CC BY
32
УДК 631.363:665.117.2
Совершенствование экструдеров для приготовления белковых кормов из семян подсолнечника
И.Е. Припоров, канд. техн. наук; А.Б. Шепелев, канд. техн. наук; Э.-П.Р. Ягьяев, соискатель
ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ
В комбикормовой промышленности экструдирование кормов является перспективным способом для дальнейшего совершенствования технологии, которая позволяет повысить качество и пищевые достоинства комбикормов, а также использовать нетрадиционные компоненты в рецептах комбикормов с целью привлечения новых ресурсов, снижения их стоимости и повышения потребительских достоинств. Показаны преимущества экструдированных кормов. Проведён анализ одно- и двухшнековых экструдеров, охарактеризованы их основные преимущества и недостатки. Представлена конструктивно-технологическая схема усовершенствованного экструдера, на который получен патент РФ № 2693072, дано описание его устройства, рассмотрен технологический процесс с его участием. Отличие предложенного экструдера для приготовления подсолнечного жмыха от серийных заключается в том, что подающий и прессующий шнеки выполнены в виде последовательно соединённых секций в форме катеноида. Места соединений секций выполнены в форме параболы по закону нормального распределения, что позволяет расширить функциональные возможности экструдера при сохранении малогабаритных размеров.
Ключевые слова: экструдер, белковый корм, семена подсолнечника, закон нормального распределения, совершенствование.
В настоящее время для обеззараживания кормов на животноводческих фермах применяют комбинированные способы обработки, которые сочетают в себе механические операции с тепловой обработкой (экструдирование).
Экструдирование кормов - известный универсальный, экологически безопасный и ресурсосберегающий процесс, который позволяет получать усвояемые кормовые смеси. Однако в экструдерах протекает сложный процесс, в котором за счёт деформации кормового материала происходит дополнительное смешивание и измельчение. В процессе обработки влажность продукта снижается от первоначальной до 50 %, и появляется возможность использования в составе комбикорма компонентов с повышенным содержанием влаги [1].
В процессе экструдирования кормов усвояемость питательных веществ повышается за счёт набухания и разрыва оболочек растительных клеток, и происходит денатурация белков. Корм приобретает мелкопористую, легкоусвояемую для пищеварительной системы структуру в результате интенсивной и короткой обработки зерна высокой температурой и давлением. При этом сложные структуры белков и углеводов распадаются на более простые, клетчатка - на вторичный, а крахмал - на простые сахара. За время обработки зерна проходит короткий промежуток, и белок не успевает коагулировать, в результате сохраняются витамины и питательные его свойства [2].
При использовании высокотемпературного кратковременного способа экструдирования кормов витамины сохраняются дольше, чем при других вариантах этого процесса.
В комбикормовой промышленности экс-трудирование кормов является перспективным способом для дальнейшего совершенствования
технологии, позволяющей повысить качество и пищевые достоинства комбикормов. При экс-трудировании используются и нетрадиционные компоненты в рецептах комбикормов с целью привлечения новых ресурсов, снижения их стоимости и повышения их потребительских достоинств.
Преимуществами процесса экструдирования кормов являются:
- обработка любых органических материалов с получением из них оригинальных продуктов;
- повышение питательной ценности экструдата по сравнению с исходным продуктом;
- использование в композициях малоценных продуктов при производстве комбикормов [3].
Использование экструдированных кормов в рационах сельскохозяйственных животных, например крупного рогатого скота, способствует повышению молочной продуктивности и жирности молока, а также снижению затрат корма на единицу продукции, приводит к повышению рентабельности производства молока.
По мнению профессора С.И. Кононенко [4], экструдирование предоставляет широкие возможности для совершенствования технологии комбикормов, а в современных условиях этот способ является прогрессивным и должен применяться в животноводстве.
Экструдеры позволяют совмещать ряд операций в одной машине, проводить их быстро и непрерывно (составлять композиции из нескольких компонентов, перемешивать, сжимать, нагревать, варить, стерилизовать, формовать практически одновременно). Полученные в результате экстру-дирования продукты отвечают таким критериям, как экологическая чистота, удобство применения, разнообразие ассортимента [5, 6].
Высокая стоимость экструдеров в сочетании с отсутствием методов оптимизации и
регулирования их параметров ограничивают возможности совершенствования прессующих механизмов и способов их эксплуатации, что сдерживает их внедрение в отечественное кормопроизводство^] .
