CC BY
19
УДК 631.363.1+631.363.7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ В ПРОЦЕССЕ ФЕРМЕНТАЦИИ В СМЕСИТЕЛЕ-ФЕРМЕНТЕРЕ КОРМОВ
П.А. Савиных, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией Зональный НИИ сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого Н.В. Оболенский, доктор технических наук, профессор С.Ю. Булатов, кандидат технических наук, доцент А.И. Свистунов, аспирант
Нижегородский государственный инженерно-экономический институт E-mail: obolenskinv@mail.ru
Аннотация. В настоящее время за рубежом наметилась тенденция к поиску новых способов получения легко усваиваемого белка. Одним из наиболее перспективных путей его получения является микробиологический синтез, самым простым видом которого, на наш взгляд, является применение заквасок. В настоящее время для получения подобного корма используют разработанные в советские времена смесители типа С-12, которые предназначены для смешивания кормов. Но данные машины не учитывают протекающие при синтезе кормов процессы, а именно: вид ферментации, влажность и температуру питательной среды. Поэтому совершенствование существующих и создание новых машин для получения кормов с высоким содержанием белка является на сегодняшний день важной задачей. Для достижения поставленных задач необходимо изучить процессы, протекающие во время синтеза. Целью работы являлось определение оптимальных значений параметров, влияющих на энергозатраты при нагреве питательной среды в смесителе-ферментере. Нами был разработан смеситель-ферментер, с помощью которого можно получать ферментированные корма с минимальными затратами электроэнергии и времени за счет особенности его конструкции, которая позволяет повысить интенсификацию процесса синтеза и расширить функциональные возможности агрегата. Для определения оптимального соотношения исследуемых факторов был реализован полный факторный эксперимент 32. Исследовали влияние угла обхвата бункера тепловой лентой и уровень заполнения бункера питательной средой. По результатам эксперимента получена модель регрессии, описывающая изменение удельных энергозатрат в процессе нагрева питательной среды в смесителе-ферментере, с помощью которой определены оптимальные параметры исследуемых факторов.
Ключевые слова: нагрев, питательная среда, смеситель-ферментер, ферментация, эксперимент.
Обоснование актуальности. Соблюдение баланса кормовых рационов с содержанием необходимого количества в них питательных веществ является залогом высокой продуктивности животных. Однако требования, которые необходимо соблюдать при создании таких рационов, выдержать затруднительно. За рубежом наметилась тенденция к поиску новых способов получения легко усваиваемого белка. Одним из перспективных путей его получения является микробиологический синтез, самым простым видом которого, на наш взгляд, является применение заквасок [2]. В настоящее время для получения подобного корма используют раз-
работанные в советские времена смесители типа С-12, которые предназначены для смешивания (в некоторых случаях и для запаривания) кормов. Но данные машины не учитывают протекающие при синтезе кормов процессы, а именно: вид ферментации, влажность и температуру питательной среды. Поэтому совершенствование существующих и создание новых машин для получения кормов с высоким содержанием белка является на сегодняшний день важной задачей.
Цель исследований. Цель работы - определение оптимальных значений параметров, влияющих на энергозатраты при нагреве питательной среды в смесителе-ферментере.
Механизация, автоматизация и машинные технологии в животноводстве
Методика проведения исследований.
Нами был разработан смеситель-ферментер [3], с помощью которого можно получать ферментированные корма с минимальными затратами электроэнергии и времени за счет особенности его конструкции, которая позволяет повысить интенсификацию процесса синтеза и расширить функциональные возможности агрегата. Для исследования тепловых процессов была создана уменьшенная в 100 раз модель смесителя-ферментера. Ее общий вид и схема представлены на рис. 1.
Лабораторная установка представляет собой емкость 1 цилиндрической формы, наружную поверхность которой охватывает нагревательный элемент 2 - тепловая лента модели ЭНГЛ-1 (180). С целью снижения потерь теплоты, интенсификации нагрева питательной среды 8 поверх нагревательного элемента нанесен слой теплоизоляции 7. Регулирование температуры тепловой ленты и питательной среды осуществляется регулятором 5 (модель ТЬ-11-250), данные к которому передают датчики 3 (TST84) и 6 (^Т81). С помощью прибора 4 ведется учет потребляемой электроэнергии.
Результаты эксперимента. С целью снижения времени на проведение эксперимента предварительно были проведены теоретические исследования [1]. Для определения оптимального соотношения исследуемых факторов был реализован полный факторный эксперимент 32. В качестве факторов выступили угол обхвата бункера тепловой лентой (фактор х), который варьировался в пределах от Хтп = 180° до Хтах= 360° (рис. 2).
В качестве второго фактора выступил уровень заполнения бункера питательной средой. Его изменяли от 50 до 100%.
а) б)
Рис. 2. Емкость с углом обхвата тепловой лентой: а - 360°; б - 90°
Рис. 1. Лабораторная установка
для исследования тепловых процессов в смесителе-ферментере: 1 - емкость; 2 - нагревательная лента ЭНГЛ 1(180); 3 -
датчик температуры ленты Т8Т84; 4 - прибор учета потребляемой электроэнергии; 5 - регулятор ТЪ-11 -250; 6 - датчик температуры питательной среды Т8Т 81; 7 - слой теплоизоляции; 8 -питательная среда Критерием оптимизации у выбрано количество электроэнергии, затраченное на нагрев 1 кг питательной среды на 1 градус. Матрица плана эксперимента и результаты опытов представлены в табл. 1. В результате обработки статистических данных получена модель регрессии с доверительной вероятностью 95%: у = 5,95 + 0,981x1 - 0,811x2 + 0,845х2 - 0,625X1X2 + 0,035х22 (1).
