Резервы энергоэффективности в технологии гранулированных комбикормов с использованием микроводоросли хлореллы и фуза подсолнечного масла

DOI:                     Оригинальная статья/Research article

Кормовые добавки на основе светозависимых микроорганизмов, к которым относится микроводоросль хлореллы, открывают инновационные возможности в создании ресурсосберегающих технологий комбикормов с использованием фотоавтотрофного биосинтеза, расширяющих ассортимент комбикормовой продукции [1–4].

В большинстве существующих технологий приготовление гранулированных комбикормов осуществляют по «сухому способу» с использованием пара Этот подход неприемлем для производства гранулированных комбикормов с вводом суспензии хлореллы. Высокая температура пара, подаваемого в пресс-гранулятор, не позволяет сохранить биологически активные

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Лыткина Л.И. и др. Вестник ВГУИТ, 2024, Т. 86, №. 1, С. 22-30 соединения, определяющие лечебно-профилактический эффект добавки [5–8].

При влажном способе гранулирования получают более пластичную кормосмесь при добавлении воды до 35%. Однако использование воды в качестве связующего компонента не позволяет обеспечить повышение пищевой, кормовой и биологической ценности комбикорма. В этой связи открываются возможности ввода суспензии микроводоросли хлореллы в качестве связующего компонента при получении кормовых гранул.

Наиболее перспективной с этой точки зрения является технология комбикормов, предусматривающая гранулирование рассыпного комбикорма с вводом суспензии фототрофной биомассы микроводоросли хлореллы и фуза растительных масел [9, 10].

Особенность технологии заключается в наличии участка автотрофного биосинтеза микроводоросли с вводом биомассы в рассыпной комбикорм, фракционировании рассыпного комбикорма на крупную, среднюю и мелкую фракции после гранулирования, сушки и охлаждения. При этом сначала среднюю фракцию покрывают фузом подсолнечного масла, обогащенного антиоксидантами и жирорастворимыми ферментами, а затем на дражированные гранулы наносят мелкую фракцию комбикорма. Стабилизацию температурных режимов на всех стадиях технологии обеспечивает абсорбционная бромисто-литиевая абсорбционная холодильная машина.

Несмотря на очевидные преимущества известной технологии, в ходе ее производственных испытаний на экспериментальном оборудовании были выявлены неиспользованные резервы, реализация которых повысит энергетическую эффективность получения гранулированного комбикорма.

Во-первых, абсорбционная бромисто-литиевая абсорбционная холодильная машина работает в области положительных температур и не может обеспечить подготовку низкопотенциального энергоносителя с температурой ниже 5 °С, что сдерживает скорость охлаждения гранулированного комбикорма после его сушки.

Во-вторых, при снижении температуры воздуха после сушки гранулированного комбикорма до температуры точки «росы», когда содержащаяся в нем влага конденсируется в виде капельной жидкости на поверхности теплообмена, нельзя гарантировать его полное осушение в связи с недостаточно низкой температурой конденсации влаги на охлаждающей поверхности испарителя. Для отделения паров влаги от воздуха с высоким влагосодержанием

В-третьих, не предусмотрена тонкая очистка отработанного сушильного агента, что негативно отразится на процессе конденсации влаги из отработанного после сушки воздуха; не рассматривается возможность подключения абсорбционной водоаммиачной холодильной установки в общую схему энергоснабжения способа, обеспечивающей получение низкотемпературного энергоносителя с высокой влагопоглощающей способностью, что позволило бы в установившемся режиме обеспечивать высокое качество гранулированного комбикорма при сохранении производительности поточной линии и эффективное охлаждение получаемого комбикорма перед закладкой его на хранение.

И наконец, в-четвертых, в технологии используется система непосредственного прямого охлаждения воздуха в испарителе абсорбционной холодильной машины. По сравнению с системами охлаждения промежуточным хладо-носителем возникает вероятность проникновения хладагента непосредственно в охлаждаемую среду, то есть в воздух, подаваемый на сушку и на охлаждение гранулированного комбикорма, что приведет к получению некондиционного комбикорма. Сравнение многолетних результатов наблюдения за этими системами в одних и тех же условиях показало снижение энергозатрат в системах с промежуточным охлаждением на 10–15%.

