Современные инновационные подходы к приготовлению микродобавок на специализированной установке Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10416 УДК 631:636.7:631.95

СОВРЕМЕННЫЕ ИННОВАЦИОННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРИГОТОВЛЕНИЮ МИКРОДОБАВОК

______и ___ .

НА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОМ УСТАНОВКЕ*

В. А. ПУШКО1, кандидат технических наук, старший преподаватель

B. А. ШАХОВ1, доктор технических наук, профессор

C. В. ЛЕБЕДЕВ1, доктор биологических наук, профессор (e-mail: lsv74@list. ru)

И. Г. БОЙКО1, кандидат технических наук, старший преподаватель (e-mail: boikoirina07@mail. ru)

С. А. СОЛОВЬЁВ2, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, заместитель главного ученого секретаря (e-mail: [email protected])

С. А. МИРОШНИКОВ3, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, директор (e-mail: vniims. [email protected])

Оренбургский государственный аграрный университет, ул. Челюскинцев, 18, Оренбург, 460014, Российская Федерация

2Президиум РАН, просп. Ленинский, 32А, Москва, 119334, Российская Федерация

3Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий РАН, ул. 9 Января, Оренбург, 460000, Российская Федерация

Резюме. Технологические приемы в процессе приготовления комбикормов для животных и птицы связаны с определенными рисками, к числу которых относится потеря качественных характеристик витаминно-минерального компонента. Применение новых технологий приготовления кормовых субстратов, основанных на контроле температурных режимов и использовании в качестве минерального компонента наночастиц металлов, позволяет получать продукцию с заданными функциональными характеристиками при минимизации потерь питательных свойств. В работе представлены технологические расчеты приготовления комплексных кормов. В качестве варьируемых количественных факторов, с учетом факторного анализа, были взяты следующие режимные и конструктивные параметры вибрационного смесителя в установленных пределах: частота колебаний f = 8-40,59 Гц, амплитуда ak = 5-25,519-10'3 м, свободное сечение перфорированных лопаток £ = 5-15 %, угловая скорость емкости смесителя ш = 3,14-6,28 рад/с. Изготовление минерального премикса и БВМД в установленном пределе вибрационного формирования однородности смеси возможно при температуре О = 23-26 0С; времени воздействия t = 90-360 с; влажности ш = 4,3-6,6 %; теплопроводности А = 4,1-1,26 Вт/мК. Для определения достоинств и недостатков предлагаемого способа в качестве пилотного варианта в составе премикса использовали наночастицы Fe (d=80-90 нм), Zn (d=60-70 нм), Cu (d=80-90 нм) и Со (d=50-70 нм), полученные методом электрического взрыва проводника в ООО «Передовые порошковые технологии» (г. Томск). Концентрация вводимых наночастиц железа в зерновой субстрат составила 25 мг/кг корма, цинка - 1,2 мг/кг корма, меди - 35 мг/кг корма, кобальта - 0,5 мг/кг корма и в точках отбора проб отклонялась от заданного уровня на допустимую величину. При этом при дозировании-смешивании следует контролировать температуру, теплофизические характеристики премикса и БВМД.

Ключевые слова: специализированная установка, автоматизированный контроль температуры, экологическая

безопасность, теплофизические характеристики, технологическая линия, дозирование, смешивание, подвижные смесительные элементы, сыпучая среда, программное обеспечение, перерабатывающее производство, наночастицы. Для цитирования: Современные инновационные подходы к приготовлению микродобавок на специализированной установке / В.А. Пушко, В.А. Шахов, С.В. Лебедев и др. // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 4. С. 65-68. ООГ. 10.24411/0235-2451-2018-10416.

Основные этапы решения проблем экологической безопасности продукции перерабатывающей промышленности представлены в Комплексной программе развития биотехнологий в Российской Федерации до 2020 г. При этом для значительного снижения рисков при приготовлении кормосмесей требуется должный контроль качества продукции сельскохозяйственного назначения на каждом участке производственной линии «дозирование-смешивание», так как не всегда возможно сократить технологические потери и увеличить безопасность кормовых средств на стадиях как проектирования, так и освоения смесительного оборудования [1].

Теоретическое и практическое обоснование новых конструктивных решений для современной инженерной техники непосредственно связано с периодическим изменением требований к ресурсным характеристикам, а именно с сокращением времени проведения всего комплекса работ для специального смесительного оборудования, снижением затрат на единицу продукции и др.

