Сублимация рыбопродуктов в условиях Арктики при производстве кормов для сельскохозяйственных животных

Разработка конкретных технологий по производству высококачественных комбикормов, витаминных и минеральных премиксов, препаратов и лекарственных средств с целью ветеринарного применения для сельскохозяйственных животных определена правительством Российской Федерации как приоритетное направление развития сельского хозяйства до 2026 года1. Известно, что корма в себестоимости продукции животноводства составляют 65–75 %, а добавка рыбных компонентов существенно повышает конверсию корма и конкурентоспособность отрасли2 [1]. Роль науки в выполнении этой проблемы заключается в изыскании новых высокоэффективных технологий, кормовых ингредиентов, видов энергии, повышающих качество комбикормов и снижающих затраты на производство единицы продукции. Использование биологических и энергетических ресурсов Арктики способствует решению поставленной задачи.

Стоит сказать о мировом производстве комбикормов. В рационах свиноводства комбикорма занимают 95 %, птицеводства – 100 %, в молочном скотоводстве – 35–40 %. Снизить затраты на производство продукции возможно за счет применения эффективных кормовых ингредиентов, лечебных кормов, видов энергии и технологий.

По данным единой межведомственной информационно-статистической системы Российской Федерации мировое производство комбикормов в 2019 году

Том 31, № 2. 2021

составило 1,126 млрд т: 28 % комбикормов произведено для бройлеров; 24 % – для свиней; 14 % – для кур-несушек; 12 % – для молочного скотоводства; 12 % – для мясного скота; 4 % – для рыб; 2 % – для домашних животных.

Продуктивность животных зависит от протеиновой и энергетической питательности кормов. Питательная ценность оценивается содержанием протеина и энергетическими кормовыми единицами в кормовой единице комбикорма (ЭКЕ/к.ед.).

В комбикормах, производимых в Российской Федерации, в настоящее время содержится протеина 90–100 г/к.ед., а необходимо 100–130 г/к.ед.; ЭКЕ/к.ед. содержится 0,9–1,0, а необходимо 1,1–1,4.

Чтобы повысить питательную ценность, необходимо совершенствовать и рецептуру комбикормов. Исходя из рецептуры полноценных комбикормов, применяемых в мировой практике и передовых хозяйствах Российской Федерации, следует рекомендовать примерный рецепт комбикормов, который приведен ниже (табл. 1).

Цель исследования – описать способ и линию сублимационной сушки крупнокусковых продуктов (в основном рыбы) до влажности 3–5 % для того, чтобы увеличить срок хранения.

Обзор литературы

В настоящее время применяются паровые или электронагревательные системы размораживания, когда нагревают поверхность обрабатываемого продукта, а от нее тепло передается в центр частиц, которые нагреваются

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Рецепт комбикорма Compound feed recipe

Ингредиенты / Ingredients Доза ингредиента / Ingredient dose Рекомендуется, % / Recommended, % Содержится в настоящее время, % / Currently contained, % Зерновые / Cereals 40–50 70–90 Бобовые (соя, рапс, горох) / Legumes (soybeans, rapeseed, peas) 8–10 2,0 Отходы пищевой промышленности / Food industry waste 10–12 2,0 Белково-витаминно-минеральные добавки / protein-mineral and vitamin supplements 2–3 1,0 Рыбная мука / Fish flour 15–20 0,5 Травяная мука / Herbal flour 6–8 1,0 Вермикультура / Vermiculture 3–4 0,5 Лечебные добавки (премиксы) / Medicinal additives (premixes) 1–2 – медленно и неравномерно, что приводит к потере питательных свойств про-дукта3. Но эта технология сублимации продуктов хорошо отработана и может применяться при любом источнике пара (от теплоцентрали)4 [2]. В консервной промышленности используются паровые сублиматоры.

