ВОДНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА ВОСКОВОГО СЫРЬЯ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 631.362.36/638.178

ВОДНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА ВОСКОВОГО СЫРЬЯ

БЫШОВ Дмитрий Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка, [email protected]

КАШИРИН Дмитрий Евгеньевич, д-р техн. наук, зав. кафедрой электроснабжения, kadm76@ mail.ru

УСПЕНСКИЙ Иван Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой технической эксплуатации транспорта, [email protected]

КОСТЕНКО Михаил Юрьевич, д-р техн. доцент, профессор кафедры технологии металлов и ремонта машин, [email protected]

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева ФОМИН Сергей Денисович, д-р техн. наук, доцент, зав. Центром наукометрического анализа и международных систем индексирования Волгоградского государственного аграрного университета, [email protected]

Воск - один из важнейших продуктов пчеловодства, имеющий богатейший органический состав, благодаря которому он находит широкий спектр применения в различных отраслях промышленности. Традиционно воск получают путем перетопки выбракованных пчелиных сотов. Основным загрязнителем старых сотов является пчелиная перга. Наличие перги в восковом сырье приводит к значительной потере воска, а также существенно ухудшает качество получаемого продукта. Предварительно заготовленные экспериментальные куски пчелиного сота (образцы), загрязненные пергой, размером 45 на 45 мм, взвешивались на весах марки Digital Scale с точностью до ± 0,01 г. Образцы помещали в ванну с водой, температура которой составляла 18±10 С и выдерживали их на протяжении времени, заданного планом опыта, после чего три образца извлекали и помещали в ванну установки УЗО1. Посредством пульта управления задавали продолжительность воздействия ультразвука согласно плану. По истечении времени воздействия на продукт очищаемые образцы навески извлекали, промывали под струей воды и подвергали сушке. Еще в 19 веке предложен обратный метод переработки воскового сырья, заключавшийся в отделении от воскового сырья невосковой части. Для отделения воска от невосковой части предложено измельченную сушь сотов помещать в холодную воду [1, 2]. Частицы воска, имеющие меньшую плотность, располагаются на поверхности, а намокшие невосковые части опустятся на дно. Анализ проведенных исследований позволил установить, что существует возможность эффективной водной очистки воскового сырья путем сочетания операций замачивания и ультразвуковой обработки в воде. Ключевые слова: пчелиные соты, перга, воск, очистка, время, ультразвук.

Введение

В настоящее время переработка воскового сырья базируется на нагревании, стекании и отжиме. Над созданием устройств для получения воска работали такие ученые, как К.В. Богомолов, Н.В. Бышов, Л. В. Давыдов, Д.Е. Каширин, Ю.Н. Кирьянов, В.Ф. Некрашевич, А. Ритше, А.А. Рогов, А. Рут, В.А. Темнов. Воскотопки могут иметь различные конструкции и принципы работы. По способу нагрева воскового сырья воскотопки делятся на солнечные, водяные, паровые, которые являются наиболее производительными для пасечного получения воска [1, 2]. Большую известность в свое время получили паровые воскопрессы А. Ритше [1, 2] и воскопрессы Гершайзера, нагреваемые водой [1, 2]. В середине 20 века использовали рычажные, клиновые, рычажные с винтом воскопрессы без нагрева воскового сырья - холодные [1, 2]. Значительный вклад в переработку воскового сырья внесен американским ученым А. Рутом

[1, 2]. Им созданы воскопрессы, способные обеспечить большой выход воска из воскового сырья. Несмотря на это, А. Рут отмечал, что ни один метод переработки воскового сырья не обеспечивает получения всего воска. Известный специалист Л.В. Давыдов также отмечал, что лучшие условия отжима воскового сырья создаются при определенной температуре, способствующей нахождению воска в горячем подвижном состоянии [1, 2]. Исследования А.Ф. Губина показывают, что мерва после «холодного» прессования содержит от 20 до 40% воска, а после «горячего» прессования -от 13 до 25% [1, 2].

