Обработка отходов кедрового промысла ИК-излучением

Введение . В России и мировой практике сушка, как обезвоживание дисперсных материалов, используется при заготовке дикорастущих и сельскохозяйственных продуктов как один из основных способов. Кедровые леса Сибирского федерального округа в классификации природно-ресурсного потенциала занимают до 11,4 % покрытой лесом площади в округе и 78,4 % площади лесов всей РФ, 50 % всей площади по Иркутской области, что подтверждает возможность и целесообразность использования данного материала (отходы кедровых шишек) для сушки ИК-лучами с целью применения их для кормления сельскохозяйственных животных в промышленном объеме [1].

Обработка кедровых шишек, добыча из них орешек сопровождаются большим количеством отходов – стержни, чешуйки и т.д. Весь этот материал идет на выброс на пунктах обработки или непосредственно в тайге. Сами кедровые орешки нашли широкое применение в пищевой промышленности, в быту из-за большого количества в них минеральных веществ и витаминов.

Увеличение масштабов использования электрической энергии в перерабатывающей отрасли позволяет примененять современные электротехнологии для переработки дикорастущего и культивируемого сырья растительного происхождения.

Цель исследования . Анализ и выбор режима сушки отходов кедрового промысла при применении инфракрасного нагрева для обработки кедровой муки.

Задачи : выбор искусственного источника электромагнитного излучения и режима его работы с учетом обработки отходов кедровых шишек с максимальной сохранностью в переработанном сырье питательных веществ и микроэлементов.

Объекты и методы исследования . Объекты исследования характеризуются методами управления прерывным ИК-облучением в технологии сушки отходов кедровых шишек. К предметам исследования относят процессы сушки вышеуказанного материала в установке вертикального типа методом частотнопрерывного ИК-нагревателя с учетом времени нагрева.

Оптимизация режима сушки выбирается в зависимости от вида сырья, его структуры и наличия в нём влаги и активно действующих веществ. Превышение температуры в процессе сушки на 10 градусов выше допустимой приводит к потере каротина в 5 раз. При сушке с применением ИК-обогревателей отходы кедровых шишек, имеющие капиллярно-пористую структуру, интенсивно прогреваются. Превышение температуры нагрева отходов переработки выше допустимой, регламентируемой биотехническими условиями, приводит к длительному воздействию высоких температур на продукт и вызывает ухудшение его качества. Установлено, что скорость нагрева кедровой муки определяется выражением tnped. доп.

V пред . доп . =---------- ,

Т

где t пред.доп. – предельно допустимая температура нагрева сырья; Т – постоянная времени нагрева, с.

Постоянная времени нагрева Т характеризует исследуемый материал, мощность ИК-облучателя от которого не зависит. Проводимые исследования показали, что введение элементов искусственной конвекции в процессе сушки отходов кедровых шишек электроинфракрасным нагревом уменьшает скорость нагрева сырья без уменьшения мощности ИК- нагревателя [2, 3]. Оптимальным для сушки отходов кедровых шишек в результате исследований оказалось «согласное» направление потока электро-инфракрасного излучения и воздушного потока. С целью снижения энергозатрат в процессе сушки исследуемого материала рекомендуется использовать прерывный режим работы ИК-нагревателя [4]. Ранее высказанное теоретическое предположение об эффективном применения Ч-П (частотно-прерывного) метода ИК-облучения для обработки отходов кедровых шишек подтвердилось при проведении экспериментов (рис.).

График ИК-облучения с постоянным уровнем энергии с переменным временем пауз и цикла облучения: T О – время облучения; T П – время паузы; T Ц – время цикла

Результаты исследования и их обсуждение . Удельный расход энергии предложенного способа сушки исследуемого материала меньше по сравнению с другими режимами, а сохранность питательных веществ составляет 80– 90 % от исходного (табл. 1).

Анализирую таблицу 1, можно сделать вывод, что способы инфракрасного облучения оказывают значительное влияние на удельный расход электрической энергии. Сравнив удельный расход электрической энергии при двух способах ИК-облучения, можно сказать, что удельный расход уменьшается в 1,6 раза при частотнопрерывном облучении. Также можно отметить, что при частотно-прерывном облучении увеличивается уровень содержания каротина и составляет 21 мг/г, что наиболее приближено к исходному сырью. Наименьшее количество каротина содержится при широтно-прерывном облучении и составляет 14 мг/г. Если брать во внимание процент влажности в вышеуказанных способах, то можно сказать, что частотно- прерывной способ уступает широтно-прерывному и влажность после сушки незначительно возрастает.

