Технологические и методологические подходы к разработке технологии и технических средств по производству соево-мясокостной кормовой добавки

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Дальневосточный государственный аграрный университет

Технологические и методологические подходы к разработке технологии и технических средств по производству соево-мясокостной кормовой добавки

Вишневский А.Н.

Аннотация

Приведены инновационные подходы, позволяющие обоснованно и объективно разрабатывать технологии и технические средства для производства кормовой добавки животным и птице в виде сушеного гранулята.

Ключевые слова: МЯСОКОСТНАЯ МУКА, ШРОТ, СМЕСИТЕЛЬ-ГРАНУЛЯТОР, ТЕХНОЛОГИЯ, СХЕМА, ФАКТОРЫ, ПРОЦЕССЫ, ПАРАМЕТРЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Введение

Проблема эффективного использования кормов в птицеводстве нашей страны всегда была актуальной, так как в структуре себестоимости продукции этой отрасли затраты на корма достигают 75%. При этом наиболее дорогостоящими из них являются рыбная и мясокостная мука, а также белковые концентраты. В то же время именно эти виды белковых кормов считаются наиболее ценными, так как содержат в своем составе 40-50 % белков, удовлетворяющих совокупную физиологическую потребность птицы в таких незаменимых аминокислотах как метионин, лизин и др.

В качестве замены животных белков служит шрот из семян подсолнечника. Однако по составу незаменимых аминокислот этот белок уступает и рыбной, и мясокостной муке, а также соевому шроту. При этом использование данного вида шрота возможно лишь при дополнительном балансировании его белка такими аминокислотами как метионин, лизин и др.

Известно, что в кормовом балансе зарубежных стран соевое зерно и продукты его переработки занимают основную роль, так как эти продукты богаты протеином, жирами, а также биологически активными веществами в виде токоферолов.

В нашей стране, несмотря на то, что на Дальнем Востоке и в Краснодарском крае производится такая высокобелковая культура как соя, данные продукты не нашли широкого применения в кормлении животных и птицы. Наличие данной проблемы обусловлено отсутствием специальной техники и технологий, а также научно обоснованных данных для их проектирования и конструирования.

Не в полной мере используется и такое белково-минеральное сырье, как отходы от убоя птицы.

Поэтому исследования, направленные на создание технологии и технических средств в составе технологической линии приготовления кормовой добавки на основе местного дальневосточного сырья и отходов убоя птицы являются актуальными.

Целью исследования является повышение эффективности процесса приготовления высокобелковой кормовой добавки на основе сырья животного и растительного происхождения путем обоснования способа ее получения и параметров смесителя-гранулятора.

Задачи исследований:

- обосновать рациональный способ получения высокобелковой кормовой добавки на основе отходов от убоя птицы и растительного соевого сырья и дать структурно-технологическую схему пресс-гранулятора для его осуществления; кормовой добавка гранулят

- теоретическим путем обосновать параметры процесса получения гранулята на основе бинарных соево-мясокостных композиций;

- на основе математических моделей оценки процесса получения соево-мясокостных фаршевых композиций обосновать оптимальные значения его параметров.

Проведенным анализом установлено, что известные и существующие в настоящее время способы, технологии и технические средства получения кормовой добавки в виде муки из сырья животного и растительного происхождения являются высокозатратными [1, 2].

При этом основная часть затрат связана с реализацией процессов измельчения, смешивания, гранулирования смеси и сушки полученных гранул, которые должны иметь требуемый размер.

Данным фактом обусловлено наличие противоречия между желанием производителя получать кормовую добавку для рационов кормления с.-х. птицы относительно невысокой себестоимости и высокими затратами на осуществление процессов измельчения, смешивания, сушки и гранулирования.

По нашему предположению, наиболее эффективным способом получения высокобелковой кормовой добавки является способ, при котором на основе предварительно полученной пасты влажностью 60-70 % из отходов от убоя птицы и необезжиренной соевой муки W = 8-10 % готовится смесь, содержание влаги в которой имеет усредненное значение на уровне 30-35 % с последующим ее гранулированием и сушкой.

