Системное проектирование ресурсосберегающей машинной технологии переработки семян амаранта Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 664

Системное проектирование ресурсосберегающей машинной технологии переработки семян амаранта

System designing of resource-saving machine technology of processing of seeds of amaranth

Доцент A.B. Журавлев, аспирант A.C. Марухин, аспирант А.В. Кирносов

(Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. 8(473)255-38-96 E-mail: alexjav2@mail.ru

Associate Professor A.V. Zhuravlev, Graduate Student A.S. Marukhin, Graduate Student A.V. Kurnosov

(Voronezh State University of Engineering Technologies) chair of cars and devices of food productions, tel. 8(473)255-38-96 E-mail: alexjav2@mail.ru

Реферат. В последнее время в России возрос интерес к амаранту как провольственной культуре. Семена амаранта являются источником для производства масла, содержащего до 8 % сквале-на. Масло амаранта отличается высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот по сравнению с насыщенными, что приближает его по качеству к облепиховому. Амарант в отличие от других зерновых содержит очень мало глютелинов, это очень важно для питания тех, кто обладает повышенной чувствительностью к зерновым из-за отсутствия у них ферментов, гидролизирующих глютелин, и поэтому нуждаются в аглютелиновой диете. Одним из факторов, лимитирующих широкое использование амаранта в народном хозяйстве России, является отсутствие технологий и оборудования для полной комплексной переработки амаранта. Процесс сушки в технологии переработки семян амаранта является одним из наиболее энергоемких, но именно здесь заключен наибольший потенциал снижения затрат в технологической линии переработки амаранта. Совершенствуя процесс сушки, можно добиться повышения качества готового продукта за счет разработки рационального высокоэффективного способа сушки, позволяющего обеспечить максимальную интенсивность процесса и минимальные затраты на его проведение, равномерно высушивать зерно амаранта и создать щадящие условия в процессе его сушки.

Summary. In recent years, Russia has increased interest in amaranth as promyshlennoi culture. Amaranth seeds are a source for the production of oils containing up to 8 % of squalene. Amaranth oil has a high content of unsaturated fatty acids compared to saturated, which brings it closer in quality to sea buckthorn. Amaranth unlike other grains, contains very little of glutelin, it is very important to supply those who possess high sensitivity to the grain due to the lack of enzymes, gidroliznaya glutelin, and therefore need to glutaminova diet. One of the factors limiting the widespread use of amaranth in the national economy of Russia is the lack of technology and equipment for complex processing of amaranth. The drying process in the technology of processing of amaranth seeds is one of the most energy-intensive, but it is here concluded the greatest potential to reduce costs in the technological line of processing of amaranth. Improving the drying process it is possible to improve the quality of the finished product through the development of a highly efficient method of drying, to provide maximum intensity and the minimum cost to conduct, uniformly dried amaranth grain and create gentle conditions in the drying process.

Ключевые слова', амарант, новые способы сушки, совершенствование техники.

Keywords: amaranth, new methods of drying, perfecting his technique.

© Журавлев A.B., Марухин А.С., Кирносов A.B., 2016

Амарантовое масло по сбалансированности наиболее близко к облепиховому и оливковому маслам, однако содержит значительное количество сквалена. Сква-лен в организме регулирует липидный и стероидный обмен и обладает противоопухолевой и ранозаживляющей активностью.

На рис. 1 приведена разработанная машинная технология переработки семян амаранта. Для системного и функционального анализа ресурсосберегающей машинной технологии линии комплексной переработки семян амаранта разработана операторная модель как система процессов (рис. 2).

I

?

56-

№

III

т » »

II

ооошоооа

ПТТ

I

г

' . -

Рис. 1. Машинно-аппаратурная схема линии безотходной переработки семян амаранта

Семена амаранта поступают с поля и направляются в бункер накопительный 1 для их кратковременного хранения, из которого семена амаранта подаются в машину очистительную 2 (для очистки от примесей с геометрическими размерами, отличающимися от размера семян амаранта). Семена амаранта в машине очистительной 2 направляются на верхнее сито (с размером ячеек 1,4 мм), затем попадают на нижнее сито с размером ячеек 0,8 мм. Крупные примеси удаляются сходом с верхнего сита, мелкие примеси проходят через отверстия на нижнем сите и удаляются сходом.

