CC BY
722
УДК 631.365.25:633.853.494
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
КОМБИКОРМОВ
В.И. Сыроватка, акад. РАН, д-р техн. наук, проф., зав. отделом
Дано краткое содержание результатов законченных работ за последние пять лет, изложены (тезисно) перспективные проблемы тепловой обработки комбикормов. Ключевые слова: тепловая обработка, энтальпия, энтропия, электромагнитное поле сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ), интеллектуальные системы управления.
За последние годы отдел механизации приготовления комбикормов ГНУ ВНИИМЖ - головной организации по механизации животноводства, совместно с соисполнителями выполнил исследования по актуальным направлениям и опубликовал следующие результаты:
1. «Рекомендации по заготовке и использованию высоковлажного фуражного зерна» под редакцией акад. Ю.Ф. Лачуги.
Авторский коллектив: Сыроватка В.И., Иванов Ю.А., Кононов В.П. (гНу ВНИИМЖ); Попов В.Д., Баранов Л.Н., Перекопский А.Н., (ГНУ СЗ НИИМЭСХ); Сысуев В.А., Савиных П.А., Сычугов Ю.В., Соболева Н.Н., Заболотских И.Ю., Одегов В.А., Русаков Р.В., (ГНУ НИИСХ СВ); Стребков Д.С., Ромалий-ский ВС. (ГНУ ВИЭСХ).
Многолетний опыт реализации этой технологии в хозяйствах Нечерноземной зоны России показал ее эффективность и целесообразность расширения географической зоны ее применения.
2. «Организационно-технологические основы создания блочно-модульных внутрихозяйственных комбикормовых предприятий», автор В.И. Пахомов.
Раздел книги «СВЧ-обработка фуражного зерна» развит в последние годы в работах акад. Сыроватки В.И., чл.-корр., д. т. н. Цуг-ленка Н.В., чл.-корр. Иванова Ю.А., Васильева А.Н. и Васильева А.А.
СВЧ-энергия рассматривается как энергетическая база перспективных технологий по переработке продуктов.
3. «Центробежно-роторные измельчители фуражного зерна» - диссертация д. т. н. Сергеева Н.С., научный консультант акад. Сыроватка В.И.
Впервые создана машина для измельчения семян масличных культур - рапса, подсолнечника, льна, гороха, горчицы, сои и др. На основе теории В.П. Горячкина развита теория резания и скалывания для измельчителей центробежно-роторного типа. Получена система дифференциальных уравнений процесса резания семян масличных культур.
4. Обоснованы эффективные средства механизации приготовления и выдачи кормо-смесей в свиноводстве, автор В.В. Коновалов, соавторы В.И. Сыроватка, В.Г. Коба.
Разработаны инженерные методы расчета машин и рабочих органов для измельчения, смешивания и нормированной раздачи кормов животным, обеспечивающих снижение расхода кормов на 8-9%, затрат ручного труда на очистку кормушек на 42,5%.
Создана компьютерная программа инженерного расчета упомянутых выше машин, которая используется в учебном процессе многих вузов.
Опубликовано по теме 27 статей и получено 14 патентов.
5. Созданы основы расчета поточных линий для приготовления комбикормов в хозяйствах, которые изложены в книге «Машинные технологии приготовления комбикормов в хозяйствах» (авт. В.И. Сыроватка). Выпущен справочник под редакцией акад. Сысуева В.А. «Кормоприготовительные машины» (2009 г.) и др. По обозначенной выше проблеме опубликовано 102 статьи и получено 49 патентов.
Мировое производство комбикормов.
Фуражное зерно является основным компонентом комбикормов. Для повышения питательной ценности его подвергают тепловым процессам. Необработанное фуражное зерно в составе комбикормов усваивается организмом животных и птицы не более чем на 50%. Поэтому фуражное зерно или комбикорма подвергают тепловой обработке.
Мировой рынок комбикормов стабильно растет на 3-4% в год пропорционально росту численности населения и потребления им животноводческой продукции.
По данным ФАО в начале XXI века складывается следующая модель потребления продовольствия: для развитых стран в среднем 800 кг зерна на человека в год - 100-150 кг в виде хлеба, круп и др. и 650-700 кг на производство мяса, яиц, молока и др.; для бедных - 200 кг зерна на человека в год в виде хлеба. В мире производится 30 г белка на человека в сутки: в Европе - 62 г, в Азии -20, в Африке - 11,3, в Америке - 75, в Океании - 164, в России - 44. Производство мяса на человека составило 36,9 кг/год, в России - 42,1, в Европе - 69, в Америке - 97, в Африке - 11,6, в Белоруссии - 88, в Китае -48 кг/год [1].
В решении мясной проблемы ведущая роль принадлежит свиноводству. Из произведенных в мире в 2008 г. 279 млн т мяса на долю свинины пришлось 103 млн т - 36,8%. В Китае произведено 47208 тыс. т, в Америке - 10462, в Германии - 5111, в Испании -3487, в Бразилии - 3015, в России - 2042 млн т. На одного жителя Дания произвела 308 кг свинины, Нидерланды - 79, Испания - 76, Германия - 63, Канада - 57, Беларусь - 40, Россия - 14,4 кг.
Мировой рынок комбикормов в настоящее время составляет 959 млн т. По прогнозу к 2020 году стоимость комбикормов в себестоимости животноводческой продукции достигнет 75-80% против 50-60%.
В 2012 году произведено 959 млн т комбикормов. В 2013 году снижение производства комбикормов составило 3-5% в сравнении с уровнем 2012 года по следующим причинам:
• продолжение глобального экономического спада, который оказывает влияние на потребление белка и спрос на него во всем мире;
• использование большого количества зерна для получения биотоплива;
• уменьшение количества зерновых компонентов для производства комбикормов в связи с глобальной засухой, в частности, в США.