Исходя из вышеизложенного, сформулирована цель работы: повышение энергетической эффективности технологии гранулированных комбикормов с использованием микроводоросли хлореллы и фуза подсолнечного масла.

Организация и формирование энергоэффективной технологий гранулированных комбикормов основаны на принципах энергосбережения, рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов с возвратом низкопотенциальной энергии в тепловые и тепломассообменные процессы [11]. При этом использован балансовый метод распределения энергии в замкнутых термодинамических циклах по материальным и тепловым потокам в сочетании с комплексно-энергетическим подходом, подкрепленным методом эксергетического анализа при оценке термодинамического совершенства технологии, как системы процессов [12].

Схема предлагаемой технологии (рисунок) содержит бункеры для хранения рассыпного комбикорма 1 с роторными питателями; смеситель 2 с форсунками для ввода фототрофной биомассы; пресс-гранулятор 3; вертикальную колонку 4 с зонами сушки и охлаждения; валковый измельчитель 5; двухситовую просеивающую машину 6; оперативные бункеры 7 и 9 с роторными дозаторами; резервуар со змеевиком для подготовки растопленного фуза растительных масел 8; дражировочную машину непрерывного действия 10 с секционным барабаном; вентилируемый бункер 11; биореактор 12 с охлаждающей рубашкой 13, прозрачными трубками 14, вращающимся валом и установленным на нем роторным нагнетателем 15, коаксиально установленной светодиодной лампой 16, лопастями 17 перемешивающего устройства, барботажной трубкой 18 и импеллерной мешалкой 19 в нижней части корпуса биореактора, внутренняя поверхность которого выполнена светоотражающей; абсорбционную водоамми-ачную холодильную установку, включающую кипятильник 20 со змеевиком, ректификатор 21, дефлегматор 22, конденсатор 23, испаритель 24, абсорбер 25 со змеевиком, теплообменник 26, терморегулирующие вентили 27, 28, перекачивающие насосы 29 и 30, парогенератор 31; сборник тосола 32, рекуперативные теплообменники 33, 34, 35; 36; паровой калорифер 37; циклоны 38, 39, 40; фильтры тонкой очистки 41, 42, 43; смесители 44, 45; распределители потоков 46, 47, 48; водоотделитель 49; сборник конденсата 50; вентиляторы 51, 52, 53, 54; насосы 55, 56, 57; материальные и тепловые потоки: 0.1 – рассыпной комбикорм; 0.2 – рассыпной комбикорм, смешанный с суспензией фото-трофной биомассой; 0.3 – гранулированный комбикорм; 0.4 – высушенный и охлажденный гранулированный комбикорм; 0.5 – измельченный комбикорм; 0.6 – крупная фракция измельченного комбикорма; 0.7 – средняя фракция измельченного комбикорма; 0.8 – мелкая фракция измельченного комбикорма; 0.9 – эмульсия антиоксидантов и жирорастворимых ферментов; 1.0 – фуз растительных масел; 1.1 – смесь фуза растительного масла с эмульсией антиоксидантов и жирорастворимых ферментов; 1.2 – комбикорма с продуктами дражирования; 1.3 – готовый комбикорм; 1.4 – взвешенные частицы пылевидной фракции комбикорма; 2.0 – исходная суспензия микроводоросли; 3.0 – питательная смесь; 4.0 – суспензия фототрофной биомассы; 5.0 – смесь воздуха с углекислым газом; 6.0 – контуры рециркуляции воздуха; 7.0 – контуры рециркуляции тосола; 8.0 – перегретый пар; 8.1 – высокопотенциальный пар; 8.2 – низкопатенциальный пар; 8.3 – отработанный пар; 8.4 – конденсат; 9.0 – пары

Рассыпной комбикорм из бункеров 1 с роторным питателем по потоку 0 . 1 подают в смеситель 2 и смешивают с суспензией фото-трофной биомассы микроводорослей, которую вводят в смеситель с помощью форсунок по линии 4 , 0 . Насыщенный фототрофной биомассой рассыпной комбикорм после смесителя 2 по потоку 0 . 2 направляют в рекуперативный теплообменник 33 с отработанным после сушки воздухом, доводят температуру полученной смеси до 70–75 °С и получают влажные гранулы по технологии влажного гранулирования с влажностью 30–35%.

