Размещено на http://www.allbest.ru/

Дальневосточный государственный аграрный университет

Обоснование процесса получения соевой экструдированной крупки для линии приготовления соево-сапропелевой добавки

Широков В.А.

Аннотация

Общей методологической основой исследований является системный подход, позволяющий рассматривать исследуемые процессы как совокупность взаимосвязанных подсистем.

В теоретических исследованиях использованы методы прикладной механики, теории вероятностей, математического моделирования и других методов.

В экспериментальных исследованиях использованы методы планирования многофакторного эксперимента.

Обработка и анализ полученных данных осуществлялся с применением методов математической статистики.

Анализ существующих рационов кормления сельскохозяйственных животных и птицы показывает, что в настоящее время полноценное кормление может быть обеспечено только лишь с использованием кормовых компонентов, содержащих относительно высокое количество протеина, минеральных веществ и витаминов, а также достаточное количество жиров.

Как показали проведенные исследования формирования соответствующих композиций в различных комбинациях с семенами сои и зерновых культур, можно получить соево-зерновой экструдат высокой кормовой и биологической ценности.

Решение данной проблемы, с позиции наших методологических подходов, в формализованном ее виде сводится, во-первых, к минимизации проведенных затрат по разрабатываемому процессу, во-вторых, - к цели посредством разрабатываемого процесса получить качественный продукт в виде соевого или соево-зернового экструдата, качество которого характеризуется коэффициентом взорванности КВ [2-9] (рис.1).

При этом на качество экструдата существенное влияние оказывает совокупность, как управляемых, так и неуправляемых факторов:

, (1)

где - совокупность факторов по каждой из i-ой операции разрабатываемого процесса.

кормовая добавка гранулированная линия

Рис. 1. Структурно-технологическая схема процесса приготовления соевой и соево-зерновой экструдированной крупки

Вполне очевидно, что выполнение условия, при котором R (t) = 0, дает следующее значение функции:

КВ= [КВ] хe⁰= [КВ] х1= [КВ], (2)

где [КВ] - требуемое значение показателя.

В свою очередь, пооперационный анализ, а также структурно-технологическая схема устройства для приготовления соевой и соево-зерновой экструдированной крупки (рис.1) позволяют выделить следующие функциональные зависимости в их общем виде:

для операции по смешиванию зерновых компонентов

, (3)

где W_{ср. -} усредненная влажность по j-компоненту; - подача по j-компоненту;

для операции баротермической обработки семян сои или соево-зерновой смеси

, (4)

где: Q_см - подача смеси зерновых компонентов; щ - угловая скорость вращения винта пресс-экструдера; h - величина зазора в кольцевой фильере экструдера-дезинтегратора.

Процесс смешивания в потоке характеризуется следующим неравенством:

? , (5)

Для процесса усреднения влаги между зерновыми компонентами в смеси справедливо следующее равенство:

, (6)

где

M_j - масса j-го зернового компонента.

В соответствии с разработанной структурно-технологической схемой данного процесса предложена новая конструкция пресс-экструдера-дезинтегратора а также способ получения экструдированного продукта, защищенные патентом РФ № 2116200 [3].

Рис. 2. Конструктивно-технологическая схема устройства для производства экструдированной крупки

1 - бункер, 2 - винт; 3 - корпус камеры прессования; 4 - матрица в виде кольцевой щели; 5 - измельчитель экструдированного продукта; 6 - стенка; 7 - решето; 8 - конический вал; 9 - молотки; 10 - электродвигатель

Активным рабочим органом пресс-экструдера является прессующий винт, имеющий переменный шаг. Шаг винтовой поверхности уменьшается по мере передвижения обрабатываемого продукта от места его загрузки и перемещения вдоль винта. На выходе из фильеры - кольцевой щели продукт формуется в виде полого цилиндра - "трубы" с соответствующими параметрами.

Далее, продвигаясь вдоль оси устройства, продукт взаимодействует с молотками 9 и решетом 7, в результате получается крупка или мука в зависимости от принятой степени измельчения - л_н (рис.3).

Формула для определения значения коэффициента взорванности как показателя качества экструдированного продукта имеет вид:

(7)

где: _в - подача винта экструдера; t - время подачи; - начальная плотность продукта, перемещаемого винтом; - объем экструдированного продукта; - коэффициент приведения объемов.

Как следует из принципа получения экструдированного продукта с помощью данного устройства, в итоге на выходе из фильеры выходит формованный продукт в виде трубы с толщиной стенки, равной .

Приравняем значения объема V_э к значению объема полого цилиндра V_ц:

, (8)

где h - высота (длина) цилиндра, получаемого за время, равное одной секунде.

