CC BY
10УДК 631.363.258/638.178
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСИОННЫХ СВОЙСТВ ПЕРГИ РАЗЛИЧНОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
БЫШОВ Дмитрий Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка»
КАШИРИН Дмитрий Евгеньевич, д-р техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение», adm76@mail.ru
ПАВЛОВ Виктор Вячеславович, аспирант кафедры «Электроснабжение», vikp76@mail.ru
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева
Цель настоящего исследования заключалась в изучении влияния ряда управляемых факторов на процесс расслоения перги в воде для обоснования параметров технологии влажной очистки воскового сырья от загрязнений. Для достижения поставленной цели необходимо количественно оценить способность перги к расслоению в воде при ее замачивании и влияние на степень диспергирования следующих факторов: времени контакта продукта с водой, температуры воды, первоначальной относительной влажности перги и ее гранулометрического состава. В работе описана методика и результаты исследования способности перги, как основного загрязняющего компонента воскового сырья, к растворению и образованию грубодисперсных взвесей в воде. Установлена адекватная эмпирическая зависимость влияния времени замачивания в воде, температуры воды, относительной влажности перги и ее гранулометрического состава на степень растворения, выраженную процентом не растворившегося осадка. Произведена оптимизация полученной модели, определены значения факторов, при которых целесообразно осуществлять влажную очистку измельченного воскового сырья. При оптимальных значениях всех факторов количество не диспергированного осадка составляет не менее 1,5% от первоначальной массы загрязнений в пересчете на сухое вещество. Установлена целесообразность очистки измельченного воскового сырья, получаемого при производстве перги с применением известных механизированных технологий, при этом начальная относительная влажность загрязняющих компонентов, подлежащих диспергированию, должна составлять 11-14%. Полученная математическая модель позволяет определить процент не растворившихся частиц загрязнений, оставшихся в осадке, при желаемых значениях времени замачивания и температуры воды.
Ключевые слова: воск, восковое сырье, пыльца, перга, растворение, очистка.
перги, как о таковой, было бы не совсем точно. Известно, что помещенная в воду гранула перги сначала некоторое время размокает, насыщается влагой, затем размягчается, постепенно превращаясь в бесформенную массу. Растворимые компоненты перги (мед, ферменты и пр.) переходят в водяной раствор, окрашивая его в прозрачный желтый или светло-коричневый цвет, а нерастворимые твердые частицы (пыльца) образуют в воде дисперсную фазу (взвесь или осадок). Связанные с гранулами перги частицы воска и органических оболочек высвобождаются и всплывают на поверхность (рис.1). Таким образом, по отношению к воде перга представляет собой легко расслаивающуюся суспензию. Анализ известных исследований физико-механических свойств перги позволяет утверждать, что с наибольшей вероятностью на скорость и степень диспергирования могут оказывать влияние такие факторы, как первоначальная влажность перги, ее гранулометрический состав, температура воды, а также продолжительность контакта продукта с водой [8, 9]. Влияние этих управляемых факторов на исследуемый процесс
Введение
Традиционно для получения воска в условиях пасеки пчеловоды перетапливают в паровых или солнечных воскотопках выбракованные пчелиные соты, которые, как правило, сильно загрязнены испорченной пергой [1]. Перга существенно загрязняет получаемый воск, при этом снижает его сортность, а также впитывает большое количество воска, увеличивая выход отходов - мервы и вытопок. Очистка воскового сырья от перги позволяет увеличить выход товарного воска [2,3]. Известно, что количество воска в одной корпусной соторам-ке варьирует в диапазоне от 0,16 до 0,48 кг, а количество содержащейся в соте перги может составлять от 0,1 до 0,86 кг [4 - 7].
По своей структуре перга представляет собой утрамбованные в ячейки сота и ферментированные пчелами пыльцевые обножки. Таким образом, элементарным твердым структурным компонентом перги является пыльца, или пыльцевое зерно. Поскольку зерна пыльцы представляют собой покрытые спорополлениновой оболочкой, т. н. экзиной, растительные образования, устойчивые не только к растворению в воде, но и в агрессивных средах, то говорить о полной растворимости
и подлежало более детальному изучению. © Бышов Д.Н.,Каширин Д. Е., Павлов В.В., 2017г.