В практическом пчеловодстве в условиях небольшой пасеки процесс получения воска сводится к следующим операциям [3, 4]:

- наващивание деревянных соторамок и установка их в корпуса ульев;

- сортировка старых соторамок и частичная их выбраковка;

© Бышов Д. Н., Каширин Д. Е., Успенский И. А., Костенко М. Ю.,Фомин С. Д., 2019 г.

Технические науки

- отделение суши сотов от деревянных рамок и ее накопление;

- очистка внутренних поверхностей корпусов ульев от восковых наростов и накопление воска;

- термическая перетопка воскового сырья с целью получения воска;

- сбор и накопление отходов, остающихся в результате перетопки суши сотов (мервы);

- извлечение остатков воска из мервы путем прессования или экстрагирования как в условиях пасеки, так и на специализированных предприятиях.

Пчеловоды увеличивают количество заготавливаемого воскового сырья путем постоянного побуждения пчелиной семьи к активному строительству сотов. Поэтому пчеловод периодически подставляет в ульи свежие навощенные сото-рамки. Но постройка новых соторамок несколько снижает медовую продуктивность семьи, поэтому пчеловоды находят компромиссные решения. В частности, для увеличения восковой производительности пчелиной семьи во время главного медосбора при каждой откачке магазинные соты подрезают снизу (на 1/3) в половине соторамок для восстановления сотов пчелами до их первоначального состояния. Получение качественного меда и воска достигается очисткой брусков магазинных рамок от налепившихся на соты частичек воска, прополиса, мертвых пчел при откачке меда.

Основным показателем качества воскового сырья является восковитость, то есть количество воска, содержащегося в сырье, выраженное в процентах.

Восковитость зависит от последовательности сбора, способа сортировки и способов хранения воскового сырья. Нужно иметь в виду, что отдельные участки поверхности сотов неоднородны и неравноценны как по содержанию воска, так и по количеству содержащихся загрязнений. Известно, что средняя часть сота загрязнена органическими оболочками коконов существенно сильнее, чем его периферийные части, что объясняется высокой концентрацией расплода именно в середине сота. Довольно точно восковитость соторамки можно определить по цвету, так как чистый воск имеет желтый цвет, а цвет загрязнений варьирует от светлокоричневого до черного. Поэтому, отбирая старые, подлежащие выбраковке соты и вырезая их из рамок, необходимо проводить сортировку. Не следует пласты отделенной суши сваливать в одну общую емкость. Целесообразно каждый пласт предварительно раскроить на однородные по цвету части. Эта сортировка воскового сырья важна для получения качественного воска.

Как восковое сырье сушь делится на три сорта. Основными внешними признаками, по которым она относится к тому или другому сорту, служит цвет, а также степень прозрачности сотов на свет. Сушь может быть от светло-желтого до темно-коричневого цвета, так как по мере продолжительности использования сотов загрязнения накапливаются все больше и больше. При определении сорта суши применяют комплексный подход; помимо этого, обращается внимание на имеющиеся

-Э

в ней примеси, влажность, поражение плесенью.

В практическом пчеловодстве наиболее распространены следующие способы извлечения воска из сырья:

- отделение жидкого воска из разогретого воскового сырья;

- извлечение воска из разогретого воскового сырья под действием давления (прессования);

- выделение некондиционного воска из отходов, остающихся в результате перетопки суши сотов путем экстрагирования или повторного прессования при большом давлении.

Воскотопки разделяют по способу подвода тепла на три группы: солнечные, паровые, водяные. Пасечная переработка воскового сырья, как правило, позволяет получить два так называемых продукта: мерву - загрязнения, пропитанные воском, и чистый воск. Пасечная мерва, поступая на воскоперерабатывающие заводы, подвергается обработке мощными прессами, при помощи которых дополнительно отделяется связанный с загрязнениями пчелиный воск; отходы после такой обработки называют заводской мервой. Отделение остатков воска от заводской мервы возможно только путем экстрагирования в специальных экстракционных установках. Экстрагирование осуществляется путем растворения воска в органических растворителях. Таким образом, дополнительно получается воск, который по способу выработки называется экстракционным, использование его возможно только для промышленных целей.

