CC BY
6
УДК 632.982.6 D01 10.24412/2311-6447-2021-2-213-219
Многокритериальная оптимизация процесса фумигации семян зернобобовых культур в пересыпающемся слое
Multi-criteria optimization of the process of fumigation of leguminous seeds in the interstitial layer
Ст. преподаватель С.Ю. Шубкин, доцент С.С. Бунеев, доцент С.В. Елецких, (Елецкий государственный университет им. И.Л. Бунина) кафедра технологических процессов в машиностроении и агроинженерии, тел. +7 906 686-87-51 E-mail: shubkin.92^ maiLru
доцент И.М. Сухарев
(Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. +7 908 139-80-67
St. lecturer S.Yu. Shubkin, Associate Professor S.S. Buneev, Associate Professor S.V. Yeletskikh,
(Yelets State University named after I .A. Bunin) chair of Technological Processes in Mechanical Engineering and Agroengineering, tel. +7 906 686-87-51 E-mail: shubkin.92(tf,mail.ru
Associate Professor I.N. Sukharev (Voronezh State University of Engineering Technologies) chair of Machinery and Apparatus of Food Production, tel. +7 908 139-80-67
Реферат. Приводятся результаты исследований процесса электростатической фумигации семян зернобобовых культур ионизированным фумигирующим агентом в установке барабанного типа методами математического планирования. Реализован полный факторный эксперимент типа 23. Получено уравнение, адекватно описывающее данный процесс, приведена его графическая интерпретация. Даны практические рекомендащш для разработки режимов промышленной фумигации семян зернобобовых культур, позволяющие прогнозировать условия проведения процесса.
Summary. The article presents the results of studies of the process of electrostatic fumigation of seeds of leguminous crops with an ionized fumigating agent in a drum-type installation by methods of mathematical planning. Л complete factorial experiment of type 23 is implemented. An equation is obtained that adequately describes this process, and its graphic interpretation is given. Practical recommendations are given for the development of regimes for industrial fumigation of seeds of leguminous crops, allowing to predict the conditions of the process.
Ключевые слова: электростатическая фумигация, ионизированная среда, фумигнрующий агент, оптимизация, полиномиальная модель, регрессия.
Keywords: electrostatic fumigation, ionized medium, fumigating agent, optimization, polynomial model, regression.
Традиционно фумигацию применяют для предотвращения интродукции и распространения вредных организмов в зерновой массе, в силу этого она оказывает положительное влияние на хранимоспобность зернопродуктов [2, 4]. Целью проведения фумигации в качестве фитосанитарной меры является уничтожение вредных организмов с заданной эффективностью [1, 3].
Фумигация должна обеспечивать достижение требуемого уровня критических параметров (концентрация или доза, температура, продолжительность) во всей массе продукта, что позволяет добиваться заявленной эффективности [3].
О С.Ю. Шубкин, С.С. Бунеев, C.B. Елецких, И.Н. Сухарев, 2021
На эффективность фумигации могут влиять такие факторы, как влажность, давление и изменения в составе газовой среды, созданные упаковкой или продуктом [3]. К другим факторам, которые необходимо учитывать во время фумигации, относятся глубина проникновения фумиганта, сорбция упаковкой или продуктом, удельный вес фумиганта, циркуляция [2, 3].
В настоящее время процесс фумигации семян зернобобовых культур проводится в условиях силосного и напольного хранения [6]. Проведение процесса в таких условиях не обеспечивает в полной мере распространения активных компонентов фумиганта по всему объему продукта [2, 6]. Для повышения эффективности процесса целесообразно применять режим постоянного перемешивания [12, 13].
Существующие тенденции развития технологии фумигации семян зернобобовых культур связаны с созданием нового фумигационного оборудования [14]. Одним из таких направлений повышения эффективности работы установок по обеспечению фитосанитарной обработки семян зернобобовых культур является использование элементов электростатики [5], что позволяет оказывать дополнительное губительное воздействие на патогенную микрофлору, карантинных насекомых-вредителей [12, 13).
Цель исследования - определение оптимальных режимов электростатической фумигации семян зернобобовых культур ионизированным фумигирующим агентом в установке барабанного типа путем построения полиномиальной регрессионной модели второго порядка, адекватно описывающей данный процесс.
Исследования проводились на базе Агропромышленного института ЕГУ им. И.Л. Бунина в научно-исследовательских лабораториях по изучению процессов и аппаратов пищевых производств, а также электрофизических методов обработки пищевых сред. С целью снижения объемов экспериментальных исследований и оптимизации режимов электростатической фумигации семян зернобобовых культур Ионизированным фумигирующим агентом в пересыпающемся слое использовали экспериментально-статистические методы, математическую основу которых составляет теория планирования эксперимента [10, 11].
