CC BY
18
4. Kozarez I.V., Mikhalchenkov A.M. An overview of the ploughshare restoration methods // Proceedings GOSNITI. 2012. V. 109. № 2. Pp. 30-34.
5. Mikhalchenkov A.M., Solov'ev S.A., Mikhalchenkova M.A. Efficiency of import-substituting technologies for manufacturing, restoring and strengthening parts of tillage tools by the method of compensating heat-strengthened elements. 2014. №3. 11 (119). Pp. 17-22.
УДК 663.1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕРМОГЕНЕЗА
В РАСТИТЕЛЬНОМ СЫРЬЕ
Theoretical Studies of the Thermogenesis Process in Plant Raw Material
Панова Т.В., канд. техн. наук, доцент, panovatava@yandex.ru, Панов М.В., канд. техн. наук, доцент, pmv-1980@yandex.ru Рыжик В.Н., канд. канд. физ.-мат. наук, доцент, ryzik@yandex.ru Panova T.V., PanovM.V., Ryzhik V.N.
ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет» Bryansk State Agrarian University
Реферат. В статье представлены теоретические исследования процесса термогенеза в растительном сырье, которые показывают, что под действием микроорганизмов при хранении при определенном сочетании температуры и влажности происходит саморазогревание растительного материала. В настоящее время известно, что различные самонагревающиеся вещества (навоз, компоста, сено, зерно и т. д.) сильно обогащаются термофильными микроорганизмами. В данных субстратах температура может подниматься до 50—70°, а иногда и выше. Создающаяся обстановка весьма благоприятствует развитию теплолюбивой микрофлоры и вызывает гибель мезофилов, имеющих низкий температурный максимум развития. Совершенно очевидно, что, в зависимости от химического состава разогревающихся растительных масс и условий их нахождения, видовой состав размножающейся микрофлоры в отдельных случаях может достаточно сильно различаться. В средах, имеющих повышенную температуру, термофильные микроорганизмы принимают самое ближайшее участие в превращениях органических и минеральных веществ. Однако появление термофильных микробов в самонагревающихся массах - это не только следствие повышения температуры, происходящей от каких-то причин, не связанных с деятельностью микрофлоры. В настоящее время достаточно наглядно показано, что собственно работа микробов обусловливает разогревание скоплений разнообразных органических материалов. Отсюда следует, что термофильные микроорганизмы сами активно принимают участие в создании того температурного режима, который наблюдается в разогревающихся массах. Выявлено, что процесс термогенеза проходит три микробиологические фазы, в которых наблюдается размножение смешанной микрофлоры с некоторым преобладанием гнилостных аэробных неспоровых бактерий - кишечной палочки, псевдомонас, молочнокислых микробов, дрожжей, далее наблюдается бурные размножение молочнокислых микробов, причем вначале развиваются преимущественно кокковые формы, которые затем сменяются молочнокислыми бактериями и в конце наступает постепенное отмирание молочнокислых микробов из-за высокой концентрации молочной кислоты в силосе.
Abstract. The article presents theoretical studies of the thermogenesis process in plant raw materials, proving that during storage under the influence of microorganisms spontaneous combustion of the plant material occurs at a certain combination of temperature and humidity. It is known that various self-heating substances (manure, compost, hay, grain, etc.) are highly enriched in thermophile micro-organisms. In these substrates, the temperature can rise to 50-70°, and sometimes even higher. This environment is very favourable for the development of thermophile micro-
flora and causes the death of mesophiles with a low temperature maximum of development. It is quite obvious that, depending on the chemical composition of warming up plant masses and the conditions of their location, the species composition of the multiplying microflora in some cases can vary quite significantly. In environments with elevated temperatures, thermophile microorganisms are most closely involved in the transformation of organic and mineral substances. However, the appearance of thermophile microbes in self-heating masses is not only a consequence of an increase in temperature, which is due to some reason not related to the activity of microflora. At present, it has been clearly shown that the microbe activity itself causes heating of various organic materials accumulated. Hence, it follows that thermophile microorganisms themselves actively participate in the creation of the temperature regime that is observed in warming masses. It was revealed that the process of thermogenesis goes through three microbiological phases, in which there is a multiplication of mixed microflora with some predominance ofputrefactive aerobic non-spore bacteria - Escherichia coli, pseudomonas, lactic acid microbes, yeast, then there is a rapid multiplication of lactic acid microbes, and, at first, mainly coccal forms develop, then replacing with lactic acid bacteria, and at the end the lactic acid microbes gradually die off due to the high concentration of lactic acid in the silage.
