CC BY
36
УДК 631.365.25:633.853.494
СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ МАШИННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА КОМБИКОРМОВ
В.И. Сыроватка, академик РАН, зав. отделом
ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: [email protected]
Аннотация. В 2014 г. в мире произведено 980,12 млн т комбикормов. Основные производители: Китай -180 млн т, США - 173, Бразилия - 66, а Россия - 24,5 млн т. Производство соевых бобов, как основного белкового компонента, в 2013 г. составило 276,4 млн т, в том числе в России - 2528 тыс. т, а рапса - 1402 тыс. т. В статье по результатам анализа научных разработок, отечественной и мировой практики представлены перспективные технические решения тепловой обработки комбикормов, в частности: тепловая обработка в зоне перегретого пара при температуре 300-374°С, давлении 12-21 МПа, экспозиции обработки 30-60 с; тепловая обработка в поле СВЧ-энергии при частоте 2450 МГц, скорости нагрева 0,6-0,8°С/с, времени обработки 30-60 с; сублимация крупнокусковых продуктов и кормов. Технология сублимации предусматривает замораживание продуктов до -30°С...-50°С и сушку до 5-8% влажности при температуре от +120°С до +230°С. Использованием всего объема сублимационной камеры и непрерывностью ее работы достигается снижение удельных затрат энергии и времени цикла сушки. Определены режимы тепловой обработки рапса и сои с учетом содержания в них антипитательных веществ. На базе достижений электроники, компьютеризации и новых технических средств (датчики температуры, давления, тока и т.п.) успешно реализуются интеллектуальные системы управления, что показано на процессе мониторинга пресса.
Ключевые слова: стратегия развития механизации, зона перегретого пара, СВЧ-энергия, сублимационная сушка кормов.
Цель стратегии - показать преимущества тепловой обработки комбикормов в зоне перегретого пара, СВЧ-энергией для микронизации крупнокусковых кормов (например, рыбы) и определить возможные технологические и технические решения на перспективный период.
Мировое производство комбикормов в 2014 г. достигло 980,12 млн т, в том числе Китай произвел 180 млн т, США - 173, Бразилия - 66, Мексика - 31, Индия и Испания -по 29 млн т, Россия - 24,5 млн т, Япония - 24 млн т. В птицеводстве использовано 439 млн т (45%), в свиноводстве - 278 млн т, для ак-вакультуры расходовано 41 млн т, для жвачных животных - 195 млн т комбикормов.
В странах Азиатско-Тихоокеанского региона произведено 350,54 млн т комбикормов, в Африке - 34,57 млн т, в странах Европы - 232,58 млн т комбикормов, в Латинской Америке - 144,84 млн т, в государствах Ближнего Востока - 24,75 мнл т, в северной Америке - 192,8 млн т комбикормов. Производство комбикормов в России для свиней
увеличилось на 10,9% (до 7,5 млн т), а поголовье свиней - на 5,8% (до 15,6 млн голов). Выпуск комбикормов для птицы достиг 12,8 млн т. Поголовье птицы в РФ за прошлый сезон увеличилось на 2,6%. Производство комбикормов для КРС осталось на уровне предыдущего сезона - 2,0 млн т, в хозяйствах всех категорий насчитывалось 20,6 млн голов. В Белгородской области произведено 3,6 млн т комбикормов, в Ленинградской области 6,7%, в Краснодарском крае 4,9% от общего объема производства комбикормов [1].
Производство соевых бобов в мире в 2013 г. составило 276,4 млн т. За последние 20 лет мировое производство соевых бобов выросло в 2,0 раза, посевные площади сои составили 111,3 млн га. За последние 10 лет они увеличились на 33,0%, за 20 лет - на 87,0% [2].
В 2013 г. средняя урожайность соевых бобов в мире составила 24,8 ц/га. За 10 лет показатели урожайности сои в мире выросли на 9,0%. В 2013 г. на долю США пришлось
32,4% (89 483 тыс. т) от мирового производства, Бразилии и Аргентины - 29,6% (81 700 тыс. т) и 17,8% (49 306 тыс. т) соответственно. В 2013 г. эти три страны обеспечили 79,8% (220 489 тыс. т) мирового производства данного вида сырья. Индия произвела 11 948 тыс. т (4,3%), Парагвай - 9 086 тыс. т (3,3%), Канада - 5 198 тыс. т (1,9%), Уругвай - 3 200 тыс. т (1,2%), Украина - 2 774 тыс. т (1,0%) и Боливия - 2 347 тыс. т (0,8%).
