CC BY
15
УДК 631.363:636.085
ОБОСНОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЕРНОФУРАЖА В НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ
ЛЕГКОУСВОЯЕМЫЕ КОРМА
В.И. Передня, доктор технических наук
В.А. Башко, заведующий лабораторией
В.И. Хруцкий, научный сотрудник
А.А. Романович, кандидат технических наук
РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства»
E-mail: belagromech@tut.by
Аннотация. Повышение продуктивности животных невозможно без эффективного использования кормов, основу которых составляют зернобобовые культуры. Рассмотрены причины неэффективного использования таких кормов и существующие способы переработки и подготовки их к скармливанию. Показано, что только влаготепловая переработка в жидкие корма позволяет наиболее эффективно использовать зернофураж на корм животным. В основу технологии производства легкоусвояемых жидких кормов положена идея влаготепловой обработки зерновых компонентов с использованием энергии кавитации. Разработана специальная гидродинамическая установка, позволяющая получать прямо из зернофуража гомогенную массу, которая не расслаивается на фракции, хорошо поедается и легко усваивается животными. Проведенные исследования по определению допустимой температуры переработки зернобобовых культур показали нецелесообразность обработки смеси при температуре не выше 80°С. С целью уменьшения времени обработки водозерновой смеси и повышения производительности процесса была выдвинута гипотеза о использовании электромагнитного поля для подогрева движущейся по трубопроводу смеси. Проведенные исследования подтвердили эффективность использования электромагнитного поля. Влаготепловая обработка зернофуража посредством кавитации с использованием индукционного подогрева позволяет за кратковременный срок и при небольшой температуре получить легкоусвояемый корм с сохранением незаменимых аминокислот и витаминов.
Ключевые слова: зернобобовые культуры, влаготепловая обработка, зернофураж, кавитация, гидродинамическая установка, гомогенная масса, индуктор, электромагнитное поле.
Введение. Корма в производстве продуктов животноводства занимают главенствующее значение, поскольку они обуславливают продуктивность животных. Поэтому эффективное использование кормов, особенно зернобобовых культур - задача первоочередной влажности. В зернах злаковых и бобовых культур содержится большое количество белков и углеводов, хотя переваримость их без углубленной переработки невысока. Белки в зерне и бобах откладываются в значительных количествах в специализированных субклеточных формах - алейроновых зернах, окруженных единой мембранной и содержащих кристаллические белковые тела [ 1].
Зерно злаковых культур наряду с белками содержит много крахмала, усвоение которого у животных происходит медленно. По
данным ряда исследований усвояемость питательного потенциала крахмала в природной форме не превышает 20-25 % в зависимости от вида культур [2].
Клетчатка, содержащаяся в больших количествах в зерне и бобах, особенно в их верхних защитных слоях и оболочках, без специальной обработки также трудно усвояема. Научными исследованиями, а также в результате многочисленных хозяйственных опытов установлено, что отрицательное действие защитных барьеров, предусмотренных природой для защиты семян как биологического источника постоянного воспроизводства злаковых и бобовых культур, может быть полностью преодолено или в значительной степени подавлено. В результате статического или динамического воздей-
ствия на защитные мембраны внешнего и внутреннего давления на клеточном и молекулярном уровнях, особенно при изменении температуры, влаги и других факторов, наблюдается денатурация белка, инактивация антипитательных веществ, декстриниза-ция крахмала, деструкция клетчатки и т.п.
Основная часть. В мировой практике известно множество методов и технологий обработки зернового сырья с целью повышения его переваримости и усвояемости [3].