Энергосберегающие принципы диктуют условия для согласования излучательной способности ИК-излучателя и поглощательной способности сырья. Связь между облученностью и максимальной температурой поясняется выводами, предложенными Тиллером и Гарбер [5].

При сравнении спектральных характеристик ИК-излучателей с оптическими свойствами отходов при обработке шишки были получены данные, подтверждающие более ранние результаты исследований О. Кришера, а именно – исследуемый материал обладает максимальной поглощательной способностью в диапазоне 2,8– 3,2 мкм. Удельный расход электроэнергии в процессе термообработки отходов при обработке кедровых шишек при нагревании ИК-излучателем в диапазоне от 500 до 800 °С имеет минимальное значение и составляет 1,1– 1,4 кВт •ч/кг испарённой влаги.

Результаты сушки отходов кедровых орех

Таблица 1

Способ ИК-облучения	Влажность до сушки, %	Влажность после сушки, %	Уд. расход электроэнергии, кВт ⋅ ч/кг	Содержание каротина, Мг/г
1.Прерывное облучение (ПС). Время цикла = соnst	26	5	1	15
2. Широтно-прерывное облучение (ШПС). Время цикла = соnst	26	5	1	15
3. Частотно-прерывное облучение (ЧПС). Время цикла ≠ соnst	26	5	0,85	22
4.Параметры исходного сырья	26	-	-	21

Q max= A ^λη P ,           (2)

αF

где A λ – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны ИК-нагревателя; P/F – плотность мощности ИК-излучения; α – коэффициент теплоотдачи.

Связь между коэффициентом поглощения материалом ИК-излучения, его температурой нагрева и плотностью излучения, предложенная ранее Борхердтом, была подтверждена при проведении данных исследований и зависимостью удельного расхода электроэнергии от спектрального состава ИК-облучателя [2].

Проведённый анализ на содержание питательных веществ и микроэлементов показал незначительное изменение состава по сравнению с результатами в таблицах 2, 3.

Таблица 2

Элемент	Содержание, мг/г	Элемент	Содержание, мг/г	Элемент	Содержание, мг/г
Si	21	Ti	0,4	Сг	0,008
А1	4,1	Zn	0,37	Мо	0,0007
Mg	7	Pb	0,035	Be	0,00025
Са	5,8	Си	0,05	Sc	0,00045
Fe	4,2	Ва	0,05	Ga	0,001
Na	1,6	Sr	0,02	Ag	0,00012
К	104	Li	0,003	Cd	0,0005
Р	8	Ni	0,015	As	0,025
В	0,12	Со	0,0006	Zr	0,02
Мп	0,35	V	0,004	Y	0,0025

Характеристика минерального состава кедровой муки

Приведенное выше выражение объясняет, что поглощательная способность исследуемого материала может быть достаточно высокой, если предельная температура нагревателя достигается при меньшей плотности мощности излучателя [6].

Согласно отечественному и зарубежному опыту, к кормовой и витаминной добавке относится кедровая мука, получаемая из отходов кедровых шишек, которая содержит большое количество микроэлементов, полезных питательных веществ для сельскохозяйственных животных (табл. 2, 3).

Для исследования кедровой муки по терморадиационным характеристикам были взяты отходы при обработке кедровых шишек урожаев предыдущих годов. В исходном сырье не были выявлены следующие элементы: итербий<0,003; герма-ний<0,00019; сурьма<0,0028; лантан<0,0018; вис-мут<0,00018; ниобий<0,0009.

