CC BY
64
Комплексный сравнительный анализ различных способов гидротермической обработки зерна гречихи
М.М. Константинов, д.т.н., профессор, Оренбургский ГАУ; А.А. Румянцев, к.т.н., Костанайский ГУ
К настоящему времени сложился некоторый набор способов гидротермической обработки (ГТО) зерна гречихи, которые могут быть использованы в условиях малых крупопроизводств. Одни из них (обработка насыщенным паром под давлением) давно заняли ведущее место в крупопроизводящей отрасли, считаются традиционными и для них разработаны Правила организации и ведения технологического процесса на крупяных предприятиях. Другие (обжарка зерна с последующим его увлажнением и отволаживани-ем, обработка зерна ИК-лучами с последующим пропариванием и др.), имея достаточно полно разработанную теоретическую базу, а также аппаратурные решения, не могут по ряду причин найти широкого распространения на практике, несмотря на важные преимущества [1].
С другой стороны, длительное использование способа обработки зерна насыщенным паром под давлением в пропаривателях традиционного (силосного) типа, имеющего преимущество в производительности, выявило ряд существенных недостатков, среди которых следует отметить проблемы при его реализации в условиях крестьянских и фермерских хозяйств (привязанность к внешним источникам пара — котельной или парогенератору, возможная чрезмерная отдалённость от них, нестабильность давления, удорожание оборудования), значительная неравномерность окраски (пестрота) вырабатываемой крупы, затруднительность в выгрузке пропаривателя и др.
Решение некоторых из этих проблем, например улучшение качества вырабатываемой крупы, обусловило создание пропаривателя, придающего каждой зерновке подвижность, динамику, при этом во вращающемся барабане пропари-вателя образуется пересыпающаяся масса зерна и в значительной степени увеличивается время контакта всей поверхности зерновок с теплоносителем. Вместе с тем это решение привело к существенному ухудшению технологичности при изготовлении такого пропаривателя, усложнению его конструкции и удорожанию изделия.
Способ пропаривания зерна на греющей поверхности, одновременно являющейся и генератором пара [2], в значительной степени приближает решение проблемы для малых хозяйств в части привязанности к внешним источникам
пара, однако наличие подвижных узлов для подачи воды и перемешивания массы снижает надёжность таких аппаратов. В свою очередь, решение этой проблемы находят в упрощении конструкции, приближая её к традиционной конструкции аппаратов силосного типа, но с использованием индивидуального источника пара в виде нагревательного конического блока — днища [3].
К альтернативным способам ГТО по отношению к тем, в основе которых лежит использование насыщенного пара высокого давления, можно отнести один из самых простых и доступных крестьянским и фермерским хозяйствам способ обжаривания зерна с последующим его увлажнением и отволаживанием, который придаёт крупе приятный коричневый оттенок и вкус, но не обеспечивает должной даже для таких хозяйств производительности, а также способ микронизации (облучения ИК-лучами) зерна, обеспечивающий высокое качество конечного продукта. В то же время необходимость операции пропаривания зерна гречихи приводит к тому, что этот способ в основном находит применение для ГТО зерна злаковых культур, для которых таковой не требуется.
Учитывая, что указанные способы ГТО обладают в основном неодинаковыми, а в некоторых случаях противоречивыми свойствами качества, однозначный выбор в пользу какого-нибудь способа по одному из них может быть затруднительным для фермерского хозяйства.
Вызывает интерес не только сравнительная оценка широко известных конкурирующих способов, но и место, занимаемое среди них разработанными нами перспективными способами ГТО.
Всё это подтверждает целесообразность проведения комплексной сравнительной оценки указанных способов ГТО зерна гречихи.
Методы исследований. Выбор оптимального способа ГТО зерна и технологического оборудования для его реализации должен делаться на основе оценки качества, которая в свою очередь должна вестись с позиции системы взаимодействия способ (оборудование) — продукт — качество — человек с учётом особенностей технологического процесса, свойств обрабатываемого зерна, хозяйственных задач, а также требований современного уровня развития науки и техники. Следовательно, задача вышеуказанного выбора является многокритериальной.