Степень достоверности аппроксимации полученной модели Я составила 95,64%.
Таблица 1. Матрица плана 32 и результаты
Последовательность операций Факторы Функция отклика у
х 22
Основной уровень, х<э 225° 75%
Верхний уровень, хтах 360° 100%
Нижний уровень, хтп 90° 50%
1 -1,0 -1,0 6,32
2 0 -1,0 6,32
3 1,0 -1,0 9,44
4 -1,0 0,0 5,66
5 0 0 6,07
6 1,0 0,0 7,81
7 -1,0 1,0 5,53
8 0 1 5,53
9 1,0 1,0 6,15
Лоигпа! оГ VNIIMZH №3(19)-2015
155
Статистически значимыми эффектами в данном случае являются х1 и х2. Наибольшее влияние на критерий оптимизации оказывает фактор х\ - с увеличением угла обхвата емкости теплой лентой наблюдается рост энергозатрат на нагрев питательной среды.
Минимальное значение функции отклика приходится при х\ = -0,211 и х2 = 1 и состав-
ляет 5,14
кДж
. На основании полученной
кг -°С
модели (1) построено двумерное сечение поверхности отклика (рис. 3).
Рис. 3. Двумерное сечение поверхности отклика
-1 -0,6 -0.2 -г, 0.2 0,6 1
Анализ сечений позволяет сделать вывод о том, что с увеличением фактора х1 и уменьшением х2 растут удельные энергозатраты. С изменением фактор ха 2 в интервале от -1 до 1 наблюдается уменьшение энергозатрат на 20%. В то же время изменение фактор ха 1 в том же интервале приводит к изменению критерия оптимизации на 28%, что говорит о большем влиянии угла обхвата бункера тепловой лентой.
Выводы. Методом планирования эксперимента получена модель регрессии, описывающая изменение удельных энергозатрат в процессе нагрева питательной среды в смесителе-ферментере, с помощью которой определены оптимальные параметры угла обхвата емкости нагревательной лентой (198°) и уровня заполнения емкости питательной средой (100%). Минимальное значение критерия оптимизации при оптимальных значе-
кДж
ниях параметров составляют 5,14
кг ■ °С
Литература:
1. Булатов С.Ю. Тепловой баланс смесителя-ферментера кормов // Вестник НГИЭИ. 2014. №10.
2. Булатов С.Ю., Свистунов А.И. Анализ технологий получения кормов с высоким содержанием белков из малоценных сырьевых ресурсов и отходов производства // Вестник НГИЭИ. 2013. Вып. 10. С. 3-14.
3. Оболенский Н.В., Булатов С.Ю., Свистунов А.И. Смеситель-ферментер для кормов // Сельский механизатор. 2014. Вып. 4. С. 26-27.
Literatura:
1. Bulatov S.YU. Teplovoj balans smesitelya-fermentera kormov // Vestnik NGIEHI. 2014. №10.
2. Bulatov S.YU., Svistunov A.I. Analiz tekhnologij polu-cheniya kormov s vysokim soderzhaniem belkov iz malo-cennyh syr'evyh resursov i othodov proizvodstva // Vestnik NGIEHI. 2013. Vyp. 10. S. 3-14.
3. Obolenskij N.V., Bulatov S.YU., Svistunov A.I. Smesi-tel'-fermenter dlya kormov // Sel'skij mekhanizator. 2014. Vyp. 4. S. 26-27.
THE NUTRIENT MEDIUM HEATING'S OPTIMAL MODES DURING THE FERMENTATION PROCESS IN THE FEED
MIXER-FERMENTER'S DEFINITION
P.A. Saveynyh, doctor of technical sciences, professor, laboratory chief
Zonal research Institute of North-East agriculture named after N.V. Rudnitski
N.V. Obolensky, doctor of technical sciences, professor
S.Y. Bulatov, candidate of technical sciences, associate professor
A.I. Svestunov, post graduate student
Nizhny-Novgorodsky state engineering-economic institute
Abstract. Currently abroad there has been a tendency for new ways finding to get an readily digestible protein. One of the most promising ways of its obtaining is microbiological synthesis, the most simple form of which in our opinion is the leaven cultures use. Currently to get the same are used C-12 feed mixers developed in Soviet times, which are served for mixing of feed. But these machines do not take into account the processes occurring during the feed synthesis, namely: fermentation's type, humidity and nutrient medium's temperature. Therefore, the existing machines improvement and new ones creation to obtain high protein content's forage is an important task at present. For assigned tasks achievement it is necessary to study the processes occurring during the synthesis. The goal of this work was to determine the optimal parameters' values affecting the energy consumption during nutrient medium's heating in the mixer-fermenter. We have developed a mixer-fermenter, with which help it can use to obtain fermented feed with a minimum of energy cost and time due to its construction's peculiarities, which allows to improve the synthesis process's intensification and to extend the aggregate's functionality. To determine the studied factors' optimum ratio it was implemented a full factorial experiment 32. It was investigated the angle of hopper's girth by heat tape influence and the hopper's level of nutrient medium's filling. /Is a results of the experiment it was obtained the regression model describing the change of the specific energy consumption in the nutrient medium's heating process in the mixer-fermenter, with which help it was determined the studied factors' optimal parameters. Keywords: heating, nutrient medium, mixer-fermenter, fermentation, experiment.