Россия в 2013 г. занимала 11-е место -1 636 тыс. т (0,6%). В 2014 г. объем производства соевых бобов в России достиг 2 528 тыс. т, что на 54,5% больше, чем в 2013 г. В 2013 г. Россия по урожайности занимала 16-е место (13,6 ц/га), в США урожайность сои достигает 29,1 ц/га, в Бразилии - 29,3, в Парагвае - 29,5, Уругвае - 26,7 ц/га.
Посевные площади рапса озимого и ярового в России в 2013 г. достигли 1 325 тыс. га. За последние 10 лет размер площадей, занятых под рапсом в России, вырос в 5,8 раза [3].
Валовые сборы рапса в России в 2013 г. составили 1 402 тыс. т. Это на 35,4% больше, чем в 2012 г. За 5 лет они возросли на 86,4%, за 10 лет - в 7,3 раза. В 2013 г. объем мирового производства рапса составил 64,1 млн т.
Соя и рапс - важные белковые и энергетические компоненты. Соевая мука является основным источником белка при производстве комбикормов, однако содержит 5-10% антипитательных веществ-ингибиторов, которые ингибируют ферменты, вырабатываемые поджелудочной железой [2].
Эффективным путем устранения ингибиторов является тепловая обработка в сочетании с повышенным давлением. Наибольшую энергетическую ценность в комбикормах составляют семена рапса, поскольку содержат 40-48% жира и 21-33% сырого протеина при коэффициенте переваримости 84,4-93,4%. Однако семена рапса содержат эруковую кислоту, которая вызывает нарушение сердечнососудистой системы. Доля эруковой кислоты в составе растительных масел: в рапсовом - 56-65%, в горчичном - 50%, в сурепном - 47%. Семена рапса подлежат глубокой термообработке.
Тепловая обработка комбикормов сухим паром. Исходя из мировых тенденций развития энергетики, процесс баротермиче-ской обработки необходимо переводить в зону критической точки (374°С). Многолетней практикой доказано, что производство высоковитаминной травяной муки на агрегатах АВМ при температуре теплоносителя-воздуха 450-500°С оказалось эффективным. Потери каротина не превысили 5%, а при заготовке сена в самых благоприятных климатических условиях они достигают 30%. Время высокотемпературной обработки сокращается, а энергоемкость и металлоемкость оборудования снижаются. Разработаны способы и технические средства для СВЧ-обра-ботки комбикормов, микронизации фуражного зерна, сублимации кормов и продуктов питания.
Фуражное зерно и другие компоненты, используемые для производства комбикормов, нередко в значительной степени обсеменены микроорганизмами, интенсивное развитие которых приводит к порче продукта, потерям в массе сухого вещества, снижению его качества. В зависимости от температурного оптимума, все микроорганизмы подразделяются на холодостойкие (психрофиль-ные), теплолюбивые (термофильные) и имеющие оптимум при средних температурах (мезофильные). Микрофлора зерна, в основном, состоит из мезофиллов, имеющих максимальную температуру выживания 45°С [4].
Для повышения питательной ценности и стерилизации комбикормов от микроорганизмов применяют термомеханические способы обработки: гранулирование, экспанди-рование, микронизацию и экструдирование. Все эти способы эффективны, но очень энергоемкие. Удельные затраты энергии в 2-3 раза выше, чем на приготовление рассыпных комбикормов [4, стр. 118-123]. Кроме того, известно, что при влажности зерновых ингредиентов 10-16% влажность грибов, бактерий, вирусов и других болезнетворных и паразитирующих в них организмов составляет 30-40%. Эффект стерилизации возрастает в связи с избирательным нагревом СВЧ-энер-гией более влажной составляющей.
На базе СВЧ-энергии предложены линия и способ производства взорванного продукта из фуражного зерна (рис. 1) [5, 6].