Влажные гранулы из пресс-гранулятора подаются сначала в зону сушки вертикальной колонки 4 и высушиваются до влажности 12–14% нагретым воздухом с температурой 100– 110 °С; а затем охлаждаются в зоне охлаждения воздухом с температурой 0–5 °С до температуры, не превышающей температуру окружающей среды более, чем на 10 °С.

Высушенный гранулированный комбикорм подается в валковый измельчитель 5 и после измельчения в двухситовую просеивающую машину 6 , в которой осуществляется фракционирование с получением крупной, средней и мелкой фракций. Крупная фракция возвращается в валковый измельчитель 5 на доизмельчение, средняя и мелкая фракции соответственно направляются в оперативные бункеры 7 и 9 .

Средняя и мелкая фракции, а также, нагретая до температуры 60–70 °С, смесь фуза растительного масла с эмульсией антиоксидантов и жирорастворимых ферментов из резервуара 8 подаются в секционный барабан дражировочной машины 10 .

Подсолнечный фуз является источником витаминов, белков, жиров, фосфора и других полезных веществ. Использование его в качестве добавки к кормам позволяет значительно улучшить рост молодняка, а также повысить продуктивность животных [13, 14].

В каждой из секций вращающегося барабана дражировочной машины при движении гранул осуществляется технологическая операция. Сначала среднюю фракцию с помощью форсунок покрывают фузом подсолнечного масла, обогащенного антиоксидантами и жирорастворимыми ферментами, а затем на дражированные гранулы наносят мелкую фракцию комбикорма.

Рисунок 1. Функциональная технологическая схема гранулированных комбикормов с использованием микроводоросли хлореллы и фуза подсолнечного масла

Figure 1. Functional technological scheme of granulated mixed fodders with the use of Chlorella microalgae and sunflower oil fuse

Фуз подсолнечного масла подогревается до температуры 70–75 °С в обогреваемом резервуаре 8 со змеевиком и получается растопленный фуз за счет рекуперативного теплообмена с низкопотенциальным паром, поступающим из парового калорифера 37 в змеевик резервуара 8 . При этом в резервуар 8 непрерывно подается эмульсия антиоксидантов и жирорастворимых ферментов, а также фуз подсолнечного масла.

Полученные в дражировочной машине гранулы охлаждаются в вентилируемом бункере 11 охлажденным воздухом до температуры, не превышающей температуру окружающей среды более, чем на 10 °С и отводятся в качестве готового комбикорма.

Подготовка суспензии фототрофной биомассы микроводоросли осуществляется в биореакторе 12 с внутренним светоотражающим покрытием, охлаждающей рубашкой 13, с прозрачными трубками 14, валом с роторным нагнетателем 15, коаксиально установленной светодиодной лампой 16, лопастями 17 перемешивающего устройства, барботажной трубкой 18 и импеллерной мешалкой 19 [15, 16].

Исходная суспензия микроводоросли подается в биореактор 12 , которая в виде жидкостной пленки стекает по внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок 14 .

Биореактор работает по принципу непрерывной проточной ферментации с подачей питательной среды Тамийя в режиме хемостата. При этом поддерживается постоянная концентрация компонентов среды, причем постоянный подвод клеток не обязателен, поскольку в начальном периоде проводится периодическое культивирование, а затем включается подача жидкости с клетками или без ниx [10, 15 – 17].

Подача смеси углекислого газа с воздухом в фотобиореактор вместе с непрореагировавшей газовоздушной смесью осуществляется вентилятором 51 через патрубки барботажного устройства 18, которое обеспечивает дополнительное насыщение жидкости углекислым газом и равномерное распределение потока газовоздушной смеси в прозрачных трубках 14.

Расходы углекислого газа и воздуха устанавливались по показаниям манометров на газовом редукторе и компрессоре по эмпирической формуле:

Р = ( V расх / 0,78 d ²)², (1) где Р – давление, Па; V расх – объемный расход газа, м³/с; d – внутренний диаметр трубопровода, м; ρ – плотность газа, кг/м³.