Таблица 1. Производство комбикормов _в странах-лидерах, млн т_
Страна Производство комбикормов
2010 г. 2012 г.
Китай 108 940 191 340
США 155 275 179 110
ЕС 146 125 151 200
Бразилия 60 400 66 285
Мексика 27 300 28 536
Япония 23 855 25 220
Россия 16 500 23 350
Германия 20 120 22 252
Ежегодно увеличивается мировой объем производства зерна кукурузы, сои, пшеницы. В 2012 году он составил 1717 млн т.
Производство комбикормов в России. В 2011 г. в животноводстве в качестве кормов было использовано около 37,0 млн т зерна, в том числе в составе комбикормов 11 млн т. Остальные 26 млн т фуражного зерна в виде смеси используется в крестьянских, фермерских хозяйствах и, в основном, хозяйствах населения, которые производят мяса КРС 69%, мяса свинины - 44%, молока -55%, яиц - 22,5%.
В 2012 г. в России произведено 23 млн т комбикормов, из них большая половина вырабатывается непосредственно на птицефабриках и свиноводческих комплексах. Условием рентабельности является выращивание собственного фуражного зерна.
В урожайном 2009 году в России произведено 97 млн т зерна, на кормовые цели использовано 33 млн т, из которых 18,3 млн т на комбикорма в крупных птицеводческих и свиноводческих предприятиях, а 15 млн т фуражного зерна использовано в личных и фермерских хозяйствах, которые произвели
в 2012 г. на убой в живом весе птицы - 13%, свинины - 58% и крупного рогатого скота -66%. Для этих мелких хозяйств рынок комбикормов не освоен.
В настоящее время Россия уже насыщена мощностями по производству премиксов. Главной проблемой является отсутствие сырья для их производства. Импорт витаминных препаратов составляет 100%, аминокислот (лизина, треонина и триптофана) - 100%, кормовых ферментных препаратов - до 80%. При этом необходимо учитывать, что их стоимость в России на 30% дороже, чем в Европе, а это оказывает значительное влияние на стоимость конечной продукции.
В последние годы в стране производится 70-80 млн т зерна, половина которого используется на корма. Комбикорма являются наиболее эффективным способом использования зернофуража. Из общего количества перерабатываемого сырья доля зерна в комбикормах составляет 65-70%. В развитых зарубежных странах доля зерна в комбикормах постоянно сокращается и в настоящее время составляет во Франции - 48%, Англии - 39%, США - 50%. Сокращение зерновой части происходит за счет увеличения доли высокобелкового сырья, энергетических кормовых средств, использования вторичных продуктов, получаемых в спиртовой, пивоваренной, крахмалопаточной, мясо-молочной и других отраслях перерабатывающей промышленности.
В настоящее время для предусмотренного производства продукции животноводства в 2020 году в Российской Федерации необходимо более 90 млн т комбикормов, в т. ч. сои потребуется 5,1 млн т, а валовой сбор в 2011 году - 1,7 млн т, гороха убрано 1,5 млн т, а требуется - 8 млн т, используется только 3,6 млн т жмыха подсолнечника и 0,5 млн т мелассы [2].
Следует отметить, что доля мяса птицы в общем балансе мяса всех видов составляет 42% против 18% по медицинским нормам, говядины - 22% против 34% и свинины -33% против 34%. В США из 155 млн т комбикормов 80% составляют БМВД для продажи фермерам.
Комбикорма, произведенные на птицеводческих, свиноводческих и фермах крупного рогатого скота на базе фуражного зерна собственного производства и промышленных БВД, в 1,5-2,0 раза дешевле заводских.
Выполнение программы производства продукции животноводства в России до 2020 года потребует увеличения выпуска комбикормов в 5 раз.
Рынок России открылся для комбикормовой промышленности США в декабре 2012 года после того, как президент этой страны подписал решение сената об отмене так называемой поправки Джексона-Вэника, ограничивающей торговлю с Россией. Согласно официальному пресс-релизу США будут поставлять в Россию корма для крупного рогатого скота, свиней, домашней птицы, овец, коз, лошадей и других животных. Уровень спроса оценивается экспертами в несколько миллионов долларов США в год. В перспективе американские производители будут иметь возможность поставлять большее количество продукции из-за растущего спроса.
Консервирование фуражного зерна. Инактивации антипитательных веществ, декст-ринизации крахмала, деструкции целлюлоз-но-лигниновых образований, создания микропористой структуры в готовом продукте можно достичь при консервировании высоковлажного фуражного зерна [3].
ГНУ СЗ НИИМЭСХ за последние 10-15 лет провел большую исследовательскую работу по оптимизации режимов плющения и консервирования высоковлажного фуражного зерна, созданы устройства для внесения и смешивания консервантов. Предложенная технология обеспечивает снижение энергозатрат на 40%, а себестоимость зерна на 2025%. По прогнозным оценкам в ближайшие годы до 40% валового производства зерна в Северо-Западном регионе будет произведено по этой технологии.
ГНУ НИИСХ СВ им. Рудницкого в своем регионе отработал эффективную машинную технологию, выполнил исследования и реализовал на фермах способ скармливания консервированного высоковлажного зерна озимой ржи в животноводстве и свиновод-
стве. Разработал и применил в хозяйствах установку для двухстадийного плющения зерна с одновременным внесением консервантов. Впервые обоснованы режимы плющения озимой ржи, межвальцовые зазоры первой и второй ступени, толщина хлопьев, норма ввода этого вида корма в рационы и др.
ГНУ ВИЭСХ и ГНУ ВНИИМЖ разработали научные основы расчета плющилок и технических средств для их обслуживания, организовали серийное производство этих машин.
