока. По результатам экспериментального исследования определено количество тепловой энергии, участвующее в лучистом теплообмене: при Pi = 22 Вт С?луч1 = 10,65 Дж; при Р2 = 39 Вт <ЗлУч2 = 28,37 Дж; при Р3 = 58 Вт Qly43 = 51,9 Дж. Расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 5 %.

6. Чистый дисконтированный доход биотехнологического предприятия с объемом товарооборота 100 т/год составляет 2372 тыс. руб. при норме доходности 19 % и уровне инфляции 6 %.

Основные положения диссертационной работы опубликованы:

— в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Денисенко Е.А. Воздействие озоновоздушной смеси на популяцию плесневых грибов / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко // Научный журнал Труды Кубанского государственного аграрного университета - 2011, № 2 - С. 192-195.

2. Денисенко Е.А. Дезинфекция субстратов озоновоздушной смесью перед приготовлением биопрепаратов / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко // Научное обозрение.-2013.-№ 1-С. 102-106.

3. Денисенко Е.А. Анализ существующих электротехнологий для дезинфекции кормов/Е.А. Денисенко//Научное обозрение.-2013.-№ 3 - С. 107-109.

- в прочих изданиях:

4. Денисенко Е.А. Влияние емкости газоразрядного промежутка на параметры электроозонатора / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко, Д.В. Кравченко // Научное обеспечение АПК: материалы 3-й Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых. - Краснодар: КубГАУ, 2009. - С. 346-348.

5. Денисенко Е.А. Импульсный блок питания электроозонатора / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко, A.B. Квитко // Университет: наука, идеи и решения.-2010.-№ 1 -С. 101-102.

6. Денисенко Е.А. Обеззараживание фуражного зерна озоном / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко, A.B. Квитко, Е.А. Сапрунова // Технические и технологические системы: материалы II Мсждунар. науч. конф. - Краснодар, 2010. -С. 232-236.

7. Денисенко Е.А. Влияние соотношения диэлектрического барьера и электрода электроозонатора на срок его службы / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко, Д.В. Кравченко // Технические и технологические системы: материалы II Междунар. науч. конф. — Краснодар, 2010. - С. 217-221.

8. Денисенко Е.А. Использование озоновоздушной смеси при получении кормовых добавок / Е.А. Денисенко // Научное обеспечение АПК: материалы 4-й Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых. - Краснодар: КубГАУ, 2010. -С. 407^t08.

9. Денисенко Е.А. Стерилизация субстратов, используемых в биотехнологическом производстве озоновоздушной смесью / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко// Университет: наука, идеи и решения. - 2010. - № 2 - С. 188-191.

10. Денисенко Е.А. Анализ способов дезинфекции кормов / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко // Университет: наука, идеи и решения: -2011. - № 1 -С. 104-107.

11. Денисенко Е.А. Использование озоновоздушной смеси в биотехнологии / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко // Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования: материалы IV и V Междунар. науч.-практ. конф. - Волгоград: ВГСХА, 2011. - С. 74-78.

12. Денисенко Е.А. Технологии дезинфекции фуражного зерна и субстратов для биопроизводства / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко // Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: сб. докладов III Междунар. науч.-практ. конф. - М.: МГСУ, 2011. - С. 309-311.

13. Денисенко Е.А. Использование озона в биотехнологии / Е.А. Денисенко // Студент и научно-технический прогресс: материалы 50-й Междунар. науч. студен, конф. - Новосибирск: НГУ, 2012. - С. 12.

14. Денисенко Е.А. Дезинфекция биосубстрата с использованием озона / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко, К.А. Очкась // Студент и научно-технический

прогресс: материалы 50-й Междунар. науч. студен, конф. - Новосибирск: НГУ, 2012. — С. 13.

15. Денисенко Е.А. Использование озона при приготовлении кормовых добавок / Е.А. Денисенко // Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: сб. докл. IV Междунар. науч.-практ. конф. — М.: МГСУ, 2012. - С. 280-283.

