CC BY
4
УДК 62.85 DOI 10.51794/27132064-2022-2-93
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМБИНИРОВАННЫХ КОРМОВ
М.В. Чкалова, кандидат технических наук, доцент В.Д. Павлидис, кандидат физико-математических наук, профессор ФГБОУ ВО «Оренбургский ГАУ» E-mail: pavlidis@mail.ru
Аннотация. Приведены результаты анализа и обоснование технического решения проблемы дозирования ультрадисперсных (нано-) порошков в промышленном производстве комбинированных кормов. Авторами проводятся исследования, направленные на получение высокотехнологичных комбинированных кормов с использованием металлов-микроэлементов в виде нанопорошков или суспензий. На основе анализа технологических условий функционирования стандартной промышленной линии по производству комбикормов была разработана методика лабораторных экспериментов, направленных на изучение свойств наноматериалов при моделировании температурного режима, влажности, остаточной магнитной и электромагнитной индукции. Лабораторные и производственные эксперименты проводились на базе инженерного факультета Оренбургского государственного аграрного университета. Основным оборудованием для моделирования температурного воздействия и изменения влажности являлись муфельные печи, магнитное поле моделировалось в СВЧ-печи. Обработанные образцы нанопорошков оксидов железа Fe2O3 и Fe3O4 изучались методом контактной атомно-силовой микроскопии. Достоверно установлена устойчивость ультрадисперсных порошков оксидов железа, синтезированных методом электрического взрыва, к окислению и спеканию при комнатной температуре, показано влияние условий формирования рабочей кормовой смеси на свойства ультрадисперсных порошков этих металлов. Инженерно-техническое решение проблемы дозирования нанопорошков металлов-микроэлементов в процессе приготовления кормосмеси адаптировано к стандартному технологическому процессу в промышленном производстве комбикормов. Разработанное техническое устройство учитывает особенности внесения ультрадисперсных материалов в виде суспензии. Конструкция пневматического дозатора жидкообразных ультрадисперсных материалов закреплена патентом РФ.
Ключевые слова: производство комбикормов, эффективность, нанопорошки, методика эксперимента.
Введение. Особенности российской экономики связаны с принципиальными различиями технологического уровня промышленного производства и условиями его функционирования в различных секторах, что исключает возможность построения общей модели эффективного развития. Среди секторов экономики, обладающих хорошими возможностями быстрой адаптации к инновационным технологиям, следует выделить сельское хозяйство, перспективной отраслью которого является промышленное производство комбинированных кормов.
Авторами сформирована концепция развития промышленного комбикормового производства [1], в которой показаны перспективы реализации потенциалов трех эффектов: правильной организации самого произ-
водства, оптимального выбора типов технологического оборудования и структурных схем его расположения и использование в составе кормового сырья инновационных компонентов. Питательные вещества комбинированного корма будут усваиваться наилучшим образом только в том случае, если в обменных процессах организма сельскохозяйственных животных участвует необходимое количество микроэлементов, недостаток которых может вызвать серьезные нарушения обмена веществ. Особо выделим железо Fe (необходимое количество составляет 5080 мг на 1 кг сухого вещества рациона), оно связано с гемоглобином крови, входит в состав ряда ферментов, выполняет функцию переносчика кислорода и участвует в газообмене организма. Взрослые животные по-
лучают железо только с кормом. Для успешной реализации программы развития мясного скотоводства и птицеводства в Оренбургской области перед учеными была поставлена задача повышения эффективности промышленного производства кормов. Одним из направлений ее решения стали исследования в области применения ультрадисперсных порошков в производстве комбикормов для различных групп сельскохозяйственных животных [1-4].
Исследования в области применения ультрадисперсных материалов в приготовлении комбикормов для КРС и молодняка начаты авторами в ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» [2-4]. Результаты этих исследований выдвинули на первый план проблему технического решения, позволяющего запустить инновационную технологию промышленного производства комбинированных кормов на основе применения ультрадисперсных материалов.
На основе анализа технологических условий функционирования промышленной линии по производству комбикормов была разработана методика лабораторных экспериментов, направленных на изучение свойств наноматериалов при моделировании температурного режима, влажности, остаточной магнитной и электромагнитной индукции. Проведены исследования, направленные на получение высокотехнологичных комбинированных кормов с использованием микроэлементов в виде ультрадисперсных (нано-) порошков [2].
