Линия переработки пивной дробины в сухую кормовую добавку для сельскохозяйственных животных

Введение. Дефицит протеина в кормах сельскохозяйственных животных приводит к снижению продуктивности стада. Использование протеиновой добавки в рационах животных способствует повышению питательной ценности кормов, обеспечению их сбалансированности и улучшению обмена веществ у животных [1]. Одним из высокобелковых продуктов является пивная дробина [2–5], отвечающая показателям безопасности [6]. Длительное хранение сырой пивной дробины невозможно вследствие протекания процессов гниения и выделения в биосферу ядовитых продуктов гидролиза, накопления в ней микотоксинов, вызывающих у животных гепатотоксический эффект [6, 7], поэтому проводят ее механическое обезвоживание и сушку [8].

При механическом обезвоживании предложено удаление влаги с использованием гидроциклона-сгустителя [9], фильтр-пресса, декантора, шнекового пресса [10] или в два этапа путем двухступенчатого прессования [11], прессования и центрифугирования [12]. Качественный анализ продуктов разделения сырой пивной дробины на прессово-шнековом сепараторе и фильтр-прессе приведен в работе [8]. Влажность обезвоженной пивной дробины составляет 60–70 %, а в фильтрате, полученном на фильтр-прессе, не содержатся мелкие взвеси, он имеет меньшую мутность по сравнению с фильтратом, полученным на прессово-шнековом сепараторе. Применение данного оборудования позволяет достаточно полно удалить свободную влагу.

Нашими исследованиями показано, что в свежей пивной дробине Белореченского пивзавода [13] и Майкопского пивзавода [14], на которых производство пива проводится по классической технологии, содержание связанной влаги превышает содержание свободной влаги. На основе анализа кривых скорости сушки предложены стадии технологии переработки свежей пивной дробины в сухую кормовую добавку, включающие отжим путем прессования, дробление, центрифугирование и сушку при температуре 55–60 °С до влажности 9–10 % [15]. Подбору аппаратов предложенных технологических стадий посвящено данное исследование.

Цель исследования – интенсификация процесса сушки пивной дробины путем уменьшения энергозатрат на ее переработку.

Задачи: разработка линии переработки пивной дробины в сухую кормовую добавку для сельскохозяйственных животных.

Объект, предмет и методы. Объектом исследования являются действующие и предложенные линии переработки пивной дробины в сухую кормовую добавку для сельскохозяйственных животных. Предмет исследования – свежая пивная дробина. Метод исследования основан на анализе полученных авторами экспериментальных данных по кинетике сушки пивной дробины, являющейся отходом производства Белореченского и Майкопского пивзаводов.

Результаты и их обсуждение. Интенсификацию процесса сушки влажных материалов проводят различными способами, выбор которых зависит от конструкции сушилки, свойств сушильного агента и влажного материала.

Сырая пивная дробина не относится ни к дисперсным материалам, ни к тонкодисперсным суспензиям. Она представляет собой коллоидное тело, имеющее твердую основу с высоким содержанием влаги, находящейся в клетках, порах и капиллярах, и состоит из дробленых ядер и оболочек зерна с размером частиц 6– 9 мм. Влажность сырой пивной дробины зависит от конструкции фильтрационного аппарата, предназначенного для фильтрования затора, и пневматического или гидравлического способа транспортирования в сборник пивной дробины и варьируется в пределах 80–90 %. Несмотря на высокую влажность, в пивной дробине практически отсутствует дисперсионная среда. Механическое обезвоживание желательно проводить в щадящем режиме с целью снижения потерь питательных веществ с жидкой фазой. Температуру сушильного агента при конвективной сушке поддерживают в диапазоне от 55 до 60 °С для исключения денатурации белков. Скорость нагретого воздуха (сушильного агента) не превышает 4 м/с, что способствует снижению уноса мелкодисперсной сухой фракции.

Таким образом, при сушке пивной дробины для использования ее в качестве сухой кормовой добавки в рационе сельскохозяйственных животных повышение скорости или температуры сушильного агента с целью интенсификации процесса конвективной сушки не представляется возможным.