16. Денисенко Е.А. Использование озона при производстве биодобавок для выращивания животных / Е.А. Денисенко, Д.А. Нормов, A.A. Шевченко // Информационно-управляющие системы в АПК: материалы Междунар. науч.-практ. семинара - М.: МГАУ, 2012. - С. 37-39.

17. Денисенко Е.А. Электротехнология дезинфекции растительных субстратов и производство на их основе кормовых биодобавок / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко, К.А. Очкась // Технические и технологические системы: материалы V Междунар. науч.-практ. конф. - Краснодар: КубГАУ, 2013 г. - С. 94—96.

18. Денисенко Е.А. Разработка электротехнологии для дезинфекции растительных субстратов и кормов с помощью озоновоздушной смеси / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко, Е.А. Сапрунова // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Ставрополь: Параграф, 2013 г. - С. 43-44.

19. Пат. 110733 РФ, МПК А 01 С 1/100. Импульсный генератор озона / Е.А. Денисенко, A.A. Шевченко, Д.А. Нормов, Е.А. Сапрунова, A.B. Квитко; КубГАУ.-№2010126689/05; заявл. 29.06.10; опубл. 27.11.11.

Подписано в печать 20. 11. 2013 г. Бумага офсетная Печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Формат 60x84 1/16 Офсетная печать Заказ № 788

Отпечатано в типографии Кубанского ГАУ 350044, Краснодар, ул. Калинина, 13

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

04201454321

Денисенко Евгений Александрович

РЕЖИМЫ ОЗОНИРОВАНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРООЗОНАТОРА ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ СУБСТРАТОВ

КОРМОПРОДУКТОВ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в

сельском хозяйстве

На правах рукописи

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук доцент Шевченко А. А.

Краснодар - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 4

1 Состояние вопроса и задачи исследования 8

1.1 Виды кормовых добавок и их использование в животноводстве 8

1.2 Способы стерилизации продуктов растениеводства и кормосмесей 10

1.3 Озон, способы его получения и типы конструкций генераторов

озона 21

1.4Влияние озоновоздушной смеси на вредоносные микроорганизмы, содержащиеся в субстратах 33

Цель работы и задачи исследования 41

2 Теоретические положения по электроозонированию субстратов с целью стерилизации и влиянию лучистой энергии на работу генератора озона 42 2.1 Влияние лучистой энергии на работу электроозонатора 42 2.2Построение номограммы для определения геометрических размеров

электроозонатора по количеству патогенной микрофлоры на поверхности растительных субстратов кормовых добавок 58

Выводы по главе 63

3 Исследование влияния озоновоздушной смеси на количество вредоносной микрофлоры в субстратах и энергии лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин 64

3.1 Экспериментальное исследование влияния озоновоздушной смеси на вредоносную микрофлору субстратов 64

3.2 Исследование влияния параметров озоновоздушной обработки на стерилизацию субстратов 67

3.3 Описание экспериментального исследования по определению влияния энергии лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин электроозонатора 80

3.4Автоматизированный процесс стерилизации растительных субстратов

кормопродуктов с использованием озоновоздушной смеси 88

Выводы по главе 90 4 Технико-экономическое обоснование применения озона для

стерилизации растительных субстратов 91

Общие выводы 101

Список использованной литературы 103 Приложения

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одной из сфер использования вторичного сырья в пищевой и перерабатывающей промышленности является производство биологически активных кормов для скота и птицы. При этом достигается значительная экономия первичного сырья за счет использования вторичного, в том числе пшеницы, фуражного зерна, кормовой свеклы и др. Помимо получения ценных биологически активных кормов переработка сырья имеет ещё и экологический аспект, поскольку снижается отрицательное воздействие на окружающую среду за счет снижения массы сбросов предприятий.

Переработка отходов предполагает получение биологически ценного, безопасного и устойчивого к окружающим воздействиям корма. Отходами перерабатывающей промышленности являются субстраты, которые служат сырьем для приготовления биопрепаратов, которые могут применяться для нормализации симбиотической кишечной микрофлоры, являющейся естественным барьером для проникновения патогенной микрофлоры в организм. Так же они играют роль иммуномодулятора, вырабатывая собственные анабиотические вещества и стимулируя работу защитных средств организма [65].