В последние годы, особенно за рубежом, широко применяются экструдирование, экс-пандирование и др. виды термомеханической обработки зернофуража. Экструдирование
[4] предусматривает два вида воздействия на зерно: механическое и влаготепловое. Подлежащее экструзии сырье доводят до влажности 15-12%, измельчают и подают в экстру-дер, где под действием высокого давления (2,8-3,9 МПа) и трения зерновая масса разогревается до 120-150°С. Затем в результате быстрого перемещения ее из зоны высокого давления в зону атмосферного происходит так называемый взрыв, в результате чего масса вспучивается и образуется продукт микропористой структуры. Затраты электроэнергии при экструдировании составляют 100-150 кВт-ч/т. Экспандирование - процесс, основанный на гидротермической обработке корма под давлением. Принцип действия экс-трудеров и экспандеров одинаков: в шнеко-вом рабочем органе продукт разогревается, уплотняется и выпрессовывается. Однако режимы обработки существенно различаются, что приводит к значительному уменьшению затрат электроэнергии.
В последнее время в различных странах уделяется значительное внимание новым технологиям переработки фуражного зерна
[5], позволяющим повышать питательную ценность получаемого продукта при оптимальном уровне увеличения трудовых и энергетических затрат на приготовление корма и сохранения минимальной его себестоимости. При этом большое количество исследований направлено на изыскание способов комплексной обработки зерна теплом, влагой и механическим воздействием.
РУП «Научно-практический центр НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства» разработал технологию и комплект оборудования для переработки имеющихся в хозяйстве зерновых компонентов в легкоусвояемый корм [6].
В основу технологии приготовления легкоусвояемых кормов и даже заменителей цельного молока (ЗЦМ) положена идея вла-готепловой обработки зерна с помощью кавитации на специальной гидродинамической установке, которая позволяет прямо из зернофуража получать однородную гомогенную мелкодисперсную массу. Как показали проведенные исследования [5], одновременное нагревание и перемешивание с резкими перепадами скорости и давления (от 0,1 до 2 МПа) внутри движущейся в агрегате жидкой массы приводит не только к измельчению зерна, но и к раздроблению молекул крахмала, растительных жиров и делает их вполне усвояемыми молодым организмом телят.
При обработке зернофуража на гидродинамической установке происходят и некоторые качественные изменения питательных веществ, такие, как стерилизация материала и инактивация патогенной микрофлоры, снижение антипитательных факторов благодаря инактивации ингибиторов и частичной инактивации алкалоидов. В процессе обработки крахмал зернобобовых гидролизиру-ется до мальтозы, дающей после присоединения воды две молекулы глюкозы. Кроме того, в качестве промежуточного продукта образуются полисахориды с разной молекулярной массой - декстрины. В зависимости от степени гидролиза их молекулярная масса понижается, и они все больше приближаются к сахарам.
Поскольку процесс приготовления ЗЦМ по известным в литературе технологиям [1] достаточно энергоемок, была выдвинута гипотеза о измельчении зерна не в холодной воде, а в предварительно нагретой до 40-50°С, в агрегате - только доизмельчать зерно до пасты, что подтверждается расчетами. Если пренебречь затратами на холостой ход, то затраты энергии на измельчение и нагрев получаемой массы будут равны:
N = + N + N
(1)
где - затраты энергии на измельчение материала, кВт-ч; N - затраты энергии, расходуемой на создание циркуляции материала в камере измельчения, кВт-ч; NВ - затраты энергии на нагрев воды другим источником, кВт-ч.
Затраты энергии на измельчение материала можно определить согласно уравнению: ^зм = Изм, кВт^ч (2)
где q - производительность дробилки, кг/с; ^изм - удельная работа на измельчение, Дж/кг.
Работу на измельчение можно определить из уравнения:
Азм = спр[1вх3+с,-(х-1)]^ (3)
где Спр - коэффициент, учитывающий влажность зерна; Су, - определяет работу упругих деформаций при принятом методе механических воздействий на материал, отнесенную к единице его массы; Ся - определяет работу, затрачиваемую на образование новых поверхностей при измельчении и отнесенную к единице массы корма; X -степень измельчения.
Затраты энергии, расходуемой на создание циркуляции материала в камере измельчения, определяются по формуле:
^ = Кв (1 + КЦц ц >м, кВт^ч (4)
где Кв - коэффициент, учитывающий конструкцию и режим работы молотковой дробилки в режиме вентилятора (обычно принимается Кв =0,05); Кц - кратность циркуляции материала в рабочей камере, раз; ц - массовая доля зерна в слое материала, кг; ум - окружная скорость по концам молотков, м/с.