В качестве модельного объекта были выбраны семена гороха. Проведение исследований и изучение процесса электростатической фумигации семян гороха в электростатическом поле в пересыпающемся слое осуществляли на экспериментальной установке, подробное описание которой (назначение, устройство, принцип действия, конструктивные особенности, технические характеристики) изложено в [7, 12, 13].
Фумигирующий агент применялся в виде порошка, который выделяет газы при его термическом разложении [3]. Эффективность процесса электростатической фумигации характеризуется степенью осаждения фумиганта на семенах гороха К [8, 9], которую можно определить, используя зависимость (]), выражающую отношение разности концентраций фумигирующего агента на входе с? и выходе С2 фу-мигационной камеры к концентрации на входе в фумигационную камеру с?:
где С1 - концентрация фумигирующего агента на входе в фумигационную камеру; С2 - концентрация фумигирующего агента на выходе из фумигационной камеры.
Представляет интерес выяснить характер рассматриваемых зависимостей. Для этой цели была проведена серия экспериментов в экспериментальной установке. Для моделирования и оптимизации рациональных режимов электростатической фумигации семян гороха ионизированным фумигирующим агентом в пересыпающемся слое использовали Композиционные планы Бокса-Уилсона [10, 11], позволяющие построить полиномиальную модель второго порядка [15], описывающую зависимость отклика У от факторов Для удобства вычислений все расчеты производились в системе символьной математики МаШсаё.
Экспериментально-стаТйстиче сКйе методы предполагают проведение не с колких этапов. Первый этап заключался в построении регрессионных моделей, адекватно описывающих зависимость выбранных выходных параметров от изучаемых факторов [10, 11]. Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на эти процессы, были применены математические методы планирования эксперимента [10, 11, 15]. Математическая модель изучаемого процесса представляется в виде полинома второй степени:
N N N
Ж- К 1 Л + £ + £ V,
¿=1 /=1 у
7
где Ъо - свободный член уравнения, равный средней величине отклика при условии, что рассматриваемые факторы находятся на средних, «нулевых» уровнях; х - масштабированные значения факторов, которые определяют функцию отклика и поддаются варьированию; г',/* - индексы факторов; Ь\ - коэффициенты при линейных членах; Ы3 - коэффициенты двухфакторных взаимодействий, показывающие, насколько изменяется степень влияния одного фактора при изменении величины другого; Ьц - коэффициенты квадратичных эффектов, определяющие нелинейность выходного параметра от рассматриваемых факторов; N - число факторов в матрице планирования.
С целью сокращения продолжительности экспериментальных исследований и снижения затрат на их реализацию, реализовали полный факторный эксперимент типа 23 в соответствии с матрицей планирования. Как известно, общее число опытов п при гн факторах определяется соотношением:
п = 2 + 2т + пд
где По - число экспериментов в центре плана, которое в нашем случае равно 6.
Таким образом, в случае полного факторного эксперимента (т=3) общее число опытов было равно 20.
В качестве основных факторов, влияющих и характеризующих процесс электростатической фумигации семян гороха ионизированным фумигирующим агентом в пересыпающемся слое, выбраны параметры среды внутри фумигационной камеры:
1) XI- частота вращения фумигационной камеры, мин1;
2)Х2 - напряжение на коронирующих электродах, кВ;
3) лэ - температура, К.
В табл. 1 представлены характеристики планирования.
Таблица 1
Характеристики планирования
Условия планирования Значения факторов
XI, мин 1 Х2, кВ
Основной уровень (0) 5 30 300
Интервал варьирования 0,5 5 3
Верхний уровень (+1) 8 40 311
Нижний уровень (-1) 1 20 291
Верхняя «звездная» точка (+1,682) 5,841 38,41 305,046
Нижняя «звездная» точка (-1,682) 4,159 21,59 294,954
Выходными параметрами служат показатели:
1) У\- содержание фумиганта на семенах гороха после проведения процесса электростатической фумигации, мг/кг;
2) Уз - удельные энергетические затраты на 1 кг готовой продукции, которые определяют энергоёмкость процесса и являются одним из важнейших показателей его энергетической эффективности, кДж/кг.