В настоящее время субстраты поступают на биофабрики от сельхозтоваропроизводителей, которые не уделяют необходимого внимания их хранению, поэтому на субстратах начинает развиваться патогенная микрофлора (различные плесневые грибы и микроорганизмы). Поэтому перед приготовлением биопрепаратов необходимо проводить стерилизацию субстратов, с целью угнетения данной микрофлоры, которая пагубно влияет на развитие полезной биомассы.

Но необходимо отметить, что стерилизация субстратов трудоемкий и достаточно долгий процесс, требующий больших затрат тепловой и электрической энергии, так как стерилизация осуществляется посредством

пара, получаемого в электропарогенераторе. При данной обработке значительно увеличивается влажность субстратов, а следовательно необходимо производить их сушку, что так же требует дополнительных энергетических затрат.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что разработка электротехнологии для стерилизации растительных субстратов является актуальной темой научного исследования.

Объект исследования — процесс стерилизации растительных субстратов, а также электроозонатор барьерного типа.

Предмет исследования - закономерности режимов и параметров электроозонирования при стерилизации субстратов; динамические характеристики электроозонатора.

Методы исследований. В работе использованы основные положения теории электротехники, теория электрического разряда, методика планирования эксперимента, методы теории вероятностей и математической статистики, программное обеспечение STATISTICA 6.0, Microsoft Office, MathCAD Professional 11.

Научную новизну работы составляют:

1. Функциональная схема технологического процесса стерилизации субстратов с применением озоновоздушной смеси.

2. Математическая модель влияния параметров озонирования на обсемененность субстратов кормопродуктов патогенной микрофлорой и плесневыми грибами, позволяющая определить оптимальные концентрации озоновоздушной смеси и время ее воздействия.

3. Алгоритм для автоматизированного управления процесса стерилизации растительных субстратов с использованием озоновоздушной смеси.

4. Двухэлементная тепловая модель электроозонатора, позволяющая оценить степень влияния энергии лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин..

Практическую значимость работы составляют:

- технологическая схема озоновоздушной стерилизации субстратов;

- оптимальные режимы и параметры озонирования растительных субстратов, снижающие количество микроорганизмов и плесневых грибов;

- конструкция озонатора, позволяющая снизить влияние лучистого теплообмена, что приведет к снижению нагрева диэлектрических пластин;

- алгоритм автоматического управления технологического процесса стерилизации растительных субстратов с использованием озоновоздушной смеси, что позволит упростить создание программы для контроллера;

- номограмма для определения размеров газоразрядного устройства электроозонатора по количеству микрофлоры на поверхности субстрата.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• функциональная схема технологического процесса стерилизации субстратов с применением озоновоздушной смеси;

• математическая модель влияния параметров озонирования на обсемененность субстратов кормопродуктов патогенной микрофлорой и плесневыми грибами, позволяющая определить оптимальные концентрации озоновоздушной смеси и время ее воздействия;

• алгоритм для автоматизированного управления процесса стерилизации растительных субстратов с использованием озоновоздушной смеси;

• двухэлементная тепловая модель электроозонатора позволяющая оценить степень влияния энергии лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин;

• конструкция озонатора позволяющая снизить влияние лучистого теп-лообмена на нагрев диэлектрических пластин газоразрядного блока;

• номограмма для определения размеров газоразрядного устройства электроозонатора по количеству микрофлоры на поверхности субстрата.

Реализация результатов исследования. Данные, представленные в работе подтверждены лабораторными исследованиями и актами внедрения в технологический процесс стерилизации фуражного зерна при помощи озоновоздушной смеси в ООО «Зонд» Староминского района Краснодарского края и ИП Горяева Е.С.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях КубГАУ: «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» в 2010, 2011, 2012 г.; в АЧГАА г. Зернограде во II туре Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Минсельхоза России, номинация «Технические науки» в 2011 г. в г. Волгограде на международном промышленно-техническом форуме в 2010 г.; в г. Москве на Всероссийской выставке НТТМ 2011, 2012 г. (павильоны ВВЦ).

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Виды кормовых добавок и их использование в животноводстве

В настоящее время отмечается возросшая роль микроскопических грибов в патологии заболеваний сельскохозяйственных животных. Увеличение случаев кормовых отравлений, проявляющихся латентно во многих хозяйствах с определённой регулярностью [7].