Максимальное содержание питательных веществ созревающего фуражного зерна достигается при влажности 25-30%, а максимальное содержание протеина - при влажности 40%. При этом жатву можно начать при влажности зерна 40-45%, что позволит на 1020 дней раньше начать комбайновую уборку зерновых на фураж; энергозатраты на обмолот несколько возрастут, и качество вымолота снизится на 1,0-1,5%.
Прямое комбайнирование начинается в период полной биологической спелости и при влажности зерна 20-25%. При этом в течение 3-5 дней качество зерна на корню остается без существенных изменений, а затем происходят заметные потери урожая и качества зерна. Если зерновые оставить в поле до полного созревания, то потери могут достигнуть 25-30%.
Убранное с поля фуражное зерно для хранения следует высушивать до кондиционной влажности 14-16%. Сушка убранного зерна должна осуществляться не позже, чем через 12-15 часов после уборки. При сушке происходит потеря питательных веществ.
С увеличением влажности фуражного зерна расход энергии на сушку и дробление возрастает в 2-3 раза, а при плющении - снижается. Так, с изменением влажности зерна с 8 до 43% энергоемкость измельчения возрастает с 4,1 до 30,2 кВт-ч/т.
Исследованиями установлена оптимальная влажность фуражного зерна, подлежащего плющению. Так, при увеличении влажности зерна ячменя с 17 до 35% удельные затраты энергии на плющение гладкими валь-
цами снижаются в 2,6-3,0 раза. Снижение удельных затрат энергии при повышении влажности за 35% незначительно.
Заготовка и использование в кормлении крупного рогатого скота консервированного плющеного зерна позволяет:
• снизить себестоимость концентрированных кормов на 10-15%, при этом продуктивность животных увеличивается на 7-12%;
• увеличить валовой сбор фуражного зерна на 8-10% за счет снижения потерь при уборке;
• снизить энергозатраты на 23% за счет исключения сушки, очистки и размола зерна;
• повысить усвояемость корма на 5-8%, среднесуточные привесы крупного рогатого скота на 9-11%, надои на 7-10%.
Питательность зерна от уборки-сушки до закладки на хранение в результате ферментативных процессов снижается на 20%. При химическом консервировании зерна в герметичных условиях потери сухого вещества составляют 5-7%.
Себестоимость каждой тонны плющеного и консервированного фуражного зерна на 2530% ниже в сравнении с общепринятой технологией сушки и дробления - это перспективная энергосберегающая технология.
Плющеное высоковлажное фуражное зерно нашло широкое применение за рубежом. Так, в США до 40% фуражного зерна подлежит плющению, а в Англии - 47%, в Финляндии - 63%.
Технология гранулирования комбикормов. Наиболее эффективно использовать фуражное зерно в составе полноценных гранулированных кормов. Для этого у нас и за рубежом реализованы многочисленные проекты комбикормовых заводов производительностью 50,100 и 200 т/ч и более простых комбикормовых цехов производительностью 5,10 и 20 т/ч.
Наиболее востребованы комбикормовые цеха для производства гранулированных комбикормов производительностью 5 и 10 т/ч, созданные сотрудниками ВНИИМЖ и ВИЭСХ. Цех производительностью 10 т/ч вырабатывает 75 т комбикормов при работе в одну смену или 150 т - в две смены, что
удовлетворяет потребность в комбикормах свиноводческих комплексов на 24 тыс. и 12 тыс. голов или птицефермы яичного направления с поголовьем до 500 тыс. голов. Цех производительностью 5 т/ч выпускает 35 т комбикормов при работе в одну смену и 70 т - в две смены. Этот объем производства до-
Участок приема и очистки сырья
статочен для свиноводческих комплексов на 6 тыс. голов, средних и малых птицеводческих хозяйств, а также ферм по откорму крупного рогатого скота.
Комбикормовый цех для производства гранулированных кормов (рис.1) работает следующим образом.
Рассыпной
Склад готовой продукции
Рис. 1. Технологическая схема цеха по приготовлению гранулированных комбикормов
производительностью 10 т/ч:
1 - самосвал; 2 - завальная яма; 3, 8, 12, 20, 21, 35, 46 - транспортеры; 4, 7, 23, 45 - нории; 5 - сепаратор; 6, 9, 11, 24, 29, 36, 47 - магнитные колонки; 10, 13, 48 - распределители; 14, 49 - датчики верхнего уровня;
15, 50 - бункера; 16 - виброактиватор; 17, 41 - шнековые питатели; 18 - весы; 19 - бункер; 22 - установка загрузки БМВД; 25 - бункер; 26 - демпферный бункер; 27 - дробилка; 28 - бункер со шнеком; 30 - смеситель; 31 - бункер с транспортером; 32 - блок микродобавок; 33 - передвижная загрузочная установка; 34 - бункер рассыпных комбикормов; 37 - кондиционер; 38 - экспандер; 39 - запирающий корпус; 40 - структуратор; 42 -пресс-гранулятор; 43 - охладительные колонки; 44 - измельчитель; 51 - автоматическая (задвижка) заслонка
Исходное сырье из самосвала 1 засыпается в завальную яму 2, из которой транспортером 3 и норией 4 подается в сепаратор 5 и магнитную колонку 6, где очищается от металлических примесей и посторонних предметов. Очищенные компоненты норией 7, горизонтальным транспортером 8, через магнитную колонку 9 с помощью распределителя 10 засыпаются в оперативные бункеры 15. Белковые добавки после соответствующей подготовки транспортером 21, установкой для загрузки БВД 22, норией 7, транспортером 12 пропускаются через магнитную колонку 11 и распределитель 13 также загружаются в оперативные бункеры 15. При неравномерном истечении компонентов включают виброактиватор 16. После заполнения
всех оперативных бункеров осуществляется дозирование компонентов на весовом дозаторе 18. Порция зерновых и белковых компонентов шнековыми питателями 17 подается в весы 18, затем в бункер 19, из которого транспортером 20, норией 23 через магнитную колонку 24, бункер 25 и демпферный бункер 26 подается в дробилку 27. Измельченные корма шнеком бункера 28 через магнитную колонку 29 поступают в смеситель 30. Сюда же из блока микродобавок 32 с помощью передвижной загрузочной установки 33 подаются микродобавки. Готовая смесь рассыпных комбикормов выгружается из смесителя в бункер 31 и его шнековым транспортером и норией 7 подается в бункер 34, из которого транспортером 35 через магнит-
ную колонку 36 засыпается в кондиционер 37, куда подается пар, вода, жир, меласса и другие добавки. Приготовленная смесь передается в экспандер 38, работа которого регулируется запирающим устройством 39, а форма и размер гранул формируется струк-туратором 40. Шнековый питатель 41 распределяет комбикорма в пресс-грануляторы 42. Горячие гранулы поступают на охладительные колонки 43, а затем обрабатываются на измельчителях 44. Гранулированные комбикорма норией 45 подаются на транспортер 46, проходят магнитную колонку 47 и распределителем 48 направляются в бункер готовой продукции 50. При заполнении бункера 50 комбикормами до датчика верхнего уровня 49 поток готовой продукции переключается на другой бункер. Для отгрузки готовой продукции открывается автоматическая заслонка 51.
