Оптимизация процесса гранулирования комбикормов для пушных зверей

Отраслевая целевая программа «Развитие клеточного пушного звероводства в Российской Федерации на 2013-2020 годы» предполагает решение задач по совершенствованию системы обеспечения животных кормами и развитию данной инфраструктуры преимущественно на основе использования отечественного сырья.

На протяжении многих лет в мире пушные звери культивируется как основной вид животных для производства меха и меховых изделий, поэтому продукция данной отрасли является востребованной, особенно в последнее время. Комбикормовая промышленность стремится к решению задач обеспечения животных питательными и биологически активными веществами, вырабатывая корма для норок, песцов, соболей и т.п. [].

Вместе с этим увеличение поголовья пушных зверей в зверохозяйствах вызывает необходимость в производстве кормов, которые могли бы обеспечить воспроизведение поголовья и высокое качество пушнины при минимальных затратах корма и ручного труда. Рецептура комбикормов для пушных животных, в основном, включает продукты животного происхождения, такие как отходы рыбной и мясной промышленности, маслопрессовых и маслоэкстракционных заводов [].

В настоящее время рецепты полнорационных комбикормов для пушных зверей включают зерновой компонент, рыбную муку, дрожжи кормовые, премиксы. При этом содержание жира может достигать 20 % и выше.

Производство комбикормов для норок может расширить перечень производимой продукции на многих комбикормовых предприятиях. Поэтому возникает необходимость в разработке технологии производства комбикормов для норок, одним из этапов которой является процесс гранулирования. Однако без достаточно обоснованных параметров работы пресса-гранулятора гранулирование комбикормов с повышенным содержанием жира не дает желаемых результатов.

Материалы и методы

С целью нахождения оптимальных параметров процесса гранулирования были проведены исследования на экспериментальной установке, имеющей пресс-гранулятор, с применением метода статистического планирования многофакторного эксперимента.

Известно, что эффективность работы пресса зависит от конструктивных, кинематических и технологических факторов []. На основании исследований были выбраны основные факторы, влияющие на рассматриваемый процесс: x 1 – количество введенного жира, %; x 2 – расход пара, кг/т; x 3 – зазор между валком и матрицей пресса, мм. Критерием оценки влияния выбранных параметров служили: y 1 – удельный расход энергии, кВтч/т, y 2 – крошимость, %, дающие возможность более полно оценить эффективность процесса.

Для статистической обработки данных исследования применяли центральное ротатабель-ное униформпланирование, которое позволяло в ходе 20 экспериментов в 3-x кратной повторности получить уравнения регрессии, адекватно описывающее рассматриваемый процесс [].

Математическая модель изучаемого процесса представляется в виде полинома второй степени:

nn n y = bo + 2 bx + 2 bx + 2 byxixj (1) i=1 i=1 i < j где b0 – свободный член уравнения, равный средней величине отклика при условии, что рассматриваемые факторы находятся на средних, «нулевых» уровнях; x – масштабированные значения факторов, которые определяют функцию отклика и поддаются варьированию; bij – коэффициенты двухфакторных взаимодействий, показывающие, насколько изменяется степень влияния одного фактора при изменении величины другого; bii – коэффициенты квадратичных эффектов, определяющие нелинейность выходного параметра от рассматриваемых факторов; i, j – индексы факторов; n – число факторов в матрице планирования.

Результаты

Для оценки адекватности математической модели был проведен дисперсионный анализ (ANOVA) эксперимента в программе Design Expert (Stat-Ease Inc.) и получены следующие уравнения регрессии:

y = 6,32 - 0,48 x - 0,23 x ₂ - 0,69 x ₃ - 0,07 xx - 0,22 xx -- 0,17 xx + 0,16 x ² + 0,22 x ² - 0,03 x ²

y ₂ = 8,80 + 2,23 X j - 0,73 x ₂ + 0,51 x ₃ + 0,17 xx - 0,15 xx -

- 0,45 xx - 1,18 x ² + 0,94 x ₂² - 1,13 x ₃ ²

Анализ уравнений (2) и (3) позволяет выделить факторы, наиболее влияющие на рассматриваемый процесс. На удельный расход энергии влияние оказывают количество введенного жира, % и зазор между валком и матрицей, мм; на крошимость – количество введенного жира, %.

Оценка степени влияния входных параметров x i на выходные y i приведена на рисунке 1.

(a)

Рисунок 1. Влияние входных параметров x i на выходные y j : (а) – для удельного расхода энергии; (b) – для крошимости

(b)

Figure 1. Influence of input parameters x i on output parameters y j : (a) – for specific energy consumption; (b) – for crumbling

Графическая интерпретация уравнений (2) и (3) представлена кривыми равных значений для входных параметров в интервале [–1,682…+1,682] (рисунок 2–3). Данные графики несут смысл номограмм и имеют практическую значимость. Зная величину параметров, можно прогнозировать течение технологического процесса.

a                                     b                                      c

Рисунок 2.