На первый план выдвигается задача сокращения расхода кормов для получения готовой продукции в рыночных условиях ведения животноводческого хозяйства. Ключевым фактором в решении этой проблемы является полная сбалансированность рационов кормления животных по питательным и биологически активным веществам. Экструзионную технику во внутрихозяйственных комбикормовых предприятиях применяют в различных целях в зависимости от сырьевой базы, от видов выращиваемых животных и птицы [8].
Материал и методы исследования. За период развития экструзионной промышленности получено много новых конструкций экструдеров, например, одношнековых, которые применяются при переработке сельскохозяйственного сырья [9].
Особенности экструдеров и опыт их эксплуатации изложены в работах Я.М. Жислина, Н.П. Черняева, И.Э. Груздева, А.Н. Богатырева, В.П. Юрьева, В.Ю. Полищук [3] и других авторов.
Анализ одно- и двухшнековых экструдеров позволяет выявить их основные преимущества и недостатки.
Двухшнековые экструдеры имеют ряд преимуществ по сравнению с одношнековыми, которые заключаются в том, что продукт не требует гидротермической обработки, и за счёт этого упрощается производственный процесс. Такие экструдеры обеспечивают качественное перемешивание продукта, постоянную подачу материала без разрыва потока и обладают эффектом самоочистки рабочей зоны, вследствие этого не происходит припекания продукта. Способны перерабатывать смеси с высоким содержанием жира и сахара [7].
Недостатки двухшнековых экструдеров заключаются в сложной конструкции, в большом потреблении энергии, в высокой стоимости и трудоёмкости в использовании, в значительном износе рабочих органов. Эффективность процесса переработки сырья при применении двухшнеко-вых экструдеров в большей степени зависит от степени износа шнека [6].
Преимущества одношнековых экструдеров состоят в простоте конструкции и низкой стоимости изготовления, и износ шнека происходит по торцу и наружной кромке витков, что приводит к быстрому его восстановлению. Другим преимуществом является развитое математическое описание процесса, происходящего в них. К недостаткам одношнековых экструдеров относится низкое качество смешивания обрабатываемого продукта, отсутствие самоочистки,
что приводит к спеканию продукта, пульсации давления, большая трудоёмкость очистки при переходе на другое сырьё.
Анализ результатов сравнения одношнековых и двухшнековых экструдеров показал перспективность применения одношнековых, потому что они являются универсальными, экономически выгодными, имеют большее распространение и, как следствие, более перспективны в производстве [7].
Пресс-экструдер по патенту РФ № 2354556 содержит цилиндр с загрузочным отверстием, размещённый в цилиндре шнек с лопастями и выходной матрицей с фильерой. Недостатком пресс-экструдера по патенту РФ № 2354556 является его непригодность в приготовлении высокобелкового корма из растительного сырья, а именно из подсолнечного жмыха.
Экструдер для приготовления кормовой массы по патенту РФ № 2348334, включающий снабжённый загрузочной воронкой корпус с расположенными в нём прессующим с конической головкой и подающим шнеками, навивки в форме прямого геликоида. Преимущество экструдера по патенту РФ № 2348334 заключается в низких габаритах и металлоёмкости, однако он не пригоден для приготовления белкового корма в сыпучем виде, а именно подсолнечного жмыха.
Анализ научно-технической литературы, патентной документации позволил выявить основные недостатки экструдеров кормов, которые состоят в непригодности их применения для приготовления высокобелкового корма из растительного сырья, а именно из подсолнечного жмыха в сыпучем виде.
Результаты исследования. Для устранения данного недостатка с целью расширения функциональных возможностей нами предлагается новая, усовершенствованная конструкция экс-трудера для приготовления подсолнечного жмыха (белковый корм), на которую получен патент РФ № 2693072 (рис. 1). Экструдер содержит загрузочную воронку 1, корпус 2 с расположенными в нём прессующим 3 с конической головкой 4 и подающим шнеками 5, навивки в форме прямого геликоида. Подающий шнек 5 и прессующий шнек 3 выполнены из последовательно соединённых секций 6 в виде катеноидов. Вершина конической головки 4 выполнена в виде параболы. При этом на каждой секции шнеков расположено, по крайней мере, не более двух навивок в виде прямого геликоида с шагом, равным среднему размеру семян основной культуры. Места соединений секций выполнены в форме параболы по закону нормального распределения. Причём ширина секции 6 прессующего шнека 3 составляет % от ширины секции подающего шнека 5. После конической головки 4 на выходе установлена втулка 7 [5].
