CC BY
17
УДК 636.086.55.001.57
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМБИКОРМОВ ИЗ ВЛАЖНОГО ФУРАЖНОГО ЗЕРНА
Н.П.Мишуров
Представлены результаты экспериментальных исследований микронизации зерна с использованием разработанной математической модели адекватно описывающей процесс.
Ключевые слова: комбикорма, технология, ресурсосбережение, экспериментальные исследования, математическая модель, продуктивность животных.
Одной из основных технологических операций послеуборочной обработки фуражного зерна является его сушка, т. к. влажность поступающего с поля зернового вороха (табл. 1) значительно превышает значения, обеспечивающие длительное хранение продукта без его порчи [1].
Таблица 1. Влажность поступающего с поля зерна колосовых культур по зонам Российской Федерации
Зоны возделывания Влажность, %
Северо-Западный р-н 27,5
Центральный р-н 22,0
Волго-Вятский р-н 24,0
Центрально-Черноземный р-н 19,0
Поволжский р-н:
Северная часть 20,0
Южная часть 15,0
Северо-Кавказский р-н 16,0
Уральский р-н:
Северная часть 25,0
Южная часть 16,0
Западно-Сибирский р-н:
Северная часть 25,0
Южная часть 21,0
Восточно-Сибирский р-н 26,0
Дальневосточный р-н 26,0
Для сушки свежеубранного фуражного зерна используется достаточно сложное и дорогое оборудование, эксплуатация которого связана с большими затратами энергии. Так, на сушку 1 т высоковлажного фуражного зерна расходуется только жидкого топлива до 25 л [2]. В то же время особенность фуражного зерна, связанная с его целевым назначением, заключается в том, что его предпочтительно скармливать животным или подвергать какой-либо предвари-
тельной обработке во влажном состоянии. Так установлено, что тепловая обработка влажного зерна требует меньших затрат энергии, а позитивные структурные изменения, происходящие в зерне при этом, более глубокие.
Однако следует отметить, что влажное зерно не подлежит длительному хранению. Учитывая это и тот факт, что в хозяйствах, использующих на фуражные цели зерно собственного производства, испытывают трудности с сушкой зерна в период массовой уборки урожая, в нашей стране и за рубежом разработаны способы сохранения зерна во влажном состоянии. Анализ существующих технологий консервации влажного зерна показал, что одним из наиболее предпочтительных способов является химическое консервирование, отличающееся простотой и возможностью быстрого внедрения.
Химическое консервирование основано на смешивании зерновой массы с химическими веществами, обладающими фунгицидными и бактерицидными свойствами. Консервант вызывает необратимое угнетение жизнеспособности зерна, гибель микроорганизмов и ликвидирует, таким образом, основные причины интенсивного дыхания зерновой массы, ее самосогревания и плесневения.
Исходя из этого наиболее целесообразно, с точки зрения ресурсосбережения, энергоемкую операцию сушки свежеубранного фуражного зерна заменить на менее энергоемкое химическое консервирование влажной зерновой массы.
Повышение молочной продуктивности животных и эффективности молочного скотоводства в целом требует использования высококачественных кормов. Одним из важнейших структурных компонентов рациона коров является комбикорм. От его качества (питательная ценность, санитарное состояние и др.) главным образом и зависит молочная продуктивность коров.
В свою очередь питательная ценность комбикормов в значительной степени зависит от качества подготовки фуражного зерна, являющегося основным структурным компонентом комбикорма. Одним из перспективных способов предварительной подготовки зерновых компонентов комбикормов является микронизация - тепловая обработка фуражного зерна мощным потоком ИК-излучения. При микронизации, наряду с повышением питательности, улучшаются вкусовые качества зерна, снижаются энергозатраты организма животного на переваримость кормов, уменьшается механическая прочность зерна, происходит инактивация грибной и бактериальной микрофлоры зерна [3].
