CC BY
5
Information about the authors
Roman A. Shushkov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Technical Systems in Agribusiness Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Vologda State Dairy Farming Academy by N.V. Vereshchagin", spin-code: 8565-3800. Viktor A. Smelik - Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Technical Systems in Agribusiness, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "St. Petersburg State Agrarian University", spin-code: 2462-1130.
Alexander N. Perekopsky - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, leading researcher of the Department "Technologies and Technical Means of Grain and Feed Production" of the Research Institute of Agroengineering and Environmental Problems of Agricultural Production (IAEP) - branch of the Federal state budgetary scientific institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM", spin-code: 5656-1108.
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. All authors of this study were directly involved in the planning, execution and analysis of this study. All authors of this article have read and approved the submitted final version. Conflict of interest. The authors state that there is no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 14.04.2023; одобрена после рецензирования 13.06.2023; принята к публикации 16.06.2023.
The article was submitted 14.04.2023; approved after reviewing 13.06.2023; accepted after publication 16.06.2023.
Научная статья УДК 663.915
doi: 10.24412/2078-1318-2023-2-144-153
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА КОРМА ДЛЯ АКВАКУЛЬТУРЫ В АППАРАТАХ С МАГНИТООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ ФЕРРОТЕЛ
Владимир Сергеевич Волков1, Медведев Геннадий Валериевич2
1Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Петербургское шоссе, д. 2, Пушкин, Санкт-Петербург, 196601, Россия; vol9795@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-3151-814X 2Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Петербургское шоссе, д. 2, Пушкин, Санкт-Петербург, 196601, Россия; genatswaly@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-3685-7332
Реферат. Кормовые продукты для аквакультуры являются самыми сложными по составу и технологии производства. Аппаратурно-технологические схемы для их изготовления представляют собой цепь энергонапряженного оборудования, предназначенного для многостадийного воздействия на компоненты корма с целью обеспечения необходимого технологического результата. Рост производства аквакультуры в мире и в нашей стране, соответственно, требует наращивания производственных мощностей для обеспечения рыбопромысловой отрасли качественными кормовыми продуктами. В настоящее время наблюдается существенная зависимость кормопроизводителей от поставок дорогостоящего
импортного сырья. Стартовые корма являются необходимым гарантом наращивания производственных объемов аквакультуры. При этом к ним предъявляются строгие требования по гранулометрическому составу кормовых компонентов. Передовые производители заявляют об оптимальном размере гранул стартового корма, соответствующего 0,35 мм. Это подразумевает изыскание значительных энергетических затрат на многостадийное измельчение. Доля этих затрат составляет около 40% от общих вложений на производство. Аппараты с магнитоожиженным слоем ферротел являются инновационной разработкой ведущей научной школы Санкт-Петербурга «Эффективное использование энергии, интенсификация электротехнологических процессов» и предназначены для интенсификации аппаратурно-технологических схем агропромышленного комплекса. За счет возможности организации многофункционального воздействия на продукт в одном аппарате обеспечивается интенсификация аппаратурно-технологических схем, что выражается в значительном повышении энергоэффективности технологических линий агропромышленного комплекса. В статье представлены результаты исследования процесса переработки компонентов кормового продукта, рекомендованных отечественными исследователями как наиболее перспективных в качестве альтернативы импортному сырью в аппарате с магнитоожиженным слоем ферротел. Исследования направлены на обеспечение технологического суверенитета в рыбопромысловой отрасли с соблюдением первостепенных требований по ресурсо- и энергосбережению.
