Технологические аспекты шелушения зерна перед скармливанием животным и птицам

Актуальность исследований. Продуктивность животных и птицы находится в прямой зависимости от использования высококачественных кормов, особенно на стадии выращивания молодняка. При этом вопросы совершенствования существующих и разработки новых технологий подготовки зерна к скармливанию животным в нашей стране и за рубежом появились давно из-за низких показателей усвояемости их при кормлении без предварительных операций по обработке и переработке зерна [5, 10]. Они оказывают прямое влияние на обеспечение населения всеми видами продуктов питания, производимых в отрасли животноводства, и независимость страны от их импорта.

Ранее в условиях превалирования крупных хозяйств и ферм основное внимание уделялось централизованным поставкам комбикормов для крупных ферм и птицефабрик. Большая часть комбинированных кормов производилась на крупных заводах. В наступившем затем периоде реформ в экономике страны устоявшиеся производственные связи быстро разрушились, возможность получения хозяйствами сбалансированных по всем питательным веществам кормов от заводов комбикормовой промышленности была утрачена.

Рост цен на транспортные перевозки и энергоносители привёл к отказу большинством хозяйств с развитым животноводством и всеми птицефабриками от плановых централизованных поставок кормов и заставил готовить их самостоятельно на основе своих кормоцехов. Основным элементом технологического процесса любого кормоцеха является поточная линия приготовления кормов, обеспечивающая при минимальной энергоемкости подготовку качественных кормов с набором всех необходимых компонентов, предусмотренных требованиями рационов кормления животных. К тому же эффективность её работы и оборудования такой линии зависит от принятых режимов функционирования и параметров, увязанных с требуемыми технологическими режимами обработки кормов.

В последние годы сборы зерновых культур увеличились, что позволило значительную часть зерна использовать в кормовых целях. Однако ячмень, овёс и другие зерновые покрыты плотной оболочкой, ухудшающей питательные свойства кормов. Установлена необходимость производства технологических операций по удалению этих оболочек перед скармливанием животным. Наибольшее распространение для этого получили способы обработки кормов на жерновых мельницах и различного рода дробилках зерна, что позволяет в пневмосортировках удалить частицы оболочек в отходы, собираемые в циклонах этих машин. Эти способы сопровождаются большими затратами энергии и потерями питательных веществ. Ущерб от этого в масштабах только одной свинофермы превышает десятки тысяч рублей в год.

Известно также, что предварительное увлажнение зерна [2, 6, 7] создаёт условия, при которых значительно снижаются усилия для разрушения оболочек зерна, способствуя созданию новых, более совершенных способов отделения оболочек в технологии подготовки его к скармливанию. Однако это возможно лишь при строго определённых показателях влажности зерна и его температуры.

Суточные объёмы подготовки зерна к скармливанию на одной ферме могут составлять несколько тонн, что невозможно качественно осуществить с помощью серийного оборудования для измельчения зерна из-за его повышенной степени измельчения.

Предположительно операции очистки зерна от оболочек могут быть осуществлены путём его шелушения. С этой целью необходимы разработки не только усовершенствованного способа шелушения в роторных машинах, но и обоснование режимов производства этой технологической операции и параметров устройства для его осуществления.

Таким образом, поиск решений по совершенствованию технологического процесса подготовки зерна, особенно ячменя и овса, к скармливанию животным представляется достаточно актуальным научным вопросом, а внедрение этих решений может дать существенный экономический эффект.

Существующие серийные устройства для шелушения зерна не всегда работоспособны в расширенном диапазоне потребностей конкретных хозяйств, учитывая значительные изменения физико-механических свойств используемых кормовых материалов. Поэтому исследования и разработки по совершенствованию как технологии, так и оборудования для обработки зерна перед скармливанием с использованием операций шелушения его достаточно актуальны и могут способствовать разработке новых и усовершенствованных устройств, которые отличаются не только простой конструкцией, но и высокими показателями технологической надежности, обеспечением настройки на заданную дозу, и будут иметь относительно невысокую стоимость [5, 8, 9].

Методы исследований. Лабораторные поисковые исследования и опыты выполнены на базе Азово-Черноморского инженерного института – филиала ФГБОУ ВО Донской ГАУ, а производственные эксперименты – в ЗАО «СКВО» Ростовской области.

Объект исследований – зерно ячменя сорта Кубанец и белый люпин сорта Дега. В процессе реализации предлагаемой технологии подготовки зерна к скармливанию оно предварительно увлажнялось в лабораторной специальной установке [6, 7]. Увлажнение его в производственных условиях производилось распылением воды в бункере хозяйственного кормоцеха с использованием специальной компьютерной программы [7]. Для наружной сушки мокрого зерна потоком нагретого воздуха применялся решётный стан серийной семяочисти-тельной машины [1, 6]. Шелушение осуществляли с использованием дробильно-крупоот- деляющей машины ДКМ-1М производства ООО «Агропродмаш» (г. Новочеркасск) в опыте 1 и усовершенствованной шелушильно-шлифовальной машины того же производства в опыте 2.

