Баротермическая обработка ингредиентов комбикормов

Актуальность данной работы состоит в том, что объем производства и качество продуктов питания – зеркальное отражение этих показателей в комби-кормах1 [1; 2]. Известно, что мировое производство комбикормов в 2017 году составило 1,07 млрд т2, в том числе для свиней – 289 млн т или 28 % мирового производства; для птиц – 300 млн т, для молочных коров – 118 млн т. В Китае на 6000 заводах произведено 187 млн т комбикормов, в США – 173 млн т, в Бразилии – 70 млн т, в Индии – 34 млн т. В России произведено 27,3 млн т на комбикормовых заводах и в хозяйствах – 10,7 млн т. Общее производство комбикормов составило 38 млн т. Заводские корма использованы: для свиней – 10 млн т, для птиц – 15,2 млн т и для КРС – 2,1 млн т3. Кроме того, в животноводческих и птицеводческих хозяйствах ежегодно используется 40– 50 млн т фуражного зерна в виде кормовых смесей. Мировое производство масличных культур (соя, рапс, арахис и подсолнечник) в сезоне 2016–17 года составило 509 млн т4, а с учетом семян хлопка, кокосовых орехов, масличной пальмы производство составит 571 млн т. В США произведено сои 114,3 млн т, при урожае 34 ц/га, в Бразилии – 101 млн т, в Аргентине – 57 млн т, в России – 3,5 млн т, а рапса – 1,5 млн т5.

Обзор литературы

Решение задачи вытекает из потребности в тепловой обработке ингредиентов комбикормов.

В зависимости от вида фуражного зерна, сорта растения, условий его произрастания и других факторов в нем содержится 56…70 % безазотистых экстрактивных веществ6, которые плохо усваиваются животными и птицей. При тепловой обработке крахмал переходит в усвояемые декстрины и полисахариды.

Том 29, № 3. 2019

Нейтрализация антипитательных веществ в сое и рапсе. Соя и рапс – важные белковые и энергетические компоненты. Соевая мука является основным источником белка при производстве комбикормов, однако содержит 5…10 % антипитательных веществ-ингибиторов, которые подавляют и задерживают ферменты, вырабатываемые поджелудочной железой. В результате поджелудочная железа вынуждена продуцировать их более интенсивно, что вызывает ее гипертрофию [3–5].

Эффективным путем устранения ингибиторов является высокотемпературная обработка в сочетании с повышенным давлением. Увеличивает эффективность термообработки также предварительное пропаривание сои в течение 20–30 мин. Наибольшую энергетическую ценность в комбикормах составляют семена рапса, поскольку содержат 40–48 % жира и 21–33 % сырого протеина при коэффициенте переваримости 84,4–93,4 % (табл.1)7.

Однако семена рапса содержат эруковую кислоту, которая не утилизируется ферментативной системой млекопитающих и птиц и имеет тенденцию накапливаться в их организме. Эруковая кислота вызывает нарушения сердечно-сосудистой системы, инфильтрации скелетной мускулатуры и миокарда, цирроз печени. Доля эруковой кислоты в составе растительных масел: рапсовое масло 56–65 %, горчичное – 50 %, сурепное масло – 47 %. Семена рапса подлежат глубокой термообработке.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Химический состав масличных культур The chemical composition of oilseeds

Вид зерна / Type of grain	Вода, % / Water, %	Белок, % / Protein, %	Жир, % / Fat, %	Углеводы усвояемые, % / Digestible carbohydrates, %	Пищевые волокна, % / Alimentary fiber, %	Зола, % / Ash, %
Горох / Peas	14,0	20,5	2,0	49,5	11,2	2,8
Соя / Soy	12,0	34,9	17,3	17,3	13,5	5,0
Подсолнечник / Sunflower	8,0	20,7	42,9	10,5	5,0	2,9
Рапс / Rape	8,1	30,8	43,6	7,2	5,8	4,5
Фасоль / Beans	14,0	21,0	2,0	47,0	12,4	3,6
Чечевица / Lentils	14,0	24,0	1,5	46,3	11,5	2,7
Горчица / Mustard	6,4	25,8	30,8	23,4	8,8	4,8

Температура разложения эруковой кислоты – 380 °C, а плавления – 33,8 °C 8.