Предельная скорость движения газовоздушной смеси v 3 в противоточном режиме с истечением суспензии задавалась из условия [10, 18]:

lg

I g • d э • P.

= B - 1,75

1/8

N • (2)

I Pc J где dэ – эквивалентный диаметр пленки, м; µс – вязкость суспензии, сП; g – ускорение силы тяжести, м/с2; г,с – плотность газовоздушной смеси и суспензии, соответственно, кг/м3; В = 0,47 + 1,5 lg(dэ / 0,25); G, L – расход газовоздушной смеси и суспензии соответственно, кг/с.

Величина поверхностной освещенности светоприемной зоны (прозрачных трубок) фотобиореактора рассчитывается по методике [10, 19].

Планетарное вращение лопастей 17 относительно вала 15 создает дополнительную турбулизацию среды, обеспечивает выравнивание профиля концентраций клеток фототрофной биомассы, предотвращает появление застойных зон, преждевременное осаждение клеток культуры на дно аппарата и повышает продуктивность выращивания культуры автотрофных микроорганизмов.

Суспензия автотрофного микроорганизма подвергается равномерному воздействию световой энергии посредством коаксиально установленной светодиодной лампы 16 и отражению света от внутренней светоотражающей поверхности биореактора 12 .

В процессе освещения светодиодной лампой выделяется теплота, которую компенсируют подачей отработанного охлаждающего воздуха через циклон 38 и фильтр тонкой очистки 41 в охлаждающую рубашку 13 биореактора.

На выходе из прозрачных цилиндрических трубок 14 насыщенная углекислым газом суспензия автотрофной биомассы дополнительно насыщается газовоздушной смесью с помощью барботажных трубок 18 , при этом повышается суммарный коэффициент массооб-мена и тем самым интенсифицируется процесс культивирования.

Импеллерная мешалка 19 , закрепленная к валу в нижней части корпуса биореактора 12 , обеспечивает полноценную циркуляцию суспензии автотрофной биомассы в нижней части биореактора как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости, затрачивая минимум механической энергии.

Готовая суспензия фототрофной биомассы выводится из биореактора в смеситель 2 .

Для получения низкопотенциальной энергии используется абсорбционная водоаммиачная холодильная установка, включающая кипятильник 20 с ректификатором 21 , змеевик и дефлегматор 22 ; конденсатор 23 ; испаритель 24 , абсорбер 25 ; теплообменник 26 ; терморегулирующие вентили 27 , 28 , рециркуляционные насосы 29 , 30 [20].

Полученный в парогенераторе 31 перегретый пар используется как источник энергии для функционирования абсорбционной водо-аммиачной холодильной установки.

Из парогенератора 31 перегретый пар направляется в змеевик кипятильника 20 , в котором происходит испарение водоаммиачного раствора при температуре 130–140 °С. Смесь образовавшихся паров воды и аммиака проходит через насадки ректификатора 21 , орошается крепким водоаммиачным раствором с массовой концентрацией аммиака в бидистиллированной воде не менее 35%, подаваемым в кипятильник 20 перекачивающим насосом 30 из абсорбера 25 через рекуперативный теплообменник 26 . Часть воды увлекается стекающим раствором по насадкам ректификатора 21 . При этом концентрация аммиачного пара возрастает.

Лыткина Л.И. и др. Вестник ВГУИТ, 2024, Т. 86, №. 1, С. 22-30 Концентрированные аммиачные пары отводятся в дефлегматор 22 , остатки воды конденсируются и стекают по насадкам ректификатора 21 в кипятильник 20 .

Осушенный аммиачный пар из дефлегматора 22 направляется в конденсатор 23 и конденсируется при температуре 50 °С, после чего поток жидкого аммиака дросселируется в терморегулирующем вентиле 27 до давления 0,29 МПа и температуры минус 10 °С, с которой он кипит в испарителе 24 .

