CC BY
5705.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства (технические науки) йО!: 10.25712/А8Т11.2072-8921.2019.02.002 УДК 664.346
РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР НА СЫРЬЕВЫЕ КОМПОНЕНТЫ
М. В. Копылов, И. Н. Болгова, Н. Л. Клейменова, А. В. Терёхина,
Е. Ю. Желтоухова
Предложена ресурсосберегающая технология комплексной переработки масличных культур на компоненты с целью безотходного использования вторичных сырьевых продуктов производства, технологическая линия с примерным перечнем оборудования для реализации рассматриваемой технологии. В ходе переработки сырья получают кормовые гранулы, обогащенные жировитаминными добавками, которые могут использоваться не только в качестве корма для крупного рогатого скота, птиц, а также для рыб в рыбовладельческих хозяйствах. Использование этого продукта переработки в качестве корма для животных ускоряет рост молодняка, укрепляет иммунитет, повышает яйценоскость птиц. Получаемое биотопливо является отличной альтернативой для сельскохозяйственной техники, применяемой в малых и крупных фермерских хозяйствах, за счет отсутствия негативного взаимодействия с окружающей средой. Проведено сравнение экологических показателей по вредным выбросам традиционного дизельного топлива с биодизельным, а также стоимостных характеристик топливных гранул с другими видами топлива, возможность использования лузги в качестве альтернативного наполнителя теплоизоляционных материалов и при производстве керамики. Технологическая линия может быть адаптирована как под крупные перерабатывающие масличное сырье предприятия, так и под малые хозяйства со сроком окупаемости в течение четырех лет.
Ключевые слова: масличные культуры, комплексная переработка, ресурсосберегающая технология, масло, жмых, фуз, биотопливо, глицерол.
В настоящее время переработка вторичного сырья приобретает большую проблему. Во всем мире ведутся разработки, направленные на создание новых видов потребительской продукции, способной разлагаться в кратчайшие сроки в почве и не наносить вред окружающей среде. Западноевропейские страны используют раздельный метод сбора отходов с дальнейшей их переработкой и получением вторичных материалов. Такая же проблема возникает и с отходами крупных пищевых предприятий, связанных с переработкой растительных культур.
При получении растительных масел из семян подсолнечника, горчицы, рапса, амаранта и др. образуются отходы в виде жмыха и шрота, 10-15 % которых идут на корм животных, а остальное выбрасывается на полигоны.
Для комплексной переработки растительного масличного сырья предлагается ресурсосберегающая технология комплексной переработки масличных культур на такие компоненты, как масло, жмых, фуз, биотопливо и глицерол (рис. 1) [8].
Ресурсосберегающая технология комплексной переработки сырья масличных
культур на компоненты включает в себя силос для накопления масличного сырья 1.
В нижней части силоса для накопления масличного сырья 1 установлен автоматический шиберный питатель 2, предназначенный для точного дозирования исходных масличных культур. С помощью конического желоба 3, масличные культуры проходят через весовой контроллер 4. На вибропросеивателе 5 из семян масличных культур удаляют различные примеси, например, щебень, песок, травы, цветки и т.п. Здесь же с помощью магнитной головки удаляют и металлопримеси.
Для термовлажностной стабилизации исходного сырья монтируется комплекс 6, в котором семена масличных культур подсушиваются и увлажняются до заданных параметров. Подсушивание культур осуществляется электрокалорифером 9, в который с помощью воздуходувки 8 направляется воздух, очищенный от пылевых частиц фильтром 7.
Чанная жаровня 10 состоит из семи чанов диаметром 3,0 м. Верхний чан высотой 0,8 м, а остальные - 0,68 м. На валу, проходящем сквозь все чаны, устанавливаются ножи-мешалки (лопастные). Каждый чан имеет по паре ножей, а нижний - две пары, что позволяет ускорить выгрузку из чанной жа-
ровни масличных культур. Парный нож снабжен зубчатым рифлением, обеспечивая тем самым дополнительное разрыхление масличных культур. Вал приводится в движение при помощи мотор-редуктора.