Сушка характеризуется высокими энергетическими затратами. Снижение энергозатрат при сушке может быть обеспечено путем уменьшения начальной влажности пивной дробины на входе в сушилку, что приведет к снижению времени сушки за счет более глубокого съема влаги при механическом обезвоживании. Съем влаги в сушилке зависит от активной поверхности тепло- и массообмена между сушильным агентом и влажным материалом в единице объема. Нами экспериментально доказано, что содержание связанной влаги в сырой пивной дробине больше, чем свободной [13, 14]. Следовательно, с целью повышения поверхности массооб-мена механическое обезвоживание может быть дополнено стадией дробления, приводящей к частичному разрушению целых клеток твердой фракции пивной дробины и, как следствие, к переходу некоторого количества связанной влаги в свободную.

Экспериментальное исследование механического обезвоживания с использованием прессово-шнекового сепаратора и фильтр-пресса до влажности дробины 60–70 %, проведенное в [8], выявило сложности при утилизации фильтрата пивной дробины, содержащего тонкодисперсные частицы. На наш взгляд, это связано с жестким отжимом, выдавливающим жидкую фазу из пивной дробины, что приводит к потере пита- тельных веществ. Отжатая пивная дробина имеет вид плотно спрессованных крупных частиц комковатой структуры с небольшой поверхностью массообмена, что может привести к увеличению продолжительности сушки при удалении связанной влаги.

Для сушки фильтрата пивной дробины, являющегося дисперсным материалом с содержанием сухих веществ 4–7 %, можно рекомендовать спиральную пневмосушилку и способ сушки, запатентованный в [16], или предварительное упаривание до содержания сухих веществ 40–50 % с последующей совместной сушкой с пивной дробиной в барабанной сушилке. Недостатком установки является наличие одновального смесителя, представляющего собой горизонтальную цилиндрическую емкость с мешалками (лопастями) различной формы. При контактном тепло- и массообмене частицы дисперсного материала имеют температуру около 90 °С, что может оказать негативное воздействие на качество конечного продукта. Кроме этого, масса твердых частиц лопастью прижимается к седлу корыта, что приводит к их раздавливанию и частичному перетиранию, т. е. превращению твердых частиц суспензии в порошок, это отразится на потере ценных кормовых единиц в результате уноса при сушке.

Известен метод, включающий стадию дробления исходной сырой пивной дробины на вальцовой дробилке при дополнительном ее увлажнении [17]. Однако измельчение во влажном состоянии сырой дробины приведет к значительным энергозатратам процесса дробления. В связи с этим на первой стадии целесообразно предварительно отделить свободную влагу от дробины в щадящем режиме для сохранения полезных веществ в самой пивной дробине без потери их с фильтратом (отделяемой жидкостью).

Применение механического обезвоживания для удаления свободной влаги из высоко влажного материала требует меньше энергозатрат, чем удаление свободной влаги с помощью сушильного агента при конвективной сушке в сушилке.

Шнековый пресс-сепаратор признан одним из лучших образцов оборудования для отжима сырой пивной дробины. Высокая производи-

Вестник КрасГАУ. 2022. № 3 тельность в сочетании с низкой стоимостью оборудования делает его доступным для использования на пивзаводах малой производительности [18].

Наибольшее распространение для сушки пивной дробины получила барабанная сушилка, перемешивание высушиваемого материала в которой осуществляется при небольшой скорости вращения барабана, что способствует сохранению структуры и питательной ценности дробины при испарении влаги.

На основе экспериментальных исследований авторов и проведенного анализа оборудования разработанная линия переработки пивной дробины в сухую кормовую добавку для сельскохозяйственных животных включает последовательно установленные шнековый сепаратор, вальцовую дробилку, декантерную центрифугу и барабанную сушилку (рис.).