Затраты энергии на нагрев воды посторонним специализированным источником можно получить, исходя из формулы:
лг б
N = —, кг-ч/т
В г
(5)
где Q - затраты энергии на нагрев воды, Дж; ^ - время нагрева воды, с.
б = СтТ, (6)
где С - теплоемкость воды (равная 4180 Дж/кг); т - масса нагреваемой воды, кг; Т -температура нагрева воды.
Были проведены исследования на предмет потребления электроэнергии. Результаты исследований расхода энергии и времени обработки зернофуража приведены на циклограммах: с холодной водой (12°С) - на рисунке 1, с подогретой водой (до 50-40°С) -на рисунке 2.
<3, кВт
ШШ
агрсв I! | Нагрел
1П 20 30 40 50 60 70 т; мин Рис. 1. Циклограмма расхода электроэнергии при измельчении зерна с одновременным нагревом массы (зерно и вода с начальной Т = 12°С)
10 20 30 40 50 60
Рис. 2. Циклограмма расхода электроэнергии при измельчении зерна с одновременным нагревом массы (зерно и вода с начальной Т = 50-40°С)
Исследования по определению допустимой температуры переработки зернобобовых культур показали нецелесообразность обработки зернофуража при температуре выше 80°С (таблица 1) из за потерь витаминов и расхода электроэнергии. Кроме того, как
видно из рисунков 1, 2 и таблицы 2 процесс измельчения и нагрева осуществляется медленно (40-60 минут) и со значительными затратами электроэнергии.
Таблица 1. Содержание витаминов
Таблица 2. Установки для приготовления заменителей молока на основе кавитации
С целью уменьшения времени обработки водозерновой смеси и повышения производительности установки была выдвинута гипотеза об использовании электромагнитного поля для подогрева движущейся по трубопроводу смеси [1]. Использование электромагнитного поля посредством индукционного нагрева получило широкое распространение в промышленности и научных исследованиях. Развиваются все новые технологические процессы, такие, как импульсная высокоскоростная термообработка, высокотемпературный нагрев, плавка оксидов и других непроводниковых материалов, нагрев круп-
ногабаритных изделий и т.д. на промышленной и других частотах. Достоинством устройств индукционного нагрева является отсутствие вращающихся и движущихся частей, устройства состоят в общем случае из нагреваемого тела, индуктирующей обмотки, тепловой изоляции, магнитопроводов и дополнительных элементов, служащих для крепления изделия.
Основной особенностью индукционного нагрева является образование и выделение теплоты в самих нагреваемых телах. Это позволяет передавать в них больше мощности, получать высокие термические КПД за счет выделения теплоты только в нужных местах. Основными процессами при индукционном нагреве являются электромагнитные и тепловые. Нагревательные устройства служат для прямого или косвенного нагрева материалов в твердом, жидком или газообразном состоянии. При прямом индукционном нагреве теплота выделяется за счет поглощения энергии электромагнитного поля непосредственно нагреваемым (рабочим органом) телом. При косвенном нагреве теплота выделяется в промежуточном нагревателе, от которого затем передается нагреваемым телам.
Поскольку зернофураж относится к материалам, непроводящим электричество, то будем рассматривать только косвенный нагрев. В устройствах косвенного нагрева температуры и удельные мощности ограничены теплоотдачей от промежуточного нагрева. Однако с помощью таких устройств можно получать высокую равномерность нагрева, нагревать непроводящие электричество материалы, получать высокие энергетические показатели.