Испаренный аммиак из испарителя 24 поступает в абсорбер 25 , орошаемый слабым водоаммиачным раствором с массовой концентрацией аммиака в бидистиллированной воде не более 5 % при температуре 35 °С, отводимым из кипятильника 20 через теплообменник 26 и терморегулирующий вентиль 28 . Поглощение в абсорбере 25 сопровождается выделением тепла, которое передается протекающей через змеевик абсорбера 25 оборотной воде.

Образовавшийся крепкий водоаммиач-ный раствор в абсорбере 25 рециркуляционным насосом 30 направляется в кипятильник 20 через теплообменник 26 . В теплообменнике 26 происходит предварительный нагрев крепкого водоаммиачного раствора, что приводит к охлаждению слабого водоаммиачного раствора, обеспечивая повышение его абсорбирующей способности и экономию тепловой энергии.

Рециркуляция оборотной воды через абсорбер 25 , конденсатор 23 и дефлегматор 22 с помощью рециркуляционного насоса 29 позволяет повысить энергетическую эффективность процессов конденсации паров воды в дефлегматоре 22 и паров аммиака в конденсаторе 23 и обеспечить отвод теплоты абсорбции из абсорбера 25 .

Высокопотенциальный пар после кипятильника 20 с температурой 115–120 °С направляется в паровой калорифер 37 для нагревания воздуха, подаваемого вентилятором 52 в зону сушки вертикальной колонки 4 .

Низкопотенциальный пар после парового калорифера 37 подается в змеевик резервуара 8 для подготовки растопленного фуза, обогащенного антиоксидантами и жирорастворимыми ферментами. Образовавшийся конденсат после резервуара 8 отводится в сборник конденсата 50 .

Для подготовки охлажденного воздуха в качестве промежуточного хладагента используется тосол. Охлаждение тосола до температуры минус 5 – 7 °С осуществляется посредством рекуперативного теплообмена с кипящим в испарителе 24 аммиаком. После испарителя

24 один поток тосола через распределитель 47 подается в рекуперативный теплообменник 34 , в котором посредством теплообмена конденсируют влагу из отработанного после сушки воздуха и возвращают в сборник тосола 32 . Второй поток тосола после распределителя 47 через распределитель 48 направляется в рекуперативные теплообменник 35 и 36 для охлаждения воздуха, подаваемого в зону охлаждения гранулированного комбикорма в вертикальной колонке 4 и на охлаждение готового комбикорма в вентилируемый бункер 11 .

Сконденсированная влага через водоотделитель 49 отводится в сборник конденсата 50 . Отработанный тосол отводится в сборник тосола 32 и насосом 55 подается в испаритель 24 с образованием контура рециркуляции.

Тосол не выводится из контура рециркуляции, при этом отсутствует необходимость в периодическом анализе воздуха на присутствие в нем тосола.

Осушенный в рекуперативном теплообменнике воздух до влагосодержания 0,005–0,009 кг/кг вентилятором 52 направляется сначала в паровой калорифер 37 и нагревается до температуры 100–110 °С, а затем в зону сушки вертикальной колонки 4 . Отработанный после сушки воздух через циклон 39 и фильтр тонкой очистки 42 сначала направляют в рекуперативный теплообменник 33 , в котором нагревают рассыпной комбикорм, смешанный с суспензией фототроф-ной биомассы перед пресс-гранулятором 3 , а затем подают в рекуперативный теплообменник 34 и термодинамический цикл повторяют.

Отработанный воздух после секции охлаждения вертикальной колонки 4 вентилятором 53 через циклон 38 и фильтр тонкой очистки 41 подают в охлаждающую рубашку 13 биореактора 12 на компенсацию тепловой энергии, излучаемой светодиодной лампой 16 , и возвращают в рекуперативный теплообменник 35 с образованием контура рециркуляции.

Воздух для охлаждения готового комбикорма вентилятором 54 через циклон 40 и фильтр тонкой очистки 43 охлаждают в рекуперативном теплообменнике 36 и подают в вентилируемый бункер 11 с возвратом в циклон 40 .

Предлагаемая технология гранулированных комбикормов и установка для его осуществления прошли производственную проверку на экспериментальном оборудовании в производственных условиях НПЦ ВНИИ Комбикормовой промышленности (г. Воронеж) во всем интервале варьируемых параметров (таблица 1).