а - помещенные в воду гранулы перги;
в - замачивание на Рис. 1 - Замачивание перги в Объекты и методы исследования Диапазон варьирования факторами определяли исходя из технологических особенностей, связанных с механизированным производством перги и получением воскового сырья в виде измельченного воско-пергового вороха. Так, относительная влажность перги варьировала от 11-12% (нижний уровень), при которой возможно измельчение перговых сотов на штифтовых измельчителях, до 27-29% (верхний уровень), т.е. максимальной влажности, которую продукт способен достичь, находясь на атмосферном воздухе. Максимальное значение температуры составляло 42 °С, при котором воск начинает приобретать пластические свойства, а, следовательно, увеличивается адгезия восковых частиц с частицами загрязнений. Размер восковых частиц в восковом ворохе изменяется от 0,3 до 150 мм2 [10], следовательно, при
б - замачивание на протяжении 12 часов; протяжении 30 часов воде при температуре 19-22 °С просеивании вороха через сито с размером отверстий 0,5^0,5 мм весь воск остается на сите. Поэтому необходимо диспергировать загрязнения с размером частиц > 0,5 мм. По результатам предварительно проведенных экспериментов было определено максимальное время замачивания перги, составляющее 26 часов. Критерием оптимизации являлась степень диспергирования загрязнений в воде, определяемая количеством оставшихся на сите частиц с диаметром отверстий 0,5 мм частиц.
Для проведения исследования был выбран симметричный рототабельный трехуровневый план Бокса-Бенкина для 4-х факторов, предусматривающий проведение 27 опытов с рандомизацией последовательности их выполнения. Повтор-ность опытов в каждой точке плана равна 3.
В таблице представлены факторы и значения уровней варьирования факторами.
Таблица - Факторы и уровни их варьирования в натуральных значениях
Фактор Обозначение Ед. изм. Уровни варьирования Интервал варьирования
нижний нулевой верхний
1 Время контакта продукта с водой t час 2 14 26 12
2 Температура воды т °С 8 25 42 17
3 Начальная относит. влажность продукта W % 12 20 28 8
4 Гранулометрический состав продукта d мм 1,75 3,75 5,75 2
Экспериментальный материал приготавливали следующим образом. Перга, извлеченная из выбракованных пчелиных сотов, привезенных из различных районов Рязанской области, с применением механизированной технологии [11-13], подлежала измельчению на лабораторной мельнице и рассеиванию полученной массы на ситовом рассеве, сформированном из 3-х сит с диаметром отверстий 4,5; 3 и 0,5 мм. Таким образом, верхний уровень фактора «гранулометрический состав» представлен фракцией, состоящей из целых перговых гранул со средним размером 5,75 мм; нулевой и нижний уровни образуют фракции со средним размером частиц 3,75 и 1,75 мм соответственно.
Относительную влажность материала ^ % определяли по стандартной методике (ГОСТ 31776-2012).
Каждую фракцию разделяли на три части и доводили до требуемого уровня влажности путем контактного подсушивания или добавления необходимого количества воды в соответствии с известными методиками [14, 15].
Увлажненная перга выдерживалась в герметично закрытой емкости в течение двух недель.
Рассортированные по влажности и гранулометрическому составу пробы герметично запечатывали в полипропиленовые пакеты толщиной 35 мкм, маркировали и хранили в таком виде до начала проведения эксперимента (рис.2).