Основным фактором, определяющим качество получаемого воска, является первоначальное качество сырья, значительную роль играет также способ его переработки. Опытный пчеловод определяет сорт воска по его цвету. Воск высшего качества имеет цвет от белого до желтого, а воск низшего качества имеет цвет серый или коричневый.

Никакие примеси в воске не допускаются.

Наиболее распространенные дефекты воска могут быть устранены следующим образом. Воск загрязненный растапливают и отстаивают. Эмульсию подвергают длительному отстою в расплавленном состоянии. При этом она фракционируется, и воск приобретает нормальную структуру. Тяжелые загрязнения, образующие корку снизу восковой отливки соскабливают до слоя чистого воска. Этот способ, несмотря на некоторую технологическую простоту, имеет существенные недостатки. Получаемый воск сильно загрязняется ульевым сором.

Известно - чем ниже сортность сырья, тем хуже качество получаемого продукта, а следовательно, меньше возможности для его применения. Экстракционный воск применим только в непищевых отраслях промышленности. Загрязнения насыщаются воском настолько, что выход воска при традиционной переработке сырья сильно снижается.

Предварительно проведенные исследования показывают, что перга - продукт с выраженными гигроскопическими свойствами, более того, при выдерживании в воде перга распадается до отдельных пыльцевых зерен. Продолжительность

ф

Вестник РГАТУ, № 2 (42), 2019

процесса естественного растворения перги составляет десятки часов, что затрудняет механизацию процесса очистки воскового сырья. Сложившееся в настоящее время на рынке положение свидетельствует о нехватке качественного воска. Наиболее производительным способом увеличения выхода воска является очистка воскового сырья перед перетопкой.

Цель исследования заключается в определение рациональных параметров и режимов процесса очистки суши сотов от перги в воде под действием ультразвука.

Материалы и методы исследования Для проведения исследования использовали ультразвуковой стерилизатор марки У3001-НЕДЕЛ с рабочей частот (22*1 кГц, и акустической мощностью излучателя от 75 Вт до 110 Вт. Установка представляет собой рабочую ванну объемом 10 л, закрываемую крышкой, снабженной ультразвуковым излучателем (рис. 1). Имеется также блок управления, позволяющий задавать продолжительность ультразвукового воздействия с точностью до ± 0,1 сек.

Предварительно проведенные исследования позволили определить наиболее значимые факто-

ры, влияющие на процесс ультразвуковой водной очистки воскового сырья, и пределы их варьирования [10, 11]. Исследуемыми факторами являлись: ^ - продолжительность предварительного выдерживания сотов в воде, (мин);

^ - продолжительность ультразвукового воздействия на соты в водяной ванне, (мин).

В качестве критерия оптимизации был принят процент удаленных загрязнений Дт, рассчитываемый по формуле [12, 13]:

(1)

где: тк - конечная сухая масса после обработки (г);

тн - начальная сухая масса перед началом обработки (г).

Поскольку ультразвук способствует диспергированию и растворению органических соединений в водной среде, было решено исследовать совместное воздействие управляемых факторов. Принимая во внимание структуру проводимого исследования, опыты проводили по плану экспериментов Бокса-Бенкина второго порядка. Матрица планирования эксперимента приведена в таблице

Таблица - Исследуемые факторы и пределы их варьирования

Исследуемые факторы Величина фактора

-1 0 +1

^ - продолжительность предварительного выдерживания сотов в воде, (мин); 30 14,70 29,10

^ - продолжительность ультразвукового воздействия на соты в водяной ванне, (мин). 2 20 38

Рис. 1 - Ультразвуковой стерилизатор УЗО01-НЕДЕЛ и исследуемые навески сотов

Исследование проводили следующим образом. Предварительно заготовленные экспериментальные куски пчелиного сота, загрязненные пергой, размером 45 на 45 мм, взвешивали на весах марки Digital Scale с точностью до ± 0.01 г. Образцы помещали в ванну с водой, температура которой составляла 18±10 С и выдерживали их на протяжении времени, заданного планом опыта, после чего три образца извлекали и помещались в

ванну установки УЗО1. Посредством пульта управления задавали продолжительность воздействия ультразвука согласно плану. По истечении воздействия на продукт очищаемые навески извлекали, промывали под струей воды и подвергали сушке с целью доведения влажности оставшейся неизменной в ячейках кусков сотов перги до величины, которая была перед началом исследования. После просушивания навески повторно взвешивали, полученные результаты фиксировали. Опыты проводили с трехкратной повторностью в каждой точке плана опыта. Достоверность опытных данных оценивали с помощью критерия Фишера.