Сверхвысокочастотное излучение (СВЧ-излучение) относится к новому виду электротехнологий: равномерный и быстрый нагрев всего продукта, экологическая чистота нагрева, высокое бактерицидное действие – все это сохраняет качественные свойства продукта [3]. Для СВЧ характерно нагревать быстрее более влажные участки продукта. Длина волны электромагнитного излучения (ЭМИ) подобрана таким образом, что воздействует на мо- лекулы воды в любом продукте. ЭМИ магнетронов, проникая внутрь продукта, колеблет молекулы воды с большой скоростью, возрастает сила трения между молекулами, соответственно, повышается температура воды [4]. Таким образом, процесс испарения начинается равномерно по всему объему при достаточно низкой температуре, что необходимо для сохранения первоначальных свойств продукта. Именно в этом заключается отличие СВЧ-сублимации от остальных способов [5].

Главный недостаток СВЧ-сублимации – удельный расход электроэнергии в 1,5 раза выше, чем в паровых сублиматорах. Поэтому они применяются преимущественно для экстренного приготовления продуктов и в условиях, где электроэнергия дешевле.

Основной недостаток систем – это цикличная работа установок, что приводит к простою оборудования и неравномерной загрузке систем электроснабжения, теплоснабжения и транспорта5. В связи с этим предложена двухкамерная непрерывно действующая сублимационная установка, в которой размораживание продуктов возможно от паровых, электронагревательных или СВЧ-систем, исходя из экономической целесообразности для каждого конкретного случая.

Рыбная мука – ценный кормовой компонент, который ускоряет рост животных и применяется как средство активизации их биологической устойчивости к инфекционным заболеваниям [6]. В 1 000 г рыбной муки содержится более 500 г перевариваемого протеина (табл. 2), высокий процент незаменимых аминокислот, витаминов и минеральных солей, в том числе метионина, лизина, триптофана, значительно влияющих на физиологию животного (табл. 3). До 90 % белка, содержащегося в рыбной муке, усваивается животными. В дрожжах гидролизных перевариваемого протеина содержится чуть больше ‒ 400 г; в подсолнечном шроте – около 380 г; в соевом – 360 г; в мясокостной муке – более 341 г; в горохе – около 200 г; в кукурузе – 80 г; в картофеле – более 10 г. В свиноводстве при скармливании 1 т рыбной муки (в составе растительных кормов) дополнительный привес составляет около 0,5 т в живой массе или 0,36 т в убойном весе [7]. Рыбная мука – безвредная и экологически чистая добавка, не содержащая искусственных химических компонентов и гормонов, что позволяет использовать ее в определенных дозах в качестве прикорма любым видам сельскохозяйственных животных⁶.

Том 31, № 2. 2021

Материалы и методы

Известны недостатки применяемых однокамерных сублимационных установок: длительный цикл сушки одной порции сырья (от 8 до 22 часов), установка долгое время не работает и выключается в период загрузки сырья и выгрузки готовой продукции; обогреватели противней обладают высокой инерционностью, что отрицательно отражается на равномерности остаточной влажности высушиваемого материала; габаритные размеры обогревателей занимают основной объем сублимационной камеры.

Физические особенности сублимационной сушки

Паровые или электронагревательные системы размораживания нагревают поверхность частиц обрабатываемых продуктов, а от нее по принципу теплопроводности теплота передается в центр частиц продукта. Образование льда разрушает структуру обрабатываемого материала, что при подогреве облегчает процесс сублимации [8].

Электромагнитная энергия микроволновых источников преобразуется в тепловую энергию за счет взаимодействия электромагнитных полей и материалов. В дополнение к обеспечению энергией сублимационная сушка с помощью микроволной печи позволяет сэкономить время. Этот метод, за счет проникновения электромагнитных полей в материал, более быстрый. Это приводит к объемному нагреву вместо нагрева от поверхности материалов в обычных методах. Частота электромагнитных волн составляет 2 450 МГц [3].

Технология сублимации вошла в обиход быстрого приготовления продуктов питания. Микроволновая обработка пищевых материалов получила значительное применение благодаря объемному нагревательному эффекту

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

и более короткому времени обработки по сравнению с традиционными методами. Математическое моделирование поглощения СВЧ-энергии в процессе СВЧ-обработки может быть выполнено на основе закона Ламберта либо уравнений Максвелла [9]. Продукты, сублимированные до 3–5 % влажности, подвержены микробной порче [4; 10]. По мере производства сублимированные корма необходимо закрывать в крафт-мешки, изолируя от влажной окружающей среды [11]. Особенно опасный и доминирующий в продуктах гриб обнаружили при культивировании на экстракте агара Чапека [12].