В результате исследований с использованием метода планирования эксперимента нами была разработана математическая модель процесса микрониза-ции. Эксперименты выполнялись по сверхнасыщенному многоуровневому плану, составленному специально для данного исследования и по критерию Боза-Кокса наилучшим образом соответствующему задаче математического описания процесса. При составлении плана был использован метод случайного баланса, суть которого заключается в записи в случайном порядке уровней каждой переменной в соответствующем этой переменной столбце.
Обработку экспериментальных данных проводили по специальной программе, реализующей обобщенный алгоритм построения полиномиальных моделей по многоуровневым сверхнасыщенным планам. Выбор модели, адекватно описывающей процесс при 5%-ном уровне значимости и обладающей высокой предсказательной способностью, осуществили путем дискриминации полученных вариантов методом частных сравнений.
В качестве нуль-гипотезы в этом случае принимаются наличие высокой предсказательной способности модели в центральной части описываемой ею области факторного пространства.
В итоге были выбраны уравнения, которые и являются математической моделью процесса микронизации:
У1 = 81,4 + 17,7Х2 + 17,4Х3 +1,85Х4 - 0,67Х12 - 0,92Х32 + 6Х52 - 0,37Х12Х4 -0,27Х12 + 1,04Х52Х2 + 1,19Х52Х3 + 1,2Х1Х5 + 6Х2Х3 - 5,8Х2Х5 - 5,3Х3Х5 + 0,46Х1Х2Х3 - 1,44Х2Х3Х5 и
У2 = 5,6 - 0,06Х1 + 0,014Х2 + 0,038Х3 - 0,25Х4 - 0,124Х5 - 0,045Х12 + 0,053Х52 - 0,0213Х32 + 0,192Х22Х4 + 0,0305Х32Х4 + 0,0365Х3Х4 + 0,044Х4Х5 -0,025Х2Х4Х5 где:
У1 - удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т; У2 - качество конечного продукта (количество декстринов), % Х1 - влажность зерна, %; Х2 - время обработки, с;
Х3 - удельная мощность источников излучения, кВт/м ;
Х4 - расстояние от источников излучения до вибрирующей поверхности, м;
Х5 - высота слоя зерна, м.
Полученная модель была использована для оптимизации факторов, входящих в ее состав. Критерием оптимизации в данном случае был удельный расход электроэнергии У1, а качество конечного продукта У2 - ограничением. В результате расчетов были определены оптимальные значения факторов, позволяющие получать микронизированное зерно необходимого качества (У2 > 6,5 %) с минимальными удельными затратами электроэнергии (У1 = 84 кВт-ч/т): Х1=19,9 %; Х2 = 73 с; Х3 = 37,5 кВт/м2; Х4 = 0,04 м; Х5 = 0,0125 м.
Минимальные затраты энергии на выполнение процесса микронизации получены при влажности зерна 19,9 %. На практике с поля зерно поступает и консервируется с различной исходной влажностью. В этом случае целесообразнее будет не доводить зерновую массу до оптимального значения влажности, а обрабатывать продукт с его естественной влажностью. Но и в этом случае необходимо выполнять процесс микронизации с оптимальными для конкретной влажности зерна параметрами. Таким образом, возникает необходимость оптимизации процесса микронизации фуражного зерна с различной исходной влажностью. Эта задача была решена в результате дальнейшего исследования математической модели процесса микронизации. При этом влажность фиксирова-
лась на определенном уровне, а оптимальные значения факторов и удельные энергозатраты определялись путем решения компромиссной задачи.
Анализ полученных результатов показал, что оптимальные значения расстояния от источников излучения до вибрирующей плоскости (Х4), при любой исходной влажности зерна принимают свое минимальное значение. В связи с этим можно рекомендовать осуществлять выбор этого параметра, исходя из конструктивных или иных соображений, минимально возможным. Зависимость оптимальных значений остальных факторов и минимальных значений энергозатрат от исходной влажности зерна имеют экстремум, область которого определена ранее в результате оптимизации процесса микронизации без фиксации каких либо факторов на определенных уровнях. Следует отметить тот факт, что процесс микронизации сухого зерна (влажностью 14 %) осуществляется с меньшими энергозатратами ^=95 кВт-ч/т), чем увлажненного до 29 % ^^100 кВт-ч/т).