Интеллектуальные системы управления. Для крупных комбикормовых заводов предусматривают управление всеми технологическими процессами: загрузку и контроль расходных бункеров из центральных складов и элеваторов; поточное или дискретное дозирование компонентов; дозирование, измельчение зерновых компонентов; смешивание отдозированных порций и ввод заданного веса жидких компонентов в смеситель; гранулирование сыпучих комбикормов, охлаждение, измельчение и рассев полученных гранул; автоматический забор проб для лаборатории; выдача готовых кормов в склады готовой продукции.
АСУТП исполняется по независимой системе процессов, что обеспечивает высокую надежность, гибкость и живучесть системы, строгое соблюдение технологии, это ведет к значительному улучшению качества продукции.
Мониторинг пресс-гранулятора. Постоянное наблюдение (мониторинг) за работой электродвигателей большой мощности вызвано зависимостью работы всего комплекса оборудования.
Пример процесса мониторинга пресс-гра-нулятора «ТЕХНЭКС» Т 660 (Екатеринбург) - на рисунке 2.
Основные функции системы: автоматическое измерение пусковых, рабочих и холостых токов головного двигателя пресса; температурных режимов подшипников; времени работы двигателя; расхода электроэнергии; уровня продукта в бункерах.
Уровень в буферном бункере
Пронэ водител ьность
Сигнал включения питатели
Положен»« клапана пара
Индикатор включения смесителя
Уровень в буферном буккер? ниариймо шпок
Управление положением рпулирукнепего клапаны комбикорма.
И]ци|1кэтор . состоянии пргс С2-г I: и м у.: ^ т :>;!:]
Нь.ПШ1 I |1С1111.
|||>Ш1[|II.1111-1,ни; I I II: .1: ч . Индикатор \и I -|1' .17 И'И Г НОГ
ас 1-ул ноовя 11| I' в ключеноч
1|'и: .'|и г.т|>"и в смесителе
Ш.пои треща телшературьг
кармз II В I VГ 1"1 IIО !с
Цслн-шна IО КII Г. ВПП0ГО .::... .111 :1
Ньппа трсидо величины
тоуа Г ИШМ'НИ ,И, III Г. 11,14
Энергии, НЭриППЮВаинан с чоммгтж ЦП} Ск> системы мониторинга Пробег главного .7i.ijir.in с нонети мое.тедиего ргмодгта
Рис. 2. Процесс мониторинга пресса
Оборудование цеха находится под контролем АСУТП, поэтому обеспечивается безопасность и долговечность работы электродвигателей и машин за счет исключения перегрузок по току, исключения холостых пробегов оборудования. Ведение отчетов и исторических трендов позволяет безошибочно и быстро производить «разбор сбоев», а также оптимизировать расход электроэнергии и производительности линии в целом.
В процессе работы автоматически сохраняются график токов электродвигателей, ведение журнала действий оператора, ведение мастером работы всех исполнительных механизмов и маршрутов. Благодаря ведению базы данных по расходу сырья, с помощью запроса подсчитывается расход сырья и любого компонента за период работы смены. Работа оператора сводится к вводу рецепта, запуску маршрута дозирования и готовой продукции.
По желанию заказчика возможны дополнительные подсистемы АСУТП:
• автоматическое управление прессами, экспандерами, экструдерами, дробилками;
• измерение, контроль, анализ и прогнозирование температуры в емкостях хранения сырья и готовой продукции;
• учет сырья и готовой продукции;
• система расчета стоимости единицы комбикорма каждого рецепта в зависимости от состава сырья и затраченной электроэнергии;
• система связи с бухгалтерией по расчету зарплаты.
Вследствие большого количества оборудования АСУТП разделена на участки: секция зерновых компонентов, минеральных компонентов, микрокомпонентов, ввода масла, секция дробления, гранулирования; независимые маршруты транспортировки зерновых компонентов и готовой продукции.
Используется система контроллеров «Мастер 110.1-Мастер 110.5». Весовые микроконтроллеры осуществляют преобразование сигнала тензодатчиков в естественные единицы тока, массы, температуры и передают их управляющим контроллерам, которые представляют собой компьютер с установленными в нем платами ввода дискретных сигналов. В соответствии с этими сигналами
2. Нейтрализация антипитательных веществ в сое и рапсе. Соя и рапс - важные белковые и энергетические компоненты. Соевая мука является основным источником белка при производстве комбикормов, однако содержит 5-10% антипитательных веществ - ингибиторов, которые ингибируют
- значения веса - контроллеры воздействуют на приводы норий, шнеков, дозаторов, дробилки, пресса.