Данный технологический подход, как показали наши расчеты, позволяет уменьшить до 50% издержки при приготовлении соево-мясокостного гранулята.

В то же время анализ процесса приготовления высокобелкового гранулята на основе данного способа показывает, что он включает шесть наименований операций, которые необходимо выполнить, чтобы получить гранулят, отвечающий предъявляемым требованиям (рис. 1) при минимально возможных затратах на его производство [3, 4].

При этом затраты на производство такого гранулята характеризуются размером приведенных затрат ПЗi по каждой из выполняемых операций, т.е.

(1)

где: Ui - эксплуатационные затраты по операциям;

Ен - нормативный коэффициент;

Кi - капитальные вложения по операциям.

Анализ данной модели показывает, что принятое условие выполнимо при снижении составляющей Кi, т.е. Ki > min.

Рис. 1. Структурная схема смесителя-гранулятора

Yвх(t) - входные параметры процесса; Yвых(t) - выходные параметры процесса; Yвх(t) = u; W, % Yвых(t) = Пр,%, где t - время; u - неоднородность гранулометрического состава сырья; W - влажность сырья; Пр - прочность сушеного гранулята

Анализ также показывает, что уменьшение размера капитальных затрат и, соответственно, эксплуатационных возможно при совмещении определенного числа операций и их выполнении в одной машине.

За такую машину принят смеситель-гранулятор, включающий компрессионную камеру. Структурная схема данного технического средства представлена на рис. 1.

В то же время эффективность производства гранулята характеризуется его качественными показателями, такими как прочность Пр, % и крошимость Кр, %, которые связаны между собой. [5, 6].

При этом на крошимость гранул существенное влияние оказывает совокупность как управляемых, так и неуправляемых факторов.

, (2)

где Ri(x) - совокупность факторов воздействия по каждой из выполняемых операций.

Гипотетически принимаем, что зависимость крошимостн получаемых гранул Кр от совокупности воздействующих факторов R(x) является экспоненциальной, т.е. имеет вид:

(3)

Для того, чтобы выполнялось данное условие по соответствующим процессам, необходимо обеспечить выполнение следующих требований.

Так, по процессу измельчения мясокостного сырья функция R(x) должна в общем виде отвечать следующему условию:

(4)

где: - неоднородность гранулометрического состава измельченного мясокостного сырья;

W - влажность исходных компонентов.

При получении бинарных соево-мясокостных композиций должно соблюдаться следующее условие:

R2(x) = f(BCC , (5)

где: ВСС - влагосвязывающая способность композиции;

- вязкость среды в композиции.

При формовании влажных гранул на основе бинарных композиций необходимо выполнение следующего условия:

R3(x)=f(pв) -- max, (6)

где рв - плотность влажных гранул.

Для завершающей операции по сушке гранул характерно следующее условие:

(7)

где: WH - начальная влажность гранул;

t° - температура сушки гранул;

Мд - массовая доля необезжиренной соевой муки в композиции.

При этом вполне очевидно, что существуют следующие функциональные связи:

R3(x) = f [ (8)

и Kp = f [ (9)

С учетом проведенного анализа можно записать:

ПЗ = ( ИУ +ЕнКу)Qt min;

Kр = 100 (10)

при R(x) 0

Данная система уравнений принята в качестве экономико-математической модели оценки технологического процесса производства соево-мясокостного гранулята.

Эта модель обладает свойством общности, а потому может быть использована для оценки любой из технологий, связанных с производством любой добавки в гранулированной форме.

При прохождении бинарной композиции соевая мука + мясокостная паста по камере смесителя в процессе диффузии молекул воды последние переходят в состав соевой муки, повышая ее влажность с начальной (W = 8-10 %) до средней величины в композиции, т.е. происходит процесс усреднения влаги в двухкомпонентной смеси.

Скорость данного процесса есть функция концентрации воды в пасте щ и интенсивности движения её молекул, характеризуемой коэффициентом диффузии D.

Движение молекул воды в перемещаемой среде представили как поток диффузии частиц П с радиусом R и расстоянием между ними, равным L. В таком случае данный поток можно выразить в соответствии с законом Фика, который для рассматриваемого момента характеризуется следующим уравнением

(11)

где: D - коэффициент диффузии;

F - площадь диффузионной поверхности;

L - расстояние, которое может преодолеть молекула воды в кормовой среде.