Рис. 2 - Герметично закрытая перга, сортированная по влажности и гранулометрическому составу (на упаковке обозначены точки плана опытов)
Опыты выполняли следующим образом. Непосредственно перед проведением опыта пробы распечатывали, из них на весах марки ВЛКТ-500М формировали навески весом 7±2 г. с точностью до 0,01 г., которые помещали в одинаковые по объему емкости с дистиллированной водой и выдерживали в них при требуемых значениях температуры воды и времени замачивания в соответствии с планом проведения опытов (рис.3-а). По истечении времени замачивания каждую емкость (закрытую крышкой) извлекали из термостата, 2-3 раза переворачивали, без интенсивного взбалтывания, после чего содержимое отфильтровывали через сито с размером отверстий 0,5*0,5 мм. Оставшиеся на решете не диспергированные частицы (рис.3-б) смывали холодной дистиллированной водой в отдельную емкость, из которой полученную смесь подвергали вакуумному фильтрованию через обеззоленные фильтры (ТУ 2642001-13927158-2003) диаметром 12,5 см (рис.3-в), предварительно пронумерованные, высушенные и взвешенные на весах марки ВЛКТ-500М. После фильтрования фильтры с частицами осадка помещали в лабораторный сушильный шкаф 2В-151 (ТУ 64-1-1411-72), где выдерживали при температуре 102-105 °С в течение 4-6 часов (рис.3-г), затем взвешивали повторно.
Процент не растворившихся загрязнений Р, % (критерий оптимизации), в пересчете на сухую массу, определяли по формуле:
Р = -
Мл „-Мл
м,
100
■100,
(1)
где МФ+О - масса фильтра с частицами осадка после высушивания, г.;
МФ - масса сухого фильтра, г.; WН - первоначальная относительная влажность навески, %;
МН - масса навески, г.
а - емкости с пробами в воде, помещенные в термостат; б - фильтрование не растворившегося осадка через сито; в - вакуумное фильтрование; г - сушка обеззоленных фильтров с осадком Рис. 3 - Этапы проведения эксперимента по определению влияния времени, температуры, влажности и гранулометрического состава на дисперсионные свойства перги Результаты и выводы Статистическую обработку экспериментальных данных и оптимизацию полученных результатов осуществляли в математическом пакете Mathcad 14.0. В результате статистической обработки получено уравнение регрессии (2), описывающее влияние четырех факторов на критерий оптимизации (в качестве приближающей функции выбран квадратичный полином): Р(г,Т,ТГ,<1) - 19.9 1 2,9В7 0.047■ Г■ <:1
-0,033 ■Г-£/-05088-Г-£/-0:0бЗ-Г2+0,677-£/2;
где Р - процент не растворившихся загрязнений (критерий оптимизации), %;
t - время выдерживания в воде, час.; Т - температура воды, °С; W - первоначальная относительная влажность навески, %;
d - средний гранулометрический состав частиц фракции, мм.
Произведена проверка параметров регрессии на статистическую значимость по критерию Стью-дента на уровне а = 0,1. Незначимыми оказались коэффициенты при факторах ^ Т, d, квадратичных эффектах ^ и Т2, а также взаимодействиях t•W и Т-М Произведена проверка полученной модели на адекватность по критерию Фишера на уровне значимости а = 0,01. Модель адекватна при отношении расчетного и критического значений критерия 2,198 < 2,318. Оптимизация полученной модели позволила определить значения факторов, при которых функция (2) достигает минимального значения:
ТЖ Л)— Р (26, 42, 12, 2.696) = 1.522%
На рисунках 4-6 представлены графические зависимости критерия оптимизации от двух факторов при значении остальных факторов, фиксированных на оптимальных уровнях.