Рис. 1 - Экструдер для приготовления
подсолнечного жмыха: общий вид
Технологический процесс работы экструдера для приготовления подсолнечного жмыха осуществляется следующим образом.
При пуске экструдера подающий шнек 5 забирает ворох семян подсолнечника вместе с фрагментами корзинок и стеблей из загрузочной воронки 1, откуда масса захватывается прессующим шнеком 3 и, постепенно уплотняясь, перемещается к зазору, образованному между конической головкой 4 и втулкой 7, через который выходит подсолнечный жмых в сыпучем виде.
Выполнение в виде последовательно соединённых секций подающего и прессующего шнеков в виде катеноидов позволяет изменять длину шнека в зависимости от его конструктивных особенностей и марки экструдера, а катеноид способствует скольжению материала по нему при подаче на витки шнеков.
Выполнение вершины конической головки в виде параболы способствует тому, что материал не повреждается при сходе с конической головки, а это влияет на его массу и плотность.
На каждой секции шнеков расположено не более двух навивок в виде прямого геликоида с шагом, равным среднему размеру семян основной культуры, для того чтобы:
- если шаг больше среднего размера семян основной культуры, то материал увеличивается в размерах и повышается энергоёмкость при дальнейшем его измельчении;
- если шаг меньше среднего размера семян основной культуры, то материал застревает в межшнековом пространстве и нарушается технологический процесс работы экструдера, так как материал, который поступает на витки шнека подающего, будет обрабатывать его одинаково с прессующим шнеком, а это приведёт к снижению питательных свойств и увеличится его плотность.
Места соединений секций выполнены в форме параболы по закону нормального распределения для того, чтобы осуществлялся плавный переход материала от одной к другой секциям без его повреждения.
Ширина секции прессующего шнека составляет % от ширины секции подающего шнека, выполняется с целью сокращения времени обработки материала, а также снижения металло- и энергоёмкости прессующего шнека.
Вывод. Предложенный экструдер для приготовления подсолнечного жмыха отличается от серийных за счёт выполнения подающего и прессующего шнеков в виде последовательно соединённых секций в форме катеноида, места соединений секций выполнены в форме параболы по закону нормального распределения, что позволяет расширить его функциональные возможности при сохранении малогабаритных размеров.
Литература
1. Рябиков А.Я., Октябрев Н.М. Экструдирование как один из способов подготовки корма к скармливанию // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность! 2013. № 3. С. 50 - 53.
2. Шустин А.Г. Эффективность использования экструдиро-ванных комбикормов для карпа и радужной форели [Электронный ресурс]. URL//: http://www.dissercat.com/content/ effektivnostispolzovaniya-ekstrudirovannykh-kombikormovdlya-karpa-i-raduzhnoi-foreli#ixzz3yTNkdvGv.
3. Фисенко К.А. Оптимизация процесса экструдирования кормов с учётом изменения геометрических и режимных параметров рабочего пространства шнекового прессующего механизма: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Оренбург, 2000. 17 с. [Электронный ресурс]. URL//: http://tekhnosfera. com/optimizatsiya-protsessa-ekstrudirovaniya-kormov-s-uchetom-izmeneniya-geometricheskih-i-rezhimnyh-parametrov-rabochego-pro#ixzz5xV0oZtdd.
4. Кононенко С.И. Экструдирование кормов - путь к увеличению рентабельности животноводства // Эффективное животноводство. 2017. № 1 (131). С. 32 - 33.
5. Пат. 2693072 Российская Федерация: МПК A23N 17/00. Экструдер для приготовления белкового корма / И.Е. При-поров; заявит. и патентообладатель ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина». № 2018125397; заявл. 10.07.2018; опубл. 01.07.2019. Бюл. № 19.
6. Николаев В.Н., Яворский В.И. Анализ процесса экструзии кормов и совершенствование экструдера // АПК России. 2015. Т. 71. С. 61 - 66.
7. Полищук В.Ю., Коротков В.Г., Зубкова Т.М. Проектирование экструдеров для отраслей АПК. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 202 с.
8. Rokey, Galen J.; Plattner, Brian; Souza, Edivaldo M. de. Feed extrusion process description.R. Bras. Zootec. [Электронный-ресурс]. 2010, vol.39, pp. 510 - 518. URL: http://www.scielo.br/ scielo.php?pid=S1516 - 35982010001300055&script =sci_arttext.