С учетом соответствующих преобразований получено выражение для определения продолжительности выравнивания концентраций в кормовой среде:

(12)

где: - вязкость среды;

к - газовая постоянная;

T - температура среды.

В равенстве (12) параметр можно принять равным начальной влажности пасты Wн.

Продолжительность выравнивания концентрации воды в среде, находящейся в камере смесителя-усреднителя, определили как:

(13)

где: Lв - длина винта;

су - скорость движения композиции в смесителе-усреднителе.

С учетом равенств (12), (13), при условии, что 0=Wн , получили расчетную зависимость, позволяющую определить длину рабочей камеры смесителя-усреднителя:

(14)

При этом, с учетом принятых выше примеров, расчетное значение пропускной способности смесителя-усреднителя составит:

(15)

где: Vк и Ve - объемы, соответственно, камер смесителя-усреднителя и винта;

Qпг - пропускная способность пресс-гранулятора.

Плотность продукта в, проходящего через компрессионную камеру и пресс-гранулятор, равна:

(16)

где: Fпк - площадь поперечного сечения продукта в камере;

Zk - число формующих каналов решетки;

lк - длина канала формующей решетки;

в - коэффициент, учитывающий «живое сечение» решетки;

tобр - продолжительность обработки продукта (получения гранулы).

Анализ данной зависимости показывает, что плотность получаемых гранул обратно пропорциональна длине канала формующей решетки lk, а также вязкости прессуемого продукта, которая функционально связана с таким параметром как Wн. При этом установлено, что длина канала формующей решетки зависит от скорости движения гранулы 0,р в канале и времени ее обработки, т.е.

 (17)

где: 0 - осевая скорость движения продукта в камере пресс-гранулятора;

- угловая скорость вращения винта.

Затраты мощности на процессы, осуществляемые в предложенном смесителе-грануляторе, определяются как сумма затрат по структурным элементам устройства согласно рис. 1:

N = Nxx + Nс-г, (18)

где: Nxx - мощность холостого хода, которая принимается в пределах 10-20 % от основных затрат;

Nc-г - мощность, затрачиваемая на выполнение процессов смешивания и усреднения влаги, а также уплотнения продукта в компрессионной камере и формования гранул.

С учетом этих данных и полученных выше выражений имеем:

(19)

где: Lk - длина компрессионной камеры; Lk = 50 мм;

к - эмпирический коэффициент, равный 1,1.

В соответствии с поставленными целями и задачами исследований проведены экспериментальные исследования.

В качестве исходного сырья использовалось мясокостное субпродуктовое сырье - отходы от убоя птицы: ноги, шеи, головы и внутренности цыплят-бройлеров.

В качестве готового компонента рациона использовалась необезжиренная соевая мука, полученная на термоагрегате КПСМ-850 (изготовитель ООО «Соевые технологии», Амурская область).

В процессе экспериментальных исследований проведен выбор основных факторов, существенно влияющих на процесс получения влажных гранул с помощью смесителя-гранулятора, а также на его энергоемкость. С этой целью было также проведено априорное ранжирование факторов, на основании которого выбраны следующие:

X, (с, с'1) - угловая скорость вращения винта смесителя;

Х2 (г с1) - угловая скорость вращения винта гранулятора;

Х3 (lk, мм) - длина канала формующей решетки.

За критерии оптимизации по процессу получения влажных гранул приняты:

Y1 ( в, кг/м3) - плотность влажных гранул;

Y2 ( Nэ, кВтч/кг) - энергоемкость получения влажных гранул.