Зерновое сырье и другие компоненты, используемые для производства комбикормов, нередко обсеменены микроорганизмами, где присутствуют токсичные для человека и животных продукты метаболизма этих грибков. Обеззараживание всех компонентов улучшает качество комбикормов.

Использование в комбикормах рыбной, мясокостной муки, мелассы, жиров и других незерновых компонентов невозможно без глубокой тепловой обработки [6].

Достижение температуры обрабатываемого комбикорма 170–180 °C в настоящее время [7; 8] осуществляется в несколько этапов с применением сложных технологических схем и дорогостоящего оборудования: первый этап – нормализация смеси, то есть рассыпной комбикорм паром прогревается до 100 °C; второй – смесь пропускается через экспандер, где подогревается до 130 °C, затем – в экструдер, где температура смеси достигает 150 °C и в заключение корма подаются в гранулятор, где температура гранул достигает 180 °C [9; 10]. Этой температуры недостаточно для более глубокой декстринизации (только 60 %). На всех трех этапах повышение температуры корма достигается трением при высоком давлении, что энергоемко. Все это ведет к увеличению удельного расхода электроэнергии. Технологическую схему тепловой обработки ингредиентов комбикормов следует упростить, что значительно снизит удельную энергоемкость, металлоемкость и капиталоемкость; это возможно при выполнении процесса тепловой обработки в области сухого пара9 [11; 12].

Материалы и методы

Исходя из мировых тенденций развития энергетики, необходимо переводить процесс баротермической обработки в более высокую область фазовой диаграммы системы p, t (давление, температура). В p,t-диаграм-ме фазового состояния воды рабочий процесс тепловой обработки комбикормов смещен от нулевой к критической точке (374 °С)10 [13]. Это участок зоны перегретого пара с параметрами температуры 300–374 °С, давления 12–21 МПа и экспозицией обработки 30–60 с (рис. 1)11, что позволяет исключить высокозатратные несовершенные процессы (экспандирование, экструди-рование, гранулирование), упростить структурную схему поточных линий по производству гранулированных кормов, в несколько раз снизить энергоемкость и металлоемкость, использовать отработанный пар (120–150 °С) на предварительную тепловую обработку сои, рапса, зернового сырья, а также мелассы, жира и других добавок, применить цифровые технологии и малоемкостные поточные автоматизированные линии по производству обезвреженных, экологически чистых рассыпных, гра-

Том 29, № 3. 2019 нулированных, лечебных кормов, а также вспученного фуражного зерна.

Энтальпия системы теплового процесса

Известно, что в результате подвода теплоты к телу ее температура повышается и вследствие увеличения объема тела производится внешняя работа; подведенная к телу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии тела U и на совершение работы L ¹² [14].

Это выражается уравнением:

Q 1 - 2 = b U 1 - 2 + L 1 - 2 , (1)

где Q _1‒2 – теплота, сообщенная телу при нагревании от состояния 1 до состояния 2; Δ U _1‒2 ‒ изменение внутренней энергии тела в том же процессе, равное разности внутренних энергий системы в точках 2 и 1; L _1‒2 – работа, совершенная телом в процессе перехода системы

Р и с. 1. Области применения уравнений состояния Международной системы в p,t -диаграмме: K – критическая точка

F i g. 1. Fields of application of equations of state International system in p,t -diagram: K – critical point

из точки 1 в точку 2 (повышение давления в котле).

Уравнение (1) выражает первый закон термодинамики или частный случай общего закона сохранения энергии: для любой изолированной системы количество энергии, заключенное в этой системе, сохраняется неизменным.

Это же соотношение, записанное в дифференциальной форме, имеет вид:

dQ = dU + dL .        (2)

Принято, что теплота, подводимая к системе, считается положительной, а теплота, отводимая от системы – отрицательной. Соответственно, работу, производимую системой, считать положительной, а работу, совершаемую над системой – отрицательной.