Управляющие компьютеры соединены с компьютером верхнего уровня, где организовано рабочее место оператора-технолога.
Интеллектуальная система управления технологий производства сводит к минимуму влияние «человеческого фактора»: обслуживающий персонал, зная, что все его действия контролируются, протоколируются, сохраняются, могут быть дистанционно просмотрены, стараются максимально соблюдать регламент. Повышается точность выполнения технологических процессов, а следовательно, улучшается качество комбикормов, снижается удельный расход энергии за счет работы двигателей в номинальных режимах, уменьшается время холостой работы машин и т. д.
Потребность в тепловой обработке комбикормов.
1. В зависимости от вида фуражного зерна, сорта растения, условий его произрастания и других факторов в нем содержится 5670% безазотистых экстрактивных веществ (табл. 2), которые плохо усвояются животными и птицей. При тепловой обработке крахмал переходит в усвояемые декстрины и полисахариды.
ферменты, вырабатываемые поджелудочной железой. В результате поджелудочная железа вынуждена продуцировать их более интенсивно, что вызывает ее гипертрофию.
Эффективным путем устранения ингибиторов является тепловая обработка в сочетании с повышенным давлением. Увеличивает
Таблица 2. Химический состав зерна, %
Компоненты зерна Пшеница Рожь Овес Кукуруза Просо Ячмень
озимая яровая
Вода 15,0 15,0 5,0 15,0 15,0 15,0 15,0
Белок 11,0 13,2 9,0 10,3 9,9 10,6 9,5
Безазотистые экстрактивные вещества 68,5 66,1 70,7 56,4 67,2 58,6 67,0
Жир 1,9 2,0 1,7 4,8 4,4 3,9 2,1
Клетчатка 1,9 1,8 1,9 10,3 2,2 8,2 4,0
Зола 1,7 1,9 1,7 3,6 1,3 3,8 2,5
эффективность термообработки также предварительное пропаривание сои в течение 2030 мин. Наибольшую энергетическую ценность в комбикормах составляют семена рапса, поскольку содержат 40-48% жира и 2133% сырого протеина при коэффициенте переваримости 84,4-93,4%.
Однако семена рапса содержат эруковую кислоту, которая не утилизируется ферментативной системой млекопитающих и птицы и имеет тенденцию накапливаться в их организме. Эруковая кислота вызывает нарушение сердечнососудистой системы, инфильтрации скелетной мускулатуры и миокарда, цирроз печени. Доля эруковой кислоты в составе растительных масел: рапсовое масло 56-65%, горчичное - 50%, сурепное масло -47%. Семена рапса подлежат глубокой термообработке. Температура разложения эруковой кислоты - 3800С.
3. Зерновое сырье и другие компоненты, используемые для производства комбикормов, нередко обсеменены микроорганизмами, где присутствуют токсичные для человека и животных продукты метаболизма этих грибков. Обеззараживание всех компонентов улучшает качество комбикормов.
4. Использование в комбикормах рыбной, мясокостной муки, мелассы, жиров и других незерновых компонентов невозможно без тепловой обработки.
5. Для достижения температуры обрабатываемого комбикорма 170-180 С применяются сложные технологические схемы и дорогостоящее оборудование (рис. 1): первый этап - нормализация смеси - рассыпной комбикорм паром прогревается до 1000С; второй - смесь пропускается через экспандер, где подогревается до 1300С (иногда через экс-трудер, где температура смеси достигает 1500С), и в заключение - корма подаются в гранулятор, где температура гранул достигает 1800С. Этой температуры недостаточно для более глубокой декстринизации (только 60%).
На всех трех этапах повышение температуры корма достигается трением при высоком давлении, что архаично. Все это ведет к увеличению удельного расхода электроэнер-
гии. Технологическую схему следует упростить и значительно снизить удельную энергоемкость, металлоемкость и капиталоемкость, что возможно при выполнении процесса тепловой обработки в области сухого пара.
Перевод в область сухого пара. Исходя из мировых тенденций развития энергетики, необходимо переводить процесс баротерми-ческой обработки в более высокую область фазовой диаграммы системы р, 1 - давления, температуры (рис. 3).
Рис. 3. Области применения уравнений состояния
Международной системы в р, £ диаграмме;
К - критическая точка. В р, / диаграмме фазового состояния воды рабочий процесс тепловой обработки комбикормов смещен от нулевой к критической точке (3740С). Это участок зоны перегретого пара с параметрами температуры 300-3740С, давления 12-21 МПа и экспозиции обработки 30-60 с
Целесообразно сместить рабочий процесс баротермической обработки комбикормов в зону перегретого пара к критической точке диаграммы р, 1 фазового состояния воды с параметрами температуры 300-3740С, давления 12-21 МПа и экспозицией обработки 3060 с (рис. 3), что позволит:
1. Исключить высокозатратные несовершенные процессы: экспандирование, экстру-дирование, гранулирование и др.
2. Упростить структурную схему поточных линий по производству гранулированных кормов, что снизит в несколько раз энергоемкость и металлоемкость.
3. Использовать отработанный пар (120-1500С) на предварительную тепловую обра-
ботку сои, рапса, зернового сырья, а также мелассы, жира и других добавок.
4. Применить малоемкостные поточные автоматизированные линии по производству обезвреженных, экологически чистых рас-
сыпных, гранулированных, лечебных кормов, а также вспученного фуражного зерна. В соответствии с этим предложена поточная линия баротермической обработки комбикормов и новое оборудование (рис. 4) [4].
