CC BY
18
УДК 631.363:636.087.7
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРА НА ОПТИМИЗАЦИЮ ОДНОРОДНОСТИ СМЕШИВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ
КОРМОВОЙ ДОБАВКИ
В.В. Шишкин, кандидат с.-х. наук, заведующий отделом E-mail: [email protected]
В.В. Михалёв, кандидат с.-х. наук, старший научный сотрудник Г.Ю. Шишкина, научный сотрудник ФГБНУ Дальневосточный НИИМЭСХ E-mail: [email protected]
Аннотация. В условиях Дальневосточного региона России и особенно Амурской области, как основного в стране производителя соевого зерна, целесообразно использовать соевую продукцию для повышения протеиновой питательности рационов кормления сельскохозяйственных животных. При этом обогащение их одной соей не вполне эффективно, ведь остается дефицит минеральных элементов. Поэтому является актуальным производство новых белковых кормовых добавок, обогащенных минеральными веществами, с учетом природно-климатических и биохимических условий Амурской области. Получить полноценную минерально-обогащенную белковую кормовую добавку на основе зерна сои непосредственно в хозяйствах можно в процессе экструдирования, вводя в зерновую основу различные минеральные вещества в виде раствора солей. Технология смешивания минерально-солевых растворов в процессе воздействия температуры и давления на зерно, подготавливаемое к скармливанию методом экструдирования, вызывающего качественные изменения корма на молекулярном уровне, пока не получила должного внимания. При данном способе минеральные вещества, растворенные в воде, вносятся непосредственно в приемный бункер пресс-экструдера отдельным дозатором минерально-солевого раствора, а смешивание этих веществ с зерном сои происходит непосредственно в главном стволе экструдера. Цель исследований заключалась в определении оптимальных конструктивно-режимных параметров пресс-экструдера, влияющих на однородность смешивания ингредиентов в процессе производства белково-минеральной кормовой добавки на основе зерна сои. Результаты проведенного полного факторного эксперимента, использованные для получения математической модели процесса оптимизации однородности смешивания компонентов экструдата,указывают пути снижения неоднородности смешивания ингредиентов при экструдировании минерально-обогащенного соевого зерна.
Ключевые слова: кормопроизводство, соя, протеин, экструдирование, смешивание, фактор, интервал, параметр, оптимизация.
Актуальность темы. Важнейшей задачей современного животноводства является достижение высокой эффективности производства продукции. Основным фактором, оказывающим влияние на жизнедеятельность сельскохозяйственных животных и птицы, является обеспечение их физиологических потребностей, которые удовлетворяются включением в рацион животных балансирующих кормовых добавок, комбикормов и премиксов, изготовленных с учетом зональных природно-климатических условий, имеющих в своем составе оптимальное ко-
личество всех нормируемых питательных веществ, витаминов и микроэлементов. Скармливание сельскохозяйственным животным и птице несбалансированных рационов или кормов с дефицитом питательных элементов ведет к снижению иммунитета, продуктивности, а также к возникновению различных заболеваний и, как следствие, гибели животных [2].
Минимизация проблемы протеино-мине-рального дефицита при кормлении сельскохозяйственных животных в условиях каждого хозяйства региона является актуальной и
Journal of VNIIMZH №4(20)-2015
43
связана с повышением эффективности использования в кормопроизводстве зерна сои. Производственная база для решения этой задачи в виде зернового двора для приемки, хранения и переработки зерна имеется в большинстве сельхозпредприятий, что позволяет с минимальными затратами на приобретение технологического оборудования для линии по экструдированию сои производить обогащенные белковые добавки на основе зерна бобовых культур [4,5].
Зерно сои обладает высокой питательностью, содержание растительного белка, который является более полноценным и самым дешевым, в нем колеблется от 30 до 45%. По качественному составу белок сои ближе других подходит к белкам мяса, яиц и молока. Это обеспечивает хорошую переваримость кормов из сои и их эффективность при скармливании [6].
Вместе с тем, зерно сои имеет некоторые особенности химического состава и свойств структурных элементов, которые снижают эффективность его использования без предварительной подготовки. В нем содержится большое количество антипитательных веществ (ингибиторы ферментов, алкалоиды, гидролитические ферменты и др.). Легкорастворимые фракции составляют до 80% протеина, что способствует его быстрой гидро-лизации в рубце жвачных животных, поэтому применение соевого зерна для кормления скота в натуральном виде снижает эффективность его использования. Но известно, что все антипитательные вещества сои являются термолобильными белками, которые полностью инактивируются при нагревании, и что воздействие различных физико-химических факторов (тепловая обработка, гранулирование, обработка органическими кислотами) снижает растворимость и расщепля-емость кормового протеина в преджелудках, поэтому зерну сои необходима термическая обработка (жарка, запаривание, экструдиро-вание и др.) [3].