Так как работа расширения является функцией процесса p,V -диаграммы, то уравнение (2) можно записать:

dQ = dU + pdV .       (3)

Сумма внутренней энергии системы U и произведения давления системы p на величину объема системы V называется энтальпией (теплосодержанием) и обозначается через H :

H = U + pV .        (4)

Энтальпия – это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту или работу при определенной температуре и давлении. Энтальпия измеряется в тех же единицах, что и теплота, работа, внутренняя энергия.

Первый закон термодинамики характеризует процессы превращения энергии теплоты или работы с количественной стороны13.

Второй закон термодинамики характеризует качественную сторону этих процессов. Так же как и первый закон, он сформулирован на основании опытов: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому, поэтому идею о существовании вечного двигателя второго рода осуществить невозможно (Планк)14.

Термическим коэффициентом полезного действия (КПД) цикла η _B называется отношение работы цикла ( Q ₁ ‒ Q ₂) к количеству теплоты Q ₁, подведенного к рабочему телу в цикле:

П т

где Q ₂– количество полезно использованной теплоты.

П т

T - T 2 = Q i - Q 2

T 1        Q 1

где T ₁ и T ₁ ‒ начальная и конечная температура цикла.

Энтропия (от греческого «поворот») – степень неполноты, неопределенности знаний, впервые был введен Клаузисом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального:

5Q dS = T ’         '7)

где dS – приращение энергии; δQ – минимальная теплота, подведенная к системе; Т – абсолютная температура процесса.

Дифференциал энтальпии, выраженный в собственных переменных, через энтропию S и давление p :

dH = d (U + pV), dH = 8Q + Vdp, (8) dH = TdS + Vdp.

Энтальпией системы удобно пользоваться в тех случаях, когда в качестве независимых переменных, определяющих состояние системы, выбирают давление p и температуру T, H ( p,T ) .

По таблице 3¹⁵ рассчитаны и показаны изменения энтальпии (рис. 2) в диапазоне t от 0 до 600 °С и p от 0 до 21,0 МПа.

Из графика (рис. 2) видно, что энтальпия системы при температуре 300–400 °С в пять раз выше, чем при температуре на участке 100 °С, а коэффициент теплопередачи резко возрастает. Этот тепловой поток при высоком давлении и коэффициенте теплопередачи ускоряет прогрев комбикормов и многократно сокращает время обработки (от 60–70 минут до 50–60 секунд). При этом достигается экономия удельных затрат энергии и металлоемкости.

Удельный расход комбикормов при использовании измельченных смесей фуражного зерна, но не подверженных тепловой обработке, возрастает в 1,2…1,3 раза. В таком случае выгодно применять, в особенности для свиней, вспучивание отдельных видов фуражного зерна или их смесей.

Задача заключается в обеспечении заданных режимов баротермической обработки концентрированных кормов в непрерывном потоке за счет создания устройств загрузки и выгрузки в виде тепловых затворов, обеспечивающих непрерывную загрузку сырья и выгрузку обработанных кормов (при высоком давлении и температуре), что позволяет исключить простои реактора при загрузке и выгрузке, повысить КПД реактора и его производительность, при этом снизить потери энергии [14].

Реактор баротермической обработки концентрированных кормов¹⁶ [29] включает горизонтально расположенную емкость (далее корпус) 1 (рис. 3)

Р и с. 2. Изменения энтальпии Н при увеличении p от 0 до 21,0 МПа и t от 0 до 600 °С

F i g. 2. Changes in the enthalpy H with increasing p from 0 to 21,0 MPa and t from 0 to 600 °C

с загрузочной горловиной 2, выгрузным люком 3 и рабочим органом 4. На загрузочной горловине 2 установлен тепловой затвор загрузки, состоящий из цилиндрического корпуса 5, внутри которого на валу 6 последовательно расположены: двухступенчатый шнек, прецезионно сопряженный с корпусом затвора (рис. 4), ленточная навивка и лопасти квадратной формы 9, установленные под углом α = 30° к оси вала, имеющие рабочие кромки, заточенные под углом 15–20°. К выгрузному люку 3 присоединен тепловой затвор выгрузки, состоящий из цилиндрического корпуса 10, внутри которого на валу 11 последовательно расположены: двухступенчатый шнек с ленточной навивкой (12 и 13) и лопасти квадратной фор- мы 14, установленные под углом 30° к оси вала, имеющие рабочие кромки, заточенные под углом 15–20°.