Критериями должны являться те свойства технологического оборудования, с точки зрения которых ведётся оценка качества с целью установления оптимального способа ГТО. Качество оценивается по комплексу критериев, поэтому из совокупности свойств, в целом составляющих качество оборудования, выделяются лишь те, которые представляют в настоящее время наибольший интерес и являются наиболее важными.
Случайный подбор критериев может привести к неверным решениям, поэтому необходимо предварительно разработать иерархическую структурную схему свойств качества технологического оборудования для реализации того или иного способа ГТО, на основе которой составить комплекс критериев Г, который как вектор будет состоять из частных критериев /, то есть
^ = / /2;/т >, (1)
где т — общее число критериев комплекса.
Для характеристики относительной важности критериев вводятся весовые коэффициенты Су, а характеристикой степени соответствия /-го способа ГТО по у-му критерию комплекса будет являться некоторая оценка ку.
В качестве обобщённой оценки качества используют заменяющую функцию К^(суХ ку), которая даёт метод объединения отдельных элементов. Приведём один из широко применяемых [4]:
т
Ко = т П с; • V (2)
Из вышеприведённой постановки задачи определения наилучшего способа ГТО зерна вытекают следующие этапы ее решения: 1) разработка иерархической структурной схемы свойств качества технологического оборудования для ГТО и составление на её основе комплекса критериев; 2) определение весовых коэффициентов критериев комплекса; 3) определение оценок анализируемых способов ГТО по отдельным критериям; 4) расчёт комплексных оценок качества; 5) разработка матрицы решений.
Для оценки весовых коэффициентов, а также сравнительной оценки способов ГТО по неустановленным количественно значениям отдельных показателей качества использовался универсальный модифицированный метод парных сравнений, основывающийся на формализованных методах обработки результатов мнений специалистов, их интуиции и опыте. Обработка полученных результатов опроса велась в соответствии с процедурой решения известной в теории графов задачи о лидере [4, 5].
Оценка степени согласованности мнений специалистов производилась вычислением коэффициента согласия при парных сравнениях V
и коэффициента конкордации Ж общей согласованности мнений с использованием критерия %2 при надёжности Р =0,95.
Результаты исследований. Проведённый анализ широко используемых и перспективных способов ГТО зерна гречихи позволяет выделить для сравнительной оценки следующие из них: 1) пропаривание неподвижной массы зерна насыщенным паром в пропаривателе силосного типа; 2) пропаривание пересыпающейся массы зерна во вращающемся барабане; 3) пропаривание подвижного слоя зерна на греющей поверхности; 4) пропаривание неподвижной массы зерна в пропаривателе с конической парообразующей поверхностью; 5) обжарка зерна с последующим его увлажнением и отволажи-ванием; 6) микронизация зерна с последующим его пропариванием.
Исходя из системного подхода в оценке качества оборудования для ГТО главными совокупностями его свойств должна быть совокупность свойств, определяющая совершенство процесса гидротермической обработки зерна гречихи (1), техническое совершенство технологического оборудования (2) и сочетаемость его с другим имеющимся в линии оборудованием, то есть технологическую коммуникабельность (3).
Эти свойства составляют первый уровень в иерархической структурной схеме свойств качества технологического оборудования, реализующего тот или иной способ ГТО зерна (рис.).
Группа свойств, составляющих главные совокупности, занимает второй уровень иерархии. Главная совокупность свойств оборудования, которыми обусловливается качество процесса ГТО зерна гречихи, формируется из группы свойств, определяющих технологические показатели
(1.1), биологическую ценность крупы (1.2) и распределяемость крупы среди населения (1.3).
Для характеристики главной совокупности свойств технического совершенства использованы базовые показатели качества, которые составляют пять групп свойств: техникоэксплуатационные (2.1), надёжности и долговечности (2.2), технологичности (2.3), экономические (2.4), стандартизации и унификации (2.5).