Производить минеральные добавки в хозяйственных условиях можно только на специализированном оборудовании, соответствующем жестким требованиям дозирова-
ния и смешивания всех компонентов. Это, кроме того, позволяет резко уменьшить потери минеральных веществ, улучшить культуру производства и обеспечить эффективность технологии введения в организм необходимых макро- и микроэлементов.
Смесители, используемые в настоящее время для обогащения премиксов различными добавками в сухом и жидком видах, имеют сложную конструкцию, большую энергоемкость и малопроизводительны. Также они характеризуются невысоким коэффициентом заполнения, низкими показателями качества производимой продукции, часто наблюдается сегрегация смеси, приводящая к повышению неоднородности смешивания компонентов до 15-30%. Существующее оборудование по вводу жидких микродобавок смонтировано, как правило, на смесителях периодического действия с установкой на них одной или нескольких форсунок.
Получить полноценную минерально-обогащенную белковую кормовую добавку на основе зерна сои непосредственно в хозяйствах можно в процессе экструдирования, вводя в зерновую основу различные минеральные вещества в виде раствора солей [7].
Технология смешивания минерально-солевых растворов в процессе воздействия температуры и давления на зерно, подготавливаемое к скармливанию методом экстру-дирования, вызывающего качественные изменения корма на молекулярном уровне, пока не получила должного внимания. При данном способе минеральные вещества, растворенные в воде, вносятся непосредственно в приемный бункер пресс-экструдера отдельным дозатором минерально-солевого раствора, а смешивание этих веществ с зерном сои производится шнеком в главном стволе экструдера.
Цель исследований заключалась в определении оптимальных конструктивно-режимных параметров пресс-экструдера, влияющих на однородность смешивания ингредиентов в процессе производства белково-минеральной кормовой добавки на основе зерна сои. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- проведен полный факторный эксперимент с получением количественных оценок влияния независимых переменных факторов на параметр оптимизации;
- получена математическая модель объекта исследования;
- проведена статистическая обработка результатов эксперимента с получением параметра оптимизации зависимой переменной.
Материалы и методы исследований. Теоретические исследования, включающие обзор более 40 источников по различным направлениям процесса смешивания компонентов в кормопроизводстве, проводились для получения исходных данных при планировании, обоснования принимаемых решений, выбора направлений и выполнения работы по данной теме. Полный факторный эксперимент с двумя уровнями варьирования трех независимых переменных факторов (ПФЭ 2 ) проводился в 2014 году на базе отдела механизации животноводства и кормопроизводства ФГБНУ ДальНИИМЭСХ с использованием лабораторного пресс-экстру-дера ХР-3 производительностью 25 кг/ч.
Результаты исследований и их обсуждение. Априорная информация, полученная по результатам предыдущих исследований, показала, что на процесс производства кормовой добавки и эффективность смешивания оказывает влияние большое число факторов. При этом важен не столько тип смесителя, сколько величина частиц наполнителя и микроингредиентов, а также частота вращения шнека, шаг его витка, диаметр отверстия головки и др. При слишком быстром вращении частицы микродобавок плохо распределяются по структуре наполнителя под действием центробежных сил, при медленном смешивании процесс протекает слишком долго. Следовательно, к каждому смесителю нужно опытным путем подобрать скорость вращения шнека, чтобы получалась гомогенная смесь. Для оптимизации конструктивно-режимных параметров пресс-экструдера потребовалось построить математическую модель этого процесса, что осуществить теоретически невозможно, т.к. трудно учесть во времени все свойства смешиваемых и экс-
трудируемых материалов. Стало необходимым проведение полного факторного эксперимента (ПФЭ) по выявлению влияния основных конструктивно-режимных параметров (факторов, аргументов) на результирующий, подконтрольный фактор - однородность смешивания.
Для исследования оптимизации процесса смешивания компонентов кормовой добавки был выбран наиболее простой, удобный и математически разработанный класс модели - алгебраический полином первой степени, позволяющий предсказывать значения откликов в интересующих нас состояниях, которые не изучались экспериментально, но приближают к оптимуму. Функция отклика выбранной модели представлена уравнением регрессии линейного вида:
у = Ь0 + Ь1Х1 + Й2Х2 + ■■■+ Ьпхп, где у - результат; х1, х2 ...хп - факторы; Ъ1, Ь2 ... Ьп - коэффициенты регрессии, характеризующие влияние каждого на исследуемый результат.
Уравнение можно записать: у = Ь0+ XI .