Ключевые слова: термогенез, растительное сырьё, силос, самовозгорание, молочнокислые бактерии.
Key words: thermogenesis, vegetable raw material, silage, spontaneous combustion, lactic acid bacteria.
Введение. Термогенез - это саморазогревание растительных материалов при хранении при определенном сочетании температуры и влажности под действием микроорганизмов [1].
В процессе хранения сначала идет процесс размножения неспороносных палочек, затем появляются термостойкие микрококки и, образующие полоски белые колонии, плесневые грибы, актиномицеты. [2].
Рассмотрим явление термогенеза на примере приготовления силоса, так как силос является самым доступным материалом для использования его с целью получения и утилизации теплоты с помощью теполутилизатора.
В процессе созревания силоса различают три микробиологические фазы, характеризующиеся специфическим видовым составом микрофлоры. Первая фаза характеризуется размножением смешанной микрофлоры с некоторым преобладанием гнилостных аэробных неспоровых бактерий - кишечной палочки, псевдомонас, молочнокислых микробов, дрожжей. Спороносные гнилостные и маслянокислые бактерии размножаются медленно и не преобладают над молочнокислыми. Основной средой для развития смешанной микрофлоры в этой стадии является растительный сок, выделяющийся из тканей растений и заполняющий пространство между измельченной растительной массой. Это способствует созданию анаэробных условий в силосе, что угнетает развитие гнилостных бактерий и благоприятствует размножению молочнокислых микробов. Первая фаза при плотной укладке силоса, то есть в анаэробных условиях, продолжается всего 2 - 5 дней, при рыхлой укладке в аэробных условиях она более продолжительна и длится 1 - 2 недели. За это время силос разогревается благодаря интенсивным аэробным микробиологическим процессам.
Вторая фаза созревания силоса характеризуется бурным размножением молочнокислых микробов, причем вначале развиваются преимущественно кокковые формы, которые затем сменяются молочнокислыми бактериями. Благодаря накоплению молочной кислоты прекращается развитие всех гнилостных и маслянокислых микроорганизмов, при этом вегетативные их формы погибают, остаются лишь спороносные (в форме спор). При полном соблюдении технологии закладки силоса в этой фазе размножаются гомоферментативные молочнокислые бактерии, образующие из сахаров только молочную кислоту. При нарушении технологии закладки силоса, когда в нем содержится воздух, развивается микрофлора гете-роферментативного брожения, в результате чего образуются нежелательные летучие кислоты — масляная, уксусная и др. Длительность второй фазы — от двух недель до трех месяцев.
Третья фаза характеризуется постепенным отмиранием в силосе молочнокислых микробов из-за высокой концентрации молочной кислоты (2,5 %). В это время созревание силоса завершается, условным показателем пригодности его к скармливанию считается кислотность силосной массы, снижающаяся до рН 4,2 - 4,5. В аэробных условиях начинают размножаться плесени и дрожжи, которые расщепляют молочную кислоту, этим пользуются маслянокислые и гнилостные бактерии, прорастающие из спор, в результате силос плесневеет и загнивает. Гниение силоса, сопровождающееся значительным самосогреванием, отмечают при рыхлой его укладке и недостаточном уплотнении. Бурному развитию гнилостных и термофильных микробов способствует находящийся в силосе воздух. В результате разложения белка силос приобретает гнилостный, аммиачный запах и становится непригодным к скармливанию. Гниение силоса происходит в первой микробиологической фазе, когда задерживается развитие молочнокислых микробов и накопление молочной кислоты, подавляющей гнилостных бактерий. Чтобы прекратить развитие последних, необходимо рН в силосе снизить до 4,2 - 4,5 [3].
Материалы и методы исследований. Основными параметрами силоса являются: влажность, активная кислотность (рН), содержание аммиака, количество и соотношение органических кислот (молочной, уксусной и масляной), содержание каротина.
Тепловой поток (Вт), который будет выделяться из гниющего силоса, прямо пропорционально массе гниющего силоса
б = Ьшгн (1)
где Ь - коэффициент, зависящий от вида трав, составляющих силос и от концентраций веществ, способствующих гниению (например, молочно-кислые бактерии);
mгн - масса гниющего силоса, кг.