В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие рассматриваемый процесс электростатической фумигации семян гороха под влиянием исследуемых факторов:
1', =3 1,16 + 6,691', + 5,48А\ + 7,49л'; - 5, 4 2 А"; - 5,41Л'3 +
+ 0,3 62 А' ] хз + 0,412А;А', ;
У2 = 0,839 I 0,3 11 Л', + 0,17А"; + 0,1 7Х3 + 0,2 881"' - 0,1 1Щг| -0,1 181 ?2 - 0,0 2 5 А' X г - 0,0 2 5 А" ( А' ? — 0,0 1 8Л' Л' ;
(2)
(3)
где Х\- кодированные значения факторов, связь которых с истинными значениями осуществляется в виде следующих соотношений:
Х1 =2(^ -8), - 40
X, =
А', =
5
.V, - 40
3
Анализируя полученные в результате моделирования уравнения (2) и (3), можно выделить факторы, которые оказывают наиболее выраженное влияние на рассматриваемый процесс. Таким образом, на содержание фумиганта на семенах гороха наибольшее влияние оказывает частота вращения фумигационной камеры барабан-нош тина. В меньшей степени влияет1 напряжение на коронирующих электродах и температура. На удельные энергозатраты на 1 кг готовой продукции после электростатической фумигации самое большое влияние оказывает частота вращения фумигационной камеры барабанного тип. Наименее значимым является воздействие температуры. Графическая интерпретация зависимости количества фумиганта на семенах гороха У] (мг/кг) от изучаемых факторов приведена на рис. 1-3.
Нк ■Як
а 6
Рис, 1. Зависимость количества фумиганта на семенах гороха У1 (мг/ кг) от изучаемых факторов при XI = О: а - поверхность отклика; б - двумерное сечение поверхности отклика
а б
Рис. 2. Зависимость количества фумиганта на семенах гороха У1 (.мг/кг) от изучаемых
факторов при Х2 = О; а - поверхность отклика; б - двухмерное сечение поверхности
отклика
Рис. 3. Зависимость количества фумиганта на семенах гороха У) (мг/ кг) от изучаемых факторов при Хз = О: а - поверхность отклика; б - двумерное сечение поверхности отклика
Исходя из того, что мы имеем дело с двумя показателями качества У/ и Уз, будем рассматривать первый из них как основной, а второй в качестве ограничения. Для нахождения режимов работы фумигационной камеры барабанного типа была сформулирована задача оптимизации: необходимо найти такие значения переменных X], Хз, Хз, которые бы обеспечивали оптимальное содержание фумиганта на семенах гороха после проведения процесса электростатической фумигации у\ = / {Х\, Хз, Хз) при заданном значении удельных энергетических затрат = ф] (XI, Хз, Хз) . Аналитически это выражается следующим соотношением:
рг (Л-, ,Х,,Хг ) = -V,г + XI + .V , = /г
>
То есть имеем сферу радиуса Я, центр которой совпадает с центром эксперимента.
Описанная выше задача решалась с помощью метода неопределенных множителей Лагранжа с использование пакета символьной математики МаШсас! [5,15]. Для проверки достоверности полученных результатов проводили соответствующее количество параллельных опытов. Полученные данные находились внутри рассчитанных доверительных интервалов по всем выбранным критериям. При этом среднеквадратичная погрешность не превышала 4,6 %.
В качестве субоптимальных интервалов изменения параметров следует принять: частоту вращения фумигационной камеры 4,5-5,5 мин1, напряженность на коропирующих электродах - 20-40 кВ и температуру - 305-310 К.
В результате математического моделирования электростатической фумигации семян гороха в пересыпающемся слое получены нелинейные уравнения (2) и (3), адекватно описывающие рассматриваемый процесс. Получена информация о влиянии различных факторов. Построена математическая модель процесса, позволяющей рассчитать содержание фумиганта на семенах гороха внутри выбранных интервалов варьирования входных факторов.
Обобщая полученные данные, можно сказать, что процесс электростатической фумигации семян зернобобовых культур в пересыпающемся слое протекает по сложному механизму, при этом значительное влияние имеет частота вращения фумигационной камеры, от которой зависит равномерность распределения фумигиру-ющего компонента по всему объему продукта.
Результаты решенной задачи оптимизации позволили выделить рациональный диапазон изменения входных факторов по трем исследуемым критериям функционирования фумигационной установки. Полученная математическая модель может применяться при создании фумигационных установок, а также способа управления технологическими режимами фумигации семян зернобобовых культур.
ЛИТЕРАТУРА
1. Геворкян И.С. О применении ионизирующего излучения в борьбе с насекомыми-вредителями запасов / Актуальные проблемы гуманитарных и естественных нате.