Зерно
Рис. 1. Линия производства взорванного продукта из фуражного зерна: 1 - приемный бункер,
2 - теплообменник, 3 - вал, 4 - крестовины, 5 - вертикальные оси, 6 - рыхлители, 7 - герметичная камера, 8, 9 - затвор-дозатор, 10 - камера вспучивания, 11 - перфорированная наклонная плоскость, 12,13 - тканые сетки, 14 - вентилятор, 15 - система отвода пара, 16 - выгрузной транспортер
Линия работает следующим образом. Подлежащее обработке фуражное зерно из приемного бункера 1 поступает в теплообменник 2, заполняя его емкость на 50-60%, постоянно перемешивается рыхлителями 6, установленными в шахматном порядке на вертикальных осях 5, соединяющих крестовины 4, жестко закрепленные на вращающемся валу 3 теплообменника 2. При этом за счет разности скоростей движения воздуха на верхней сферической поверхности и ниж-
ней плоской поверхности рыхлителей 6 возникает разряжение, что интенсифицирует процесс псевдоожижения - непосредственное с о п р и к о с н о в е н и е каждого отдельного зерна с отработанным паром. Под воздействием механического псевдоожижения, собственного веса и давления постоянно поступающего потока фуражного зерна из приемного бункера 1 в теплообменник 2 пропаренное зерно опускается на дно теплообменника 2 и посредством затвора-дозатора 8 загружается в герметичную камеру 7, в которой под одновременным воздействием перегретого пара, СВЧ-энергии и механического перемешивания проходит дальнейшую обработку и затем через затвор-дозатор 9 выгружается в камеру вспучивания 10. Резкий перепад давления приводит к испарению влаги в каждом отдельном зерне, оно взрывается, и его объем увеличивается в 5-10 раз. В процессе вспучивания выделяются теплота и пар, который отсасывается вентилятором 14 через перфорированные наклонные плоскости 11, установленные под углом 52° к вертикали, а также тканые сетки 12, 13 (происходит отделение готового продукта) и по системе отвода отработанного пара 15 подается в теплообменник 2, а готовый продукт поступает на выгрузной транспортер 16. Линия может работать как в непрерывном, так и в цикличном режиме. Таким образом, предлагаемые линия и способ производства взорванного продукта из фуражного зерна позволяют за счет предложенной конструкции упростить технологию обработки сыпучего, плохосы-пучего, сухого и влажного фуражного зерна, повысить качество взорванного корма, производительность линии и снизить удельную энергоемкость.
Наряду с обработкой продуктов и кормов высокой температурой, СВЧ-энергией и ми-кронизацией применяется сублимационная сушка. Физический смысл сублимационной сушки заключается в превращении воды, содержащейся в сырье, в лед с последующим превращением его в пар, минуя жидкую фазу. При этом способе сушки 90% влаги находится в твердом состоянии - лед-замерзшая вода (молекулы) и отсасывается вакуумом,
вследствие чего испарение значительного количества влаги не вызывает заметных изменений структуры обезвоживаемого материала. Высушенный продукт имеет пористую губчатую структуру и объем, примерно равный первоначальному, причем исходное содержание структурных элементов сохраняется, как бы закрепляется. Полученный продукт обладает способностью к быстрому и почти полному обводнению, а также практически сохраняет первоначальные свойства.
Существующие сублимационные установки работают циклично, на загрузку и разгрузку обрабатываемых продуктов уходит много времени, при этом все энергосистемы отключаются; длительность цикла сушки 822 часа. Обрабатываемый материал должен быть измельчен до размеров 5-10 мм; размеры противней ограничены (высота 20-30 мм). Под каждым противнем установлены водяные, паровые или электрические нагреватели, которые занимают половину сублимационной камеры и не обеспечивают равномерность сушки и др. недостатки.
Предложены установка для сублимации крупнокусковых продуктов и кормов и способ сублимации крупнокусковых продуктов и кормов (рис. 2) [7, 8]. Установка для сублимации крупнокусковых продуктов и кормов работает следующим образом. Предварительно замороженные в противнях крупнокусковые (разделанная рыба, овощи, фрукты), а также, возможно, мелкоизмельченные (1,0-10 мм) обрабатываемые материалы помещаются в тележку 12 и загружаются в сублимационную камеру 1, закрывается дверь 8, включается в работу вакуум-привод (на рисунке не показан), а через подвод пара 3, при открытой задвижке 5 в паровую рубашку сублимационной камеры 1 подается пар, и сублимационная установка 1 начинает функционировать. Далее подготовленные обрабатываемые материалы помещаются в тележку 13 и загружаются в сублимационную камеру 2, закрывается дверь 9, включается в работу вакуум-привод, а через подвод пара 4, при открытой задвижке 6 в паровую рубашку сублимационной камеры 2 подается пар, и сублимационная установка 2 начинает работу.