В большинстве случаев как для сквозного, так и для поверхностного нагрева используются охватывающие индукторы, цилиндрические или овальные, имеющие высокие энергетические показатели. Для расчета параметров индуктора (рис. 3) и нагреваемого цилиндрического тела (поскольку в промышленной установке будет трубопровод) магнитное поле, создаваемое током обмотки, будет проходить параллельно по воздушному зазору, металлу трубопровода и его поло-
в необработанном и обработанном зернофураже
Показатели, % Температура нагрева, °С
20 70 80 90
Витамин А 100 95 92 90
Витамин В1 100 98 95 91
Витамин В 2 100 98 96 93
Витамин В5 100 94 91 89
Параметры Марка оборудования и завод-изготовитель
ТЕК-2 СМ Тех-маш, Гомель ТЕК-3 СМ Тех-маш, Гомель ТЕК-4 СМ Тех-маш, Гомель УПК-45Ф Фирма «Юрле» УПЗМ-0,9, Гомель-энергосервис
Производительность, кг/ч 300 450 960 1200 900
Температура обработки, °С до 105 до 105 до 105 до 85 до 80
Длительность цикла переработки, мин 60 60 60 50 40
Мощность электродвигателя, кВт 15 22 45 45 22
Удельный расход энергии, кВт-ч/кг 0,05 0,05 0,05 0,04 0,03
Масса, кг 400 600 900 1100 700
Удельная металлоемкость, кг/кг 1,3 1,3 0,9 0,9 0,8
сти и затем замыкаться по пространству вне индуктора. Магнитный поток индуктора будет индуцировать вихревой ток /2, под действием которого в стенке трубопровода будет выделяться активная мощность.
КПД индуктора равен отношению полезной мощности Р2, переданной в трубопровод (цилиндр), к полной мощности Ри, подведенной к индуктору:
Ли =
Р
АР + Р
(7)
где АРи - потери мощности в проводе индуктора.
АР = У.2', (8)
где 1И - ток в индукторе, А; ' - активное
сопротивление провода индуктора, Ом.
Полезная мощность, затраченная на нагрев трубопровода (цилиндра), равна:
Р = I г
р2 1 2 '2 ,
(9)
Рис. 3. Индуктор (отрезок длиной а системы
бесконечной длины) для нагрева цилиндра
Чтобы не осложнять задания учетом краевых эффектов, рассмотрим отрезок а системы бесконечной длины. Тогда магнитное поле в зазоре между индуктором и цилиндром будет равномерным, а вне индуктора - равным нулю. При этом диаметр цилиндра Д > 6А2, а А2 - глубина проникновения тока в материале цилиндра. Напряженность магнитного поля в рассматриваемой системе больше нуля, и электромагнитная энергия проникает в индуктор лишь с внутренней стороны индуктора, где концентрируется ток, проходящий по индуктору. Все величины, относящиеся к индуктору, будут помечаться индексом 1, а относящиеся к нагреваемому элементу (цилиндру) - индексом 2.
Так как тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля в рассматриваемом случае не претерпевает скачка на границе раздела различных сред, то напряженность поля в воздушном зазоре Нв равна напряженности поля на поверхности обмотки индуктора и нагреваемого цилиндра, т.е. Ни=Нц. Поскольку в нашем случае индукционный нагрев необходим только для дополнительного подогрева обрабатываемого жидкого корма, движущегося по трубопроводу, то нас интересует в первую очередь КПД индукционного нагрева.
где ' - активное сопротивление в цилиндре, Ом.
Подставив в формулу (7) значения составляющих, получим:
IV 1
Ли = Т212 "и = т-Ц-, (10)
12 г + 12 г
1 и '1 + 1 2 '2
1 + 1/Г2 ' где I - ток в цилиндре, А.
Согласно исследованиям [7], активное сопротивление проводов индуктора:
ю2 пД Р;
Г =■
ЬА„
(11)
где ю - число витков индуктора; р -удельное сопротивление медного провода индуктора; Ь - ширина витка провода индуктора; А2 - глубина проникновения тока в
цилиндр; Д - диаметр индуктора стального нагреваемого цилиндра.
Г2 =
ю2 пД р2 ЬА „
(12)
где Д - диаметр цилиндра; р2 - удельное сопротивление цилиндра.