Рис. 4 - Зависимость процента не растворившихся загрязнений от времени их замачивания и температуры воды при значениях начальной относительной влажности и гранулометрического состава,
фиксированных на оптимальных уровнях
Р(26, Т, 12, с/)-б,428 - 2,278-^-0,033 Г-<* + 0,677-^
Рис. 5 - Зависимость процента не растворившихся загрязнений от их гранулометрического состава и температуры воды при значениях начальной относительной влажности и времени замачивания,
фиксированных на оптимальных уровнях
Р(26,Т, Ш,2.696) = -18,274 - 0,089-Т + 2,113 ■ ГГ - 0,063 ■
Рис. 6 - Зависимость процента не растворившихся загрязнений от начальной относительной влажности продукта и температуры воды при значениях времени замачивания и гранулометрического состава перги, фиксированных на оптимальных уровнях
Поверхность, изображенная на рис.4, свидетельствует о закономерном повышении степени диспергирования, выраженного линейными эффектами, при увеличении температуры воды и времени контакта материала с водой: минимум не растворившихся частиц ожидаемо расположен на границе факторного пространства этих двух факторов. На графической зависимости, представленной на рис.5, наблюдается небольшое увеличение количества осадка при изменении фактора d, мм в сторону уменьшения от оптимального уровня d = 2,696 мм, что связано с повышенным содержанием нерастворимых компонентов (обрывков коконов, восковых частиц и пр.) в мелкой фракции. Иначе обстоит дело с влиянием начальной относительной влажности перги. Из графика (рис.6) следует, что оптимальному значению соответствует нижний уровень относительной влажности, при увеличении которой происходит нарастание количества не диспергированного осадка в растворе, и его максимум приходится на диапазон относительной влажности 20-23%, соответствующий на-тивной, т. е. в свежих сотах, перге, что объясняется более плотной ее консистенцией по сравнению с высушенной, рыхлой структурой. Дальнейшее увеличение начальной относительной влажности способствует переходу консистенции в вязкое, пластичное состояние, что приводит к увеличению скорости диспергирования в воде, критерий оптимизации закономерно уменьшается.
Выводы
1. Все факторы оказывают значимое влияние на исследуемый процесс, при этом факторы время замачивания ^ час. и температура воды Т, °С значимо влияют только во взаимодействии с фактором гранулометрический состав d, мм. При оптимальных значениях всех факторов количество не растворившегося осадка составляет не менее 1,5% от первоначальной массы загрязнений в пересчете на сухое вещество.
2. Целесообразно производить очистку в воде воскового сырья от загрязнений (перги), при относительной влажности последней 11-14 % и среднем размере частиц 2-2,5 мм, что соответствует ее состоянию в измельченной воскоперговой массе, полученной при производстве перги с применением механизированной технологии [11-13].
3. При увеличении времени замачивания и температуры воды количество не растворившегося осадка закономерно уменьшается. Вместе с тем, при разработке технологии и средств механизированной очистки воскового сырья от загрязнений необходимо стремиться к уменьшению времени контакта воскового сырья с водой для исключения развития патогенной микрофлоры, а также к уменьшению температуры для снижения адгезионных свойств воска и перги. Полученная эмпирическая зависимость позволяет определить процент не растворившихся частиц загрязнений, не прошедших через отверстия сита, при желаемых значениях времени замачивания и температуры воды при отсутствии внешних механических воздействий.
Список литературы
1. Каширин Д.Е. Энергосберегающие техноло-
-Э
гии извлечения перги из сотов специализированными средствами механизации: диссертация на соискание степени доктора технических наук / Д.Е. Каширин. - Саранск, 2013. - 497 с.
2. Бышов Н.В. Исследование процесса получения воска из воскового сырья различного качества / Н. В. Бышов, Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, И.А. Успенский, В.В. Павлов // Вестник КрасГАУ. - 2015.
- № 6. - С. 145-149.
3. Каширин Д.Е., Куприянов А.В. К вопросу очистки суши пчелиных сотов от загрязнений перед перетопкой // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 55-летию Института механики и энергетики (16-19 октября 2012). - Саранск, 2012. - С. 235-236.
4. Бышов Н.В. Исследование отделения перги от восковых частиц / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин // Техника в сельском хозяйстве. - 2013. - № 1. - С. 26-27.
5. Каширин Д. Е. Исследование массы и геометрических параметров перговых сотов // Вестник КрасГАУ. - 2010. - № 5. - С. 152-154.
6. Каширин Д.Е. К вопросу отделения перги из измельченной воскоперговой массы // Вестник КрасГАУ. - 2010. - № 1. - С. 138-139.