продукт
Рис. 4. Линия тепловой обработки комбикормов: 1 - приемный бункер для сои, 2 - приемный бункер для
рапса, 3 - теплообменники, 4 - бункер для наполнителей, 5 - бункер для зерновых, 6 - бункер для жира, 7 - бункер для мелассы, 8 - бункер для БМВД, 9 - дозаторы, 10 - краны, 11 - смеситель, 12 - зерноплющилка,
13 - корпус зерноплющилки, 14 - шнек, 15 - радиальные кольца, 16 - шнековый транспортер, 17 - затвор загрузки, 18 - реактор баротермической обработки, 19 - затвор выгрузки, 20 - газгольдер, 21 - барабанный
шлюз, 22 - охладитель, 23 - механизм подачи атмосферного воздуха, 24 - перфоратор, 25 - механизм регулирования отбора теплоносителя, 26 - паропровод, 27 - кран, 28 - тепловая магистраль, 29 - циклон, 30 -вентилятор, 31 - предохранительный клапан, 32 - паровые краны, 33 - устройство для сбора и слива конденсата
Энтальпия системы теплового процесса. Известно, что в результате подвода теплоты к телу температура тела повышается и вследствие увеличения объема тела производится внешняя работа; подведенная к телу
теплота расходуется на увеличение внутренней энергии тела и и на совершение работы Ь [5, с.34].
Это выражается уравнением
Ql-2 = ДУ1-2 + ¿1-2 , (1)
где Q1-2 - теплота, сообщенная телу при нагревании от состояния 1 до состояния 2;
Ди1-2 - изменение внутренней энергии тела в том же процессе, равное разности внутренних энергий системы в точках 2 и 1;
Ь1-2 - работа, совершенная телом в процессе перехода системы из точки 1 в точку 2 (повышение давления в котле).
Уравнение (1) выражает первый закон термодинамики или частный случай общего закона сохранения энергии: для любой изолированной системы количество энергии, заключенной в этой системе, сохраняется неизменным.
Это же соотношение, записанное в дифференциальной форме, имеет вид:
йд = аи + йь (2)
Принято, что теплота, подводимая к системе, считается положительной, а теплота, отводимая от системы - отрицательной. Соответственно, работу, производимую системой, считать положительной, а работу, совершаемую над системой - отрицательной.
Так как работа расширения является функцией процесса р,У- диаграммы, то уравнение (2) можно записать:
д = йи + рйУ (3)
Сумма внутренней энергии системы и и произведения давления системы р на величину объема системы У называется энтальпией (теплосодержание) и обозначается Н: Н = и + рУ (4)
Энтальпия - это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту или работу при определенной температуре и давлении. Энтальпия измеряется в тех же единицах, что и теплота, работа, внутренняя энергия. Первый закон термодинамики характеризует процессы превращения энергии теплоты или работы с количественной стороны. Второй закон термодинамики характеризует качественную сторону этих процессов. Также, как и первый закон, он сформулирован на основании опытов: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому, поэтому идею о существовании
вечного двигателя второго рода осуществить невозможно (Планк) [6].
Термическим коэффициентом полезного действия (КПД) цикла цт называется отношение работы цикла (Q1-Q2) к количеству теплоты Ql, подведенного к рабочему телу в цикле [7]:
* = ^ (5)
где Q2 - количество полезно использованной теплоты или
Т1-Т2
Пт =
(6)
Тг Чг
где Т1 и Т2 - начальная и конечная температуры цикла.
Энтропия - от греческого «поворот», степень неполноты, неопределенности знаний, впервые был введен Клаузисом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения р еального процесса от идеального
аз = * ,
т '
(7)
где - приращение энергии; SQ - минимальная теплота, подведенная к системе; Т - абсолютная температура процесса.
Дифференциал энтальпии, выраженный в собственных переменных, через энтропию £ и да влени е р:
йН = й(и + рУ) йН = 5д + Уйр
Н = ТйБ + Уйр (8)
Энтальпией системы удобно пользоваться в тех случаях, когда в качестве независимых переменных, определяющих состояние системы, выбирают давление р и температуру Т, Н(р,Т).
По таблице III [8] показаны изменения энтальпии (рис. 5) в диапазоне I от 0 до 6000С и р от 0 до 21,0 МПа. Из графика видно, что энтальпия системы при температуре 300-400°С в пять раз выше, чем при температуре на участке 1000С, а коэффициент теплопередачи возрастает многократно. Этот тепловой поток при высоком давлении и коэффициенте теплопередачи ускоряет прогрев комбикормов и многократно сокращает время обработки (с 60-70 мин до 6-7 с).
При этом достигается экономия удельных затрат энергии и металлоемкости.
кДж/кг
Н 4000
дао
3200 2300 2400 2000 1600 1100 800 400
Н~1 } + dV
= 21 0MI Гя -
í "С
« $0 1D0 150 200 250 3(10 350 МО <450 500 550 600
Рис. 5. Изменения энтальпии Н при увеличении p = от 0 до 21,0 МПа и t = от 0 до 6000С
Условия достижения поставленной цели.
1. Годовой объем производства зернофуража в животноводческом хозяйстве должен соответствовать потребности каждого компонента в рецептуре для планового поголовья животных и птицы. Одной из основных задач является увеличение объемов производства фуражного зерна и совершенствование структуры посевных площадей зернофуражных культур.
2. Необходимо возобновить производство белково-витаминной травяной муки в каждом крупном хозяйстве, которая вводится в рационы в количестве 5-7%, причем она производится в течение всего лета из зеленой массы разнообразного состава.
3. Хозяйства, производящие комбикорма, должны иметь современные механизированные зерносклады для сушки и хранения всего годового запаса фуражного зерна.
4. Важным условием рентабельной работы комбикормовых цехов хозяйств является использование промышленных белково-ви-таминных и минеральных добавок (БМВД), которые вводятся в рацион в количестве от 5 до 25%, но производить эти смеси в каждом хозяйстве нерентабельно. Их поставляют специализированные комбикормовые заводы. В США более половины таких комбикормовых заводов.