При планировании эксперимента критерием оптимизации (у) была выбрана неоднородность получаемой смеси Qk ,%; независимыми переменными факторами (х) определены конструктивно-режимные параметры пресс-экструдера: х1 - диаметр отверстия головки Дг, мм; х2 - шаг витка шнека 5ш, мм; х3 - частота вращения шнека мин-1. Также были выбраны уровни и определены интервалы варьирования факторов.
В целях сокращения количества опытов за счет не очень существенной при построении модели информации, но с сохранением свойств оптимального планирования, была избрана полуреплика от ПФЭ 23, план которой представлен в таблице [1]. Число пов-торностей опытов п = 2. Для обработки результатов эксперимента вычислялось среднее значение зависимой переменной у по п параллельным опытам (у равно сумме всех п отдельных результатов, деленной на количество параллельных опытов п), а также дисперсия - среднее значение квадрата отклонений величины от ее среднего значения.
Лоигпа! оГ VNIIMZH №4(20)-2015
45
Таблица. План полуреплики от ПФЭ 23 при исследовании процесса оптимизации однородности _смешивания компонентов белково-минеральной кормовой добавки_
Основной уровень 7 10 57,4
Интервал варьирования 2 2 5,4
Верхний уровень 9 12 62,8
Нижний уровень 5 8 52,0
Номер опыта Кодовые обозначения переменных и результаты
Хо Xi *2 *3 У1 У2 У S2
1 + - - + 8,64 12,8 10,72 8,65
2 + + + + 7,73 7,31 7,52 0,08
3 + - + - 10,4 14,8 12,6 9,68
4 + + - - 5,17 7,28 6,23 2,22
ь, 9,267 -2,329 0,792 -0,147
Затем была проверена однородность выборочных дисперсий по критерию Фишера (Г - критерий) - отношению большей дисперсии к меньшей и по критерию Кохрена, представляющему отношение максимальной дисперсии к сумме всех дисперсий. Гипотеза об однородности дисперсий подтвердилась, т.к. экспериментальные значения обоих критериев не превысили табличных значений, поэтому дисперсии были усреднены по формуле:
шкуш-УЛ2
-
N (п - 1)
- 5,157 ,
что равнозначно дисперсии воспроизводимости эксперимента 52оСр.
Определение коэффициентов регрессии выполнялось методом наименьших квадратов, которым для любого числа факторов коэффициенты вычисляются по формуле:
bJ -
N '
В этой формуле ) = 0, 1, 2....., к - номер
фактора. Ноль записан для вычисления Ьо, N - число опытов.
Значимость коэффициентов проверена по критерию Стьюдента. С этой целью для всех коэффициентов уравнения составлялось § отношение:
ь = м ,
результат которого при сравнении с табличным для уровня значимости р = 5% и числа степени свободы / = Ы(т — 1) = 3 был больше, значит, каждый коэффициент модели можно считать значимым. Адекватность уравнения регрессии исследуемому
процессу проверена и подтверждена по критерию Фишера.
Адекватная линейная модель, полученная в результате исследования, имеет вид полинома первой степени. Коэффициенты полинома являются частными производными функции отклика по соответствующим переменным. Больший по абсолютной величине коэффициент соответствует более существенному изменению параметра оптимизации при изменении данного фактора. О характере влияния факторов говорят и знаки коэффициентов. Знак плюс свидетельствует о том, что с увеличением значения фактора растет величина параметра оптимизации, а при знаке минус - убывает. Интерпретация знаков при оптимизации зависит от того, ищем ли мы максимум или минимум функции отклика. Оптимизация функции отклика, в данном исследовании (неоднородности смеси Qk, %) - ее минимизация у ^ min, предполагает увеличение значений тех факторов, знаки коэффициентов которых отрицательны.
Результат, полученный в процессе данного исследования, безусловно, применим к конкретному объекту, на котором оно проводилось. Попытка повторить результат в другой лаборатории на аналогичной установке не всегда приводит к успеху. Выполнение анализа одной и той же пробы вещества одним и тем же методом в разных лабораториях связано обычно с большей ошибкой, чем ошибка воспроизводимости в одной лаборатории по причинам различия в свойствах исходного сырья, оборудования и навыках обслуживающего персонала.
Аналогичная или даже худшая ситуация возникает при перенесении технологического процесса на другую установку. До экспериментальной проверки мы не можем сказать, воспроизводится ли, например, оптимальный режим на другой установке. Но у нас нет лучшей рекомендации, чем считать этот режим исходным для исследования процесса на новой установке [1].