Ключевые слова: аппараты с магнитоожиженным слоем ферротел, корм для аквакультуры, продукты переработки крабов, технологический суверенитет, ресурсо- и энергосбережение
Цитирование. Волков В.С., Медведев Г.В. Интенсификация аппаратурно-технологической системы производства корма для аквакультуры в аппаратах с магнитоожиженным слоем ферротел // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2023. - № 2 (71). - С. 144-153. doi: 10.24412/2078-1318-2023-2-144-153
INTENSIFICATION OF THE APPARATUS-TECHNOLOGICAL SYSTEM FOR AQUACULTURE FEED PRODUCTION IN DEVICES WITH A MAGNETICALLY
LIQUEFIED FERROTEL LAYER
Vladimir Sergeevich Volkov1, Medvedev Gennadij Valerievich2
1Saint-Petersburg State Agrarian University», Peterburgskoye shosse, 2, Pushkin, Saint Petersburg,
196601, Russia; vol9795@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-3151-814X 2Saint-Petersburg State Agrarian University», Peterburgskoye shosse, 2, Pushkin, Saint Petersburg, 196601, Russia; genatswaly@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-3685-7332
Abstract. Feed products for aquaculture are the most complex in composition and production technology. Hardware-technological schemes for their manufacture represent a chain of energy-intensive equipment designed for multi-stage impact on feed components in order to provide the required technological result. The growth of aquaculture production in the world and in our country, respectively, requires an increase in production capacity to provide the fishing industry with high-
quality feed products. Currently, there is a significant dependence of feed producers on the supply of expensive imported raw materials. Starter feeds are a necessary guarantor of increasing the production volumes of aquaculture. At the same time, they are subj ect to strict requirements for the granulometric composition of feed components. Leading manufacturers claim the optimal starter feed pellet size is 0.35 mm. This implies finding significant energy costs for multi-stage grinding. The share of these costs is about 40% of the total investment in production. Apparatuses with a magnetically fluidized layer of ferromagnetic bodies are an innovative development of the leading scientific school of St. Petersburg "Efficient use of energy, intensification of electrotechnological processes" and are intended for the intensification of hardware and technological schemes of the agro-industrial complex. Due to the possibility of organizing a multifunctional impact on the product in one apparatus, the intensification of hardware and technological schemes is ensured, which is expressed in a significant increase in the energy efficiency of technological lines of the agro-industrial complex. The article presents the results of a study of the processing of feed product components recommended by domestic researchers as the most promising alternative to imported raw materials in an apparatus with a magnetically fluidized bed of ferromagnetic bodies. The research is aimed at ensuring technological sovereignty in the fishing industry in compliance with the primary requirements for resource and energy saving.
Keywords: devices with magnetically liquefied ferromagnetic bodies layer, aquaculture feed, crab processing products, technological sovereignty, resource and energy conservation
Citation. Volkov, Medvedev, G.V. (2023) "Intensification of the apparatus-technological system for aquaculture feed production in devices with a magnetically liquefied ferrotel layer", Izvestya of Saint-Petersburg State Agrarian University, vol. 71, no. 2, pp. 144-153 (In Russ.). doi: 10.24412/20781318-2023-2-144-153
Введение. Обеспечение технологического суверенитета в агропромышленном производстве является гарантом продовольственной безопасности. Аппаратурно-технологические системы производства пищевой промышленности все еще испытывают сложности, связанные с зависимостью от импортного оборудования и его комплектующих. В кормопроизводстве и особенно в схемах производства кормов для аквакультуры ощущается острая необходимость в инновационном отечественном, отвечающем современным требованиям по энерго- и ресурсосбережению оборудовании.
Имеется острая необходимость в разработке кормовых продуктов для разведения ценных пород аквакультуры, что подтверждается аналитическими данными по состоянию кормопроизводства в настоящее время, а также долгосрочными прогнозами развития рыбопромысловой отрасли.
При этом имеется значительный потенциал, основанный на разработках отечественных ведущих научных школ, способный изменить сложившуюся ситуацию. Исследователями подтверждается возможность замены дорогостоящих импортных кормовых компонентов более доступными ингредиентами местного происхождения. Однако в большинстве случаев переработка растительного и животного сырья в типовых технологических схемах предусматривает многостадийное воздействие, что повышает энергоемкость производства.
Более 40% энергетических ресурсов расходуется на процессы, связанные с измельчением компонентов, при этом использование традиционного измельчающего
оборудования не обеспечивает требований по гранулометрическим показателям, а его энергетическая эффективность не соответствует современным требованиям энергосбережения.
Инновационным направлением в области измельчения, смешения, механоактивации и классификации материалов, подлежащих переработке, является использование магнитоожиженного слоя ферротел, способствующего интенсификации аппаратурно технологических схем [1-5].
Цель исследования - выявление оптимальных параметров работы аппарата с магнитоожиженным слоем ферротел для максимальной «накачки энергией» материалов под действием механических сил.
Материалы, методы и объекты исследования. В соответствии со Стратегией развития агропромышленного и рыбохозяйственного комплексов Российской Федерации до 2030 г. [6] (рис. 1) объем производства товарной аквакультуры в России должен составить 618 тыс. тонн, что почти вдвое больше, чем произведено продукции в 2022 г.
Зависимость производителей аквакультуры от импорта кормов оценивается от слабой до полной, что соответствует полному отсутствию аналогов кормов отечественного производства [7]. И такая ситуация в настоящее время наблюдается в производстве корма для лососевых и осетровых видов рыб (табл. 1).
Анализ рынка и производителей (по данным аналитической компании FEEDLOT) кормовых компонентов показывает, что основная их доля (до 100%) производится в Китайской Народной Республике, а также в странах Запада - Франции, Германии, Испании, Финляндии, Бельгии и Австрии.