Таблица 3

Химический состав					Содержимое в 1 кг корма							Содержимое в абс. %
Влага	Сырой протеин	Сырая клетчатка	Сырая зола	Сырой жир	Корм. ед. кг.	Обмен энергией	Пер. протеин, г	Сахар, г	Кальций, г	Каротин, мг	Нитраты	Уксус-ная кислота	Мо-лоч-ная кислота	РН
12	3	30	1,4	1	0,6	7	4	31	6	2	0	0	0	0

Таблица 4

Микроэлементы	Доп. уровни	Мука хвойная	Мука кедровая	Макроэлементы	Доп. уровни	Мука хвойная	Мука кедровая
Нитраты	1000	150	0,0	Кальций	Не ограничено	4,6	5,8
Нитриты	10	2	0,0	Фосфор		1,4	8,0
Тяжелые соли:				Магний		1,0	7,0
меди	100	7,9	0,5	Калий		3,3	104
ртути	0,1	Нет данных	0,0	Натрий		0,2	1,6
цинка	1,2	0,262	0,37	Сера		0,8
свинца	10	1,25	0,035	Железо		12,6	4,2
кадмия	1,0	Нет данных	0,0005	Йод		0,11	0,025
мышьяка	1,0	0,03	0,0	Сахар (мг/кг)		16	0,4
Афлатоксин	0,005	Нет данных	Не обнаружен	Сырая клетчатка		70,6	29,6
2,4 Д	не допуск.	Нет данных	Не обнаружен	Каротин		50	22
Селен	ДО 0,5	0,2	Не обнаружен
Стронций	ДО 0,1	Нет данных	0,02
Фтор	0,02	Нет данных	Не обнаружен
Молибден	0,01	0,009	0,0007
Влажность	Не более 8,0
Температура сушки		(80-90)О С	(60-90) О С

Показатели питательности кедровой муки

Содержание микро- и макроэлементов в хвойной и кедровой муке, мг/г

Так, например, в хвойной муке содержание таких микроэлементов, как нитриты, нитраты, медь, свинец, мышьяк, молибден, превышает содержание аналогичных элементов в кедровой муке, в которой они либо не обнаружены, либо пренебрежительно малы. Помимо микроэлементов в состав исследуемого сырья (кедровой муки) входят макроэлементы: кальций, фосфор,

Технология продовольственных продуктов магний, калий, натрий, – наличие которых выше, чем в муке из хвойного сырья. Преимущество хвойной муки состоит лишь в том, что содержание макроэлементов (железо, йод, сахар, сырая клетчатка, каротин) незначительно выше значений в исследуемом материале. В результате сравнительного анализа наличия микро- и макроэлементов в хвойной и кедровой муке можно сделать вывод, что их наличие в хвойной муке уступает кедровой.

Эксперимент проходил в режиме управляемого излучения в инфракрасном диапазоне, что во многом соответствует естественному фону солнечной радиации, и летучие фитоорганиче-ские вещества, выделяемые при этом, были аналогичны естественному запаху кедровой тайги, с так называемыми «атмосферными витаминами», которые считаются активаторами ферментов живого организма, ионизируют среду и понижают бактерицидность.

С точки зрения получения целебных фитонцидов при переработке отходов кедровых шишек в кедровую муку установку, работающую в режиме ИК-облучения, можно использовать для создания имитирующего природного фитоорга-нического фона леса кедрового бора [7, 8]. Что в первую очередь направлено на создание удовлетворительного микроклимата и улучшение химического состава воздуха. Сравнение кедровой и хвойной муки (см. табл. 4) по содержанию микроэлементов и питательных веществ показало ряд достоинств кедровой муки, получаемой из отходов кедровых шишек.

Выводы

• 1.    Сушка кедровой муки позволит получить недорогую витаминную и кормовую добавку с целебными фитонцидами, что даст экономический эффект в пределах 22–25 тыс. рублей.

• 2.    Энергетический КПД экспериментального оборудования при исследовании тепловых балансов устройств вертикального и горизонтального типа показал, что первый вид устройств вертикального типа характеризуется более высоким энергетическим КПД, т.е. он на 27 % выше аналогичного КПД установки горизонтального типа.

• 3.    Анализ способов нагрева показал преимущества ИК-излучения применительно к

• 4.    При сушке кедровой муки целесообразно применять частотно-прерывистое управления ИК-нагревателем, при этом энергозатраты в процессах сушки снижаются в 1,3–1,5 раза.

культивируемому и дикорастущему материалу. Опыты подтвердили, что проницаемость отходов кедровых шишек при облучении коротковолновым инфракрасным излучением в 2,3 раза выше, но только на глубине 3.5 мм. На глубине выше 5 мм разница между проницаемостью «светлых» и «тёмных» инфракрасных излучателей составляет лишь 1,5 раза.