Дробильно-крупоотделяющая машина (рисунок 1) используется, как известно [5, 8], для производства круп из кормового зерна (пшеницы, ячменя, кукурузы, сои и других культур) в режиме одновременного удаления оболочки в результате её обрушения. При её работе исходный зерновой материал через регулятор 3 дозированной непрерывной подачи и по вводу 2 поступает в камеру дробления 1. Здесь ударное воздействие молотков 9 вращающегося с помощью электродвигателя 15 ротора 8 производится не только на отдельные зерновки, но и на их массу, разрушая в первую очередь обо- лочки зерен по их трещинам и соединительным швам. Рабочие элементы в виде молотков 9 расположены на роторе 8 под некоторым углом, что обеспечивает увеличение времени контакта их с зерном, подверженным действию центробежных сил. Смесь продуктов разрушения оболочек зерна и измельчённого ядра движется по перфорированной обечайке 6, разделяясь на фракции. Фракции меньше диаметра отверстий обечайки выводятся из дробильной камеры под воздействием центробежных сил, а со дна её – при помощи сил гравитации. Установка в обечайке 6 отбойных пластин 7 обеспечивает торможение вращающихся частиц разрушенного зерна в обечайке 6, способствуя формированию крупы с необходимыми характеристиками.

а

Рисунок 1 – Схема (а) и общий вид ( б ) дробильно-крупоотделяющей машины ООО «Агропродмаш» (г. Новочеркасск)

б

Измельченный материал из цилиндрической части 4 камеры 1 по трубопроводу 5 подаётся в канал 10 аспирации, где установлен и магнитный сепаратор 11. Регулятором 13 производится изменение скорости воздушного потока от вентилятора 12, что позволяет обеспечить стабильное и качественное разделение полученной рушанки на две фракции: крупу и отходы с оболочкой, которые скапливаются в циклоне 14.

В использованном в опыте 2 шелушителе зерна установлены абразивные камни (рисунок 2), а повышение эффективности шелушения достигается за счет увеличения интенсивности трения наклоной установкой их вала к горизонту.

Шелушитель зерна имеет камеру 1 шелушения, оборудованную загрузочным патрубком 2 с задвижкой 3, выпуском 4 с клапаном 5 установки прижимного усилия. В камере 1 шелушения смонтирован вал 6 с набором абразивных дисков 7, заключённых в перфорированную обечайку 9. Для его привода установлен электродвигатель 8. Обечайка 9 расположена с возможностью продольного перемещения её винтами 10, что обеспечивает регулировку зазора между внутренней стороной обечайки 9 и торцами абразивных дисков 7. В машине име- ются также приспособление 11 регулировки угла наклона камеры шелушения 1; аспирационный канал 12, имеющий вход b в выпуск 4 камеры 1; сепаратор 13 отделения магнитных примесей; вентилятор 14, соединённый входом d и заслонкой 15 с выпуском 16 камеры 1, а входом с – с регулятором воздушной тяги 17. Шелуши-тель оборудован также циклоном 18, соединенным с выходным патрубком вентилятора 14.

Рисунок 2 – Усовершенствованный шелушитель зерна

При работе шелушителя зерно через открытую задвижку 3 подаётся в зазор между перфорированной обечайкой (цилиндром) 9 и набором вращающихся абразивных дисков 7. Благодаря наклону к горизонту вала 6 с дисками обеспечивается подъём зерна к верхнему краю диска, а затем происходит его осыпание вниз, что вызывает интенсивное воздействие абразивных дисков на поверхность зерна и отделение оболочки от ядра, повышая качество крупы. Смесь шелушеного зерна и отходов шелушения попадает затем в аспирационный канал 12: лёгкие фракции вентилятором 14 подаются в циклон 18. Сюда поступают и более мелкие продукты процесса шелушения зерна.

В качестве контроля в хозяйственных экспериментах использовано зерно после дробления без отделения оболочки.

Результаты исследований. Зерно ячменя по своему строению отнесено к телам, имеющим пористую, коллоидно-капиллярную структуру [1, 4]. В зерновке эти капилляры пронизывают все её составные части с образованием многочисленных мелких каналов, трещин и различных пор, имеющих атмосферный воздух, мешающий процессу поглощения зерном воды.

Зерно люпина имеет приплюснутую округлую форму в отличие от ячменя. Оно содержит до 40% сырого протеина, до 10% жира, до 40% белка и 11% клетчатки, что обуславливает его достаточно высокие кормовые качества [3, 10]. Однако оно имеет прочную оболочку с содержанием алкалоидов с высоким ПДК. Толщина зерна около 4 мм, а диаметр – до 9,5 мм, влажность его 13%. Доля оболочки толщиной 0,27 мм в зерне достигает 19%.