Очищенные семена направляются в сушильный аппарат 3 с закрученными потоками теплоносителя. Семена высушиваются до относительной влажности И/отн = 12 %. При данной влажности выход масла максимальный. Сушильный аппарат с закрученными потоками теплоносителя осуществляет интенсивный процесс сушки в «щадящем» режиме. Регулирование времени пребывания семян в сушильной камере обеспечивает получение качественных сухих семян амаранта.

Высушенные семена поступают в очистительную установку 4 для окончательной очистки от примесей. Очистка основана на различии скорости витания семян и других примесей. Очистка происходит в два этапа. Первый этап - очистка от примесей с меньшей скоростью витания, чем семена амаранта. Второй этап - очистка от примесей с большей скоростью витания, чем семена амаранта. Очищенные семена направляются в буферную емкость 5 и далее в шнековый пресс 6. В нем семена прессуются и получается амарантовое масло в «чистом» виде.

Амарантовое масло в «чистом» виде собирается в буферной емкости 7, а амарантовый жмых направляется на измельчение. Такое амарантовое масло подают на очистку (фильтрацию) и направляют на фасование. Получают первый продукт - масло амарантовое в «чистом» виде.

Жмых направляют на измельчение в дробилку 8, после чего его заливают растительным рафинированным дезодорированным маслом (хлопковым, подсолнечным, кукурузным и т.д.) в соотношении амарантовый жмых-масло 1:0,6... 1:1 и осуществляют экстракцию в экстракторе 9.

Экстракцию оставшегося в нем амарантового масла осуществляют в два этапа: на первом (предварительная экстрация) - экстракцию проводят при температуре 323...328 К.

Экстрактор 9 разделен на две участка: участок интенсивного смешения и участок экстракции. Он представляет собой горизонтальную корытообразную емкость, внутри которой размещен медленно вращающийся вал с расположенными на нем перемешивающими лопастями. Смесь амарантового жмыха и растительного рафинированного дезодорированного масла из экстрактора 9 направляют в буферные емкости 10. В них осуществляется второй этап окончательной экстракции путем выстойки 48 ч. Буферные емкости 10 заполняют последовательно.

Смесь амарантового жмыха и растительного дезодорированного масла из буферных емкостей 10 направляется в шнековый пресс 11. После прессования получают еще два продукта: растительное масло, обогащенное амарантовым маслом, и обезжиренный амарантовый шрот с высоким содержанием белка.

Из шнекового пресса 11 растительное масло, обогащенное амарантовым маслом, направляют в накопительную буферную емкость 12. Из емкости 12 растительное масло направляют на очистку и фасование. Из шнекового пресса 11 обезжиренный амарантовый жмых направляют в накопительную буферную емкость 13. Из емкости 13 жмых направляют на грануляцию и фасование или сразу на фасовку.

Разработанная машинная технология безотходной переработки семян амаранта позволяет производить широкий ассортимент готовой продукции, отличающейся высоким качеством: качественное амарантовое масло в «чистом» виде, растительное масло, обогащенное амарантовым маслом, обезжиренный амарантовый шрот с высоким содержанием белка.

1

/ 4 С

__

Рис. 2 Операторная модель технологической системы безотходной переработки семян амаранта: А - подсистема образования готовой продукции, содержащая операторы: I - получение растительного масла и шрота; II- прессование амарантового жмыха; В подсистема получения чистого амарантового масла и жмыха; содержащая операторы: I- измельчение амарантового жмыха с последующей экстракцией; II - прессование семян амаранта; С - подсистема подготовки семян амаранта к сушке, содержащая операторы: 7- сушка семян амаранта с последующей очисткой от легких примесей; II - очистка семян амаранта от крупных, мелких и минеральных примесей.

Состав оборудования: 1 - накопительный бункер; 2 - ситовая очистительная установка; 3 - вихревая сушилка; 4 - воздушная очистительная установка; 5 - буферная емкость для семян; 6 - шнековый пресс (для получения чистого амарантового масла); 7 - буферная емкость для амарантового масла; 8 - измельчитель амарантового жмыха; 9 - экстрактор; 10 - емкости для выстойки жмыха и масла; 11- шнековый пресс (для получения шрота и растительного .масла); 12 - буферная емкость для растительного масла; 13 - буферная емкость для шрота

При проектировании поточно-механизированного производства важную роль играет определение оптимального количества оборудования, степень его загруженности, а также использования производственных площадей. При решении данной задачи необходимо учитывать такие случайные факторы, как время обслуживания, поломка отдельных устройств, время, требуемое на их устранение, а также ряд факторов, влияющих на эксплуатацию этого оборудования [5, 6, 7].