Подставив вместо ' и ' их значения в формулу 10, получим:
"=7^ ■ (13)
О 2 ^Р 2
Таким образом, КПД индуктора зависит от соотношения диаметров индуктора и цилиндра и удельных сопротивлений материа-
лов. Формула (13) показывает, что наибольший КПД получается при нагреве материалов с большим удельным сопротивлением трубопровода (цилиндра).
-Температура д Мощность
Рис. 4. Зависимость потребляемой мощности и
температуры от времени нагрева пасты при обработке неизмельченного зерна (соотношение компонентов: рапс - 0,412 кг; кукуруза - 0,88 кг; тритикале - 0,92 кг)
Рис. 5. Зависимость потребляемой мощности и
температуры от времени нагрева пасты при обработке неизмельченного зерна (соотношение компонентов: рапс - 0,9 кг; кукуруза - 0,4 кг; тритикале - 0,5 кг)
3 4 5 6 7 -Температура ■—л— Мощность
Рис. 6. Зависимость потребной мощности и температуры нагрева пасты индукционным подогревателем от времени обработки (соотношение компонентов: рапс - 0,4 кг; кукуруза - 0,6 кг; тритикале - 0,8 кг), Wуд=0,21 кВтч/т
Рис. 7. Зависимость потребной мощности и температуры нагрева пасты индукционным подогревателем от времени обработки (соотношение компонентов: рапс - 1,0 кг; кукуруза - 0,75 кг; тритикале - 0,75 кг), Wуд=0,25 кВтч/т
Для уменьшения затрат энергии и улучшения качества получаемой продукции была проведена серия опытов с использованием неизмельченного зернофуража и индукционного подогрева в зависимости от времени обработки, при использовании различных зерновых компонентов без внешнего нагрева и с индукционным подогревом.
Результаты исследований, приведенные на рисунках 6, 7 показывают, что при измельчении жидкой смеси (зерно+вода) с индукционным подогревом время получения продукта находится в пределах 10-15 мин, что практически в 2,5 раза меньше в сравнении с результатами, полученными при использовании измельчения только с внутренней обработкой жидкой смеси за счет кави-тационного и механического измельчения. При этом удельный расход электроэнергии находится в пределах 0,21-0,26 кВт-ч/т, что на 30% меньше расхода электроэнергии при измельчении без индуктора; уменьшение потребления электроэнергии получается за счет значительного увеличения производительности технологического процесса.
Заключение. Исследованиями установлено, что повышение температуры и влажности в зерне приводит к разрыву природных связей крахмала на клеточном уровне и переводе его в более простые соединения (декстрины и сахара), особенно при наличии воды. Разработанная гидродинамическая установка влаготепловой обработки кормовых компонентов, функционирующая на основе
теории кавитации, позволяет приготавливать прямо из зерновых компонентов гомогенную мелкодисперсную пасту.
Увеличение производительности и уменьшение энергозатрат на переработку возможно при использовании электромагнитного поля. Время переработки зерновых компонентов при этом уменьшается в 2-3 раза, общие затраты электроэнергии также уменьшаются на 40%. Для сохранения количества витаминов целесообразно температурный режим приготовления легкоусвояемой пасты ограничить величиной не более 75°С.
Литература:
1. Исследование процесса переработки зернобобовых компонентов в легкоусвояемый корм для кормления телят / В.И. Передня и др. // Энергообеспечение и энергоснабжение в с. х. Варшава, 2004. С. 15-16.
2. Шейко И.П. Перспективы развития молочного скотоводства в Республике Беларусь // Новые направления развития технологий и технических средств в молочном животноводстве. Минск, 2006.
3. Исследование процесса переработки зернобобовых компонентов в легкоусваиваемый корм телятам молочного периода / В.И. Передня и др. // Энергообеспечение и энергоснабжение в с. х. Варшава, 2004. С. 25.
4. Экструдированное, микронизированное и вструди-рованное зерно в рационах телят / Н.А. Яцко и др. // Конкурентоспособное производство продукции животноводства в Республике Беларусь. Брест, 1999.