Главная совокупность свойств технической коммуникабельности представлена на втором уровне геометрической (3.1), кинематической
(3.2) и функциональной (3.3) составляющими.
Сами свойства перечисленных групп находятся на следующем, третьем уровне иерархии, при этом технологические показатели процесса ГТО характеризуются показателями эффективности шелушения зерна (1.1.1), выхода крупы (1.1.2), равномерности ГТО зерна (1.1.3), органолептических свойств крупы (1.1.4), развариваемости крупы (1.1.5), физико-механических свойств зерна после его ГТО (1.1.6).
Качество технологического оборудования, реализующего тот или иной способ ГТО зерна
-| 1.1.21 -11.122
Рис. - Иерархическая структурная схема свойств качества оборудования, реализующего тот или иной способ гидротермической обработки зерна гречихи
Биологическая ценность крупы определяется её питательной ценностью (1.2.1), фармакологическими (1.2.2) и токсилогическими (1.2.3) и неявными видами биологической активности (1.2.4).
Распределяемость крупы определяется спросом (1.3.1), сроком хранения (1.3.2) и транспортабельностью (1.3.3).
Группа технико-эксплуатационных свойств оборудования для ГТО зерна формируется из производительности (2.1.1), потребления электроэнергии (2.1.2), расхода теплоносителя
(2.1.3), габаритных размеров (2.1.4), занимаемой площади (2.1.5) и массы (2.1.6).
Надёжность и долговечность определяются наработкой на отказ (2.2.1), коэффициентом готовности (2.2.2), коэффициентом использования (2.2.3), сроком службы до первого ремонта
(2.2.4) и гарантийным сроком службы (2.2.5). Технологичность оборудования для ГТО зерна
определяется удельной трудоёмкостью изготовления (2.3.1), удельной материалоёмкостью (2.3.2), сборностью (2.3.3), сложностью конструкции
(2.3.4) и эксплуатационной технологичностью
(2.3.5).
Показателями экономических свойств оборудования являются удельный расход энергии
(2.4.1), производительность на единицу занимаемой площади (2.4.2), относительную к производительности цену (2.4.3), удельный расход теплоносителя (2.4.4) и воды (2.4.5).
Степень стандартизации и унификации определяется коэффициентом применимости к составным частям (2.5.1) и коэффициентом повторяемости (2.5.2).
Не все перечисленные свойства являются простыми, поэтому на четвёртом уровне иерархической структурной схемы свойств качества оборудования для ГТО зерна гречихи располагаются составляющие эффективности шелушения: коэффициент шелушения (1.1.1.1), коэффициент целости ядра (1.1.1.2), органолептических свойств крупы: запах (1.1.4.1), цвет
(1.1.4.2), вкус (1.1.4.3) и внешний вид крупы
(1.1.4.4), физико-механических свойств зерна после его ГТО: влажность зерна (1.1.6.1), прочность (хрупкость) зерна (1.1.6.2), питательной ценности: содержание макронутриентов (1.2.1.1) и микронутриентов (1.2.1.2).