Источник: Стратегия развития агропромышленного и рыбохозяйственного комплексов РФ —-Г"
до 2030 года ' - ^ * —"
2020 328,6
2021 356,6
2022 H 366
2023 (цель) 383
2024 (цель) Щ ^^■400
2025 (цель) 420
2030 (цель) 1 1 618
Рисунок 1. Динамика производства товарной аквакультуры в России, тыс. тонн Figure 1. Dynamics of commercial aquaculture production in Russia, thousand tons
Таблица 1. Зависимость отечественных производителей аквакультуры от импортных кормов Table 1. Dependence of domestic aquaculture producers on imported feed
Семейство Вид Производство (т) Зависимость от импортных кормов
Лососевые Атлантический лосось 22500 полная
Радужная форель 24173 сильная
Тихоокеанские лососи ~ 200 сильная
Осетровые 3450 средняя
Сиговые 2746 слабая
Карповые Карп 55905 очень слабая
Белый амур 17245 отсутствует
Белый толстолобик 20265 отсутствует
Кормовые продукты для аквакультуры представляют собой многокомпонентные смеси, в результате специальной обработки которых готовый продукт приобретает необходимые свойства. К основным из них относятся: питательная ценность, отсутствие крошимости и водостойкость. При этом они являются самыми концентрированными по составу и самыми сложными по технологии изготовления (табл. 2).
Таблица 2. Питательная ценность корма для аквакультуры Table 2. Nutritional value of feed for aquaculture
Питательные вещества Содержание, %
Протеин 37
Жир 35
Безазотистые экстрактивные вещества 16
Клетчатка 1,8
Зола 5,6
Вода 4,6
Наиболее важным питательным веществом является белок. Его содержание в корме должно быть близким к 40%, что предопределяет необходимость включения в кормовые смеси высокобелковых компонентов. При этом белоксодержащие компоненты растительного или животного происхождения являются самыми дорогостоящими.
Наиболее требовательны к качеству кормовой базы мальки, корм которых должен соответствовать требованиям по крупности вводимых в рацион кормовых продуктов.
В соответствии с рекомендациями одного из ведущих производителей корма для рыб, размер крупки, удовлетворяющий требованиям при производстве «исключительных гранул» для первого прикорма, должен составлять 0,35 мм [8].
Такой размер крупки сокращает количество пыли и затраты корма в сравнении с гранулируемыми кормами. Питательные вещества при этом усваиваются более эффективно, а водная среда остается достаточно чистой для обитания и развития молоди.
На рис. 2 представлена технологическая схема производства высокопитательного корма для молоди рыб.
Рисунок 2. Технологическая линия производства высокоусвояемых комбикормов для ранней молоди рыб [Патент РФ № 2764804; Патент РФ № 2338389] Figure 2. Technological line for the production of highly digestible feed for early juvenile fish [RF Patent No. 2764804; RF patent No. 2338389]
Мерой, повышающей питательную ценность корма, является замена части дорогостоящей рыбной муки на более выгодную по стоимости муку краба. Стартовый корм с включением крабовой муки и крабового жира обладает не только повышенными питательными свойствами, но и аттрактивным действием, что способствует лучшему поеданию кормового продукта.
Наиболее важным этапом при производстве кормовых продуктов для молоди рыб является производство компонентов с заданными размерными параметрами. Если учесть, что гранулы корма должны быть не более 0,35 мм, то размер входящих в них компонентов должен быть в пределах 70 мкм. Ровный гранулометрический состав компонентов в заданном диапазоне дисперсности является гарантом качества производимого корма. При этом традиционное измельчающее оборудование не позволяет получить продукт с заданными
свойствами за одну стадию обработки, что предъявляет требования организации многостадийного измельчения и классификации.
Использование аппаратов с магнитоожиженным слоем ферротел (размольных и перемешивающих органов) (рис. 4) позволяет обеспечить высоконапряженное многоточечное воздействие на продукт и способствует «накачке энергией» частиц перерабатываемого материала при одновременном снижении энергоемкости готовой продукции.