Сушка СВЧ-энергией является стерильной и отвечает медицинским требованиям к микробной чистоте продуктов [13]. Сублимационная сушка позволяет получить продукты высшего качества, что делает метод наилучшим для мягкой сушки эксклюзивных продуктов [5]. В настоящее время уделяется большое внимание созданию устойчивой индустрии аквакультуры. Норвежская рыбоводческая ферма уже может производить килограмм атлантического палтуса, затрачивая менее килограмма корма7.

Изложенные выше особенности сублимационной сушки целесообразно использовать для естественного замораживания улова рыбы, а для прогрева противней сублимационной камеры ‒ теплоту от сжигания жирного газа, при этом возможно компенсировать энергозатратный процесс сублимации природными ресурсами.

Удаление льда (замерзшей воды) из продуктов, кормов или других материалов называют сублимационной сушкой. Такой процесс возможен при атмосферном (парциальном) давле-

Том 31, № 2. 2021

нии ниже тройной точки (610,5 Па – 4,58 мм рт. ст.) и температуре 0 ºC в условиях сухого холодного воздуха влажностью менее 100 %. Такие природные условия существуют в Арктике или создаются в морозильных камерах холодильников: процесс длительный, измеряется сутками. Интенсивность сублимации ускоряется при пониженном парциальном давлении 70 Па (0,5 мм рт. ст.) и температуре от -30 до -50 ºС.

Преимущества сублимационной сушки: высокий уровень сохранения качества продуктов (рыбы), небольшая продолжительность сушки, удобство транспортирования и хранения рыбы, высушенной до 3–5 %, эффективное использование естественного северного холода и дешевой энергии тепла из отходов переработки газа и нефти в условиях интенсивного освоения районов Севера и Северного морского пути. Развитие предприятий по добыче и переработке теплоносителей (газа и нефти) обуславливает успешное развитие сублимационной сушки рыбы и рыбопродуктов.

Разработка новых машинных технологий и технических средств для сушки базируется на теплофизических свойствах (температура t , плотность p и теплопроводность ƛ ).

Плотность насыпная (удельный вес) различных видов свежей рыбы составляет 930–1 100 кг/м3, она зависит от массы каждой отдельной особи, содержания в ней жира и влаги (табл. 4). Плотность целой рыбы понижается при повышении влажности и увеличении ее массы. Теплопроводность всех видов рыбы находится в пределах 0,3–0,5 Вт/(м∙К), различие составляет менее 5 %.

m

s

Я

а

Коэффициент теплопроводности рыбы, высушенной способом сублимации, составляет 0,019–0,035 Вт/(м∙К). Удельная теплоемкость С одинакова для различных видов рыбы и филе при температуре 12–18 ºС и составляет 3 500–3 700 Дж/(кг·К).

Представленные выше теплофизические свойства рыбы и рыбопродук-

Том 31, № 2. 2021

тов являются базовыми при выборе системы энергоподвода, от которой зависит эффективность процесса сублимации и качество тепловой обработки продукта.

Результаты исследования

По результатам исследований предложена двухкамерная линия сублимации крупнокусковых продуктов (рис. 1).

Р и с. 1. Линия сублимации крупнокусковых продуктов и кормов:

1 – корпус; 2, 25 – сублимационные камеры; 3, 24 – затворы; 4, 23 – вакуум-трубы;

5, 22 – емкости для отвода конденсата; 6, 21 – краны; 7 – десублиматор;

8, 20 – секции десублиматора; 9 – затвор; 10 – патрубок; 11 – затвор для подачи аммиака;

12 – насос; 13, 16 – желоба для отвода талой воды; 14, 15 – краны;

17, 19 – затворы для подачи аммиака; 18 – вакуум-провод; 19, 24 – вакуумные затворы

F i g. 1. Sublimation line for lumpy products and feed: 1 – body; 2, 25 – sublimation chambers;

3, 24 – gates; 4, 23 – pipe vacuum; 5, 22 – containers for condensate drainage; 6, 21 – taps;