Матрица решений для сравнительной оценки различных способов ГТО зерна гречихи
о Комплекс критериев Комп- лексная оценка
F = (fi f2; f3; f4; f5; f6; f7; Л)
fl - производительность /2 - удельное потребление электроэнергии /з - эксплуатационная технологичность f - надёжность /5 - сложность конструкции f6 - удельная стоимость оборудования f - выход ядрицы f - равномерность обработки зерна
Весовые коэс )фициенты K0,
с1 = 0,342 с2 = 0,193 с3 = 0,034 с 4 = 0,064 с5 = 0,019 с5 = 0,152 с7 = 0,151 с8 = 0,045
k1j 1,000 0,116 0,893 1,000 0,867 0,582 0,838 0,531 0,053
kv 1,000 0,117 0,379 0,388 0,397 0,390 0,838 1,000 0,040
k3j 1,000 0,923 0,508 0,298 0,138 0,950 0,878 0,593 0,048
kj 1,000 1,000 1,000 0,950 1,000 1,000 0,851 0,434 0,075
k5, 0,070 0,067 0,221 1,000 0,678 0,050 0,919 0,225 0,019
k6j 0,300 0,116 0,091 0,291 0,145 0,118 1,000 0,508 0,020
Для исследования в качестве основных показателей/ свойств качества, образующих комплекс Г, были выделены следующие: / — производительность, т/ч; /2 — удельное потребление электроэнергии, (кВт-ч)/т; /3 — эксплуатационная технологичность; /4 — надёжность; /5 — сложность конструкции; /6 — удельная стоимость оборудования, (долл. США • ч)/т; /7 — выход ядрицы; /8 — равномерность обработки.
Некоторые из отобранных показателей (1—6) характеризуют техническое совершенство аппаратурного оформления того или иного способа ГТО зерна, другие (7—8) — совершенство реализуемого технологического процесса.
По одной части приведённых показателей (1, 2, 6, 7) имелись исходные данные для установления их численных значений, которые заимствовались из сведений, приводимых в паспортах, руководствах по эксплуатации, материалах исследований, интернет-сайтах, литературных и других источниках. Другая часть показателей качества (3, 4, 5, 8) оценивалась экспертами.
В таблице приведена матрица решений для сравнительной оценки различных способов ГТО зерна гречихи, разработанная при достаточно высоких показателях согласованности мнений специалистов (коэффициенты согласия ¥= 0,807, Ж= 0,720).
Выводы. К наиболее эффективным и рациональным способам ГТО зерна гречихи можно отнести как широко используемый в течение длительного времени способ пропаривания неподвижной массы зерна в пропаривателях силосного типа, так и предлагаемые новые способы пропаривания подвижного слоя зерна на греющей поверхности и неподвижной массы зерна в пропаривателях с конической греющей поверхностью.
Способы ГТО, использующие процессы обжарки и микронизации, пока существенно уступают по комплексным оценкам качества способам, использующим в качестве основного теплоносителя только пар или комбинированный с ним кондуктивный источник теплоподвода, что в определённой мере согласуется с не столь широкой их используемостью крупопроиз-водителями, несмотря на наличие некоторых неоспоримых преимуществ.
Совершенствование широко применяемого традиционного способа ГТО зерна, особенно в части используемых источников пара, может в значительной мере расширить возможности крупопроизводства в условиях малых хозяйств и сделать его более привлекательным и выгодным, что подтверждается полученными комплексными оценками предлагаемых способов ГТО.
Затруднительность использования решений, реализованных в традиционном способе, в условиях малых хозяйств практически исключена в предлагаемых способах и делает их более приемлемыми и эффективными, а полученные сравнительные комплексные оценки указывают на возможность широкого их применения в условиях малых крестьянских (фермерских) хозяйств.
Литература
1. Константинов М. М., Румянцев А. А. Способ определения равномерности гидротермической обработки зерна крупяных культур // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. № 35. С. 79—82.
2. Инновационный патент 23957. Республика Казахстан, МПК7 В02В 1/08. Способ гидротермической обработки зерна гречихи и аппарат для его осуществления / А.А. Румянцев, Н.А. Борзов, Л.Ф. Беспалько; опубл. 16.05.2011. Бюл. № 5.
3. Инновационный патент 22892. Республика Казахстан, МПК7 В02В 1/08. Пропариватель для зерна / А.А. Румянцев, Н.А. Борзов, Л.Ф. Беспалько; опубл. 15.09.2010. Бюл. № 9.
4. Азаров Б.М., Аурих Х., Дичев С. Технологическое оборудование пищевых производств: учебник / под ред. Б.М. Азарова. М.: Агропромиздат. 1988. 463 с.
5. Берж К. Теория графов и её применение. М.: Физматиздат. 1962. 320 с.