1 - силос для накопления масличного сырья;
2 - автоматический шиберный питатель;
3 - конический желоб; 4 - весовой контроллер; 5 - вибропросеиватель; 6 - комплекс термо-влажностной стабилизации; 7 - фильтр; 8 - воздуходувка; 9 - электрокалорифер; 10 - чанная жаровня; 11 - ковшовый транспортер; 12 - форпресс; 13 - ленточный конвейер; 14 - аппарат для высушивания и брикетирования жмыхов; 15 - помпа; 16 - емкость для выдерживания масла; 17 - фасовочный автомат; 18 - емкость с метанолом; 19 - емкость с катализатором; 20 - порционный смеситель; 21 - кавитационный реактор; 22 -колонна для сепарирования; 23 - фасовочно-упаковочный автомат
Рисунок 1 - Ресурсосберегающая технология комплексной переработки масличных культур на сырьевые компоненты Ковшовый транспортер 11 подает масличные культуры в форпресс 12. В нем осу-
ществляется отжим масла. Это масло из емкости для сбора перекачивается помпой 15 в емкости для выдерживания 16. В каждой из этих емкостей устанавливаются фильтрующие элементы для фильтрования полученного продукта. Образовавшийся в процессе фильтрования фуз, с помощью помпы 15 направляется сначала в емкости на экспедицию.
Автоматом 17 осуществляется фасовка растительного масла в бутилированную тару.
Жмых перемещается из форпресса 12 в сушильный аппарат 14 ленточным конвейером 13. Сушильный аппарат 14 делится на две зоны. Сушка жмыха осуществляется в первой зоне аппарата, а во второй зоне уже сушеный жмых проходит брикетирование.
Готовый жмых упаковывают на фасо-вочно-упаковочном автомате 23.
Метанол и катализатор, используемые в процессе каталитического крекинга масла в сепарационной колонне 22, хранятся в емкостях 18 и 19, соответственно. Объемное дозирование метанола, растительного масла и катализатора проводится в порционном смесителе 20, там же осуществляется смешение этих продуктов. В результате реакции этери-фикации в кавитационном реакторе 21 получается смесь биотоплива с глицеролом, которая затем подвергается крекингу в колонне 22. Процесс разделения биотоплива и глице-рола контролируется несколькими датчиками вверху и низу колонны [3, 4].
Ресурсосберегающая технология комплексной переработки масличных культур на сырьевые компоненты работает следующим образом.
Масличное сырье из бункера 1 при помощи роторного дозатора 2 поступает в желоб 3, а затем по нему самотеком направляется на автоматические электронные весы 4.
С весов 4 масличное сырье под действием сил гравитации поступает в просеиватель 5, где происходит удаление сорных примесей, которые образовались в результате сбора и переработки масличного сырья. Ме-таллопримеси удаляются при помощи магнитного уловителя, установленного на выгрузном патрубке просеивателя 5. После очистки масличного сырья зараженность вредителями хлебных запасов не допускается, содержание сорных примесей должно быть не выше 1,5 %.
Очищенные масличные культуры поступают в комплекс термовлажностной стабилизации 6 для увлажнения или высушивания с целью доведения масличных культур до заданной влажности 6-9 %.
В комплекс термовлажностной стабилизации 6 дозируется паровоздушная смесь из
электрокалорифера 9 при помощи воздуходувки 8. После чего отработанная паровоздушная смесь поступает в фильтр 7 и затем направляется в электрокалорифер 9, цикл повторяется снова.
Из комплекса термовлажностной стабилизации 6 масличные культуры под действием сил гравитации подаются в чанную жаровню 10. В чанной жаровне 10 культуры подвергаются обработке острым паром, который подается из барботеров лопастной мешалки. С целью интенсификации процесса острый пар подается на поверхность материала через патрубок, расположенный под крышкой чана.