Цель данной статьи - анализ результатов лабораторных экспериментов с нанопорош-ками оксидов железа Бе20з и Без04 для дальнейшего применения в кормоприготовлении. Достижению цели способствовало решение следующих задач: анализ технологического оборудования промышленных линий и выделение условий функционирования, изменяющих свойства ультрадисперсных порошков металлов-микроэлементов; составление рекомендаций о возможностях замещения микроэлементов в составе сырья инновационными компонентами; описание лабораторных исследований и анализ результатов.
Методы, ход исследования. Основным методом получения ультрадисперсных порошков металлов-микроэлементов с диаметром частиц до 100 нм, которые могут использоваться для промышленного производства комбинированных кормов, является метод электрического взрыва проводников в атмосфере инертного газа (МЭВП). Ультрадисперсные (нано-) материалы, полученные МЭВП, обладают размерами частиц, которые позволяют проникать через клеточные мембраны и находиться внутри структуры ДНК или белка, изменяя их функции, и большой удельной поверхностью, что приводит к увеличению растворимости и реакционной способности. Следовательно, такие порошки в наноформе служат катализаторами позитивных физиологических и биохимических реакций [2-5]. Учет особенностей ультрадисперсных порошков металлов-микроэлементов потребовал проведение анализа технологического оборудования промышленных линий для производства комбикормов и выделение условий функционирования оборудования, изменяющих их свойства (таблица 1).
Результаты исследований показывают, что условия функционирования оборудования, оказывающие существенное воздействие на структуру и свойства нанопорош-ков, проявляются в повышении температуры кормового потока и усилении магнитного воздействия на него. Изучение воздействия этих факторов на поведение наноматериалов в кормосмеси стало предметом экспериментальных исследований. Авторами была разработана методика, позволяющая оценить результаты воздействия температуры и магнитного поля на образцы нанопорошков металлов-микроэлементов Бе20з, Рез04. Экспериментальные исследования проводились на базе лаборатории материаловедения инженерного факультета Оренбургского государственного аграрного университета. Основным оборудованием температурного воздействия являлись муфельные печи ЬБ-2/13-01 с объемом камеры 2 л, максимальной температурой нагрева 1300°С. Образцы нанопо-рошков металлов-микроэлементов Бе20з,
Без04 помещались в чашу Петри и подвергались температурному воздействию в интервале 50-200°С с шагом 50°С. Время воздействия деформирующего фактора варьировалось в пределах от 30 до 120 секунд с шагом 30 секунд.
Таблица 1. Условия функционирования технологического оборудования, влияющие
Технологическая операция Условия, влияющие на ультрадисперсный материал
Микронизация компонентов комбикорма Нагрев до 90°С в течение 45 с
Экспандирова-ние комбикормов Прохождение продукта через экспандер в течение нескольких секунд при температуре от 105 до 110°С
Прессование комбикормов - влажность комбикорма до поступления в смеситель пресса-гранулято-ра - 8-15%; - влажность комбикорма после выхода из смесителя не превышает 17,2%; - давление пара - до 0,7 МПа; - температура пара - 140-180°С; - повышение температуры комбикорма на 10-11°С в результате кондиционирования в смесителе паров равносильно увеличению его влажности на 0,7-1,0%
Экструдиро-вание Температура продукта на выходе -120-130°С
Сепарирование Магнитные сепараторы: У-1БМП, У-1БМП01 У-1БММ У-1БМЗ, У-1БМЗ01 Форма магнита Размеры, мм Остаточная магнитная индукция, mT
Брусок 62x25x62 1350
Кольцо 52x27x35 380
Таблетка 134x54x12 390
ратурно-временных режимах, 8 - при магнитно-волновых режимах). На минимальных температурных и временных режимах были получены следующие результаты (рис. 1, 2).
Образец 1 (Бе20з50°) характеризуется наличием достаточно крупных образований размером от 600 нм до 3 мкм. В большинстве образцов на подложке обнаруживаются объекты, являющиеся скоплением мусора (неструктурированные, бесформенные объекты), и объекты, состоящие из более мелких структур (рис. 1).