16
6 4 13 15 7 14 12 5
Рис. 2. Установка для сублимации крупнокусковых продуктов и кормов: 1,2 - сублимационная камера, 3,4 - подвод пара, 5,6 - задвижки,
7 - теплоизоляционная перегородка, 8,9 - двери, 10,11 - вакуумпровод, 12,13 - тележки, 14,15 - краны, 16,17 - краны, 18 - теплоизоляционный материал
Происходит сублимация: равномерный нагрев продукта с испарением влаги в виде замороженных молекул воды, выходящих через вакуумпровод 10, 11, а через краны 14, 15 осуществляется отвод конденсата при открытых кранах 16, 17 в паровых рубашках. При достижении заданной влажности обрабатываемого продукта в сублимационной камере 1 разгрузка производится в следующей последовательности: закрывается задвижка 5 подвода пара 3, отключается ваку-умпровод 10, открывается дверь 8, выгружается тележка 12 и осуществляется санитарная обработка сублимационной камеры 1 и промывка паровой рубашки. При этом сублимационная камера 2 продолжает работу в заданном режиме. Затем сублимационная камера 1 загружается новой порцией обрабатываемого материала и включается в работу в вышеизложенной последовательности. По достижении заданной влажности обрабатываемого продукта в сублимационной камере 2 осуществляется ее разгрузка аналогично камере 1 и дальнейшая очередная загрузка. За счет попеременной загрузки и разгрузки сублимационных камер 1, 2 сама установка для сублимации крупнокусковых продуктов и кормов работает непрерывно.
Вышеизложенный процесс относится к сублимации однотипных продуктов. При обработке продуктов разных видов, размеров и влажности разгрузка в сублимационных камерах осуществляется по мере достижения заданной влажности. Наличие покрытия сублимационных камер 1, 2 теплоизоляционным материалом 16 и разделение их теплоизоляционной перегородкой 7 снижает потери теплоты во время работы камер, а также при разгрузке и загрузке.
Таким образом, предлагаемая установка для сублимации крупнокусковых продуктов и кормов позволяет при полном использовании объема сублимационных камер и их попеременной загрузке и разгрузке обеспечить непрерывность работы установки и снижение удельных затрат энергии.
На базе достижений электронной системы информации, компьютеризации, а также исполнительных технических средств (датчики уровня, температуры, давления, тока и т.п.) уместно реализовать интеллектуальные системы управления производством.
На крупных комбикормовых заводах они осуществляют управление всеми технологическими процессами: загрузка и контроль расходных бункеров из центральных складов и элеваторов; поточное или дискретное дозирование компонентов; дозирование, измельчение зерновых компонентов; смешивание отдозированных порций и ввод заданного веса жидких компонентов в смеситель; гранулирование сыпучих комбикормов, охлаждение, измельчение и рассев полученных гранул; автоматический забор проб для лаборатории; выдача готовых кормов в склады готовой продукции [9]. АСУТП исполняется по независимой системе процессов, что обеспечивает высокую надежность, гибкость и живучесть системы, строгое соблюдение технологии, это ведет к значительному улучшению качества продукции.
Мониторинг пресс-гранулятора. Постоянное наблюдение (мониторинг) за работой электродвигателей большой мощности вызвано зависимостью работы всего комплекса оборудования (рис. 3).
Рис. 3. Процесс мониторинга пресса
Оборудование цеха находится под контролем АСУТП, поэтому обеспечивается безопасность и долговечность работы электродвигателей и машин за счет исключения перегрузок по току, исключения холостых пробегов оборудования. Ведение отчетов и исторических трендов позволяет безошибочно и быстро производить «разбор сбоев», а также оптимизировать расход электроэнергии и производительность линии в целом. В процессе работы автоматически сохраняются график токов электродвигателей, ведение журнала действий оператора, ведение мастером работы всех исполнительных механизмов и маршрутов. Благодаря ведению базы данных по расходу сырья, с помощью запроса подсчитывается расход сырья и любого
компонента за период работы смены. Работа оператора сводится к вводу рецепта, запуску маршрута дозирования и готовой продукции.
Используется система контроллеров «Мастер 110.1-Мастер 110.5». Весовые микроконтроллеры осуществляют преобразование сигнала тензодатчиков в естественные единицы тока, массы, температуры и передают их управляющим контроллерам, которые представляет собой компьютер с установленными в нем платами ввода дискретных сигналов. В соответствии с этими сигналами контролеры воздействуют на приводы норий, шнеков, дозаторов, дробилки, пресса. Управляющие компьютеры соединены с компьютером верхнего уровня, где организовано рабочее место оператора-технолога. Интеллектуальная система управления технологий производства сводит к минимуму влияние «человеческого фактора»: обслуживающий персонал, зная, что все его действия контролируются, протоколируются, сохраняются, могут быть дистанционно просмотрены, старается максимально соблюдать регламент. Повышается точность выполнения технологических процессов, а следовательно, улучшается качество комбикормов, снижается удельный расход энергии за счет работы двигателей в номинальных режимах, уменьшается время холостой работы машин.