Масличные культуры из чанной жаровни 10 с помощью ковшового транспортера 11 поступают в форпресс 12, где осуществляется отжим масла. В форпрессе культуры транспортируются с помощью шнекового вала, который обеспечивает прессование сырья за счет постепенного уменьшения свободного объема между витками шнека и рабочей зе-ерной камерой, и как следствие, всего объема прессующего тракта в целом.
В форпрессе, на участке транспортирования сырья, материал имеет пористую структуру, и поэтому значительного прессования сырья не происходит. Дальнейшее транспортирование материала по рабочей камере форпрес-са обеспечивает сближение внешних поверхностей прессуемых частиц, уменьшая при этом свободный объем межвиткового пространства на участке уплотнения, заполняя маслом все имеющиеся поры [1, 7].
Повышение давления на участке уплотнения сырья, достигая экстремума на участке зеерной камеры, приводит к интенсивному извлечение масла. Материал приобретает уплотненную структуру с деформируемыми межклеточными структурами. Одновременно с этими явлениями происходит некоторое измельчение частиц, которое приводит к образованию дополнительных контактных поверхностей масла и белково-углеводной части, а также слипанием частиц. Однако, почти до центральной части прессующего канала подвергаемый прессованию материал все еще сохраняет свою рассыпчатую структуру [6].
Дальнейшее движение прессуемого материала вдоль форпресса стабилизирует, а затем останавливает отжим масла, и начинает происходить соединение частиц с образованием жмыха.
Образовавшееся сырое масло собирается с помощью конического маслосборника и по трубопроводной магистрали помпой перекачивается в емкости для выдерживания масла 16, где происходит оседание твердых
частиц (фуза).
Предварительно разделенное масло поступает в аппарат 17 для рафинации, дезодорации и фасования в бутилированную тару [2, 5].
Из емкостей для выдерживания 16 масло подают в порционный смеситель 20. В этот же смеситель одновременно с маслом дозированно подают метанол и катализатор из емкостей 18 и 19. В смесителе 20 проводится интенсивное смешение всех ингредиентов.
Полученную многокомпонентную смесь направляют в кавитационный реактор 21 на реакцию этерификации метанолом. Результатом этой реакции является смесь биотоплива и глицерола.
Смесь глицерола и биотоплива из кави-тационного реактора 21 перекачивается в колонну для сепарирования 22, где за счет разности плотностей осуществляется разделение на глицерол и биотопливо. Биотопливо, как вещество с меньшей плотностью, поднимается вверх, а глицерол опускается к низу колонны. Контролирование качества получаемых компонентов осуществляется с помощью датчиков, установленных в верхней и нижней частях колонны для сепарирования 22. Полученные в результате продукты по трубопроводам перекачиваются в емкости для хранения и дальнейшую транспортировку к потребителю [12].
Экологичность биотоплива очевидна. Например, 1 л минерального дизельного топлива можно загрязнить до 1 млн. л воды, а риск загрязнения окружающей среды при попадании в нее биотоплива минимален. Примерно за месяц 99 % биотоплива, попавшего в воду и почву, может быть переработано содержащимися там микроорганизмами, т.е. подвергнуто практически полному биологическому распаду.
Выделение углекислого газа при сгорании биотоплива осуществляется в количестве, равном количеству, потребляемому за все существование растением, из которого оно было произведено. Количество серы в биотопливе в сравнении с дизельным минимально [9, 11].
Кроме того, в высокоразвитых странах установлен лимит на компоненты выхлопных газов. На рис. 2 приведен сравнительный анализ выбросов дизельных двигателей при работе на сравниваемом топливе. Преимущества очевидны.