Цель исследований - совершенствование методов оптимизации и электротехнических средств контроля равномерного смешивания при минимизации потерь, исходя из теплофизических характеристик сырья, для сертификационных испытаний смесительного оборудования вибрационного типа при внедрении в пищевое и перерабатывающее производство.

Для ее достижения решали следующие задачи:

теоретическое обоснование кинетики интенсивного нагрева при вибрационном воздействии с изменением теплофизических характеристик в зависимости от температуры и влажности исходного материала;

определение возможности использования в качестве минерального компонента наночастиц металлов в технологии вибрационного приготовления кормов с установленными теплофизическими характеристиками.

Условия, материалы и методы. Для эффективного анализа механизма вибрационного смешивания необходимо представить взаимосвязи между факторами, определяющими ход процесса, и определить их в количественной форме.

В ходе приготовления премикса или БВМД теплопередача не ограничивается только теплопрово-

* Работа выполнена на средства областного гранта в сфере научной и научно-технической деятельности постановление Правительства Оренбургской области от26.06.2017г., № 472-п.

дностью, возникают процессы конвекции. Поэтому для полного изучения такой технологии необходим анализ и решение уравнения, учитывающего все виды теплопередачи, физическое и теоретическое моделирование [1, 2].

В основу построения теоретической модели процесса смешивания сыпучего материала (комбикорма, премикса, БВМД) в вибрационном смесителе периодического действия положены уравнения теплопроводности для полого цилиндра, когда внутри действует источник постоянной мощности, а наружные поверхности поддерживаются при постоянной температуре. Сыпучую среду необходимо рассматривать, как некоторое квазиоднородное вещество, исходя из уравнения теплопроводности, с учетом реальных условий, а именно действующего внутреннего источника тепла, подвижных смесительных элементов специализированной установки и эффективного характера теплофизических свойств материала.

Теплофизические характеристики процесса не постоянны, поэтому найдем стационарное поле тепловых потоков в системе нагреватель (рабочий орган) - сыпучий материал, при условии, что тепловые потери в материал происходят только в области нагревателя.

Рассмотрим цилиндр (корпус смесителя) радиусом R. Начальное температурное распределение -равномерно и соответствует температуре окружающей среды &0=const. В смесителе вибрационного типа находится сыпучая смесь, которая имеет постоянную температуру.

В некоторый момент времени ^>0 в смесь начинает погружаться рабочий орган (цилиндрической формы) радиусом г и обмениваться теплом со средой постоянной температуры.

Следовательно, температурное поле в любой момент времени в такой системе будет определяться решением краевой задачи, с учетом двухпараме-трического уравнения Колмогорова - Фоккера -Планка:

бс ...(¡С _. б2с О, б с/с.

— = — + 0,—=- + ——(Я—), л бх 1бх2 я с/я <т

(1)

где t - время, с; DL - коэффициент продольного перемешивания, м/с; DR - коэффициент поперечного перемешивания, м/с; R - радиус поперечного сечения аппарата, м; г - радиус нагревателя, м; c -концентрация; x - координата; W - линейная скорость потока, м/с.

Проведя преобразования, получим двухпара-метрическое уравнение (1), которое запишется в виде:

(2)

Ср

с№с/8

тк бх ' бх Я 6И\ с/К

где коэффициенты продольного и поперечного перемешивания будут равны следующим выражениям:

= 2Я/с<вфн£Лб

0„=Я к.

^•Ге-а^л-Э.

Для установления теплопроводности следует определить линейную скорость потока, учитывая размеры вместимости смесителя вибрационного типа:

ш/ ' ■ Ь \л/ Л

М = — / = — =>!// =-.

т к тк

Следовательно:

биу с/Я) с/Я с/Я

где р (t;в) - распределение плотности сыпучей среды; в - температура материала, К; ф - начальная фаза колебаний, Гц; а - угол наклона корпуса вертикального гидроцилиндра к центральной полой стойке смесителя, град; R - радиус поперечного сечения аппарата, м; t - время вибровоздействия, с; ю - угловая скорость емкости смесителя, рад/с; h - высота емкости смесителя, м; п - количество перфорированных лопаток; X - теплопроводность материала, Вт/мК.