7. Каширин Д.Е. К вопросу очистки суши пчелиных сотов от загрязнений перед перетопкой / Д.Е.Каширин, А.В.Куприянов // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 55-летию Института механики и энергетики, 16-19 октября 2012. - Саранск, 2012. - С. 235-236.
8. Бышов Д.Н. Исследование адгезионных свойств перги, содержащейся в пчелиных сотах / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, А.В. Куприянов, В.В. Павлов // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2015. - № 7. - С. 174-178.
9. Бышов Н.В. Исследование гигроскопических свойств перги / Н.В. Бышов, Д.Е. Каширин, М.Н. Харитонова // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2013. - № 2.
- С. 122-124.
10. Каширин Д.Е. Исследование некоторых физических свойств воскового вороха / Д.Е. Каширин, Д.С. Кирьянов // Сборник научных работ студентов рязанского государственного агротехнологическо-го университета имени П.А. Костычева: материалы научно-практической конференции 2011 года.
- ФГБОУ ВПО "Рязанский государственный агро-технологический университет имени П.А. Костычева". - 2011.
11. Пат. № 2360407 РФ. МПК А01К 59/00. Способ извлечения перги из сотов / Д.Е. Каширин. -Заявл. 02.04.2008; опубл. 10.07.2009, бюл. № 19.
- 5 с.
12. Пат. № 2412590 РФ. МПК А01К 59/00. Установка для извлечения и очистки перги из сотов / Д.Е. Каширин. - Заявл. 07.12.2009; опубл. 27.02.2011, бюл. № 6. - 9 с.
13. Бышов Н.В. Вопросы теории механизированной технологии извлечения перги из перговых сотов. Монография / Н.В. Бышов, Д.Е. Каширин. -Рязань: РГАТУ, 2012. - 113 с.
14. Каширин Д.Е Технология и устройст во для, вдние режимов цИКЛИЧеской сушки перги в соте
измельчения перг°°ых ож^ диииертация на со- , БЫц^ д.Е. Каширин // Вестник К^нояр-искание ученой степени кандидата технических м ^ о^-ю м„
науК - Рязань 2001 ского государственного университета. - 2012. - №
15. Бышов Н.В. Экспериментальное исследо- 5. - С 283
STUDY DISPERSION PROPERTIES OF BEEBREAD VARIOUS GRAIN SIZES
Byshov Dmitrij N., candidate of technical sciences, Associate Professor,
Kashirin Dmitrij E., doctor of technical sciences, Associate Professor, kadm76@mail.ru
Pavlov Viktor V., graduate student, vikp76@mail.ru Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev
The purpose of this research consisted in studying of influence of a number of the managed factors on process of stratification of a beebread in water for reasons for parameters of technology of damp purification of wax raw materials of pollution. For accomplishment of an effective objective it is necessary to estimate quantitatively a beebread capability to stratification in water in case of its soaking and influence on extent of stratification of the following factors: time of contact of a product with water, water temperature, initial relative humidity of a beebread and its particle size distribution. The paper describes the methodology and results of the research capacity of beebread, as the primary pollutant component waxy feedstock in the dissolution and formation of coarse sediment in the water. Adequate empirical dependence of influence of time of soaking in water, water temperatures, relative humidity of a beebread and its particle size distribution on the extent of dissolution expressed by percent of not dissolved deposit is established. Optimization of the received model is made, values of factors in case of which it is reasonable to perform damp purification of the crushed wax raw materials are determined. In case of optimum values of all factors the quantity of not dispersed deposit makes at least 1,5% of an initial lot of pollution in terms of solid. Feasibility of purification of the crushed wax raw materials received in case of production of a beebread using the known mechanized technologies is established, at the same time initial relative humidity of the polluting components which are subject to stratification shall make 1114%. The received mathematical model allows to determine percent of not dissolved particles of the pollution which remained in draft in case of desirable values of time of soaking and water temperature.
Key words: wax, wax raw materials, pollen, beebread, dissolution, purification.