Известно, что время обработки одного потока сырья одним аппаратом описывается показательной функцией с параметром ц, причем вероятность того, что время обслуживания 1обс меньше í определяется по формуле

Р{1ес<*}=П0 = 1-е

№

где - положительная постоянная величина; Р(1) - функция распределения; t

- время нахождения партии продукции в технологической системе.

В технологическую систему на обработку поступает простейший поток сырья с параметром А. Это значит, что поток стационарный, ординарный, без последействия. Вероятность поступления единичных партий сырья или полуфабрикатов в промежуток времени t равна К требований и определяется по формуле Пуассона:

/>,(') - «Л

4 К\

где Л>0 - плотность потока сырья или полуфабрикатов; К - число аппаратов или машин, занятых обработкой. Параметры технологической системы рассчитывают в следующей последовательности.

Определяется параметр а:

Вероятность того, что все машины или аппараты свободны и ожидают приема партий сырья при определяется по формуле

0 ак а"

¡ко К\ (п-Щп-а)

Вероятность того, что все машины или аппараты осуществляют обработку сырья или полуфабрикатов при " определяется по формуле

ГУ" . Р

Ж = -

(п-\)\{п-а)

(1)

Среднее время ожидания каждой партией своей обработки:

_ 71 • \

_ -^ (2)

ож

п-а

где 7 - — - среднее время обработки партий в технологической системе. Общее время нахождения партии в машине или аппарате:

^общ ^обр ^ож '

Вероятность того, что занято обработкой К единиц оборудования определяется по формуле

/у"

Р = — Р при \<К<Л. (4)

" к\

Среднее число партий, которое находится в машинах или аппаратах:

Рп-а п-Р а" ...

11 а п | 1-

V п ,

а (Х-1)Г

п

Р •а

где Мож =---^ ~ средняя длина очереди.

/ а

п\ 1-

I »

Технологические линии производства целесообразно рассматривать как многоканальную, многофазную систему с ограниченным временем ожидания обработки потока сырья.

Ниже приводится методика расчета оптимального количества единиц технического оборудования в соответствии с предлагаемой методикой системного проектирования и функционирования технологических линий.

Определим оптимальное количество прессов, экстракторов, очистительных и сушильных установок.

Продолжительность сушки, экстракции, обжарки и прессования должна удовлетворять технологическим требованиям (сушка не более 3 ч, экстрагирование не менее 5 ч, очистка 30 мин, прессование не менее 1 ч), объем производства по запланированным показателям 200 т в мес.

Пусть в технологическую систему на обслуживание поступает простейший поток полуфабрикатов с параметром Л=20 партий в мес. Массовое количество продукции в одной партии равно 10 т. Единовременная загрузка установок равна 0,3 т.

Количество прессов, экстракторов, очистительных и сушильных установок рассчитывают по уравнениям (1) - (5).

При увеличении числа ситовых очистительных установок до 3 снижает продолжительность очистки при одновременном сокращении длины очереди в 4 раза (табл. 1).

Таблица 1

Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве очистительных установок (ситовых), шт

2 3 4 5

Ро 0,091 0,163 0,137 0,090

п 0,877 0,308 0,083 0,016

£,ж, сут 0,091 0,007 0,001 0,0002

£>бш, сут 0,216 0,131 0,126 0,1252

Мож, т 4,950 1,208 0,735 0,499

М, т 6,950 4,910 6,150 7,040

Увеличение числа сушильных установок до 3 существенно снижает продолжительность сушки при одновременном сокращении длины очереди в 2,5 раза (табл. 2).

Таблица 2

Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве сушильных установок, шт

2 3 4 5

Ро 0,151 0,266 0,211 0,136

к 0,806 0,342 0,083 0,015

<ож, СуТ 0,017 0,002 0,0003 0,00004

/обш, СуТ 0,142 0,127 0,1253 0,12504

Мож, Т 2,778 1,096 0,629 0,396

М, Т 4,773 5,487 6,436 6,767

При увеличении числа воздушных очистительных установок до 3 снижается продолжительность очистки при одновременном сокращении длины очереди в 7,5 раз (табл. 3).