Дифференциальное уравнение (2) можно записать в виде

с/р Л с/р оп , , . б2р

—— =----- + 2Я/сшфн Е л-8 —+

сНсВ тк бх н бх2

R■k■tyн^f■e акпВ

2 \

с/Я с/Я2

Ь с/р тХ бх

+ 2Я/ссофн е л-8 ~+/с4„-ГЕ-эк-п-0 • —+ н бх2 н " с/Я

+ Я/сфн Ге -ак п-В

н " с/Я2

(3)

Для анализа краевой задачи найдем распределение плотности сыпучей среды, учитывая, что температура материала 9 изменяется в пределах [90;9к], а время вибрационного воздействия t - в пределах

'о 9а

+ /с-ф0 -е -а» -л-6 • —+ Я-Л-ф„ ^-е -а,,-п-в ^

с/Я

бR¿

^ ек , . ек .2

/ ^ тХ с/х J J н г(г2

!о «о

10 °0 1к"к

+jjk■%■f■e■ak■n■в^-бвdt +

тХ Ну " 0/ н Ну2

'к ><1

'сЛ

2 2

бх2

н " 6Я {{2 2

dt +

+R■k^н■f■в■ak■n■Q^■\ н * dR2

г0

2 2

тл ох

хе •

б2 р

с/х2

е1 ^ 2 2

01 ^ 2 2

0)г__0О_ 2 2

сРр с/Я2

2 2

С*-'»)"

2Я/с-софнЕЛ-9+ н с/х2

с/р

С2Р

с/Я

с//?2

Учитывая найденное распределение(4), получим следующую краевую задачу:

3©(Я,ф,0

Э(

0 а2 <■>(/?,ф, о 1 ае(/?,ф,о он а20(/?,ф,р 1 эн2 + к ан + я2 ЭФ2

Я>г,0<ф >0 т 2

0(Я,ф,О) = 0о, Я>г, 0<ф<|,

ав(ЯФ.О = ая>Г|ф = 0, <>0[

Эф

а©(Я,ф,0

аф

= 0, К>г, ф =-, (>0,

, Э0(г,ф,О - . , л . п —дЯ=Яо' Ф< 2' ' кгд0=д0.

(5)

где & - температура, К; ? - время, с; с?0 - удельный тепловой поток, Вт; а - температуропроводность, м2/с; X - теплопроводность, Вт/(м-К); DL- коэффициент продольного перемешивания, м/с; DR - коэффициент поперечного перемешивания, м/с; Я -радиус поперечного сечения аппарата, м; г- радиус нагревателя, м.

Ее можно записать в виде:

~ к ©яг I

(6)

а а/ кая1, а«

Тогда находим выражение для поля тепловых потоков:

9о

(7)

2п ИХ'

и распределение температуры в материале от носительно температуры рабочего органа:

©(/?,0 = ©н(0-^1п

(8)

Для определения однородности смешивания комплексных кормов, компоненты (зерновой субстрат и наночастицы) загружали в резервуар установки в заданных концентрациях, согласно рецептуре премикса, с помощью реле времени устанавливали допустимый диапазон 60-360 с (время смешивания) и включали привод смесителя

После смешивания был проведен отбор из 3-х точек зернового субстрата по горизонтам: 1 - верхний, 2 -средний и 3 - нижний. Анализ проб зернового субстрата проводили в независимом аккредитованном испытательном центре ФНЦ биологических систем и агротехнологий РАН (№РА.Яи №21ПФ59 от 02.12.15 г.) и лаборатории агроэкологии техногенных наноматериалов.

Пробы помещали в тигли и сжигали в муфельной печи при температуре 450 °С. Полученную золу растворяли в азотной кислоте (1:1) в тигле при нагревании по объёму из расчета 1-5 см3 кислоты на навеску в зависимости от зольности продукта. Затем биосубстраты доводили в сушильном шкафу до постоянной массы и проводили измерение на атомно-абсорбционном спектрометре с пламенной атоми-зацией «Формула ФМ400», «Квант 2АТ», с системой микроволновой пробоподготовки ПЛП-01.

Результаты и обсуждение. Проведенные расчеты позволили определить граничные значения варьируемых факторов вибросмесителя при кор-мосмешивании: частота колебаний \ = 8-40,59 Гц, амплитуда ак = 5-25,519-10-3 м, свободное сечение перфорированных лопаток е = 5-15 %, угловая скорость емкости смесителя ю = 3,14-6,28 рад/с. Наилучшая однородность смеси достигается при температуре & = 23-26 0С; времени воздействия 1 = 90-360 с; влажности ю = 4,3-6,6 %; теплопроводности X = 4,1-1,26 Вт/мК.