Таблица 1.

Параметры процесса

Process parameters

Table 1.

Параметр Parameter	Значение параметра | Value
	По технологии (Пат. РФ 2411885) Patent	По предлагаемой технологии Technology
		Режим 1 Regime 1	Режим 2 Regime 2	Режим 3 Regime 3
Температура культивирования автотрофной биомассы микроводоросли хлореллы, °С | Temperature of cultivation of autotrophic biomass of Chlorella microalgae, °С	20–25	25,0	28,0	32,0
Концентрация углекислого газа в воздухе в процессе культивирования, % Concentration of carbon dioxide in the air during cultivation, %	1,5–3,0	1,5	1,75	3,0
Освещенность светодиодной лампы, клк Illumination of LED lamp, klk	11,3…28,3	11,3	18,0	28,3
Содержание сухого вещества в готовой фототрофной биомассе, % Dry matter content in finished phototrophic biomass, %	0,04–0,06	0,06	0,55	0,04
Расход газовоздушной смеси в биореакторе, м3/ч Gas-air mixture flow rate in bioreactor, m3/h	3,0	3,0	3,5	4,0
Влажность гранул после пресс-гранулятора, % Granule humidity after the press-granulator, %	17–19	30	32	35
Температура гранулирования, °С | Pelletising temperature, °С	60–70	75	77	80
Температура воздуха, подаваемого на сушку, °С Temperature of air supplied for drying, °С	80	100	105	110
Влагосодержание воздуха, подаваемого на сушку, кг/кг Moisture content of air supplied for drying, kg/kg	0,005–0,009	0,005	0,007	0,009
Температура воздуха, подаваемого на охлаждение гранулированного комбикорма, °С | Temperature of air supplied for cooling of granulated mixed fodder, °С	0–5	0	3	5
Влажность гранул после сушки и охлаждения, % Humidity of granules after drying and cooling, %	12–14	12	13	14
Температура перегретого пара, подаваемого в кипятильник абсорбционной холодильной установки, °С Temperature of superheated steam supplied to the boilers of the absorption refrigeration unit, °С	бромисто-литиевая lithium bromide	водоаммиачная water-ammonia
	140–150	130	135	140
Температура перегретого пара, подаваемого в кипятильник абсорбционной холодильной установки, °С | Temperature of superheated steam supplied to the boilers of the absorption refrigeration unit, °С	140–150	120	125	130
Температура отработанного воздуха после сушки, °С Temperature of exhaust air after drying, °С	-	80	85	90
Температура отработанного пара, подаваемого на нагревание подсолнечного фуза, °С | Temperature of exhaust steam supplied for heating of sunflower fuse, °С	-	90	95	105
Температура нагрева подсолнечного фуза в обогреваемом резервуаре, °С | Sunflower fuse heating temperature in the heated tank, °С	60–70	70	72	75
Температура охлажденного воздуха, подаваемого в вентилируемый бункер, °С | Temperature of cooled air supplied to the ventilated bunker, °C	7,0	5,0	8,5	10
Удельные энергозатраты, кДж/кг | Specific energy consumption, kJ/kg	24480	23256	23011	22766

– использование промежуточного хладагента, в качестве которого используется тосол, позволит обеспечить простоту регулирования температуры охлаждаемой среды, в частности воздуха, подаваемого на охлаждение комбикорма и на конденсацию влаги из отработанного воздуха после сушки.

– абсорбционная холодильная машина позволяет радикально снизить эксплуатационные расходы на промышленное охлаждение гранулированного комбикорма за счет использования доступного альтернативного источника энергии, который дешевле затрат на подключение и использование дополнительных электрических мощностей;

– обеспечивает более полное использование топливно-энергетических ресурсов и повышает экологическую безопасность способа за счет организации дополнительных замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам, полностью исключающих выброс отработанных энергоносителей в окружающую среду;

– как правило, монтаж абсорбционных водоаммиачных холодильных установок осуществляют вне помещений на многоярусной металлической или железобетонной «этажерке», что исключает возможное негативное воздействие на обслуживающий персонал при аварийной утечке аммиака;

– обеспечивает снижение удельных энергозатрат на 5–7%.