Вывод. Результаты полного факторного эксперимента, использованные для получения математической модели процесса оптимизации однородности смешивания компонентов экструдата, указывают пути снижения неоднородности смешивания ингредиентов при экструдировании минерально-обогащенного соевого зерна. Установлено, что наибольшее влияние на изменение параметра оптимизации - коэффициент неоднородности ^¡с) оказывают факторы с большими по абсолютной величине коэффициентами регрессии (Ьо - соотношение всех трех независимых переменных хь х2, х3, Ь1 - диаметр отверстия хь Ь - шаг витка шнека х2), увеличение значений факторов со знаком «-» -диаметр отверстия головки х1 и частота вращения шнека х3 и уменьшение со знаком «+» - шаг витка шнека х2 ведет к снижению неоднородности смешивания ^¡с).
Литература:
1. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий I Адлер Ю.П. и др. М., 1976. С. 93-232.
2. Бенкена И.И., Томилина Т.Б. Антипитательные вещества белковой природы в семенах сои II НТВ ВИР. 1985. В. 149.
3. Богина И. Соевые белки как источник аминокислот для животных II Корма и кормление. 1977. №5. С. 19.
4. Минеральное питание животных I Георгиевский С.И. и др. М.: Колос, 1979. 471 с.
5. Кальницкий Б.Д. Система протеинового питания молочного скота II Зоотехния. 1990. №3. С. 32-37.
6. Краснощекова Т.А. Использование зерна сои и отходов от ее переработки в кормлении с.-х. животных II Перспективы производства и переработки сои в Амурской обл. Благовещенск, 1998.
7. Способ обработки полножирной сои I Панков А.А. и др. М.: Нива, 1999.
Literatura:
1. Planirovanie ehksperimenta pri poiske optimal'nyh us-lovij / Adler YU.P. i dr. M., 1976. S. 93-232.
2. Benkena I.I., Tomilina T.B. Antipitatel'nye veshchestva belkovoj prirody v semenah soi // NTB VIR. 1985. V. 149.
3. Bogina I. Soevye belki kak istochnik aminokislot dlya zhivotnyh II Korma i kormlenie. 1977. №5. S. 19.
4. Mineral'noe pitanie zhivotnyh / Georgievskij S.I. i dr. M.: Kolos, 1979. 471 s.
5. Kal'nickij B.D. Sistema proteinovogo pitaniya moloch-nogo skota // Zootekhniya. 1990. №3. S. 32-37.
6. Krasnoshchekova T.A. Ispol'zovanie zerna soi i otho-dov ot ee pererabotki v kormlenii s.-h. zhivotnyh // Per-spektivy proizvodstva i pererabotki soi v Amurskoj obl. Blagoveshchensk, 1998.
7. Sposob obrabotki polnozhirnoj soi / Pankov A.A. i dr. M.: Niva, 1999.
THE PRESS-EXTRUDER'S CONSTRUCTIVE-REGIME PARAMETERS INFLUENCE ON THE FEED ADDITIVE COMPONENTS
MIXING HOMOGENEITY'S OPTIMIZATION
V.V. Shishkin, candidate of agricultural sciences, department head V.V. Mikhalev, candidate of agricultural sciences, senior research worker G.Y. Shishkina, research worker FGBNY Far Eastern NIIMESH
Abstract. In the Russian far Eastern region and particularly in Amur area, as the main of soy beans' producer in the country, it is advisable to use soy's product to increase the cattle rations' protein nutrition of feed. By the way the only soy enrichment of them is not quite efficient, because it leads to the mineral elements' lack. So it is actual the new protein feed additives' production, enriched with the minerals, that taking into account with Amur region natural-climatic and biochemical conditions. To get a full mineral-enriched protein feed additive on the of soybean grain basis directly on the farms it can by the extrusion process, giving in the grain's basis the various mineral substances in the salts solution's form. The mineral salt solutions' mixing technology in the process of influence of the temperature and pressure on the prepared for feeding by extrusion grain, causing forage qualitative changes on a molecular level, has not received proper attention so far. By this method, the mineral substances, dissolved in water, are brought directly into the press-extruder's receiving hopper by the individual mineral-salt solution's dispenser, and these substances' mixing with soybeans occurs directly in the main extruder's barrel.The aim of these research was to identify the press-extruder's optimal construction and operating parameters, affecting the mixing ingredients' uniformity during protein -mineral feed additive based on soybean's production. The results of held full factorial experiment used to obtain a mathematical model of the process of mixing components university homogeneity's optimization indicate the path of ingredients's mixing inhomogeneity reduction by the mineral-enriched soybean grain's extruding.
Keywords: forage production, soybeans, protein, extrusion, mixing, factor, interval, parameter, optimization.
Journal of VNIIMZH №4(20)-2015
47