Очень часто количество вредных веществ в выбросах снижают за счет использования оксикатов [10], которые способны пре-
вращать углеводороды и окись углерода в углекислый газ и воду. Однако, стоит отметить, что присутствие серы отрицательным образом сказывается на катализаторе, «отравляя» его, как следствие - увеличение выбросов остаточных частиц.
Таким образом, практически полное отсутствие серы в биодизельном топливе является его неоспоримом преимуществом (в биотопливе серы < 0,001 %, а в дизельном топливе < 0,2 %).
120
ч®
§100 V у—H Ç-.
f80 I MI
liMllli
СО НС NO Остаточные Сажа
частицы
и Дизельное топливо ■ Бнодизельное топливо
Рисунок - 2 Сопоставление вредных выбросов при работе двигателей на дизельном и биодизельном топливе
Безопасность биотоплива обусловлена также наличием нулевого баланса двуокиси углерода, что в свою очередь достигается за счет уравновешивания количества углекислого газа (СО2). Следовательно, биодизельное топливо идеально подходит для использования современным обществом, которое заботится как о своем здоровье, так и о чистоте окружающей среды.
Таким образом, ресурсосберегающая технология комплексной переработки масличных культур на сырьевые компоненты позволяет безотходно перерабатывать исходные масличные культуры.
Биотопливо можно использовать в двигателях внутреннего сгорания
сельскохозяйственной техники в качестве самостоятельного топлива и в качестве добавки к дизельному топливу без каких-либо конструктивных изменений двигателя.
Гранулированный жмых используют в качестве пищевых добавок в рационе питания крупного рогатого скота, при этом оказывая положительное влияние на обмен веществ у домашних животных, ускорение роста молодняка, укрепление иммунной системы, а также для улучшения яйценоско-
сти птицы.
Глицерол используют в медицинской промышленности, пищевой индустрии, при производстве моющей и косметической продукции, в сельском хозяйстве, кожевенной отрасли, при производстве пластмасс, в лакокрасочной промышленности.
Топливные гранулы имеют постоянную температуру горения на протяжении длительного времени (4 и более часов). Это позволяет использовать их в качестве топлива для широкого спектра видов топок.
На рисунке 3 приведен сравнительный анализ стоимостной характеристики различных видов топлива для получения 17-109 Дж энергии. Очевидно, что удельная стоимость топливных гранул примерно такая же как у древесины.
Дгоагькм Мазут Пркросный Каменный Топливные Дреьеснна топливо ras уголь гранулы
Рисунок - 3 Сравнительный анализ стоимостной характеристики различных видов топлива
Анализируя химический состав и физико-химические свойства лузги подсолнечника, установлено, что её можно использовать вместо древесных отходов как органический наполнитель для изготовления теплоизоляционных материалов, а также в качестве выгорающей добавки в керамические массы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bogaert, Laurine. Characterization of oilseeds mechanical expression in an instrumented pilot screw press [Text] / Laurine Bogaert, Hebert Mathieu, Houcine Mhemdi, Eugene Vorobiev // Industrial crops and products, 2018. - Vol: 121. - Oct. - P. 106-113.
2. Фролова, Л.Н. Оптимизация параметров процесса получения биотоплива методами математического моделирования [Текст] / Л.Н. Фролова, В.Н. Василенко, М.В. Копылов, А.А. Дерканосо-ва, Н.А. Михайлова // Вестник международной академии холода, 2015. - №3. - С. 63-67.
3. Zhao, Xianhui. Investigated Cold Press Oil Extraction from Non-Edible Oilseeds for Future Bio-Jet Fuels Production [Text] / Xianhui Zhao, Lin Wei, James Julson, Yinbin Huang // Transportation and the environment: assessments and sustainability, 2017. -P. 243-276.
4. Buffi, Marco. Oilseed pressing and vegetable oil properties and upgrading in decentralised small scale plants for biofuel production [Text] / Marco Buffi, Matteo Prussi, Giulia Lotti, Francesco Martelli // International journal of oil gas and coal technology, 2017. -Vol: 14. - №1-2. - P. 91-109.