Таблица 1. Минеральный состав компонентов зернового субстрата*

Теоретическая модель позволяет определить схему построения процесса смешивания сыпучих материалов (премикс, БВМД) в вибрационном смесителе периодического действия[1, 2, 3].

Проверку качества перемешивания компонентов кормосмеси проводили с использованием наноча-стиц. Ввиду своей малой размерности они могут служить индикатором равномерного перемешивания. Для этого в лаборатории кафедры механизации технологических процессов Оренбургского ГАУ было проведено испытание изучаемого технологического приема при внесении в зерновой субстрат наночастиц Fe (с1=80-90 нм) в концентрации 25 мг/кг корма, Zn (С=60-70 нм) - 1,2 мг/кг корма, Си (С=80-90 нм) - 35 мг/кг корма и Со (С=50-70 нм) - 0,5 мг/ кг корма [4].

Минеральный элемент, мг/кг Точка отбора

1 1 2 I 3

Медь 35,2 36,0 18,6

Цинк 1,2 1,15 1,3

Кобальт 0,32 0,28 0,22

Железо 23,6 23,0 15,4

*по ГОСТ 30178-96

Концентрация металлов в пробах полученного корма, отобранных в нескольких точках смесителя вибрационного типа, практически соответствовала заданным величинам. Некоторое ее уменьшение зафиксировано в нижнем слое испытуемого субстрата (точка 3), при этом разница не превышала 50 %, что соответствует хорошему качеству смеси (табл. 1).

При приготовлении многокомпонентных комбикормов используют ферменты, микроэлементы и

Таблица 2. Содержание основных питательных веществ в зерновом субстрате

Показатель Точка отбора НД на методы испытаний

1 1 2 | 3

Массовая доля, %:

сухого вещества 89,0 90,3 91,2 ГОСТ 31640-2012

сырой клетчатки 2,5 2,7 2,6 ГОСТ 31675-2012

сырого жира 2,1 2,1 2,1 ГОСТ 134996.15-97

сырого протеина 11,2 11,3 11,3 ГОСТ 13496-93

сырой золы 7,1 7,1 7,1 ГОСТ 26226-95

кальция 0,28 0,27 0,28 ГОСТ 26570-95

фосфора 0,11 0,11 0,11 ГОСТ 26657-97

Обменная энергия, МДж/кг 11,40 11,41 11,5 расчетным путем

Питательность, корм.ед./кг 1,17 1,18 1,2 расчетным путем

витамины в микродозах, от равномерности смешива- 5-25,519-10-3 м, свободное сечение перфорированных ния которых зависит качество финального продукта. лопаток е = 5-15 %, угловая скорость емкости смесиВ результате химического анализа установлено, что теля ю = 3,14-6,28 рад/с. Наилучшая однородность использование предлагаемой технологии позволя- смеси достигается при температуре & = 23-26 0С; ет получать равномерно-распределенную смесь, времени воздействия t = 90-360 с; влажности ю = 4,3-что свидетельствует о ее высокой эффективности 6,6 %; теплопроводности X = 4,1-1,26 Вт/мК. (табл. 2). Применение новых технологий приготовления

Выводы. Граничные значения варьируемых па- кормовых субстратов, основанных на контроле тем-

раметров вибросмесителя при кормосмешивании пературных режимов и использовании в качестве

установленные по расчетам с использованием разра- минерального компонента наночастиц металлов,

ботанной методики находятся в следующих пределах: позволяет получать продукцию с заданными харак-

частота колебаний f = 8,00-40,59 Гц, амплитуда ak = теристиками.

Литература.

1. Пушко В. А., Бойко И. Г. Перспективы применения смесительного оборудования вибрационного типа в условиях инновационного комбикормового производства // Вестник ВНИИМЖ. 2017. № 1 (25). С. 78-82.

2. Bridgwater J. Mixing of powders and granular materials by mechanical means - A perspective // Particuology. 2012. Nо 10. Рр. 397-427.

3. Бойко И. Г., Соловьев С. А., Пушко В. А. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2016663346. Система вычисления теплофизических характеристик №2016619047; заявл. 23.08.2016.