5. Необходимо больше производить и включать в рационы вторичные кормовые
ресурсы: сухой жом, патоку, мелассу, животный и растительный жир, рапс, мясокостную муку и др. Снизить содержание зерновых в рецептах с 90 до 40-50%.
6. Обеспечить комбикормовые заводы и цеха оборудованием отечественного производства. В настоящее время более 80% техники закупается за рубежом, ее использование и ремонт обходятся очень дорого.
7. Осуществить в стране своевременную реализацию инновационных технологий и техники как составную часть развития сельскохозяйственного производства за счет достижения научно-технического прогресса в отрасли. Для этого обеспечить систематическую реализацию научных разработок, изготовление и испытание опытных образцов.
8. Обеспечить перевод производства комбикормов на современные технологии с использованием высокотемпературной обработки в котлах высокого давления (12-21 МПа и 300-3740С), что позволит резко ускорить процесс термообработки и снизить удельный расход энергии и капиталовложений.
СВЧ-обработка комбикормов. Обеспечение безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов - важнейшее приоритетное направление государственной политики в области здорового питания населения России. Реализация этого направления подкреплена законодательной, нормативной и методической базой.
Организован мониторинг состояния питания, качества и безопасности пищевых продуктов. Госсанэпидслужбой ежегодно проводится более полутора миллионов исследований по санитарно-химическим и более двух миллионов - по санитарно-микро-биологическим показателям.
При анализе наличия различных конта-минантов химической и микробиологической природы установлено, что наиболее часто эти показатели в зерне и продуктах его переработки не соответствуют требованиям. Доля пищевой продукции, не соответствующей гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям, находится на уровне 7-8% [9].
Заражение зерновых компонентов патогенными организмами в той или иной мере происходит ежегодно, и хотя уровень инфи-цированности корректируется рядом почвен-но-климатических и антропогенных факторов, недобор урожая в среднем составляет 15-20%, а в отдельных случаях - до 50% при одновременном ухудшении технологических и хлебопекарных качеств зерна.
В результате среднегодовой показатель потерь зерна только от болезней составляет около 20 млн т (от 10 до 30 в зависимости от условий года). Это около 70% общего недобора урожая, вызванного всем комплексом вредных объектов, включая вредителей и сорные растения. Удельный расход комбикормов возрастает в 1,2-1,5 раза.
Главным фактором, обеспечивающим возникновение эпифитотий болезни, является высокий потенциальный запас почвенной инфекции возбудителя. Количество полей с высокой инфицированностью в настоящее время составляет 60-70%.
Метод ВЧ- и СВЧ-полей объединяет воздействие двух полей - электромагнитного и теплового, показывает высокую эффективность как в повышении посевных качеств семян, так и в оздоровлении их от комплекса патогенных микроорганизмов грибной, бактериальной и вирусной этиологии.
Многочисленными опытами в лабораторных и полевых условиях было установлено, что факторы СВЧ-обработки семян вызывают комплекс эффектов, начиная от оздоровления, улучшения их посевных показателей, до повышения урожайности, качества получаемой продукции животноводства [10].
На современном этапе научно-технического развития в пищевой и перерабатывающей промышленности, когда происходит смена технологий, обработка сырья энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) может стать эффективной [11].
СВЧ-нагрев следует отнести к новому виду энергосберегающей электротехнологии благодаря следующим преимуществам по сравнению с обычным температурным нагревом:
• тепловая безынерционность, т. е. возможность практически мгновенного включения-выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал;
• высокий КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую (90%);
• возможность осуществления избирательного, равномерного, быстрого нагрева;
• экологическая чистота нагрева, поскольку при его использовании отсутствуют какие -либо продукты сгорания;
• высокое бактерицидное действие.
Для СВЧ-метода характерен избирательный нагрев, заключающийся в способности нагревать быстрее более влажные компоненты. Длина волны электромагнитного излучения (ЭМИ), вырабатываемого сверхвысокочастотным МАГНЕТРОНОМ (диодом) - основа любой микроволновой печи, подобрана таким образом, что ЭМИ воздействует только на молекулы воды в любом продукте.
ЭМИ магнетронов, проникая внутрь продукта, заставляет молекулы воды колебаться с большой скоростью. Следовательно, возрастает сила трения между молекулами и, соответственно, повышается температура, что и приводит к процессу испарения.
Таким образом, процесс испарения начинается равномерно по всему объему и при температуре кипения воды, т.е. достаточно низкой для сохранения всех первоначальных свойств продукта. Именно в этом заключено коренное отличие СВЧ-сушки от остальных [12]. На рис. 6 представлена кинетика нагрева соевых бобов с влажностью 14-15% при постоянном облучении и осциллирующим переменным тепловым потоком. При нагреве зернового сырья инфракрасным излучением с постоянной плотностью теплового потока разность температур на поверхности и внутри зерна соевых бобов диаметром 6-8 мм при влажности 14-15% составляет 600С при нагреве поверхности до температуры 1800С. Более высокие температуры нагрева вызывают обгорание поверхности (рис. 6).
Соя, обработанная таким образом, как и другое зерновое сырье, имеет в своем составе всю гамму биохимических и химических изменений, происходящих при тепловой об-
работке, от крайне нежелательных свойственных жесткой обработке на поверхности до недостаточной для получения положительного эффекта внутри зерна.
200 193 160 140 120 100 90 00 4Э 20 0 I 1 _
Л
Г
1 ©
1
1 ...
✓
О
А
/
А
30 40 50 ВО
6} с сдилнир уший
3} постояяшй поток
1-на по&ерткасти зерна;
2-внутри зерна.
Рис. 6. Кинетика нагрева сои ИК-излучением
Выводы по применению СВЧ.