к
Рисунок 3. Электромагнитный механоактиватор [Патент РФ № 2031592]: 1 - корпус;
2 - насос; 3 - трубопровод; 4 - резервуар для смеси компонентов; 5 насос; 12,13 - электромагниты; 14 - система автоматического регулирования частоты вращения ротора; 18— система автоматического управления электромагнитов; 20 - обмотка; 22 -размольные ферромагнитные элементы; 24 - ротор; 25 - зубчатая поверхность Figure 3. Electromagnetic mechanical activator [RF Patent No. 2031592]: 1 - housing; 2 - pump;
3 - pipeline; 4 - tank for a mixture of components; 5 pump; 12, 13 - electromagnets; 14 - automatic control system of the rotor speed; 18—automatic control system for electromagnets; 20 - winding;
22 - grinding ferromagnetic elements; 24 - rotor; 25 - jagged surface
Интенсификация процесса производства кормовых продуктов в представленном аппарате обеспечивается за счет сокращения стадий обработки, а также возможностью «накачки энергией» поверхностных слоев частиц. Это приводит к сокращению энергетических затрат в последующих технологических процессах [9]. В устройстве обеспечивается удаление магнитных примесей за счет наличия магнитной системы. Тонкое и надежное управление силовыми, магнитными и энергетическими видами взаимодействий в ЭММА осуществляется по двум взаимосвязанным направлениям: путем изменения частоты вращения ротора и регулирования величины индукции магнитного поля. Это обеспечивает выход продуктов помола с заданными технологией размерными параметрами и исключает необходимость дополнительной их классификации [10].
Для определения дисперсности компонентов, обработанных в ЭММА применялся фотоседиментационный метод, основанный на законе Бугера-Ламберта-Бэра:
Л
e
-X ■C ■l
(1)
где Io - интенсивность света, который проходит через пласты суспензии;
IX - интенсивность света, который проходит через пласты чистой дисперсионной среды; х - коэффициент ослабления; с - концентрация суспензии; l - толщина пласта суспензии.
Для исследований был применен седиментограф SKC-2000 S.
Результаты исследования процесса обработки частиц панциря краба с требуемой технологией дисперсностью от 30 до 70 мкм выборочно представлены на рис. 4. При этом обработка осуществлялась при значениях индукции 0,2 и 0,25 Тл.
Рисунок 4. Функция распределения частиц панциря краба (10 - 5 мм) в электромагнитном механоактиваторе с режимами: 1 - величина индукции B = 0.2 Тл, частота вращения ротора n = 21 об/с, коэффициент объемного заполнения размольными органами Кро = 0,4; 2 - B = 0,25 Тл, частота вращения ротора n = 21 об/с, коэффициент объемного заполнения размольными
органами Кро = 0,4
Figure 4. Distribution function of crab shell particles (10 - 5 mm) in an electromagnetic mechanical activator with modes: 1 - induction value B = 0.2 T, rotor speed n = 21 rpm, volumetric filling factor of grinding bodies Kro = 0.4; 2 - B = 0.25 T, rotor speed n = 21 r/s, volumetric filling factor of grinding
tools Kro = 0.4
Выявлено, что обработка панциря краба при значении электромагнитной индукции в рабочем объеме устройства 0,25 Тл позволяет получить продукт с ровным гранулометрическим составом: размер частиц от 30 до 70 мкм составляет 75%.
Заключение. Представленные результаты исследования подтверждают перспективность использования аппаратов с магнитоожиженным слоем ферротел в технологических линиях производства кормовой продукции для аквакультуры. При этом возможность осуществления регулируемого по обрабатываемому материалу диспергирующего воздействия позволяет получать продукт с оптимальными параметрами
дисперсности, пригодным к использованию в самых требовательных стартовых кормах. Совокупность мер по замене импортных дорогостоящих компонентов кормовых добавок на альтернативное высокопитательное сырье отечественного производства, а также включение в аппаратурно - технологические схемы инновационных аппаратов - механоактиваторов с магнитоожиженным слоем ферротел способствуют достижению технологического суверенитета в рыбопромысловой отрасли. Интенсификация процесса переработки кормовых материалов в электромагнитных механоактиваторах обеспечивается за счет сокращения стадий воздействия на обрабатываемый продукт, так как в одном аппарате осуществляются процессы измельчения, перемешивания, механоактивации и классификации. В связи с этим, энергоемкость аппаратурно - технологических линии по производству корма для аквакультуры сокращается до 3,7 раз.
Список источников литературы
1. Беззубцева, М.М. Моделирование процесса измельчения материала в магнитоожиженном слое электромагнитных механоактиваторов // достижения вузовской науки. - Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение», 2018. - С. 22-24.
2. Пуговкин, П.Р. Модель образования сцепляющего усилия в ЭПМ / П.Р. Пуговкин, М. М. Беззубцева // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 1987. - № 10. -С. 91-95.
3. Беззубцева, М.М. Анализ классификации мельниц по способу формирования диспергирующего усилия // Международный журнал экспериментального образования. - 2016. - №12-2. - С. 185.