Результаты исследования и их обсуждение В результате статистической обработки было получено уравнение регрессии:

Р(г1а2) = 15.6-0.042■ | -0.003• Г2 + + 0.000460.0035■ $ + 2■ Ю-6 ■ (2)

Все исследуемые факторы оказались значимыми, а исследуемый процесс эффективным. Полученное уравнение представлено графически на рисунке 2.

Технические науки

10 я> »

Рис. 2 - Зависимость процента извлеченных загрязнений от исследуемых факторов t1 и t2

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что рациональный режим очистки суши сотов достигается при обработке вблизи верхней границы факторного пространства по обоим факторам. Результаты показывают, что оба фактора имеют практически равнозначное влияние на критерий оптимизации: изменение массы по времени воздействия ультразвуком стабилизируется после 30 минут воздействия; в свою очередь, изменение массы по времени замачивания растет практически линейно, и область стабилизации прослеживается только при малом времени воздействия ультразвуком. Максимальная величина критерия оптимизации Дт=31,39% получается при следующем сочетании факторов: = 38 мин, ^ = 2910 мин. Следует отметить, что горячий способ переработки воскового сырья наряду с преимуществами имеет ряд недостатков: при вытопке воска в нем остаются включения пыльцы, перги, остатки коконов, экскременты выводящихся личинок и другие частицы. Также в воске могут содержаться следы антибиотиков, пестицидов, других нежелательных примесей.

Еще в 19 веке предложен обратный метод переработки воскового сырья, заключавшийся в отделении от воскового сырья невосковой части. Для отделения воска от невосковой части М. Д. Оржевский предлагал измельченную сушь сотов помещать в холодную воду [1, 2]. Частицы воска, имеющие меньшую плотность, располагаются на поверхности, а намокшие невосковые части опустятся на дно. Однако способ М. Д. Оржевского не нашел применения из-за длительного времени набухания перговых частиц, а также нахождения воска, заключенного в капиллярах невосковой части - отходах жизнедеятельности пчел [1, 2]. Поэтому разделение воскового сырья на фракции требует значительных затрат времени и подведения высоких мощностей энергии в ограниченном объеме. Для решения обозначенной выше задачи были проведены исследования возможности очистки выбракованных пчелиных сотов от перги в водной среде [3, 4]. Интенсивное воздействие

на восковые частицы ультразвуком в водной среде совместно с замачиванием повышает эффективность очистки воска от вредных примесей и способствует получению качественного продукта. Наиболее рациональным путем увеличения выхода качественного воска является очистка воскового сырья перед перетопкой.

Заключение

Анализ проведенных исследований позволил установить, что существует возможность водной очистки воскового сырья путем сочетания операций замачивания и ультразвуковой обработки в воде. Результаты исследований показывают, что оба фактора имеют практически равнозначное влияние на критерий оптимизации - изменение массы суши. Максимальная величина критерия оптимизации Ат=67,44% получается при следующем сочетании факторов: 38 мин, 12=2910 мин.

Таким образом, можно заключить, что ультразвуковая очистка воскового сырья в водной среде

- высокоэффективное средство повышения качества получаемого воска и увеличения уровня его извлечения.

Список литературы

1. Каширин Д.Е. Технология и устройство для измельчения перговых сотов / Д.Е. Каширин // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Рязань. - 2001.

2. Каширин Д.Е. Энергосберегающие технологии извлечения перги из сотов специализированными средствами механизации / Д.Е. Каширин // автореферат дис. доктора технических наук : 05.20.01 / У ВПО "МГУ им. Н.П. Огарева". Рязань.

- 2013.

3. Бышов Н.В. Исследование гигроскопических свойств перги / Н.В. Бышов, Д.Е. Каширин, М.Н. Харитонова // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2013. - № 2.