- 2020. - № 4. - С. 5-11.
2. Краусп В.Р., Васильев А.А. Анализ изменений электрофизических свойств и зараженности потока зерна пшеницы на технологических этапах уборки и послеуборочной обработки в поточных линиях / Инновации в сельском хозяйстве. - 2019. -№ 4 (33). - С. 332-338.
3. Мордкович Я.В., Яковлев П.А. Основные методы обеззараживания зерна от вредителей запасов / Защита и карантин растений. - 2019. - № 12. - С. 24-25.
4. Науменко А.В., Берека О.Н. Дезинсекция зерновой массы в сильном электрическом поле / Инновации в сельском хозяйстве. - 2014. - Nu 4 (9). - С. 135-140.
5. Пахомов А. И. Теоретические предпосылки совершенствования процесса электрофизического обеззараживания зерна / Хранение и переработка зерна. -2017. - Nq 7 (215). - С. 49-52.
6. Радиационные агробиотехнологии: приоритетные направления развития и коммерциализации / Н.И. Санжарова, А.А. Молин, Г.В. Козьмин, В.О. Кобялко // Аграрная наука. - 2016. - № 1. - С. 2-4.
7. Шубкин С,Ю. Способ автоматического управления процессом электростатической фумигации семян зернобобовых культур в установке барабанного типа / И.Н, Сухарев, С.Ю. Шубкин, С.С. Бунеев, С.В. Елецких, А.В. Клаип / / Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. - 2020. - № 4. - С. 140-149. doi: 10.24411/2311-6447-2020-10094
8. Шубкин С.Ю. Интенсификация процесса фумигации семян зернобобовых культур электрофизическим методом /СЛ. Добр ни, С.Ю. Шубкин, С. С. Бунеев, С. В. Елецких // Агропромышленные технологии Центральной России. - 2020. - № 4 (18). -С. 124-129. doi: 10.24888/2541-7835-2020-18-124-129.
9. Шубкин С.Ю. Совершенствование процесса фумигации зернобобовых культур в установке барабанного типа / В книге: «Школа молодых ученых» по проблемам технических наук. // Материалы областного профильного семинара. - Липецк, 2020.
- С. 213-218.
10. Coradi, Р.С., Dubai, I.T.P., Bilhalva, N.D.S., Fontoura, C.N. & Teodoro, P.E. 2020, «Correlation using multivariate analysis and control of drying and storage conditions of sunflower grains on the quality of the extracted vegetable oil», Journal of Food Processing mid Preservation, vol. 44, no. 12, doi: 10.1111/jfpp. 14961.
11. Roske, D. 2021, «Linear regression analysis and the gum: example of temperature influence on force transfer transducers», Acta Imeko, vol. 9, no. 5, pp. 407-413, doi: 10.21014/ACTA_1MEKO.V9I5.1010.
12. Shubkin, S.f Buneev, S., & Radin, S. 2020. Development of a plant for electrostatic fumigation of grain crops in a periled layer. Paper presented at the ЮР Conference Series: Materials Science and Engineering, 1001(1) doi: 10.1088/1757-899Х/1001/1/012128.
13. Shubkin S.Yu., Buneev S.S., Zakharov V.L. Mathematical modeling of the process electrostatic fumigation of grain legumes in a drum type unit. Paper presented at the IOP Conference Series: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall. Krasnoyarsk, Russian Federation, 2021. C. 22014. doi: 10.1088/1755-1315/677/2/022014
14. Rajendran, S; Nayak, KR; Anjum, SS, «The action of phosphine against the eggs of phosphine-resistant and -susceptible strains of Rhyzopertha dominica F», Pest management science, vol. 57, no. 5, pp. 422-426, doi: 10.1002/ps.283.
15. Zhu, J., Wen, C„ Zhu, J., Zhang, H. & Wang, X. 2021, «А polynomial algorithm for best-subset selection problem», Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 117, no. 52, pp. 33117-33123, doi: 10.1073/ PNAS.2014241117.
REFERENCE
1. Gevorkyan I.S. О primenenii ioniziruyushchego izlucheniya v bor'be с nasekomymi-vreditelyami zapasov, Aktual'nye problemy gumanitarnykh i estestvennykh nan к [On the use of ionizing radiation in the fight against insect pests of stocks], 2020, No 4, pp. 5-11 (Russian).