5. Малозатратная технология и комплект оборудования, повышающие переваримость влажного консервированного зернофуража / В.И. Передня и др. // Про-
блемы интенсификации животноводства с учетом охраны окружающей среды. Варшава, 2011. С. 12-14.
6. Технология приготовления ЗЦМ на основе зерновых компонентов / И.И. Горяев и др. // Вести НАН. 2008. №2.
7. Немков В.С. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л., 1988.
8. Демирчян К.С. Машинные расчеты электромагнитных полей. М., 1986. 240 с.
Literatura:
1. Issledovanie processa pererabotki zernobobovyh kom-ponentov v legkousvoyaemyj korm dlya kormleniya telyat / V.I. Perednya i dr. // EHnergoobespechenie i ehnergo-snabzhenie v s. h. Varshava, 2004. S. 15-16.
2. SHejko I.P. Perspektivy razvitiya molochnogo skoto-vodstva v Respublike Belarus' // Novye napravleniya raz-vitiya tekhnologij i tekhnicheskih sredstv v molochnom zhivotnovodstve. Minsk, 2006.
3. Issledovanie processa pererabotki zernobobovyh kom-ponentov v legkousvaivaemyj korm telyatam molochnogo perioda / V.I. Perednya i dr. // EHnergoobespechenie i ehnergosnabzhenie v s. h. Varshava, 2004. S. 25.
4. EHkstrudirovannoe, mikronizirovannoe i vstrudirovan-noe zerno v racionah telyat / N.A. YAcko i dr. // Konku-rentosposobnoe proizvodstvo produkcii zhivotnovodstva v Respublike Belarus'. Brest, 1999.
5. Malozatratnaya tekhnologiya i komplekt oborudova-niya, povyshayushchie perevarimost' vlazhnogo konser-virovannogo zernofurazha / V.I. Perednya i dr. // Proble-my intensifikacii zhivotnovodstva s uchetom ohrany okru-zhayushchej sredy. Varshava, 2011. S. 12-14.
6. Tekhnologiya prigotovleniya ZCM na osnove zernovyh komponentov / I.I. Goryaev i dr. // Vesti NAN. 2008. №2.
7. Nemkov V.S. Teoriya i raschet ustrojstv indukcionno-go nagreva. L., 1988.
8. Demirchyan K.S. Mashinnye raschety ehlektromagnit-nyh polej. M., 1986. 240 s.
DEVICES FOR GRAIN DEEP PROCESSING IN LOW MOLECULAR HIGH DIGESTIBLE FEED JUSTIFICATION V.I. Perednya, doctor of technical sciences V.A. Bashko, laboratory chief V.I. Khrutsky, research worker A.A. Romanovich, candidate of technical sciences RUP "NPZ NAS of Belarus for agriculture mechanization»
Abstract. Animals production's increasing is impossible without effective using feed based on leguminous crops. The inefficient reasons of such feeds' using and existing methods of them processing and preparing for feeding are co n-sidered. It is shown that only moisture-heat processing into liquid feed allows the most efficient to use grain forage for animal feed. The technology of easily digestible liquid feed producing is based on the idea of grain components' moisture-heat treatment at cavitation energy using. A special hydrodynamic installation allows to get out of grain the homogeneous mass that does not separate into factions, well eaten and easily digested by animals is developed. Made studies of leguminous crops' permissible processing temperature determining had showed the inexpediency of mixture processing at a temperature not exceeding 80°C. In order to the water-grain mixture processing time to reduce and process's performance to improve, a hypothesis about of an electromagnetic field using to heat the mixture moving through the pipeline was put forward. Made studies had confirmed the electromagnetic field using effec-tiveness.The grain forage moisture-heat treatment through cavitation at induction heating using allows for a short time and at a low temperature to obtain easily digestible food at essential amino acids and vitamins preserving. Keywords: legumes, moisture-heat treatment, grain forage, cavitation, hydrodynamic installation, homogeneous mass, inductor, electromagnetic field.