4.Оробченко А. Л., Романько М. Е., КуцанА. Т. Экспериментально-теоретическое обоснование применения наноком-позита металлов (Ag, Cu, Fe и двуокись Mn) для кур-несушек при условии хронического поступления с кормом (обобщение экспериментальных исследований) // Ветеринария, зоотехния и биотехнология. 2014. № 12. С. 32-40.

MODERN INNOVATIVE APPROACHES TO MANUFACTURE OF MICROADDITIVES

IN A SPECIALIZED SETTING

V. A. Pushko1, V. A. Shakhov1, S. V. Lebedev1, I. G. Boyko1, S. A. Solovyov2, S. A. Miroshnikov3

'Orenburg State Agrarian University, ul. Chelyuskintsev, 18, Orenburg, 460014, Russian Federation, 2Presidium of the RAS, prosp. Leninskii, 32A, Moskva, 119334, Russian Federation,

3Federal Scientific Center of Biological Systems and Agrotechnologies of the RAS, ul. 9 Yanvarya, Orenburg, 460000, Russian Federation

Abstract. Technological methods during the process of preparation of mixed fodders for animals and poultry are associated with certain risks, one of which is the loss of quality characteristics of the vitamin-mineral component. The use of new technologies for preparing feed substrates based on the control of temperature conditions and the use of nanoparticles of metals as a mineral component makes it possible to obtain products with specified functional characteristics while minimizing loss of nutritional properties. The paper presents the technological calculations for the preparation of complex feeds. Several regimes and design parameters of the vibrating mixer were taken within the established limits as variable quantitative factors, taking into account the factor analysis. They were the frequency of oscillations, f = 8-40.59 Hz; amplitude, ak = 5-25.519x10E-3 m; clear opening of perforated blades, epsilon = 5-15%; the angular velocity of the mixer tank, omega = 3.14-6.28 rad/s. The production of a mineral premix and protein, vitamin and mineral supplements in the established limit of vibration formation of the homogeneity of the mixture is possible at a temperature of 23-26 degrees; time of action of 90-360 s; humidity of 4.3-6.6%; thermal conductivity of 4.1-1.26 W/mK. To detect the advantages and disadvantages of the proposed method, nanoparticles of Fe (d = 80-90 nm), Zn (d = 60-70 nm), Cu (d = 80-90 nm), and Co (d = 50-70 nm), obtained by electric explosion of a conductor in OOO "Advanced Powder Technologies" (Tomsk), were included in the composition of the premix as a pilot variant. The concentration of iron nanoparticles introduced into the grain substrate was 25 mg/ kg of feed, zinc Zn - 1.2 mg/kg, copper Cu - 35 mg/kg, cobalt Co - 0.5 mg/kg of feed. At the same time, during dosing-mixing it is necessary to control the temperature, thermophysical characteristics of the premix and protein, vitamin and mineral supplements. Keywords: specialized setting; automated temperature control; environmental safety; thermophysical properties; processing line; dosing; mixing; moving mixing elements; friable medium; software; processing production; nanoparticles. Author Details: V. A. Pushko, Cand. Sc. (Tech.), senior lecturer; V. A. Shakhov, D. Sc. (Tech.), prof.; S. V. Lebedev, D. Sc. (Biol.), prof. (e-mail: lsv74@list. ru); I. G. Boyko, Cand. Sc. (Tech.), senior lecturer (e-mail: boikoirina07@mail. ru); S. A. Solovyov, D. Sc. (Tech.), corresponding member of the RAS, deputy chief academic secretary (e-mail: [email protected]); S. A. Miroshnikov, D. Sc. (Biol.), corresponding member of the RAS, director.

For citation: Pushko V. A., Shakhov V. A., Lebedev S. V., Boyko I. G., Solovyov S. A., Miroshnikov S. A. Modern Innovative Approaches to Manufacture of Microadditives in a Specialized Setting. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018. Vol. 32. No. 4. Pp. 65-68 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10416.

ВНИМАНИЮ СОИСКАТЕЛЕЙ УЧЕНЫХ СТЕПЕНЕЙ И ДРУГИХ ЗАИНТЕРЕСОВАННЫХ ЛИЦ!

Редакция журнала «Достижения науки и техники АПК» издает монографии и другую книжную продукцию с редактированием и всеми выходными данными.

Цены договорные. Заявки отправлять по адресу: 101000, г. Москва, Моспочтамт, а/я 166. Тел.: (963) 758-48-44. E-mail: [email protected]