1. На современном этапе происходит перевод технологий на энергию электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ). СВЧ широко используется в радиосвязи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, физике, астрономии, в области науки и техники для переработки хранения продуктов питания и комбикормов.
2. Главным фактором возникновения болезней зерна является высокий потенциальный запас почвенной инфекции возбудителя. Количество полей с высокой инфицирован-ностью достигает в настоящее время 70%. Среднегодовой показатель потерь зерна, в зависимости от условий года, только от болезней составляет от 10 до 30 млн т. Это около 70% общего недобора урожая, вызванного всем комплексом вредных объектов, включая вредителей и сорные растения. При этом удельный расход комбикормов, приготовленных из такого зерна, возрастает в 1,2-1,5 раза.
3. Обработка комбикормов и отдельных ингредиентов электромагнитным полем сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) вызвана необходимостью перевода крахмала в усвояемые декстрины и полисахариды; нейтрализации антипитательных веществ ингибиторов в сое и эруковой кислоты в рапсе; обеззараживания токсичных для людей и животных бактерий, грибков и микробов в зерновых компонентах комбикормов; тепловой
обработки рыбной, мясокостной муки, мелассы и жиров. Применение СВЧ-обработки позволяет упростить технологию производства комбикормов, значительно снизить удельную энерго- и материалоемкость.
4. СВЧ-нагрев относится к новому виду энергосберегающей электротехнологии благодаря следующим преимуществам:
• тепловая безынерционность, т. е. возможность мгновенного включения теплового воздействия на обрабатываемый материал;
• высокий КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую (90%);
• возможность избирательного, равномерного, быстрого нагрева;
• экологическая чистота нагрева, т. к. при этом не образуется каких-либо продуктов сгорания;
• высокое бактерицидное действие;
• наиболее полное сохранение питательных веществ продуктов питания и комбикормов;
• существенное сокращение времени технологических процессов.
Для СВЧ-метода характерен избирательный нагрев, заключающийся в способности нагревать более влажные компоненты.
5. Коренное отличие воздействия СВЧ на пищевые продукты заключается в том, что длина волны, вырабатываемой магнетроном, подобрана такой, что воздействует только на молекулы воды в любом продукте; проникая внутрь продукта, она заставляет колебаться молекулы воды с большой скоростью, возрастает сила трения между молекулами и повышается температура, что приводит к процессу испарения воды.
Перспективные исследования. Оптимальный уровень интеллектуальной системы управления крупным производством следует рассчитать. Для этого, по нашему мнению, целесообразно воспользоваться методикой исследований уровня надежности сложных систем (рис. 7), которой пользуются при реализации высоких технологий: в самолетостроении, кораблестроении, машиностроении. В процессе расчета постоянно высвечивается себестоимость единицы продукции и рентабельность производства [13].
Рис. 7. Уровни исследования надежности
Методика преследует решение следующих аспектов:
Социальные - обеспечить постоянную занятость сельского населения и стабильное экономическое развитие села; исключить постоянные рабочие места во вредной зоне; производить экологически чистую продукцию.
Политические - гарантированное обеспечение нас продуктами животноводства и птицеводства - продовольственная независимость страны; производство.
Технические - обеспечить отрасли технологические и технические показатели не ниже мировых стандартов.
Экологические - полная утилизация субпродуктов и отходов производства; исключить попадание вредных бактериологических, химических, механических и др. вредных элементов в почву, водоемы и воздух.
Экономические - производить конкурентоспособную товарную продукцию, обеспечить удельные затраты, например, труда - не более 2,8 чел-ч/ц свинины, кормов - 3,5 ц к. ед./ц, электроэнергии 150 кВт-ч/ц.
Выводы.
1. Интеллектуальные системы управления технологическими процессами в хозяйствах выполняются на базе мировых достижений науки и техники и реализуются в со-
ответствии с социальными, политическими, техническими, экологическими и экономическими требованиями (аспектами) страны, региона и предприятия.
2. Главная роль ученых - изыскать новые простые технологические и технические решения, обеспечивающие заданное качество комбикормов и высокий экономический результат.
3. В нашей стране и за рубежом разработана электронная техника, приборы, датчики уровня, температуры, давления, силы тока и т. д., с помощью которых можно осуществлять системы управления любого уровня сложности.
Литература:
1. Мысик А.Т Производство продукции животноводства в мире и отдельных странах // Зоотехния. 2011. №1. С. 2-6.
2. Анализ мирового рынка комбикормов // Комбикорма. 2011. №8. С. 26-27.
3. Рекомендации по заготовке и использованию высоковлажного фуражного зерна. М: Россельхозакадемия, 2006.
4. Пат. 2480132 РФ. Линия тепловой обработки комбикормов / Сыроватка [и др.]. Заяв. 10.11.11; Опубл. 27.04.13.
5. Кириллин ВА., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 2008. 496 с.
6. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972. 670 с.
7. http://m.wikipedia/.org/w/index.php).
8. Термодинамические свойства воды и водяного пара: справочник / С.Л. Ривкин, А.А. Александров. М.: Энергоатомиз-дат, 1984. 80 с.
9. Цугленок Н.В. Методы и математические модели процесса обеззараживания продовольственного зерна. Красноярск, 2004.
10. Микроволновая технология // URL:http://www.aqroru.com (дата обращения: 11.09.12)
11. Общая характеристика электромагнитных полей // URL: http://qrachev.distudy.ru (дата обращения: 27.07.12)
12. Краткие теоретические базовые понятия микроволновой сушки // URL:http://www.ru-anack.ru
13. Надежность и эффективность в технике. М, 1986. 223 с.
Problems of heat treatment of feed V.I. Syrovatka
Gives a summary of the results of completed works during the last five years, sets out the (brief) future problems of heat treatment of mixed fodders. Keywords: thermal processing, enthalpy, entropy, electromagnetic field of super-high frequency (EMF microwave), the intelligent system management.