Для определения массы гниющего силоса необходимо знать убыль силоса. Пусть в силосную яму объемом V заложили силос массой m0, при этом силос уплотняют. Плотность
т0 т^
силоса р = —. В данном случае полагаем m0 - начальная масса нормального силоса (без
продуктов гниения), т.е. начальная масса гниющего силоса равна нулю.
При нарушении технологии силосования с течением времени происходит гниение силосной массы и, следовательно, масса нормального (не гнилого силоса) уменьшается по следующему закону: убыль массы нормального силоса на -dm за время dт пропорциональна наличной массе данного силоса
- ёт = т ■ • ёт (2)
где = /(рН, р, - коэффициент гниения, зависящий от кислотности силоса
рН, атмосферного давления р, температуры силоса ^ количества воздуха, оцениваемого пористостью у и влажностью силоса р.
Произведем разделение переменных ёт = -кг ■ ёт
т
После интегрирования обеих частей уравнения, получим
т ё}77 т
[ — = - [ кг • ёт; 1п т - 1п т0 =-&г т; 1п т = 1п т0 - кг ■т
т •
т 0
Тогда масса нормального силоса оставшегося после гниения за время т, будет равна
т = т0в~кт (3)
Масса сгнившего силоса из выражения
тгн = то - т = т0 (1 - е~к'Т) (4)
Количество теплоты, выделяющееся при гниении силоса, в окончательном варианте примет вид:
0 = кг ш0(1 - ) (5)
где то - начальная масса не испорченного растительного сырья, кг;
кг - коэффициент гниения силоса.
Для определение коэффициента гниения силоса кг можно рекомендовать следующую методику.
В емкость объемом У0 помещается силос, который тщательно уплотняется. Зная массу емкости, можно определить начальную массу силоса т0.
По истечении времени Т0 силос извлекается из емкости, удаляется гнилостная составляющая и измеряется масса оставшегося не гнилого силоса т.
Тогда из формулы (3) можно выразить коэффициент гниения силоса кг
тп
к = т (6)
Т
* п
т
Данный коэффициент можно определить для силосной ямы любого объёма.
В результате самонагревания растительного сырья под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов в массе вещества может возникать микробиологические самовозгорание.
Некоторые вещества могут самовозгораться, находясь при обычной температуре.
Склонностью к микробиологическому самовозгоранию обладают увлажненные органические материалы, служащие питательной средой для микроорганизмов, жизнедеятельность которых связана с выделением теплоты (торф, силос, увлажненное сено, зерно).
В случае, когда количество образующейся теплоты повышает теплопотери в окружающую среду, возможно возникновение пожара.
Пожарная опасность веществ, склонных к самовозгоранию, очень велика, поскольку они возгораются при температуре окружающей среды ниже температуры самовоспламенения веществ, а период индукции самовозгорания веществ может составлять несколько часов, дней, месяцев. Начавшийся процесс разогревания вещества можно остановить лишь при обнаружении опасного нарастания температуры. Контроль изменения температуры в растительном сырье можно осуществлять с помощью термодатчиков [4]. Схемы расположения термодатчиков представлены на рисунке 1.
Термодатчики располагались на вертикальных перфорированных трубах, на расстоянии 0,5 м и 1 м от горизонтальной трубы [5].
а б
а) на трубах аэрации, б) в растительном сырье 1 - приточная ветвь; 2 - вытяжная ветвь; 3 - трубы аэрации; 4 - термодатчики; 5 - перфорация; 6 - насос Рисунок 1 - Схема размещения термодатчиков
Начало процесса самовозгорания характеризуется температурой самонагревания (Тсн), представляющей собой минимальную температуру, при которой обнаруживается тепловыделение. При достижении в процессе самонагревания температуры самовозгорания (Тсвоз), возникает горение материала, проявляющееся в виде тления или пламенного горения. Явление самонагревания обязательно учитывается при определении склонности веществ к самовозгоранию. Возможность самовозгорания материала устанавливается по зависимостям [6]
1ёТокр = А -п11еI (7) 1ёТокр = А2 -п2\%т (8)
где Токр - температура окружающей среды, оС;
1 - толщина слоя, м;
т - время, в течение которого может произойти самовозгорание;
А1 и А2, п и п2 - коэффициенты, характерные для каждого материала.