Конструктивное выполнение тепловых затворов загрузки и выгрузки в виде последовательно установленных на валу двухступенчатого шнека и лопастей позволяет за счет исполнения шнека, имеющего ленточную навивку (шаг навивки S первой ступени больше шага навивки второй ступени S1 в 2 раза), принимать рассыпной концентрированный корм (сырье) первой ступенью, перемещать его вдоль оси вала ко второй ступени, в которой происходит уплотнение и продавливание за счет изменения шага навивки и дальнейшее продвижение до встречи с лопастями, которые в свою очередь измельчают

Р и с. 3. Реактор баротермической обработки концентрированных кормов:

1– корпус реактора; 2 – загрузочная горловина реактора; 3 – выгрузной люк; 4 – рабочий орган реактора; 5 – корпус теплового затвора загрузки; 6 – вал; 7 – двухступенчатый шнек;

8 – одноступенчатый шнек; 9 – лопасти; 10 – корпус теплового затвора выгрузки;

11 – вал теплового затвора; 12 – первая ступень двухступенчатого шнека;

13 – вторая ступень шнека; 14 – лопасти

F i g. 3. Reactor for barothermal processing of concentrated feed:

1 – reactor vessel; 2 – reactor loading neck; 3 – unloading hatch; 4 – reactor operating unit; 5 – heat load valve case; 6 – shaft; 7 – two-stage auger; 8 – one-stage auger; 9 – blades; 10 – body of the thermal discharge valve; 11 – shaft of the thermal shutter; 12 – first stage of the two-stage auger;

13 – second stage of the auger; 14 – blades

Р и с. 4. Тепловой затвор F i g. 4. Thermal shutter

уплотненную массу. Так как одним из основных условий работы реактора при баротермической обработке кормов является поддержание постоянного давления и температуры, то уплотненный во второй ступени шнека корм не дает возможности выхода, находящегося под давлением пара и соответственно потери теплоты, причем достигается это за счет прецезионного сопряжения между шнеком и корпусом. Измельчение уплотненной массы необходимо для равномерной дальнейшей баротермической обработки корма.

За счет наличия двух затворов одинаковой конструкции упрощается строение самого реактора и его обслуживание, так как он работает в непрерывном режиме.

Реактор баротермической обработки концентрированных кормов (рис. 3) работает следующим образом: концентрированный рассыпной корм (комбикорм или его компоненты) непрерывным потоком поступает в корпус 5 теплового затвора загрузки, непосредственно на первую ступень 7 двухступенчатого шнека, расположенного на валу 6 , которая перемещает его вдоль оси вала ко второй ступени 8 , при этом сыпучий корм уплотняется, частично разрушается, далее в спрессованном виде он передается к лопастям 9 , имеющим заточенные рабочие кромки, которыми измельчается и принудительно самими 436

лопастями передается в загрузочную горловину 2 корпуса 1 реактора, в котором под воздействием высокой температуры и давления происходит баротермическая обработка корма, при этом рабочий орган 4 реактора производит рыхление, смешивание и перемещение его вдоль корпуса 1 к выгрузному люку 3 , под которым расположен тепловой затвор выгрузки. Выгрузка из реактора происходит принудительно рабочим органом 4 реактора в корпус 10 теплового затвора выгрузки непосредственно на первую ступень 12 двухступенчатого шнека, расположенного на валу 11 теплового затвора, которая перемещает его вдоль оси вала ко второй ступени 13 , при этом на второй ступени сыпучий корм уплотняется и в спрессованном виде передается к лопастям 14, которыми измельчается и принудительно выталкивается наружу.