2. Krausp V.R., Vasil'ev A.A. Analiz izmeneniy elektrofizicheskikh svoystv i zarazhen-nosti potoka zerna pshenitsy na tckhnologicheskikh etapakh uborki i posleuborochnoy obrabotki v potochnykh liniyakh, Innovatsii v sel'skom khozyaystve [Analysis of changes in electrophysical properties and infection of wheat grain flow at the technological stages of harvesting and post-harvest processing in production lines], 2019, No 4 (33), pp. 332-338 (Russian).
3. Mordkovich Ya.B., Yakovlev P.A, Osnovnye metody obezzarazhivaniya zerna ot vred-iteley zapasov, Zashchita i karantin rasteniy [The main methods of disinfection of grain from pests of stocksj, 2019, No 12, pp. 24-25 (Russian).
4. Naumenko A.V., Bereka O.N. Dczinsektsiya zernovoy massy v sil'nom elektrich-eskom pole, Innovatsii v sel'skom khozyaystve [Disinsection of grain mass in a strong electric field], 2014, No 4 (9), pp. 135-140 (Russian).
5. Pakhomov A.I. Teoreticheskie predposylki sovershenstvovaniya protsessa elektrofizi-cheskogo obezzarazhivaniya zerna, Khranenie i pererabotka zerna [Theoretical prerequisites for improving the process of electrophysical disinfection of grain], 2017, No 7 (215), pp. 4952 (Russian).
6. Radiatsionnye agrobiotekhnologii: priori tetnye napravleniya razvitiya i kommertsi-alizatsii, N.l. Sanzharova, A.A. Molin, G.V. Koz'min, V.O. Kobyalko, Agrarnaya nauka [Radiation agrobiotechnology: priority directions of development and commercialization], 2016, No 1, pp. 2-4 (Russian).
7. Shubkin S.Ju. Sposob avtomaticheskogo upravlenija processom jelektrostaticheskoj fumigacii semjan zernobobovyh kul'tur v ustanovke barabannogo tipa, I.N. Suharev, S.Ju. Shubkin, S.S. Buneev, S.V. Eleckih, A.V. Klapp, Tehnologii pishhevoj i pererabatyvajushhej promyshlennosti APK - produkty zdorovogo pitanija [Method of automatic control of the process of electrostatic fumigation of seeds of leguminous crops in a drum-type installation], 2020, No. 4, pp. 140-149 (Russian).
8. Shubkin S.Ju. Intensifikacija processa fumigacii semjan zernobobovyh kul'tur jel-ektrofizicheskim metodom, S.A. Dobrin, S.Ju. Shubkin, S.S. Buneev, S.V. Eleckih, Ag-ropromyshlennye tehnologii Central'noj Rossii [Intensification of the process of fumigation of leguminous seeds by electrophysical method], 2020, No. 4 (18), pp. 124-129 (Russian).
9. Shubkin S.Ju. Sovershenstvovanie processa fumigacii zernobobovyh kul'tur v ustanovke barabannogo tipa, V knige: «Shkola molodyh uchenyh» po problem am tehnich-eskih nauk, Materialy oblastnogo profil'nogo seminar a [Improvement of the process of fumigation of leguminous crops in a drum-type installation], Lipcck, 2020, pp. 213-218 (Russian).
10. Coradi, P.C., Dubai, I.T.P., Bilhalva, N.D.S., Fontoura, C.N. & Teodoro, P.E. 2020, «Correlation using multivariate analysis and control of drying and storage conditions of sunflower grains on the quality of the extracted vegetable oil», Journal of Food Processing and Preservation, vol. 44, no. 12 (English),
I 1. Roske, D. 2021, «Linear regression analysis and the gum: example of temperature influence on force transfer transducers», Acta Imeko, vol. 9, no. 5, pp. 407-413 (English).
12. Shubkin, S., Buneev, S., & Radin, S. 2020. Development of a plant for electrostatic fumigation of grain crops in a periled layer. Paper presented at the IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1001(1) (English).
13. Shubkin S.Yu., Buneev S.S., Zakharov V.L. Mathematical modeling of the process electrostatic fumigation of grain legumes in a drum type unit. Paper presented at the IOP Conference Series: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall. Krasnoyarsk, Russian Federation, 2021. C. 22014 (linglish).
14. Rajendran, S; Nayak, KR; Anjum, SS, «The action of phosphine against the eggs of phosphine-resistant and -susceptible strains of Rhyzopertha dominica F»f Pest management science, vol. 57, no. 5, pp. 422-426 (English).
15. Zhu, J., Wen, C., Zhu, J,, Zhang, H. 8ь Wang, X. 2021, «А polynomial algorithm for best-subset selection problem», Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 117, no. 52, pp. 33П7-33123 (English).