Таблица 3

Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве воздушных очистительных установок, шт

2 3 4 5

Ро 0,027 0,157 0,130 0,074

п 0,975 0,489 0,134 0,025

Ьяк, сут 0,115 0,005 0,0008 0,000001

¿общ, СуТ 0,198 0,088 0,0838 0,083001

Мож, Т 18,620 2,540 1,460 0,910

М, т 20,660 7,920 9,650 10,250

Увеличение числа прессов (для чистого масла) до 3 снижает продолжительность прессования при одновременном сокращении длины очереди в 2 раза (табл. 4).

Таблица 4

Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве прессов (для получения чистого масла), шт

2 3 4 5

Ро 0,345 0,435 0,357 0,267

к 0,621 0,209 0,044 0,007

*ож, СуТ 0,033 0,005 0,0007 0,0001

*о5щ, СуТ 0,241 0,213 0,2087 0,2081

Мож, Т 0,930 0,418 0,227 0,138

М, т 2,930 3,880 4,260 4,310

При увеличении числа измельчительных установок до 3 снижается продолжительность измельчения при одновременном сокращении длины очереди в 4 раза (табл. 5).

Таблица 5

Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве измельчительных установок, шт

2 3 4 5

Ро 0,057 0,183 0,149 0,141

тс 0,923 0,445 0,118 0,035

*ож, сут 0,135 0,006 0,002 0,0003

¿общ, сут 0,1975 0,0685 0,0645 0,0628

Мож, Т 8,280 2,000 1,160 1,170

М т 10,280 7,110 8,620 14,730

Увеличение числа экстракторов до 3 снижает продолжительность экстракции при одновременном сокращении длины очереди почти в 3 раза (табл. 6).

Таблица б

Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве экстракторов, шт

2 3 4 5

Ро 0,121 0,240 0,190 0,119

ТС 0,836 0,370 0,092 0,016

*ож, сут 0,0374 0,0046 0,0007 0,00008

¿общ, СУТ 0,0756 0,0428 0,0389 0,03828

Мож, Т 3,570 1,300 0,750 0,470

М т 5,560 5,890 6,950 7,330

При увеличении числа прессов (для получения шрота) до 4 снижается продолжительность прессования при одновременном сокращении длины очереди почти в 3 раза (табл. 7).

Таблица 7

Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве прессов (для получения шрота), шт

2 3 4 5

Ро 0,394 0,479 0,397 0,307

к 0,578 0,185 0,038 0,006

Ъж, сут 0,028 0,0042 0,0006 0,00007

¿общ, сут 0,2363 0,2125 0,2089 0,20837

Мож, т 0,753 0,503 0,177 0,107

м т 2,750 3,800 3,900 3,930

Результаты расчетов по приведенной методике хорошо согласуются с данными практики по проектированию технологических линий. Правильность определения оптимального количества установок подтверждается тем, что количество их удовлетворяет запланированному объему переработки семян амаранта и технологическому времени процессов очистки, сушки, прессования, измельчения и экстрагирования. На сегодняшний день данная машинная технология, реализованная ресурсосберегающей технологической линией с устойчивым целостным стабильным потоком, является наиболее перспективной, позволяющей получить наиболее качественные готовые продукты со сравнительно низкими капитальными и эксплуатационными затратами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Панфилов, В. А. Теория технологического потока [Текст]: учебник / В.А. Панфилов. - М.: КолосС, 2007. - 391 с.

2. Овсянников, В.Ю. Системное проектирование технологического потока производства концентрированных соков [Текст] / В.Ю. Овсянников, Я.И. Кондратьева, Н.И. Бостынец // Хранение и переработка сельхозсырья,- 2014,- № 7.

3. Назаров, С. А. Практикум по курсу «Теория технологического потока» [Текст] : учеб. пособие / С.А. Назаров, В.Ю. Овсянников,- Воронеж, 2006.

1. Panfilov V.A. Teoriya tekhnologicheskogo potoka [Theory of a technological stream], Moscow, 2007, 391 pp. (Russian).

2. Ovsyannikov V.Yu., Kondratyeva Ya.I., Bostynets N.I. Sistemnoe proektirovanie tekhnologicheskogo potoka proizvodstva kontsentrirovannykh sokov [System design of a technological stream of production of the concentrated juice] Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya, 2014, No 7, pp. 20-22 (Russian).

3. Nazarov S.A., Ovsyannikov V.Yu. Praktikum po kursu «Teoriya tekhnologicheskogo potoka» [Praktikum at the course «Theory of a Technological Stream»], Voronezh, 2006 (Russian).

- C. 20-22.

REFERENCES