После реализации данного трехуровнего плана эксперимента и получения критериев оптимизации в виде откликов Y1 и Y2 проведена их обработка, а также регрессионный анализ зависимостей

Таблица 1. Результаты регрессионного анализа зависимостей

Крите-рий	a0	a1	a2	a3	a12	a13	a23	a11	a22	a33	Заключение об адекватности
											FR	FT
Y1	1073,80	-	11,15	-17,41	-16,25	-11,25	-11,25	-29,35	-42,90	-36,12	5,75	4,15
Y2	0,027	0,002	0,003	-	-	-		0,006	0,005	0,003	9,13	4,15

На основании проведенного регрессионного анализа построены следующие уравнения:

- в кодированной форме:

- в раскодированной форме:

При этом установлено, что оптимальные значения факторов находятся в следующих пределах:

мм,

при которых а Nэ = 0,0262 кВтч/кг.

При изучении процесса сушки влажных соево-мясокостных гранул из всей совокупности факторов выделены наиболее значимые, оказывающие существенное влияние на изучаемый процесс. При этом устанавливались следующие зависимости:

где: Y3 ( Кр) - крошимость сушеных гранул, %;

Y4 (Nэ) - энергоемкость процесса сушки гранул, кВтч/кг;

Х1(Wн) - исходная влажность гранул ,%;

Х2 (t0) - температура сушки, 0С;

Х3 (Мд) - массовая доля соевого компонента, %.

На основании полученных данных определены оптимальные значения факторов, которые находятся в следующих пределах:

,

при которых

Полученные в результате исследования данные использованы при конструировании смесителя-гранулятора и проектировании линии приготовления гранулята с его использованием (рис. 2).

Рис. 2. Конструктивно-технологическая схема линии приготовления

кормовой добавки в виде высокобелкового гранулята

1 - измельчитель типа «Волгарь-5»; 2 - шнековый транспортёр; 3, 4 - бункера-дозаторы;

5 - смеситель-гранулятор; 6 - лоток; 7 - шкаф сушильный «ЭСПИС-4-Универсал»

Заключение

Использование новых технологических и методологических подходов к разработке технологии и технических средств по созданию инновационного продукта в виде соево-мясокостного гранулята позволило обосновать способ приготовления кормовой добавки и получить структурно-технологическую схему пресс-гранулятора. В результате определены факторы, влияющие на эффективность выполнения рабочих процессов усреднения влаги в соево-мясокостной композиции, а также ее уплотнение в компрессионной камере.

На основе теоретических и экспериментально обоснованных параметров смесителя-гранулятора получены данные для проектирования технологии и технических средств данного назначения.

В результате проведенной сравнительной технико-экономической оценки эффективности предложенных технологических и технических решений установлено, что в сравнении с оборудованием типа ДГ-1,0 они позволяют снизить энергоемкость на 55,0%, металлоемкость в 2,39 раза и получить годовой экономический эффект в размере 1096722,5 рублей при годовом объёме производства в количестве 307 тонн кормовой добавки.

При этом общий годовой эффект, с учетом стоимости дополнительной продукции, составляет 1530962,5 рублей при верхней лимитной цене предложенного комплекта оборудования, равной 2362596,45 рублей.

Список использованных источников

1. Справочник. Комбикорма, кормовые добавки и ЗЦМ для животных./ Под редакцией В.А. Крохиной. - М.: Агропромиздат. - 1990. - 304с.

2. Алешкин В.Р., Рещин П.М. Механизация животноводства. - М.: Агропромиздат. - 1985. - 336 с.

3. Воякин С.Н., Доценко С.М., Вишневский А.Н. Научные основы повышения эффективности приготовления кормовой добавки с/х птице. - Благовещенск: Изд-во ДальГАУ. - 2013. - 250 с.

4. Воякин С.Н., Вишневский А.Н., Доценко С.М., Широков В.А. Обоснование схемы и параметров процесса получения соево-мясокостных и соево-рыбокостных композиций // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2014, №1. - С. 12-13.

5. Воякин С.Н., Вишневский А.Н., Доценко С.М., Широков В.А. Обоснование процесса и параметров компрессионной камеры смесителя гранулятора кормов // Вестник КрасГАУ. - 2013, №12. - С. 208-213.

6. Воякин С.Н., Вишневский А.Н., Доценко С.М., Широков В.А. Обоснование подходов к оценке эффективности процесса производства кормовой добавки // Кормопроизводство. - 2013, №11. - С. 33-35.

Размещено на Allbest.ru

...