Определим длину этого цилиндра через скорость движения при его выходе из фильеры :

, (9)

Тогда объем цилиндра определяется как

, (10)

Подставляя данное значение в выражение (7), имеем:

(11)

где: k_э - показатель, учитывающий соотношение скоростей движения продукта в камере и фильере; S - площадь поперечного сечения продукта в фильере пресса, определяемая по формуле S=рД₀·?, где Д_{0 -} диаметр винта.

Круговое движение в дробильной камере (рис.2 и 3) в количественном отношении характеризуется кратностью циркуляции, отмечающей, сколько полных оборотов совершит материал в камере за время t измельчения до заданной крупности.

Рис. 3. Схема к обоснованию параметров дезинтегратора с коническим ротором

1 - пресс; 2 - дезинтегратор; 3 - решето; 4 - конический ротор; 5 - молотки

Искомую степень измельчения экструдата, сформированного в виде "трубы", определили посредством анализа с получением следующего уравнения кинетики:

, (12)

где: л₀ - параметр процесса, определяемый эмпирически; г - угол наклона образующей конус дробилки (рис.2); н_сл - скорость движения воздушно-продуктового слоя.

н_сл = ;

где: R_э - физико-механическая характеристика экструдата; R_{6 -} радиус камеры по наибольшему основанию конуса; Е - коэффициент, характеризующий время нахождения продукта в камере измельчения; м_{ПР -} параметр процесса прессования продукта.

Энергоемкость процесса измельчения, с учетом достигнутой степени измельчения, определяется как

, (13)

В соответствии со схемой, представленной на рис.4, обеспечивается получение белково-минерально-витаминного кормового продукта при относительно низких затратах энергии, повышенной биологической ценности, с качественной однородной структурой при больших диаметральных размерах гранул. Это достигается тем, что при получении белково-минерально-витаминного продукта, включающем использование предварительно подготовленных соевого, белкового и минерального компонентов с последующим смешиванием, гранулированием и сушкой, в качестве подготовленного соевого белкового компонента используют дезинтегрированный соевый экструдат, а в качестве минерального - сапропель естественной влажности. Их смешивание проводят при весовом соотношении 50%: 50% с последующим формированием гранул до 10 мм и активной сушкой при активном вентилировании с доведением их влажности до 8-10 %.

Технический результат заключается в том, что данный способ позволяет при значительно меньших затратах энергии получить готовый продукт качественной однородной структуры при больших диаметральных размерах гранул, повышенной биологической ценности за счет наличия в нем минерального комплекса.

Согласно технологической схеме, семена сои дозированно подаются на экструдирование, где подвергаются термопластической гомогенизации за счет сил трения, возникающих в камере экструдера - 2 (рис.4).

На выходе из камеры экструдера гомогенизат в виде сплошного полого цилиндра - трубы со "взорванными" частицами углеводов (крахмала), а поэтому пористой структуры, поступает в камеру дезинтегратора - 3, где подвергается разрушению до частиц, размер которых обусловлен размером отверстий решета, находящегося в камере дезинтегратора - 3.

Полученные таким образом частицы соевого экструдата пористой структуры и требуемого размера (модуля помола) подаются в смеситель - 4. Сюда же, в соотношении по массе 50%: 50%, подается и сапропель естественной влажности, W=70%. Здесь при смешивании получается соево-сапропелевая композиция с усредненной влажностью, W = (6% + 70%) /2? 38%. При этом за счет пористой структуры экструдата процесс впитывания им влаги от сапропеля идет с высокой скоростью (интенсивность). Это, в свою очередь, уменьшает продолжительность смешивания (с 20 до 7 минут) и, соответственно, затраты энергии на осуществление данного процесса.

Рис.4. Конструктивно-технологическая схема линии по производству гранулированной белково-минеральной кормовой добавки

Далее, на основе полученной композиции формуются гранулы. При необходимости процесс формования гранул сопровождается термообработкой смеси посредством пара, подаваемого в "рубашку" из парогенератора - 6. Гранулы, сформованные с помощью формующей решетки, поступают на сетчатый лоток - 8. Лоток помещается в сушильную камеру "ЭСПИС-4"-Универсал - 9 с девятью режимами сушки и активной вентиляцией.

Пористая структура получаемых гранул позволяет также как минимум в 3 раза сократить время их сушки и тем самым снизить затраты энергии с 0,09 кВт ч/кг до 0,03 кВт ч/кг. При этом готовые гранулы при влажности 8% содержат: белков - до 25%, жиров - до 10%, витамина Е - до 40 мг/100 г и минеральных веществ как совокупности макро - и микроэлементов (Ca; P; Cu; J; Zn; Co; Mo; и др.) - в количестве до 49%.

Таким образом, данный способ позволяет при трехкратном снижении затрат только на процессы смешивания и сушки получить продукт повышенной биологической ценности.

Заключение