Использование данного реактора при баротермической обработке рассыпных концентрированных кормов позволяет исключить остановку реактора на загрузку и выгрузку, за счет надежной конструкции тепловых затворов загрузки и выгрузки (рис. 4), что дает возможность обеспечить непрерывную (поточную) работу реактора под рабочим давлением пара, ускорить время обработки, повысить производительность, сократить потери теплоты, а следовательно и энергии, при гаран-

Технологии и средства механизации сельского хозяйства

тированном выполнении процесса декстринизации крахмала и санитарной обработки концентрированных кормов.

Линия тепловой обработки комбикормов (рис. 5)17 включает приемный бункер для сои 1 (soy receiving bin 1) и приемный бункер для рапса 2 (rapeseed receiving bin 2) с установленными в их нижней части теплообменниками 3 (heat exchangers 3), бункер для наполнителей 4 (filler bin 4), для зерновых 5 (grain bin 5), для жира 6 (fat bin 6), для мелассы 7 (molasses hopper 7), для БМВД 8 (protein-vitamin mineral supplements bin 8), дозаторы непрерывного действия 9 (continuous dispensers 9) или краны 10 (cranes 10); под приемными бункерами для сои 1 (soy receiving bin 1), рапса 2 (rapeseed receiving bin 2) и наполнителей 4 (filler bin 4) размещен смеситель 11 (mixer 11), последовательно сообщенный с винтовой зерноплющилкой 12 (grain crusher 12), внутри цилиндрического корпуса которой 13 (cylindrical housing 13) расположены цилиндрический шнек 14 (cylindrical auger 14) с однозаходным винтовым элементом и радиальные кольца 15 (radial rings 15), установленные на внутренней стороне цилиндрического корпуса 13 (cylindrical housing 13) на расстоянии друг от друга равном шагу S-ленточной резьбы шнека с зазором к виткам шнека 0,5 мм и имеющие высоту 3–4 мм, и шнековым транспортером 16 (screw conveyor 16), соединенным с тепловым затвором загрузки 17 (thermal shutter boot 17) реактора баротермической обработки 18 (barothermal processing reactor 18), имеющего тепловой затвор выгрузки 19 (thermal shutter discharge 19), встроенный в газгольдер 20 (gazgolder 20), который нижней частью, посредством барабанного шлюза 21 (drum gateway 21) соединен с охладителем 22 (chiller 22), снабженным механизмом дозированной подачи атмосферного воздуха 23 (atmospheric dosing mechanism 23), перфоратором 24 (perforator 24) и механизмом регулирования количества отбора теплоносителя 25 (mechanism for regulating the amount of coolant selection 25), а верхней частью посредством паропровода 26 (steam lines 26), имеющего кран 27 (crane 27), сообщен с теплообменниками 3 (heat exchangers 3) приемных бункеров 1 и 2 (receiving hopper 1 and 2), при этом охладитель 22 (chiller 22) через тепловую магистраль 28 (heat line 28) сообщен с приемными бункерами 5–7 (receiving bins 5–7). Над приемным бункером для зерновых 5 (receiving bin for grain 5) установлен циклон 29 (cyclone 29) с вентилятором 30 (fan 30), над приемными бункерами для сои 1 и рапса 2 (receiving bins for soybean 1 and rapeseed 2) установлены предохранительные клапаны 31 (safety valve 31), а на входе пара в приемные бункера для зерновых 5 (receiving bin for grain 5), жира 6 (fat bin 6), мелассы 7 (molasses hopper 7) установлены паровые краны 32 (steam taps 32). Паропровод 26 (steam lines 26) и тепловая магистраль 28 (heat line 28) снабжены устройством для сбора и слива конденсата 33 (device for collecting and draining condensate 33).

Работа линии тепловой обработки комбикормов (рис. 5) осуществляется следующим образом. Исходное сырье (ингредиенты) засыпают в приемные бункеры: 1 – для сои, 2 – для рапса, 4 – для наполнителя, 5 – для зерновых, 6 – для жира, 7 – для мелассы, 8 – для БМВД. При работающем реакторе баротермической обработки 18 через тепловой затвор выгрузки 19 и газгольдер 20 по паропроводу 26 и при открытом кране 27 пар под давлением поступает в теплообменники 3 приемных бункеров для сои 1 и для рапса 2 , где происходит предварительное запаривание сои и рапса. Далее установленную дозу каждого из перечисленных компонентов подают в смеситель 11 дозаторами