В результате исследований математической модели были получены уравнения, позволяющие определять оптимальные значения факторов при различных значениях исходной влажности зерна:
X2 = 463,3 - 49,9X1 + 2,024Xl2 + 0,0254^;
Xз = 64,2 - 2^ + 0,064X12;
X5 = 0,0342 - 0,0022X1 + 0,00006^2;
^ = 188,1 - 9,98X1 + 0,24Xl2 + 0,00001X1^
С целью снижения энергоемкости процесса микронизации обработке подвергался виброкипящий слой фуражного зерна. Виброкипение с интенсивной циркуляцией частиц сыпучего материала реализуется в режимах с их подбрасыванием.
В результате теоретических исследований было получено условие, определяющее одновременно область существования и устойчивости режимов с непрерывным подбрасыванием модели слоя фуражного зерна
(1+к)пр4п2р2 (1-Я2)2 + 4(1 + Я2)2 , (1)
1+Я 0 (1+Я)2У
где:
Wо - параметр вибрации;
k - коэффициент, учитывающий влияние вышележащих слоев на материальную частицу;
R - коэффициент восстановления;
p - кратность периода переключений ^=1,2...).
Коэффициент k имеет функциональную связь от влажности и высоты слоя зерна, вид которой был определен в ходе специальных экспериментальных исследований:
k = 0,46 + 20h - 0,0Ш - 0,03hW - 300^ - 0,008W2 (2)
Численные значения коэффициента восстановления в зависимости от влажнос-
ти зерна также были определены в ходе экспериментальных исследований: R = 0,385 + 4,440-3№ - 3,3-10-^2 (3)
Полученные из выражения (1) значения параметра вибрации позволяют определить амплитудно-частотные характеристики режима вибротранспортирования, угол вибраций и угол наклона вибрирующей поверхности по следующей зависимости:
^ = А^ып /3, (4)
gco ъа
где:
A - амплитуда вибраций, м;
ю - угловая частота колебаний, с-1;
в - угол вибраций, град.;
g - ускорение свободного падения, м2/с;
а - угол наклона вибрирующей плоскости, град.
В результате теоретических исследований методом анализа размерностей было получено выражение для определения средней скорости вибротранспортирования:
-(5) где:
D - постоянный коэффициент; ^ d, e, f - показатели степени; h - высота слоя зерна, м; i - уклон вибрирующей поверхности; W - влажность зерна, %.
В результате экспериментальных исследований были получены следующие численные значения постоянного коэффициента и показателей степени: D = 0,157 , c = -0,49, d = -0,22, e = 0,42, f = -0,38.
С использованием результатов проведенных исследований была разработана и изготовлена экспериментальная установка для микронизации фуражного зерна, транспортирующий орган которой представлял собой вибрационный транспортер, а в качестве источников ИК-излучения использовались кварцево-галогенные лампы типа КГ 220-1000. Конструктивные особенности установки позволяли регулировать значения ее рабочих параметров в достаточно широком диапазоне, тем самым имелась возможность обеспечения оптимальных значений влияющих на процесс микронизации факторов. На базе этой установки скомплектована технологическая линия обработки влажного зерна, в состав которой, помимо микронизатора, входили плющилка с рифлеными вальцами и порционный смеситель, разработанные специалистами ГНУ ВИЭСХ.
Эффективность использования комбикормов, приготовленных на технологической линии, была изучена в колхозе им. Радищева Смоленской области совместно со специалистами ГНУ ВИЖ. Для этого были сформированы четыре
группы животных: одна контрольная (применялся традиционный для этого хозяйства тип кормления) и три опытных (использовались различные варианты кормления). Основной рацион коров всех четырех групп был одинаковым и состоял из сена, силоса, кормовой свеклы и гранул травяной муки зимой и зеленого корма летом. Кроме того, коровам первой контрольной группы скармливали зерносмесь ячменя и овса влажностью 10 % в виде дерти, второй группы -ячмень такой же влажности, подвергнутый микронизации и плющению, третьей - ячмень влажностью 22-27 %, законсервированный с помощью концентрата низкомолекулярных жирных кислот в дозе 1,0-1,5 % и обработанный способом холодного плющения, и четвертой - тот же ячмень, обработанный способом последовательной микронизации и плющения.