Для изучения влияния магнитного поля использовалась СВЧ-печь Hotpoint-Ariston MWHA 1332 X (частота - 50 Гц, максимальная мощность - 700 Вт). Образцы нанопо-рошков металлов-микроэлементов Fe2O3, Fe3O4 помещались в чашу Петри, подвергались электромагнитному воздействию в интервале от 30 до 120 секунд с шагом 30 секунд. Обработанные образцы изучались методом контактной атомно-силовой микроскопии на аппарате NTEGRA Prima [6]. Авторами были проанализированы результаты сканирования 24 образцов (16 - при темпе-
Рис. 1. Фотография подложки после сканирования образца Fe2Oз, полученного при температуре 50°
На подложке также присутствуют структуры несимметричной формы, имеющие поперечный размер от 1 мкм до 2 мкм. Высота таких объектов порядка 14 нм. Одиночных частиц с латеральным размером до 100 нм не обнаружено. Образец 2 (Без0450°) характеризуется наличием крупных объектов, представляющих собой слипшиеся частицы сферической формы. На рисунке 2 показаны эти объекты на обзорном скане и в увеличенном виде. Обнаруженные на подложке одиночные частицы также имеют сферическую форму, причем продольный размер частиц варьируется в пределах 50-250 нм, тогда как высота составляет порядка 95 нм. Профиль частиц, изображенных на рисунке 2, показан на рисунке 3.
Рис. 2. Фотография подложки после сканирования образца Реэ04, полученного при температуре 50°
105.6 ппп 169.4 пгп ( 63.77 пгп ] 2.812* Рис. 3. Типичный профиль поверхности единичной частицы образца 2
Результаты исследования. Анализ образцов позволяет констатировать: практически во всех образцах присутствует «мусор» -объекты размером 1 мкм и выше, не имеющие какой-либо формы и структуры; все образцы имеют достаточно неоднородный как по размерам, так и по форме состав частиц; в большинстве образцов присутствуют частицы субмикронного размера, слипшиеся в достаточно крупные образования (3-20 мкм). Серия лабораторных экспериментов показа-
ла устойчивость ультрадисперсных порошков оксидов железа, синтезированных методом электрического взрыва, к окислению и спеканию при комнатной температуре. Однако была выявлена высокая химическая и диффузионная активность при нагревании до температуры рабочей кормовой смеси. Таким образом, внесение ультрадисперсных (нано-) компонентов в рабочую кормовую смесь возможно только на этапе финишного напыления. Полученные результаты легли в основу ряда технических решений, реализация которых позволила повысить эффективность приготовления комбинированных кормов на основе применения ультрадисперсных материалов, одним из которых является внесение наноматериалов с помощью специального дозатора. Данное техническое устройство должно учитывать особенности внесения ультрадисперсных материалов в виде порошка или суспензии. Разработана конструкция пневматического дозатора жидкообразных ультрадисперсных материалов, закрепленная патентом РФ [7, 8]. На рисунке 4 показан фрагмент стандартной промышленной линии по производству комбикормов с включением авторского дозатора на финишном участке. Лабораторные эксперименты по внесению металлов-микроэлементов в ультрадисперсном виде в кормовую смесь проводились на базе инженерного факультета Оренбургского ГАУ. Опытный образец дозатора проходит апробацию в ходе производственных экспериментов в учебном хозяйстве университета.
Установка финишного напыления
Охладитель
Пневматический дозатор жидкообразных ультрадисперсных материалов
Зона фасовки
Рис. 4. Фрагмент технологической линии по производству комбикормов с включением дозатора
ультрадисперсных материалов
Выводы. Проведенные исследования позволили авторам разработать один из подходов к повышению эффективности промышленного производства комбинированных кормов на основе использования инновационных компонентов: экспериментально установлено влияние условий формирования рабочей кормовой смеси на свойства ультрадисперсных порошков металлов-микроэлементов; на основе анализа совокупности технологических условий и динамики свойств ультрадисперсных материалов получено инженерно-техническое решение проблемы дозирования нанопорошков металлов-микроэлементов в технологическом процессе промышленного приготовления комбикормов.
Литература:
1. Чкалова М.В., Павлидис В.Д. Система показателей эффективности технологического оборудования в кормопроизводстве // Техника и технологии в животноводстве. 2021. № 2(42). С. 68-73.
2. Application of nanopowders in industrial production of mixed feed / M. Chkalova etc. // IOP Conference Series. Yogyakarta, 2020. P. 012065.
3. Сизова Е.А. Сравнительная характеристика биологических эффектов разноразмерных наночастиц меди и железа // Вестник РСХН. 2017. № 3. С. 13-17.