7 – desublimator; 8, 20 – sections desublimator; 9 – gate; 10 – branch pipe;

11 – gate for ammonia supply; 12 – pump; 13, 16 – troughs for defrosting melt water; 14, 15 – taps;

17, 19 – valves for ammonia supply; 18 – vacuum pipeline; 19, 24 – vacuum closures

Р и с. 2. Разрез по А-А (рис. 1):

7 – десублиматор; 8 – секции десублиматора;

10 – патрубок; 13 – желоба для отвода талой воды

F i g. 2. Cut A-A (Fig. 1): 7 – desublimator;

8 – desublimator sections; 10 – branch pipe;

13 – chutes for defrosting water

Рисунки 1 и 2: разрез А-А состоит из корпуса 1 , в котором установлены сублимационные камеры 2 и 25 , подключенные к вакуумным трубам 4 и 23 с затворами 3 и 24 ; они соединены с секциями 8 и 20 десублиматора 7 . Под сублимационными камерами 2 и 25 расположены емкости 5 и 22 для отвода конденсата через краны 6 и 21 на секции десублиматора 8 и 20 . Вакуум к секции 8 десублиматора подключен через затвор 9 и патрубок 10 , аммиак подается в десублиматор через затвор 11 , талая вода отводится по желобу 13 . Секция 20 десублиматора укомплектована вакуум-проводом 18 и затворами 17 и 19 для подачи аммиака. Желоба 16 и 13 насоса 12 соединены с канализацией.

Последовательность запуска линии в работу следующая. Камеры сублимации 2 и 25 тщательно заполняются подготовленными продуктами обработки и герметизируются. Жидкий аммиак подается в секцию 8 десублиматора через затвор 11 , а вакуум в сублимационную камеру 2 поступает через вакуум-провод 4 и 10 , затворы 3 и 9 ; в сублимационную камеру подается пар и таким образом она запускается в работу.

Аммиак через открытый затвор 17 подается в секцию сублиматора 20, а вакуум – по проводам 23 и 18. Лед из секции 20 десублиматора смывается аналогично конденсатом из емкости 22 через кран 21; талая вода через сточный желоб 16, кран 15 насосом 12 спускается в канализацию.

В условиях производства недорогой (избыточной) электроэнергии и сокращения цикла сублимации целесообразно использовать установку сублимации на базе СВЧ-энергии, которая встраивается в линию для сублимации кормов и продуктов, в ней вместо пара используется СВЧ-энергия [14; 15].

Оптимальная частота и мощность СВЧ-генератора выбираются в зависимости от производительности установки и вида обрабатываемой продукции [16].

Сублимационная установка содержит камеру сушки, СВЧ-камеру (рис. 3, 4), сообщающуюся с волноводом 2 , форма которого идентична периметру СВЧ-камеры 1 , а через встречные перпендикуляры, направленные волноводами 3 , она соединена с однотипными СВЧ-генераторами 4 с одинаковым электромагнитным полем (частотой, амплитудой и мощностью). В центре боковых сторон СВЧ-камеры 1 установлены вакуум-отводы 5 , а внутри ее размещается тележка 6 с направляющими фиксаторами 7 и стойками 8 с закрепленными уголками 9 , на них установлены лотки 10 , дно которых изготовлено из диэлектрической сетки 11 , диагональ отверстия сетки меньше размера высушиваемых частиц.

Работа сублимационной установки

Измельченную до 50–100 мм замороженную рыбу в лотках 10 помещают в сублимационную камеру 1, устанавливают на уголки 9, закрепленные горизонтально на вертикальных стойках 8. Фиксаторы 7 удерживают тележку с продуктами на одинаковом расстоянии от боковых стенок тележки 6. В СВЧ-камеру по проводу 5 подается вакуум, а в сублимационную камеру 1 по волноводам 3 от СВЧ-генераторов 4 подается СВЧ-энергия по волноводам 2 через проходы в диэлектрической сетке 11 к обрабатываемым продуктам и осуществляет их сублимацию: нагрев продуктов и отвод замороженных молекул воды и конденсата в канализацию.