Кривые равных значений зависимости удельного расхода энергии, кВтч/т от:

(a) количества

введенного жира, % и расхода пара, кг/т (b) количества введенного жира, % и зазора между валком и матрицей, мм;

(c) расхода пара, кг/т и зазора между валком и матрицей, мм

Figure 2. Curves of equal values of the dependence of the specific energy consumption, kWh / t on: (a) the amount of added fat, % and steam consumption, kg / t (b) the amount of added fat, % and the gap between the roll and the matrix, mm; (c) steam consumption, kg / t and the gap between the roll and the matrix, mm

a                                      b                                      c

Рисунок 3. Кривые равных значений зависимости крошимости, % от: (а) количества введенного жира, % и расхода пара, кг/т (б) количества введенного жира, % и зазора между валком и матрицей, мм; (в) расхода пара, кг/т и зазора между валком и матрицей, мм

Figure 3. Curves of equal values of the crumbling dependence, % of: (a) the amount of introduced fat, % and steam consumption, kg / t (b) the amount of introduced fat, % and the gap between the roll and the matrix, mm; (c) steam consumption, kg / t and the gap between the roll and the matrix, mm

Предложена численная и графическая процедуры оптимизации для прогнозирования оптимального уровня входных факторов для получения минимальных значений удельного расхода энергии и значений крошимости в пределах до 8 %. Общая математическая постановка задачи оптимизации представлена в виде следующей модели:

y_x ( x_t „. Xj ) ^ min; У 2 ( x, •••xj ) = {^;8}-

Оптимальные интервалы входных параметров, определяющих решение сформулированной задачи оптимизации (4): x 1 = 12,5…16,7 %; x 2 = 40,3…56,16 кг/т; x 3 = 6,5…6,9 мм.

Накладывая полученные интервалы друг на друга получаем область пересечения оптимального решения (белая зона) при заданных критериях оптимизации (рисунок 4).

Рисунок 4. Область решения задачи оптимизации в интервале [–1,682…+1,682]

Figure 4. The area for solving the optimization problem in the interval [–1.682 ... + 1.682]

Окончательно получим следующие значения выходных параметров – удельный расход энергии, y1 = 4,7 кВтч/т; крошимость, y2 = 7,9 % при соответствующих входных: x1 = 15,7 %; x2 = 40,3 кг/т; x3 = 6,8 мм.

Для проверки правильности выбора оптимальных условий процесса был поставлен ряд параллельных экспериментов. Сопоставление опытных и расчетных данных показало достаточную сходимость результатов. Все полученные данные лежали в пределах рассчитанных доверительных интервалов параметров оптимизации. Средняя квадратичная ошибка не превышала 7,1 %.

С использованием полученных оптимальных значений факторов с применением метода планирования эксперимента были проведены опыты по гранулированию комбикормов с высоким содержанием жира. При этом удельный расход энергии составил 4,10 кВт·ч/т,

Исследовалось изменение показателей качества полученного гранулированного комбикорма при хранении, которое осуществлялось в производственных условиях (в складе) в летний и зимне-весенний период. В процессе хранения контролировали: влажность, %; общую кислотность, град; кислотное число, мг KOH/ г жира; перекисное число, %, йода; содержание витаминов А и Е, М.Е./г (рисунки 5–6) [].

Рисунок 5. Изменения качества гранулированного комбикорма в процессе хранения в летний период: 1– общая кислотность, град; 2– кислотное число, мг KOH/ г жира; 3– перекисное число %, йода

Figure 5. Changes in the quality of granulated feed during storage in the summer: 1– total acidity, hail; 2 - acid number, mg KOH / g fat; 3 - peroxide number%, iodine

о Витамин А | Vitamin A в Витамин Е | Vitamin Е

Рисунок 6. Изменение содержания витаминов в гранулированном комбикорме при хранении в летний период: 1– витамин А; 2– витамин Е

Figure 6. Changes in the content of vitamins in granulated feed during storage in summer: 1– vitamin A; 2 - vitamin E

Графики, отражающие изменение показателей качества гранулированного комбикорма при хранении, свидетельствовали, что общая кислотность и кислотное число жира существенно выросли после двух месяцев хранения. Такие изменения являются следствием гидролиза жира в комбикормах и хранение в условиях свободного доступа кислорода. Значение перекисного числа жира, отражающего глубину окислительных изменений в комбикорме, после двух месяцев хранения также резко возросло и достигло 0,8% йода. Дальнейшее хранение привело к значительному снижению доброкачественности продукции.

Заключение

Получили следующие значения выходных параметров – удельный расход энергии, y1 = 4,7 кВтч/т; крошимость, y2 = 7,9 % при соответствующих входных: x1 = 15,7 %; x2 = 40,3 кг/т; x3 = 6,8 мм.

Потери витаминов А и Е при хранении комбикормов в течение 45 дней в летний период составили соответственно 12,3 % и 10,5 % от исходных значений. Такое снижение активности является допустимым. Дальнейшее хранение привело к значительному разрушению витаминов. Условия, складывавшиеся в зимневесенний период, способствовали высокой активности витаминов в течении 60 дней.

Исходя из полученных результатов рекомендуемый срок хранения гранулированных комбикормов с повышенным содержанием жира в зимне-весенний период составляет 60 суток, в летний – 45 суток.