Балансировали рационы по протеину, минеральным веществам и витаминам по всем группам скармливания БВД в количестве 20-25 % от массы концентратов следующего состава: шрот подсолнечный - 49 %, шрот соевый - 17, кормовые дрожжи - 11,3, рыбная мука - 8,7, кормовой фосфат - 6, соль - 4, премикс - 4 %. Опыт продолжался в течение всей лактации, которая составила по группам соответственно 276, 271, 280 и 277 дней.
Анализ полученных данных (табл. 2) показал, что валовый удой натурального молока у коров опытных групп был выше по сравнению с контрольной группой на 264, 348 и 586 кг соответственно, или на 5,5, 7,1 и 11,9%.
Таблица 2. Результаты научно-хозяйственного опыта (значения показателей приведены в расчете на одну голову)
Показатели Группы коров
I II III IV
Валовый удой натурального молока, кг 4875 5121 5223 5464
Среднесуточный удой натурального молока, кг 17,7 18,9 18,7 19,7
Содержание жира в молоке, % 3,66 3,67 3,71 3,66
Валовый надой молока 4%-ной жирности, кг 4628 4874 5004 5182
Среднесуточный удой молока 4%-ной жирности, кг 16,8 17,9 17,8 18,7
Затраты кормов на 1 кг молока 4%-ной жирности: кормовых единиц комбикорма, г 0,8 256 0,77 245 0,78 244 0,76 235
Уровень рентабельности производства молока,% 39,18 42,65 41,15 42,74
Среднесуточный удой натурального молока у коров опытных групп также был выше на 1,1, 1,0 и 2,0 кг соответственно, или на 5,6-11,3 % выше по сравнению с контрольной группой. Затраты концентрированный кормов на производство! кг молока у коров опытных групп были на 11-21 г (4,3-8,2%) ниже, чем у коров контрольной группы. Существенных различий по содержанию жира в молоке не наблюдается, хотя отмечена некоторая тенденция к увеличению
концентрации жира в молоке у коров 3-ей группы.
Таким образом, установлено, что применение опытных партий комбикормов приводит к увеличению продуктивности животных по сравнению с контролем. Наибольшая молочная продуктивность коров наблюдается у животных 4-ой группы.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что для подготовки влажного зерна к скармливанию можно рекомендовать следующую технологию: после уборки влажное зерно (с естественной влажностью) подвергается химическому консервированию (с использованием концентрата низкомолекулярных жирных кислот) и отправляется в склад для хранения; по мере необходимости законсервированное зерно направляется на обработку, где оно последовательно сначала подвергается микронизации (с оптимальными параметрами, соответствующими исходной влажности), а затем плющению; полученные хлопья используются для приготовления комбикорма соответствующего рецепта и далее готовый продукт отправляется на ферму для скармливания его животным.
Литература:
1. Нормы технологического проектирования семейных ферм зернового направления и зерно-перерабатывающих предприятий малой мощности. НТП-АПК 1.10.10.001-02. - М.: Минсель-хоз России, 2002. - 30 с.
2. Перекопский, А.Н. Опыт плющения и консервирования влажного фуражного зерна в Ленинградской области / А.Н.Перекопский, Л.Н.Баранов, В.С.Тихонравов.- М.: ФГНУ «Росин-формагротех», 2006. - 64 с.
3. Мишуров, Н.П. Перспективные технологии тепловой обработки комбикормов. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2006. - 84 с.
Мишуров Николай Петрович, кандидат технических наук, заведующий отделом ФГНУ «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса»
Тел. (495) 993-44-04
E-mail: fgnu@rosinformagrotech.ru
The results of experimental studies of grain micronization with the help of using the developed mathematical model which describes the process.
Keywords: animal feed, technology, resources, experimental study, a mathematical model, the productivity of animals.