Температура сублимации варьируется в пределах 100–130 ºC. Когда обрабатываемый продукт высушивается до требуемой влажности (5–8 %), отключаются все системы и тележка с сухим продуктом выгружается [2; 17]

Применение СВЧ-энергии в предложенной конструкции сублимационной камеры обеспечивает равномерность сушки заложенного продукта и сокращает время цикла.

Известно, что максимальное электрическое поле в круглом волноводе (трубе) находится по оси и резко сни- жается по радиусу, поэтому волновод, СВЧ-камеру и короб волновода следует оформлять прямоугольными (патент № 2382529).

Обсуждение и заключение

Таким образом, реализуется безотходная экологичная и экономичная технология производства рыбной муки для корма (высокоэффективного компонента комбикормов). Непрерывная работа сублимационной установки, за счет двух попеременно работающих камер, позволяет сократить цикл сушки и удельные затраты энергии. При этом снижаются затраты электроэнергии на замораживание рыбы до минус 30 °C, так как в Арктике происходит естественное охлаждение, используются этан, пропан и бутан (отходы при очистке газа и нефтепродуктов на предприятиях, расположенных в той же местности).

Р и с. 3. Сублимационная установка: 1 – корпус СВЧ-камеры; 2 – короб волновода;

3 – волноводы; 4 – СВЧ-генератор; 5 – вакуум-отводы; 6 – тележка; 7 – направляющие фиксаторы;

8 – стойки; 9 – уголки; 10 – лотки; 11 – диэлектрическая сетка

F i g. 3. Sublimation plant: 1 – microwave chamber body; 2 – waveguide box; 3 – waveguides;

4 – microwave generator; 5 – vacuum outlets; 6 – trolley; 7 – guide clamps; 8 – racks; 9 – corners;

10 – trays; 11 – dielectric grid

А-А

Р и с. 4. Разрез А-А (рис. 3): 1 – корпус СВЧ-камеры; 3 – волноводы;

4 – СВЧ-генератор; 5 – вакуум-отводы; 8 – стойки

F i g. 4. Cut A-A (Fig. 3): 1 – microwave camera body; 3 – waveguides;

4 – microwave generator; 5 – vacuum outlets; 8 – racks

Измельченная сублимированная рыбная мука для приготовления кормов животным в крафт-мешках, заполненных инертным газом, может быть доставлена в любой регион России и длительное время храниться при плюсовых температурах [18–20].

Как уже было замечено, СВЧ-нагрев относится к новому особому виду электротехнологий. Его преимущества: безынерционность, то есть возможно мгновенно возобновить или приостановить подогрев обрабатываемого материала, рациональное преобразование СВЧ-энергии в тепловую, КПД этого процесса составляет 90 % [21]. СВЧ-энергия представляет собой взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля, где изменение одного из них приводит к появлению другого. Процесс сублимационной сушки – это процесс перевода льда в газообразную фазу, минуя жидкое состояние.

Приведенной технологии сушки присущи следующие преимущества: высокая сохранность (90 %) белка, витаминов, вкуса, запаха, цвета и размеров, резкое снижение транспортных расходов, удельного веса (1/5–1/10 от веса необработанных продуктов) и возможность длительного хранения в соответствующей упаковке при положительной температуре, а также неподверженность радиации по причине высокой сухости [22]. Сублимационная сушка обеспечивает своевременную переработку и хранение аквакультуры. Недостатком сублимационной сушки является высокая энергоемкость (2,2–2,8 кВт∙ч/кг удаленной влаги)9. Однако в условиях охлажденной или замерзшей рыбы и дешевой электроэнергии это выгодно. Проблема эффективного использования СВЧ-энергии в составе непрерывной двухкамерной линии сублимационной установки весьма актуальна и может быть успешно реализована в производстве.

Q ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ Том 31, № 2. 2021

Поступила 11.12.2020; одобрена после рецензирования 21.01.2021; принята к публикации 05.02.2021

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Submitted 11.12.2020; approved after reviewing 21.01.2021; accepted for publication 05.02.2021

Technologies and means of agricultural mechanization                                         289

All authors have read and approved the final manuscript.