Р и с. 5. Линия тепловой обработки комбикормов F i g. 5. Heat treatment line of mixed feeds

непрерывного действия 9 из приемных бункеров 1, 2, 4 . Смесь равномерным потоком высыпается в винтовую зерноплющилку 12 , в которой за счет шнека 14 , расположенного в цилиндрическом корпусе 13 и имеющего однозаход-ный винтовой элемент, продавливается вдоль зерноплющилки и в процессе продавливания через зазор, равный

0,5 мм между кольцами 15, установленными на внутренней стороне цилиндрического корпуса 13 на расстоянии друг от друга, равном шагу S-ленточной резьбы шнека, и имеющих высоту 3–4 мм, и витками шнека 14, происходит плющение и измельчение частиц до размеров толщиной менее 0,5 мм, чем обеспечивается хороший доступ пара при дальнейшей обработке в баротермическом реакторе 18. Обработанная смесь сои, рапса и наполнителя поступает в шнековый транспортер 16, в который также посредством дозаторов непрерывного действия 9 и кранов 10 подаются ингредиенты из приемных бункеров 5–8, все составляющие смешиваются и перемещаются через тепловой затвор загрузки 17 в реактор баротермической обработки 18, где при заданных температуре, давлении и экспозиции происходит кондиционирование, гомогенизация кормов с одновременным перемещением обрабатываемой массы в сторону теплового затвора выгрузки 19, который также встроен в газгольдер 20, и далее обработанный комбикорм посредством барабанного шлюза 21 выгружается в охладитель 22, в который подается атмосферный воздух, регулируемый механизмом дозированной подачи 23 и, равномерно распределяясь по всей длине охладителя, снабженного перфоратором 24, охлаждается и выпускается в тару. При включенном вентиляторе 30 циклона 29 и посредством механизма регулирования количества отбора теплоносителя 25 по тепловой магистрали 28 тепло из охладителя подается к приемным бункерам 5–7 для подогрева зерновых, жира и мелассы и регулируется паровыми кранами 32. Небольшая часть ингредиентов (зерновых) засасывается пневмосистемой и, оседая в циклоне 29, ссыпается в приемный бункер 5 для дальнейшей переработки. Образовавшийся конденсат с устройства для сбора и слива 33 на паровой системе 26 и тепловой магистрали 28 удаляют при неработающей линии. Избыток давления (пара), поступающего в теплообменники приемных бункеров 1 и 2, стравливают через предохранительные клапаны 31. Линия тепловой обработки работает в непрерывном поточном режиме: содержит реактор с регулируемыми загрузочным и выгрузным затворами, узлы подготовки и подачи всех ингредиентов, пульт с интеллектуальной системой управления, исполняющий заданный технологический алгоритм работы, составленный на основе цифровой технолгии и конструктивных параметров, представленных в статье.

Обсуждение и заключение

Перевод процесса баротермической обработки ингредиентов комбикормов в зону 300–374 °С и давления 12–21 МПа p,t -диаграммы обеспечивает стерильность, интенсификацию и надежность процесса перевода вредных и плохо усвояемых составляющих элементов зерновых и бобовых в полезные, легко усвояемые корма [15].

Применение реактора баротермической обработки кормов с тепловыми затворами взамен автоклавам и запарникам обеспечивает непрерывную поточную работу линии, экономию времени обработки и тепловой энергии18.

Линия тепловой обработки комбикормов с реактором совмещает энергоемкие процессы нормализации, экспандирования, экструдирования и гранулирования, при этом повышается качество обработки, снижается удельная энергоемкость и металло-емкость19. Комбикорма очищаются от сальмонеллы, патогенных бактерий, грибков и плесени. Время обработки 60–120 секунд. Представленный режим баротермической обработки и конструктивные решения линии могут быть полезными при разработке проектов на базе цифровых технологий комбикормовых предприятий и цехов животноводческих и птицеводческих ферм.

Поступила 07.12.2019; принята к публикации 10.04.2019; опубликована онлайн 30.09.2019

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.