Незаразные заболевания, обусловленные ядовитыми веществами, попадающими в организм с кормом, водой, воздухом называют отравлениями, а болезни, связанные с ядовитыми свойствами кормов -кормовыми отравлениями [100].

Одной из главных причин снижения продуктивности сельскохозяйственных животных и ослабления воспроизводительных функций является накопление токсинов и шлаков в организме сельскохозяйственных животных. Попадая с кормами, вредоносные вещества частично нейтрализуются и выходят из него, но часть из них остается, вызывая отравления и зашлаковывание организма животных. Поэтому одной из важных задач, стоящих перед технологами, является предотвращение перехода токсичных и вредных веществ в организм человека через продукты животноводства [66].

Особенно часты отравления животных кормами, пораженными плесневыми грибами. Нередко отравления животных вызываются не содержащимися в сене и зерновых кормах ядовитых растений или их семян, а обусловливаются порчей их плесневыми и другими грибами.

Безопасность кормов на юге России и повышение их качества достигаются путем совмещения стандартных кормов с биологически активными добавками (БАД), помогающими нейтрализовать вредоносную микрофлору. БАД делятся на несколько видов [14, 20]:

«Биооснова» — получают при использовании вторичных ресурсов переработки молока. Пахта, обезжиренное молоко, молочная сыворотка и их производные содержат набор веществ с высокой биологической активностью (жиры, животные белки, минеральные вещества, углеводы).

«Проба» — кормовые добавки насыщенные пробиотиками. Ацидофильные лактобактерии в виде БАД Биобактон и бифидогенные в бакпрепарате Бифидобактерин способствуют активизации процессов пищеварения, обменных процесов, компенсации недостающих компонентов кормов, необходимых для развития, роста, адаптации и повышения физиологического статуса сельскохозяйственных животных.

«Раст» — добавки насыщенные растительными биологически активными веществами: целебные и лечебные травы — ромашка, цикорий, полынь, чистотел, зверобой, солодка, регулирующие обменные процессы и моторику в организме животных.

В новейшем поколении «Раст» для приготовления БАД используется растение стевия (81еу1а геЬаисПапа ВеаШт), содержащая вещества, которые способствуют регулированию углеводного обмена и повышению энергетического потенциала кормов.

В состав стеблей, листьев и листостебельной массы стевии входят активные вещества — гликозиды, протеины, клетчатка, жир, что дает возможность и основание использования их в качестве компонента кормовых добавок для разных видов животных.

Стебли и листья стевии при профилактике и лечении заболеваний у животных нормализуют биоценоз, повышают рефлекторные функции, усвояемость кормов за счет активизации деятельности желудочно-кишечного тракта и улучшают углеводный обмен.

Производство активных веществ, обычно, малотоннажные, но очень высокодоходные. Для производства добавок требуется высококвалифицированный персонал, так как биологически активные

вещества являются сложными органическими соединениями, синтез которых протекает во множество стадий [70]:

• подготовка субстрата;

• стерилизация субстрата;

• нанесение на поверхность субстрата необходимых биодобавок;

1.2 Способы стерилизации продуктов растениеводства и кормосмесей

Стерилизация субстратов и фуражного зерна имеет высокое значение для биотехнологического производства, так как обеззараженное сырье является основой для выращивания биомассы и получения биологически активных добавок [7].

В качестве стерилизатора различных сред исследовались облучение альфа и бетта-частицами, электромагнитные поля различного диапазона (рентгеновское, гамма-излучение, видимое оптическое, ультрафиолетовое, инфракрасное, радиочастотное, свч-излучение, электрическое и магнитное поле), гравитационным воздействием, ионами различных элементов, озоном и т.д. [18]. Но каждый из приведенных факторов должен обеспечиваться своеобразным спецоборудованием, часто дорогостоящим и сложно устроенным. Помимо этого использование физических способов не всегда оправдано другими факторами. Например, рентгеновское и гамма облучение опасны для жизни человека и потому мало пригодны для использования в непосредственной близости от человека. Поэтому, применение рентгеновского и гамма облучений в зернохранилищах сельхозпроизводителей не возможно. По таким же причинам не желательно использовать в качестве дезинфецирующей обработки - бетта- и радиочастотное, ультрафиолетовое, оптическое видимое облучения.