4. Bezzubtseva, M.M. Methodology the determination of the minimum energy fracture of materials // World science: problems and innovations. 2018. - pp. 156-158.
5. Bezzubtseva, M.M. The probability of crushing particles of material in magnetic liquefied layer of electromagnetic mechanoactivation // European Scientific Conference. 2018. - pp. 22-24.
6. Распоряжение Правительства Российской Федерации Об утверждении Стратегии развития агропромышленного и рыбохозяйственного комплексов Российской Федерации на период до 2030 года от 8 сентября 2022 г. № 2567-р.
7. Аналитический обзор рынка кормовых добавок // FEEDLOT Новости и аналитика рынка кормов URL: https://feedlot.ru/ (дата обращения: 10.04.2023).
8. Исключительные гранулы для первого кормления // BioMar URL: https://www.biomar.com/en/russia/articles/news/exceptional-pellets-for-first-feeding/ (дата обращения: 12.04.2023)
9. Bezzubceva, M.M., Kotov, A.V. Assessment of the magnetic fields structure in the working space of electromagnetic mechanical activators of cylindrical design // International Journal of Applied and Fundamental Research. - 2015. - №1. - С. 32.
10. Беззубцева, М.М., Волков, В.С. Инновационные разработки научной школы «Эффективное использование энергии, интенсификация электротехнологических процессов»: монография. -СПб.: СПбГАУ, 2022. - 317 с.
References
1. Bezzubtseva, M.M. (2018) Modeling the process of grinding material in a magnetically fluidized bed of electromagnetic mechanical activators, Achievements of high school science, 22-24 (In Russ.)
2. Pugovkin, P.R., Bezzubtseva, M.M. (1987), Model of bond force formation in EPC, Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Elektromekhanika, no 10, pp. 91-95. (In Russ.).
3. Bezzubtseva, M.M. (2016) Analysis of the classification of mills according to the method of forming the dispersing force, Mezhdunarodnyj zhurnal eksperimental'nogo obrazovaniya, no 12 - 2, 185 (In Russ).
4. Bezzubtseva, M.M. (2018) Methodology the determination of the minimum energy fracture of materials, World science: Problems and innovations, 156-158.
5. Bezzubtseva, M.M. (2018) The probability of crushing particles of material in magnetic liquefied layer of electromagnetic mechanoactivation, European Scientific Conference, 22-24.
6. Decree of the Government of the Russian Federation "On approval of the Strategy for the development of the agro-industrial and fishery complexes of the Russian Federation for the period up to 2030" dated September 8, (2022), no. 2567-r.
7. Analytical review of the feed additive market // FEEDLOT Feed market news and analytics URL: https://feedlot.ru/ (Accessed: 04/10/2023).
8. Exceptional pellets for the first feeding // BioMar URL: https://www.biomar.com/en/russia/articles/news/exceptional-pellets-for-first-feeding/ (Accessed: 04/12/2023).
9. Bezzubceva, M.M., Kotov, A.V. (2015) Assessment of the magnetic fields structure in the working space of electromagnetic mechanical activators of cylindrical design, International Journal of Applied and Fundamental Research, no 1, 32.
10. Bezzubtseva, M.M., Volkov, V.S. (2022), Innovacionny'e razrabotki nauchnoj shkoly' «Effektivnoe ispoFzovanie e 'nergii, intensifikaciya e lektrotexnologicheskix processov» [Innovative developments of the scientific school "Efficient use of energy, intensification of electrotechnological processes"], monograph, St. Petersburg, SPbGAU, 317 p. (In Russ.).
Сведения об авторах
Волков Владимир Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры энергообеспечения предприятий и электротехнологии, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», spin-код: 2725-8803, Scopus author ID: 57224405947.
Медведев Геннадий Валериевич - доктор технических наук, профессор кафедры энергообеспечения предприятий и электротехнологии, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», spin-код: 3335-0521, Scopus author ID: 790907
Information about the authors
Vladimir S. Volkov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Energy Supply of Enterprises and Electrotechnology, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "St. Petersburg State Agrarian University", spin-code: 2725-8803, Scopus author ID: 57224405947. Gennadij V. Medvedev Doctor of Technical Sciences, professor, Head of the Department of Energy Supply of Enterprises and Electrical Technology, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "St. Petersburg State Agrarian University", spin-code: 3335-0521, Scopus author ID: 790907.
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 27.04.2023; одобрена после рецензирования 24.05.2023; принята к публикации 16.06.2023.
The article was submitted 27.04.2023; approved after reviewing 24.05.2023; accepted after publication 16.06.2023.