Значения Тсн, Тсвоз, А1, п1, А2, п2 приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры уравнений, характеризующих самовозгорание
Материал Тсн Тсвоз А1 П1 А2 П2
Торф 70 225 2,778 0,264 2,396 0,18
Сено (влажность 7,5%) 70 204 2,515 0,109 2,311 0,058
Силос (зеленые части растений) 70 265 2,572 0,182 2,300 0,113
Для микробиологического самовозгорания характерно то, что Тсн не превышает температуры окружающей среды.
Заключение. На основании изложенного выше можно заключить, что для определения количества теплоты, выделяющейся при гниении органики, необходимо знать массу растительного сырья и коэффициент, учитывающий вид исходного сырья, а также концентрацию веществ, способствующих гниению. Для определения возможности самовозгорания необходимо знать толщину слоя растительного сырья и время, в течение которого может произойти самовозгорание.
Библиографический список
1. Ешинимаев Б.Ц. Термофильные и термотолерантные аэробные метанотрофы // Микробиология. 2009. Т. 78, № 4. С. 435-450.
2. Приготовление силоса и сенажа с применением отечественных биологических препаратов / В.А. Бондарев, В.М. Косолапов, В.П. Клименко, А.Н. Кричевский. М.: ФГБНУ ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса, 2016. 212 с.
3. Глотов В.А. Применение биологических препаратов при заготовке кормов в хозяйствах ООО «Эфко-Ресурс» // Белгородский агромир. 2006. № 3. С. 34.
4. Баратов А.Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Кн. 2 / ред.: А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко. М.: Химия, 1990. 383 с.
5. Приточно-вытяжная установка с теплоутилизатором: пат. 99864 Рос. Федерация / Панова Т.В., Лумисте Е.Г., Панов М.В. № 2010129393/02; заявл. 15.07.2010; опубл. 27.11.2010, Бюл. № 33.
6. Христофоров Е.Н. Пожарная безопасность. расчет сил и средств для тушения пожаров на производственных объектах: учеб. пособие. Брянск: Изд-во Брянский ГАУ, 2015. 84 с.
7. Чирков Е.П. Экономика и организация кормопроизводства (теория, практика, региональный уровень). Брянск, 2008.
8. Дьяченко О.В., Дронов А.В., Слёзко Е.И. Возделывание многолетних травосмесей как способ эффективного обеспечения кормопроизводства Брянской области // Вестник Брянской государственной сельскохозяйственной академии. 2016. № 6 (58). С. 29-33.
References
1. Eshinimaev B.Cz. TermofiVny'e i termotolerantnye aerobnye metanotrofy // Mikrobi-ologiya. 2009. T. 78, № 4. S. 435-450.
2. Prigotovlenie silosa i senazha s primeneniem otechestvennyh biologicheskih preparatov / V.A. Bondarev, V.M. Kosolapov, V.P. Klimenko, A.N. Krichevskij. M.: FGBNU VNII kormov im. V.R. Vilyamsa, 2016. 212 s.
3. Glotov V.A. Primenenie biologicheskih preparatov pri zagotovke kormov v hozyajstvah OOO «Efko-Resurs» //Belgorodskij agromir. 2006. № 3. S. 34.
4. Baratov A.N. Pozharovzryvoopasnost' veshhestv i materialov i sredstva ix tusheniya. Kn. 2 /red.: A.N. Baratov, A.Ya. KoroVchenko. M.: Himiya, 1990. 383 s.
5. Pritochno-vytyazhnaya ustanovka s teploutilizatorom: pat. 99864 Ros. Federaciya / Panova T.V., Lumiste E.G., Panov M.V. № 2010129393/02; zayavl. 15.07.2010; opubl. 27.11.2010, Byul. № 33.
6. Hristoforov E.N. Pozharnaya bezopasnosf. raschet sil i sredstv dlya tusheniya pozharov naproizvodstvennyh obektah: ucheb. posobie. Bryansk: Izd-vo Bryanskij GAU, 2015. 84 s.
7. Chirkov E.P. Ekonomika i organizaciya kormoproizvodstva (teoriya, praktika, region-aVnyj uroven). Bryansk, 2008.
8. Dyachenko O.V., Dronov A.V., Slyozko E.I. Vozdelyvanie mnogoletnih travosmesej kak sposob effektivnogo obespecheniya kormoproizvodstva Bryanskoj oblasti // Vestnik Bryanskoj gosudarstvennoj sel skohozyajstvennoj akademii. 2016. № 6 (58). S. 29-33.