Literatura
1. Kashirin D.E. Jenergosberegajushchie tehnologii izvlechenija pergi iz sotov specializirovannymi sredstvamimehanizacii: dissertacija na soiskanie stepenidoktora tehnicheskih nauk/D.E. Kashirin. - Saransk, 2013. - 497 s.
2. Byshov N.V. Issledovanie processa poluchenija voska iz voskovogo syrja razlichnogo kachestva / N. V. Byshov, D.N. Byshov, D.E. Kashirin, I.A. Uspenskij, V.V. Pavlov// Vestnik KrasGAU. - 2015. - № 6. - S. 145-149.
3. Kashirin D.E., Kuprijanov A.V. K voprosu ochistki sushi pchelinyh sotov ot zagrjaznenij pered peretopkoj //Materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posvjashh. 55-letiju Instituta mehaniki ijenergetiki (16-19 oktjabrja 2012). - Saransk, 2012. - S. 235-236.
4. Byshov N.V. Issledovanie otdelenija pergi ot voskovyh chastic / N. V. Byshov, D. E. Kashirin // Tehnika v sel'skom hozjajstve. - 2013. - № 1. - S. 26-27.
5. Kashirin D. E. Issledovanie massy i geometricheskih parametrov pergovyh sotov// Vestnik KrasGAU. -2010. - № 5. - S. 152-154.
6. Kashirin D.E. K voprosu otdelenija pergi iz izmel'chennoj voskopergovoj massy //Vestnik KrasGAU. -2010. - № 1. - S. 138-139.
7. Kashirin D.E. K voprosu ochistki sushi pchelinyh sotov ot zagrjaznenij pered peretopkoj / D.E.Kashirin, A.V.Kuprijanov // Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvjashhennoj 55-letiju Instituta mehaniki i jenergetiki, 16-19 oktjabrja 2012. - Saransk, 2012. - S. 235-236.
8. Byshov D.N. Issledovanie adgezionnyh svojstv pergi, soderzhashhejsja v pchelinyh sotah / D.N. Byshov, D.E. Kashirin, A.V. Kuprijanov, V.V. Pavlov// Vestnik Krasnojarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2015. - № 7. - S. 174-178.
9. Byshov N.V. Issledovanie gigroskopicheskih svojstv pergi / N.V. Byshov, D.E. Kashirin, M.N. Haritonova // Vestnik Krasnojarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2013. - № 2. - S. 122-124.
10. Kashirin D.E. Issledovanie nekotoryh fizicheskih svojstv voskovogo voroha/D.E. Kashirin, D.S. Kirjanov // Sbornik nauchnyh rabot studentov rjazanskogo gosudarstvennogo agrotehnologicheskogo universiteta imeni P.A. Kostycheva: materialy nauchno-prakticheskoj konferencii 2011 goda. - FGBOU VPO "Rjazanskij gosudarstvennyj agrotehnologicheskij universitet imeni P.A. Kostycheva". - 2011.
11. Pat. № 2360407 RF. MPK A01K 59/00. Sposob izvlechenija pergi iz sotov /D.E. Kashirin. - Zajavl. 02.04.2008; opubl. 10.07.2009, bjul. № 19. - 5 s.
12. Pat. № 2412590 RF. MPK A01K 59/00. Ustanovka dlja izvlechenija i ochistki pergi iz sotov / D.E. Kashirin. - Zajavl. 07.12.2009; opubl. 27.02.2011, bjul. № 6. - 9 s.
13. Byshov N.V. Voprosy teorii mehanizirovannoj tehnologii izvlechenija pergi iz pergovyh sotov. Monografija /N.V. Byshov, D.E. Kashirin. - Rjazan': RGATU, 2012. - 113 s.
14. Kashirin D.E. Tehnologija i ustrojstvo dlja izmel'chenija pergovyh sotov: dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. - Rjazan', 2001.
15. Byshov N.V. Jeksperimental'noe issledovanie rezhimov ciklicheskoj sushki pergi v sote / N.V. Byshov, D.E. Kashirin // Vestnik Krasnojarskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2012. - № 5. - S. 283.