9. Припоров И.Е. Технология приготовления высокобелковых кормовых смесей: монография. Краснодар: КубГАУ, 2018. 166 с.
Припоров Игорь Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент Шепелев Анатолий Борисович, кандидат технических наук, доцент Ягьяев Эмир-Паша Рустемович, соискатель
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина» Россия, 350044, Краснодарский край, г. Краснодар, ул. Калинина, 13 E-mail: [email protected]; [email protected]
Improvement of extruders for preparing protein feed from sunflower seeds
Priporov Igor Evgenievich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Shepelev Anatoly Borisovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Yagyaev Emir-Pasha Rustemovich, research worker
Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilina
13 Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia
E-mail: [email protected]; [email protected]
In the feed industry, feed extrusion is a promising way to further improve the technology, which allows to improve the quality and nutritional benefits of feed, as well as use non-traditional components in feed recipes in order to attract new resources, reduce their cost and increase consumer benefits. The benefits of extruded feed are shown. The analysis of single and twin screw extruders is carried out, their main advantages and disadvantages are characterized. A structural and technological scheme of an improved extruder is presented, for which a patent of the Russian Federation No. 2693072 is obtained, a description of its device is given, and the technological process with its participation is considered. The difference between the proposed extruder for the preparation of sunflower meal from serial is that the feeding and pressing screws are made in the form of serially connected sections in the form of a catenoid, the joints of the sections are made in the form of a parabola according to the law of normal distribution, which allows to expand the functionality of the extruder while maintaining small dimensions .
Key words: extruder, protein feed, sunflower seeds, the law of normal distribution, improvement. -♦-
УДК 631.33.022.69
Теоретическое исследование процесса перемещения замоченных семян рабочими органами торсионно-штифтового высевающего аппарата
Н.П. Крючин, д-р техн. наук, профессор; Д.Н. Котов, канд. техн. наук;
О.А. Артамонова, ст. преподаватель
ФГБОУ ВО Самарский ГАУ
В статье рассмотрены закономерности протекания технологического процесса перемещения трудносыпучих семян рабочими органами торсионно-штифтового высевающего аппарата. Обосновано аналитическое выражение для определения объёмной подачи трудносыпучих семян рабочими органами торсионно-штифтового высевающего аппарата на этапе их транспортирования. Приведены графические зависимости объёмной подачи от количества и высоты вертикальных штифтов. Установлено, что с увеличением высоты вертикальных штифтов снижается сходимость результатов теоретических расчётов с данными экспериментальных исследований. Это обусловлено тем, что при высоте вертикального штифта = 20 мм и выше технологический процесс высева реализуется с неоптимальными качественными параметрами, следовательно, оптимизировать конструктивные параметры торсионно-штифтового высевающего аппарата необходимо до высоты вертикальных штифтов h2 = 20 мм. Достаточно высокая корреляция полученных в ходе исследований практических и теоретических показателей свидетельствует об адекватности алгоритма расчёта. Полученное аналитическое выражение позволяет определить объёмную подачу трудносыпучих семян торсионно-штифтовыми группами на этапе их перемещения в торсионно-штифтовом высевающем аппарате. При этом объёмная подача зависит от конструктивно-технологических параметров торсионно-штифтового высевающего аппарата и физико-механических свойства семян.
Ключевые слова: процесс перемещения, торсионно-штифтовый высевающий аппарат, объёмная подача, трудносыпучие семена.
Различные почвенно-климатические условия оказывают существенное влияние на продуктивность и успешное семеноводство бобовых трав. При этом они не всегда благоприятны для их высокопродуктивного возделывания, так как для набухания и прорастания семенам бобовых трав требуется увеличенный объём влаги [1, 2]. Поэтому для регионов с недостаточным количеством влаги в весенний период, к которым относится Самарская область, с целью повышения поле-
вой всхожести, получения дружных всходов и высоких урожаев была разработана технология посева бобовых трав замоченными семенами [3].
Однако в процессе замачивания семена бобовых трав приобретают свойство связанности, переходя в категорию трудносыпучих. Проблема высева трудносыпучих посевных материалов применяемыми высевающими аппаратами решена не в полной мере [4], так как при дозировании семян, прошедших обработку замачиванием, возможно