При увлажнении зерна часть влаги впитывается оболочками и алейроновым слоем, другая часть воды заполняет объёмы микротрещин и пор. Наружная поверхность семени также покрывается гидродинамическим пограничным слоем [2, 6]. Количество влаги W 1 в зерновой массе до увлажнения (в кг) будет:

W, = G^- , ¹    100

где G 1 – масса зерна, кг;

ан - относительная влажность зерна, %.

После операции увлажнения зерна воды в нём станет W 2 :

G to-> W₂ =   ² ■   ² ,

²    100

где G 2 и m 2 - масса и влажность зерна после увлажнения.

Тогда расход воды W на увлажнение зерна будет:

W = W 2 - W 1 = G 1. ® 2 ^- ” 1 , кг. (3) 100 - ю ₂

В исследуемой технологии шелушения зерна поверхностная сушка их после увлажнения предусмотрена вентилированием на решётных машинах. Для скорости такого удаления влаги известна формула [6]:

g m = 0,14 ( 1 + 0,72 u . ) • ( P c - P ep ) , (4) где р с и р ср – величины парциальных давлений пара на поверхности зерновки и в окружающем воздухе в Па, u в – скорость потока воздуха при сушке в м/с. Далее определяется и теоретическая продолжительность наружной сушки зерна при суммарном количестве воды на его поверхности W пл :

W tc = Wn^4 . (5) gm

Таким образом вентилирование производится только с целью удаления влаги с поверхности зерна, для этого использован подогретый воздух со скоростью движения зернового слоя на решете 0,05 м/с.

Шелушение кормового зерна представляется достаточно сложным энергоемким технологическим процессом, который занимает достаточно много времени. Одним из путей упрощения его и снижения затрат является объеди- нение шелушения и дробления зерна. В дробилках на зерно осуществляются удар и трение, как основные виды механического воздействия. Эффективность шелушения в этом случае зависит от особенностей и свойств оболочки зерна и её способности от него отделяться.

При дроблении шелушение происходит под воздействием только внешних сил с затратами энергии, определяемыми по выражению [5]: _G 2 _V

A = K + ^^m_v + K_RS a ,     (6)

2E y R где К – расход энергии на деформацию и износ рабочих органов дробилки; Gp – напряжение разрушения зерна, Н/м2; V – объем зерна, м3; Е – модуль упругости зерна, Н/м2; mу – общее количество деформаций зерна при измельчении; КR – расход энергии на образование из зерна при измельчении 1 м2 новых поверхностей; S = Sk – SH – площадь таких поверхностей, а Sk и SH – площади зерна после и до измельчения, α – безразмерный коэффициент.

По этой зависимости энергозатраты на дробление и шелушение уменьшатся, если уменьшается число циклов деформаций ( m у ) частиц зерна своевременным удалением их из машины без дополнительного измельчения и снижаются разрушающие напряжения в зерне. Последнее может быть обеспечено предварительным увлажнением зерна.

Влияние степени увлажнения зерна на его шелушение за один проход

Культура	Устройство	Выход после шелушения	Фракционный состав продуктов шелушения зерна в процентах при относительной его влажности				Возможное снижение энергоёмкости в %
			10	13	15	20
Ячмень	ДКМ-1М	Оболочка и мучка	31	30	28	30	8,4
		Пенсак	69	70	72	70
	Шелушильная машина	Оболочка и мучка	29	30	26	28	7,2
		Пенсак	71	72	74	72
Люпин	ДКМ-1М	Оболочка и мучка	35	33	30	31	9,2
		Пенсак	65	67	70	69
	Шелушильная машина	Оболочка и мучка	32	29	24	26	7,8
		Пенсак	68	71	76	74

По данным таблицы с повышением относительной влажности зерна качество отделения оболочек повышается, несколько снижаются и затраты энергии на этот процесс.

При этом рациональной влажностью зерна перед шелушением следует считать 15%, при большей влажности повышается повреждение ядра с получением более мелких частиц в пенсаке. В пенсаке ячменя (дроблёнке) превалируют размеры частиц от 1 до 3,2 мм (58%), а белого люпина – частицы 1–5 мм (67,5%). Однако перед скармливанием пенсак люпина для нейтрализации пектина подвергался дополнительно термообработке в соответствии с существующими рекомендациями [8, 9].

Производственными опытами установлено повышение переваримости протеина при скармливании поросятам шелушенного на дробилке зерна на 15%, а на усовершенствованной шелушильной машине – на 18%. Повышается переваримость жира и клетчатки. Среднесуточные привесы животных повышаются на 18–25% в сравнении со скармливанием ячменя без шелушения, а люпина с обработкой пропариванием.

Выводы. Анализом способов подготовки зерна к скармливанию молодняка животных и птицы установлена необходимость предварительной операции удаления с его поверхности наружной оболочки. Это особенно необходимо для зёрен сельхозкультур со сросшейся с ядром оболочкой, таких как ячмень, овёс, белый люпин и др. В условиях животноводческих ферм семейных, личных подсобных и крестьянских хозяйств целесообразно в операциях шелушения использовать дробильные и шелушильные машины производства ООО «Агропродмаш» (г. Новочеркасск).