В последнее время для борьбы с патогенными грибами находит широкое применение так называемая термическая обработка. Исследования по угнетению болезнетворной микрофлоры и обеззараживанию зерна проводились во многих научных учреждениях России. Например известны

исследования, которые проводятся в Красноярском государственном аграрном университете под руководством профессора Цугленок Н.В. В этом ВУЗе были определены режимы СВЧ обработки и получены положительные результаты для уничтожения микрогрибов [99], представленные в таблице 1.1.

Необходимо отметить, что эти данные были получены в лабораторных условиях при обработке незначительного количества зараженного зерна. Результаты данного эксперимента не подтверждены испытаниями на производстве.

Таблица 1.1— Результаты СВЧ обработки

Вариант Режимы Температура нагрева зерна,°С Зараженность грнбамн, штук

Экспозиция, с Скорость нагрева, °С/с 1и5 Решс11-1шт Бша-пшп АНег-папа Афло- ТОКСННЫ

1 90 0,8 85 0 0 0 0 н/о

2 60 0,6 65 0 3 0 1 н/о

3 30 0,4 43 50 42 49 19 прнсут.

контроль 50 43 39 17 присут.

Одной из новейших разработок является сверхвысокочастотная установка для тепловой обработки зерновых семян зерновых культур «Микронизатор-1» [54]. Эта установка выпускается в г. Зернограде ВНИПТИМЭСХ. Внешний вид установки представлен на рисунке 1.1.

Семенной материал (подвергающийся обработке) подается в загрузочный бункер установки, в котором происходит термическая обработка паром. Следующим шагом семена под действием сил притяжения поступают в нижнюю камеру СВЧ обработки, где за счет электрического поля сверхвысокой частоты происходит нагрев влаги внутри капилляров и на поверхности до состояния кипения, при этом происходит уничтожение вредителей зерна и микроорганизмов [80]. Производительность такой установки до 200 кг/ч. Однако, необходимо отметить, что токсины микробного происхождения - афлотоксины - не разрушаются при тепловой обработке. К тому же, такая обработка процесс очень дорогостоящий, прежде

всего из-за стоимости электроэнергии и других энергоносителей (120-160 кВт/т).

Рисунок 1.1 Внешний вид установки «Микронизатор-1»

В лаборатории Ставропольского государственного аграрного университета были проведены исследования по влиянию биопрепарата «Биофит-3» различных концентраций на энергию всхожесть, прорастания и на патогенную микрофлору зерна [20]. Результаты опыта сведены в таблицу 1.2

Таблица 1.2 - Изменение микрофлоры зерна озимой пшеницы, обработанной

«Биофит - 3», при различных сроках хранения

Сроки Незаселен. Заселен. Alternaria Pénicillium Fusarium Aspergillus

Контрольные образцы без обработки

1 мес. 0 100 19 17 39 25

3 мес. 0 100 20 25 40 28

6 мес. 0 100 24 28 44 33

Опытные образцы - Биофит-3

1 мес. 70 30 4 6 11 9

3 мес. 76 24 J 5 9 7

6 мес. 82 18 2 3 7 6

Для снижения бактериальной обсемененности кормов в современной ветеринарии для птицы используются различные физические методы обработки [1]:

■ сушка зерносушилками (ДСП-32,РД 2x25),

■ очистка зерна с помощью вибрационных и воздушно-ситовых сепараторов;

■ конвекторно-кондукторный нагрев при температуре 250-300 °С;

■ гранулирование при давлении паром 0,2-0,3 МПа;

■ обработка в экструдере (КМЗ-2);

■ обработка УФ-излучением мощностью 500 вт;

■ обработка ИК-излучением плотностью 35-50 квт/м .

Как правило, при любом из названных способов достигается практически 100% обеззараживание комбикорма от поверхностной микрофлоры (за исключением использования ситовых и вибрационных средств для зернового сырья, зерносушилок). Но практическ