Сырая пивная дробина влажностью 80–85 % (после естественного стока влаги) подается в шнековый сепаратор 1 , в котором происходит ее предварительное механическое обезвоживание с образованием отсепарированной твердой фракции с размером частиц 6–9 мм и жидкой фазы, удаляемой из установки. Полученная твердая фракция поступает в вальцовую дробилку 2 , где вальцы разрушают спрессованные зоны и клеточную структуру твердой фракции до размера частиц 3–5 мм, что способствует частичному высвобождению связанной влаги и увеличению поверхности массообмена между сушильным агентом и твердой фракцией пивной дробины, а также равномерному распределению влажности измельченного материала. Измельченная фракция пивной дробины, содержащая свободную влагу, подается в декантер-ную центрифугу 3 , предназначенную для отделения фугата от измельченной твердой фракции пивной дробины под действием центробежных сил. Фугат выводится из установки, а измельченная отжатая твердая фракция пивной дробины, содержащая в основном связанную влагу, подается в барабанную сушилку 4 , где происходит ее высушивание при температуре сушильного агента 55–60 °С до влажности 9– 10 %. Полученная сухая дробина используется в качестве кормовой добавки для сельскохозяйственных животных.

Линия переработки пивной дробины:

1 – сепаратор; 2 – вальцовая дробилка; 3 – декантерная центрифуга; 4 – барабанная сушилка

Сокращение времени сушки достигается за счет повышения степени отжима пивной дробины, так как отделение влаги осуществляется в несколько этапов. На первом этапе в шнековом сепараторе происходит предварительное обезвоживание исходной сырой пивной дробины в щадящем режиме с выделением твердой и жидкой фракций. На втором этапе твердую фракцию подвергают дроблению на дополнительно установленной вальцовой дробилке, при котором происходит измельчение до размера частиц 3–5 мм и разрушение клеток твердой фракции, что приводит к высвобождению влаги, связанной с материалом адсорбционными и осмотическими силами, и, как следствие, к снижению конечной влажности готового продукта в режимах «щадящего отжима». Обработка сырья на вальцовой дробилке позволяет также разрушить спрессованные зоны в пивной дробине после шнекового сепаратора, тем самым увеличить поверхность массообмена между сушильным агентом и пивной дробиной при последующей сушке в сушилке. И на третьем этапе из подготовленной таким образом пивной дробины осуществляется удаление свободной влаги в де-кантерной центрифуге с образованием фугата и раздробленной твердой фракции. Таким образом, количество влаги в пивной дробине перед сушкой максимально уменьшается, что приводит к снижению влажности твердой фракции на входе в сушилку и высушиванию до достижения 9–10 %-й влажности.

Установка шнекового сепаратора, вальцовой дробилки и декантерной центрифуги позволяет удалить из пивной дробины до ее поступления в барабанную сушилку не только свободную влагу, но и частично связанную, переведенную при дроблении в свободную, что способствует сокращению времени сушки и сохранению питательных веществ в конечном продукте ввиду более короткого времени температурного воздействия.

Интенсификация процесса сушки пивной дробины достигается путем снижения энергозатрат при поступлении в сушилку пивной дробины с более низкой влажностью за счет съема свободной влаги при двухступенчатом обезвоживании: на шнековом сепараторе и декантер-ной центрифуге, установленной после вальцовой дробилки.

Заключение. Выполнен анализ вариантов интенсификации процесса сушки пивной дробины. Повышение скорости или температуры сушильного агента с целью интенсификации процесса конвективной сушки пивной дробины является неприемлемым, так как может привести к денатурации белков и уносу мелкодисперсной сухой фракции. Предложено после шнекового сепаратора установить вальцовую дробилку для разрушения спрессованных зон, что способствует увеличению поверхности массообмена между сушильным агентом и высушиваемым материалом и переводу части связанной влаги в свободную при разрушении клеток материала. Разработана линия переработки пивной дробины в сухую кормовую добавку для сельскохозяйственных животных, включающая последовательно установленные шнековый сепаратор, вальцовую дробилку, декантерную центрифугу и барабанную сушилку.