5. Копылов, М.В. Исследование кинетических зависимостей процесса получения рапсового масла на одношнековом маслопрессе [Текст] / М.В. Копылов, И.Н. Болгова, А.А. Аникин, А.В. Горбатова // Сборник научных трудов VI-ого Международного научно-технического Симпозиума «Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии СЭТТ - 2017» Международного научно-технического Форума «Первые международные Косыгинские чтения (11-12 октября 2017 года). Т. 2 / М.: ФГБОУ ВО «РГУ им. А.Н. Косыгина», 2017. -С. 138-140.
6. Willems, P. Hydraulic pressing of oilseeds: Experimental determination and modeling of yield and pressing rates [Text] / P. Willems, N. J. M. Kuipers, A. B. De Haan // Journal of food engineering, 2018. - Vol: 89. - №1. - P. 8-16.
7. Матеев, Е.З. Исследование качественных показателей сафлорового масла [Текст] / Е.З. Матеев, А.В. Терёхина, М.В. Копылов // Вестник ВГУ-ИТ, 2017. - № 3. - С. 109-113.
8. Faria, Douglas. Extraction of radish seed oil (Raphanus sativus L.) and evaluation of its potential in biodiesel production [Text] / Douglas Faria, Fernando Santos, Grazielle Machado, Rogerio Lourega, Paulo Eichler, Guilherme de Souza, Jeane Lima // AIMS energy, 2018. - Vol: 6. - №4. - P. 551-565.
9. Evon, P. Twin-screw extrusion: a key technology for the biorefinery [Text] / P. Evon, V. Vanden-bossche, L. Candy, P. -Y. Pontalier, A. Rouilly // Bio-
mass extrusion and reaction technologies: principles to practices and future potential, 2018. - Vol: 1304. -P. 25-44.
10. Khatri, Poonam. A cradle-to-gate assessment of environmental impacts for production of mustard oil using life cycle assessment approach [Text] / Poonam Khatri, Suresh Jain, Suneel Pandey // Journal of cleaner production, 2017. - Vol: 166. - P. 988-997.
11. Uitterhaegen, Evelien. Twin-screw extrusion technology for vegetable oil extraction: A review [Text] / Evelien Uitterhaegen, Philippe Evon // Journal of food engineering, 2017. - Vol: 212. - P. 190-200.
12. Toscano, V. Pilot plant system for biodiesel and pellet production from cardoon: technical and economic feasibility [Text] / V. Toscano, L. Sollima, C. Genovese, M. G. Melilli, S. A. Raccuia // IX International Symposium on Artichoke, Cardoon and Their Wild Relatives, 2016. - Vol: 1147. - P. 429-442.
Копылов Максим Васильевич, к.т.н., доцент кафедры ТЖ,ПАХПП ФГБОУ ВО «ВГУИТ», тел.: 8(920)216-61-43, e-mail: kopy-lov-maks@ yandex. ru
Болгова Инэсса Николаевна, к.т.н., доцент, доцент кафедры ТЖ,ПАХПП, ФГБОУ ВО «ВГУИТ», тел.: 8(910)246-88-86,e-mail: bolgovainessa@yandex.ru
Клейменова Наталья Леонидовна, к.т.н., доцент, доцент кафедры УКиТВБ, ФГБОУ ВО «ВГУИТ», тел.: 8(919)248-49-29,e-mail: klesha78@list.ru
Терёхина Анастасия Викторовна, к.т.н., доцент кафедры ТЖ,ПАХПП ФГБОУ ВО «ВГУИТ», тел.: 8(908)131-31-30, e-mail: gorbatova.nastia@yandex.ru
Желтоухова Екатерина Юрьевна, к.т.н., доцент кафедры ТЖ,ПАХПП ФГБОУ ВО «ВГУИТ», тел.: 8(920)415-21-15, e-mail: katsturova@gmail.com