4. Muangpratum P. The Effect of Temperature on the Electrical Characteristics of Nanofluids Based on Palm Oil // Int. J. Eng. Techol. Sci. 2021. № 53(3). P. 210312.
5. Development of equipment for producing feed mixtures with nanoparticles of scarce micronutrients / A. Belov etc. // Engineering for Rural Development. 2020. P. 1757.
6. Жарков С.М. Методы современной просвечивающей электронной микроскопии в исследовании материалов // Журнал СФУ. 2009. Т. 2. № 4. С. 294-306.
7. Св-во для ЭВМ 2021614875 РФ. Мобильное приложение для динамического расчета параметров пневматического дозатора ультрадисперсных материалов / Чкалова М.В. и др. Заяв. 11.01.21; Опубл. 31.03.21.
8. Пат. 2716034 РФ. Пневматический дозатор жидко-образных ультрадисперсных материалов / М.В. Чкалова. Заяв. 24.12.18; Опубл. 05.03.20.
Literatura:
1. CHkalova M.V., Pavlidis V.D. Sistema pokazatelej ef-fektivnosti tekhnologicheskogo oborudovaniya v kormo-proizvodstve // Tekhnika i tekhnologii v zhivotnovodstve. 2021. № 2(42). S. 68-73.
2. Application of nanopowders in industrial production of mixed feed / M. Chkalova etc. // IOP Conference Series. Yogyakarta, 2020. P. 012065.
3. Sizova E.A. Sravnitel'naya harakteristika biologiches-kih effektov raznorazmernyh nanochastic medi i zheleza // Vestnik RSHN. 2017. № 3. S. 13-17.
4. Muangpratum P. The Effect of Temperature on the Electrical Characteristics of Nanofluids Based on Palm Oil // Int. J. Eng. Techol. Sci. 2021. № 53(3). P. 210312.
5. Development of equipment for producing feed mixtures with nanoparticles of scarce micronutrients / A. Belov etc. // Engineering for Rural Development. 2020. P. 1757.
6. ZHarkov S.M. Metody sovremennoj prosvechivayush-chej elektronnoj mikroskopii v issledovanii materialov // ZHumal SFU. 2009. T. 2. № 4. S. 294-306.
7. Sv-vo dlya EVM 2021614875 RF. Mobil'noe prilozhe-nie dlya dinamicheskogo rascheta parametrov pnevmati-cheskogo dozatora ul'tradispersnyh materialov / CHkalova M.V. i dr. Zayav. 11.01.21; Opubl. 31.03.21.
8. Pat. 2716034 RF. Pnevmaticheskij dozator zhidkoob-raznyh ul'tradispersnyh materialov / M.V. CHkalova. Zayav. 24.12.18; Opubl. 05.03.20.
PROSPECTS OF ULTRADISPERSED COMPONENTS IN COMBINED FEED INDUSTRIAL PRODUCTION USING M.V. Chkalova, candidate of technical sciences, docent V.D. Pavlidis, candidate of physical-and-mathematical sciences, professor FGBOU VO "Orenburg GAU"
Abstract. The results of ultradispersed (nano-) powders' dosing at combined feed's industrial producing problem's technical solution analysis and justification are presented. The authors are conducting research aimed at high-tech combined feeds obtaining with trace metals in nanopowders or suspensions' form using. Based on the standard industrial feed producing line operation's technological conditions analysis, a method of laboratory experiments aimed at the nanomaterials properties at temperature conditions, humidity, residual magnetic and electromagnetic induction modeling study was developed. Laboratory and productive experiments on the engineering faculty of the Orenburg state agrarian university's basis were conducted. The main equipment for temperature effects and humidity changes modeling were muffle furnaces, the magnetic field in a microwave oven was modeled. Processed Fe2O3 and Fe3O4 iron oxide nanopowders' samples by contact atomic force microscopy method were studied. The iron oxides' ultradispersed powders synthesized by the electric explosion method's stability to oxidation and sintering at room temperature has been reliably established, and the influence of the working feed mixture's conditions on these metals' ultradispersed powders properties formation has been shown. The engineering-and-technical solution to the metals-microelements' nanopowders dosing problem at the feed mixture preparing process to the compound feeds' industrial producing standard technological process is adapted. The developed technical device takes into account the peculiarities of ultradispersed materials in the suspension form introducing. The liquid ultradispersed materials pneumatic dispenser's design by the Russian Federation's patent is fixed. Keywords: compound feed production, efficiency, nanopowders, experimental method.