- С. 122-124.

4. Пат. № 2662169 РФ. Способ очистки пчелиных сотов от загрязнений / Д. Н. Бышов, Д. Е. Каширин, А.В. Протасов - Заявл. 07.03.2017; опубл. 24.07.2018, бюл. № 21. - 3с.

Вестник РГАТУ, № 2 (42), 2019

AQUEOUS ULTRASONIC CLEANING WAX RAW MATERIALS

Byshow Dmitry N., Cand. Techn. associate Professor of the Department of operation of machine and tractor Park, [email protected]

Kashirin Dmitrii E., doctor of engineering. associate Professor of power supply Department, kadm76@ mail.ru

Uspenskiy Ivan A., Doctor of Technical Sciences, Professor, the Head of the Department of Technical Operation of Transport, [email protected]

Kostenko, Mikhail Yu., doctor of engineering. associate Professor, Professor of the Department of metal technology and machine repair, [email protected]

Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev

Fomin Sergey D., Doctor of Technical Science, Associate Professor, Head of the Center for Scientometric Analysis and International Indexing Systems of Volgograd State Agrarian University.

Wax is one of the most important products of beekeeping, which has a rich organic composition due to which it finds a wide range of applications in various industries. Traditionally, wax is produced by perekopki culled bee combs. The main pollutant of old combs is bee pollen. The presence of Perga in the wax raw material leads to a significant loss of wax, as well as significantly degrades the quality of the product. Pre-prepared experimental pieces of bee honeycomb (samples) contaminated with bee-bread, 45 by 45 mm in size, were weighed on the scales of the digital Scale brand with an accuracy of ± 0.01 g. The samples were placed in a bath with water at a temperature of 18±10C and kept them for a time specified by the plan of the experiment, after which three samples were removed and placed in the bath of the RCD PLANT1. By means of the control panel the duration of ultrasound exposure was set according to the plan. After exposure to the product, the samples to be cleaned were removed, washed under running water and dried. Back in the 19th century, the reverse method of processing of wax raw materials was proposed, which consisted in separating the non-wax part from the wax raw material. To separate the wax from the non-wax, it is proposed to place the crushed sushi in cold water [1, 2] . Wax particles with a lower density are located on the surface, and wet non-wax parts fall to the bottom. The analysis of the conducted researches allowed to establish that there is a possibility of effective water purification of wax raw materials by a combination of operations of soaking and ultrasonic processing in water.

Key words: bee cells, Perga, wax, cleaning, time, ultrasound.

1. Kashirin D.E. Tekhnologiya i ustrojstvo dlya izmel'cheniya pergovyh sotov /D.E. Kashirin //Dissertaciya na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk/Ryazan'. - 2001.

2. Kashirin D.E. EHnergosberegayushchie tekhnologii izvlecheniya pergi iz sotov specializirovannymi sredstvami mekhanizacii / D.E. Kashirin // avtoreferat dis. doktora tekhnicheskih nauk : 05.20.01 / U VPO "MGU im. N.P. Ogareva". Ryazan'. - 2013.

3. Byshov N.V. Issledovanie gigroskopicheskih svojstvpergi/N.V. Byshov, D.E. Kashirin, M.N. Haritonova // Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2013. - № 2. - S. 122-124.

4. Pat. № 2662169 RF. Sposob ochistkipchelinyh sotovotzagryaznenij/D. N. Byshov, D. E. Kashirin, A.V. Protasov- Zayavl. 07.03.2017; opubl. 24.07.2018, byul. № 21. - 3s.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ШНЕКОВОГО ДОЗАТОРА-СМЕСИТЕЛЯ

ВЕДИЩЕВ Сергей Михайлович, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Агроинженерия», [email protected]

ПРОХОРОВ Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры «(Агроинженерия», [email protected]

Тамбовский государственный технический университет

ЗАВРАЖНОВ Анатолий Иванович, д-р техн. наук, академик РАН, профессор кафедры «Агроинженерия» Тамбовского государственного технический университета, гл. научн. сотрудник Мичу-

Literatura

УДК 631.171