Литература:
1. Мысик А.Т. Производство продукции животноводства в мире и отдельных странах // Зоотехния. 2011. №1. С. 2-6.
2. Мировое производство соевых бобов. URL: https://ru.wikipedia.org (дата обращения: 27.03.2015)
3. Посевные площади рапса. URL: http://ab-centre.ru
4. Сыроватка В.И. Машинные технологии приготовления комбикормов в хозяйствах. М., 2010. 247 с.
5. ЗИ №2014126153. Линия производства взорванного продукта из фуражного зерна / Сыроватка В.И. и др.
6. ЗИ №2014126005. Способ производства взорванного продукта из фуражного зерна / Сыроватка В.И. и др.
7. ЗИ №2015109803. Установка для сублимации крупнокусковых продуктов и кормов / Сыроватка В.И. и др.
8. ЗИ №2015109800. Способ сублимации крупнокусковых продуктов и кормов / Сыроватка В.И. и др.
9. Рекомендации по заготовке и использованию высоковлажного фуражного зерна / Сыроватка В.И. и др. М., 2006.
10. Сыроватка В.И., Обухова Н.В., Комарчук А.С. Новые технические решения приготовления комбикормов в хозяйствах // Кормопроизводство. 2010. №7. С. 42-45.
Literatura:
1. Mysik A.T. Proizvodstvo produkcii zhivotnovodstva v mire i otdel'nyh stranah // Zootekhniya. 2011. №1. S. 2-6.
2. Mirovoe proizvodstvo soevyh bobov. URL: https://ru.wikipedia.org (data obrashcheniya: 27.03.2015)
3. Posevnye ploshchadi rapsa. URL: http://ab-centre.ru
4. Syrovatka V.I. Mashinnye tekhnologii prigotovleniya kombikormov v hozyajstvah M., 2010. 247 s.
5. ZI №2014126153. Liniya proizvodstva vzorvannogo produkta iz furazhnogo zerna / Syrovatka V.I. i dr.
6. ZI №2014126005. Sposob proizvodstva vzorvannogo produkta iz furazhnogo zerna / V.I. Syrovatka i dr.
7. ZI №2015109803. Ustanovka dlya sublimacii krupno-kuskovyh produktov i kormov / Syrovatka V.I. i dr.
8. ZI №2015109800. Sposob sublimacii krupnokuskovyh produktov i kormov / Syrovatka V.I. i dr.
9. Rekomendacii po zagotovke i ispol'zovaniyu vysokov-lazhnogo furazhnogo zerna / Syrovatka V.I. i dr. M., 2006.
10. Syrovatka V.I., ObuhovaN.V., KomarchukA.S. Novye tekhnicheskie resheniya prigotovleniya kombikormov v hozyajstvah // Kormoproizvodstvo. 2010. №7. S. 42-45.
COMPOUND FEED PRODUCTION'S MACHINE TECHNOLOGIES DEVELOPMENT STRATEGY V.I. Syrovatka, RAN academician, Department Head FGBNY All-Russian research Institute of animal husbandry mechanization
Abstract. There were made 980,12 million tones compound animal feed in the world in 2014. The main producers of it were: China -180 million tons, USA - 173, Brazil - 66, and Russia 24.5 million tones. Soybeans production as the main protein component amounted to 276,4 million tones, including in Russia - 2528 thousand tons, and rapeseed - 1402 thousand tones in 2013. In the article in the results of domestic and international practice's scientific developments analysis are shown a perspective of the compound animal feed heat treatment technical solution, in particular: heat treatment in the zone of superheated steam at 300-374°C temperature, from 12 to 21 MPa pressure, 30-60 seconds exposure treatment; heat treatment in the microwave energy field at 2450 MHz frequency, the 0.6-0.8°C/s heating rate, the 30-60 s processing time; lumpy products and feeds sublimation. The sublimation technology provides food freezing till -30°C...-50°C and drying till 5-8% moisture content at temperatures from +120° till +230°C. By the full set of sublimation chamber and the continuity of its work using a reduction in specific energy consumption and time of drying cycle is achieved. The rapeseed and soybean heat treatment regimes with regard to the antinutritional substances content are determine. On the electronics achievements', computerization and new technology (sensors of temperature, pressure, current, etc.) basis are successfully implemented an intelligent control systems that are shown in the press's process monitoring. Keywords: mechanization development's strategy, the superheated steam zone, microwave energy, feed freeze drying.
