Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с «Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации» стратегическими являются ресурсосберегающие технологии. В перечне критических технологий РФ важное место отводится производству и переработке сельскохозяйственного сырья, что связано с продовольственной безопасностью России. В соответствии с намеченными объемами производства продукции животноводства в 2010 г. требуется 81,8 млн т концентрированных кормов. Предполагается, что 54 % фуражного зерна будет перерабатывать комбикормовая промышленность, а остальная часть - использоваться для производства комбикормов непосредственно в хозяйствах, где будет производиться до 40 млн т комбикормов.
В последнее время в комбикормовой промышленности непрерывно повышаются требования к качеству комбикормов, усовершенствованию технологии, расширяется номенклатура сырья и ассортимент продукции. Особые требования предъявляются к комбикормам для молодняка животных, ценных пород молоди рыб, домашних животных и др. Задача комбикормовой промышленности заключается в выработке такой продукции, которая сочетала бы в себе одновременно низкую цену и гарантированно высокое продуктивное действие. Однако на практике производители в борьбе за рынок либо вырабатывают продукцию на основе малоценного сырья в ущерб питательности, либо, используют дорогостоящие кормовые средства, которые повышают питательность комбикормов, но при этом удорожают продукцию.
Значительный вклад в развитие теории и практики комбикормового производства, а также совершенствование процессов и аппаратов для него внесли: Г.А. Егоров, Н.П. Черняев, В.А. Афанасьев, А.Я. Соколов, Д.Б. Демский и др.
Работа проводилась в рамках: плана госбюджетной НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ВГТА «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 2006-2010 гг. (№ государственной регистрации 0120. 0 603139); НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» за 2003-2004 гг. (подпрограмма - «Технологии живых систем») по теме «Разработка
ресурсосберегающей технологии производства экструдированных продуктов с программируемыми свойствами и оборудования для ее реализации» (№ госрегистрации 01.2.00 306956); гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) «Разработка ресурсосберегающей технологии экструдированных продуктов питания функционального назначения с повышенной пищевой и биологической ценностью и оборудования для ее реализации» (№ 08-08-99002); НИР в рамках тематического плана по заданию Министерства образования и науки РФ «Исследование закономерностей течения неньютоновских жидкостей в каналах различной геометрии» за 2006-2009 гг.; проекта Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме «Выявление закономерностей движения аномально-вязких сред при неизотермическом течении в каналах сложного профиля с учетом эффекта диссипации» (№ 2.1.2/960); государственного контракта № П1489 «Разработка ресурсосберегающей технологии и оборудования для получения функциональных, биологически полноценных и экологически чистых комбикормов для различных групп животных на основе новых теоретических и экспериментальных данных по гидродинамике, кинетике и тепломассообмену с использованием основных принципов энергосбережения» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы». Тематика исследований входит в план научно-исследовательской работы кафедры технологии хранения и переработки зерна Воронежской государственной технологической академии.
Цель работы - создание ресурсосберегающих технологий полнорационных коэкструдированных и экспандированных комбикормов для различных групп и видов животных и рыб на основании применения экструзионного метода обработки сырья, обеспечивающего направленное изменение физико-химических, структурных свойств и санитарного состояния готового продукта; разработка перспективных видов технологического оборудования кормоцехов.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи, вытекающие из современного состояния проблемы.
1. Проведение анализа традиционных технологий комбикормов и определение направления их дальнейшего совершенствования для создания ресурсосберегающих технологий полнорационных комбикормов, обеспечивающих расширение ассортимента и повышение качества получаемой комбикормовой продукции.
-
Обоснование выбора и содержания рецептурных компонентов, входящих в состав полнорационных коэкструдированных и экс-пандированных комбикормов для различных групп и видов животных и рыб; разработка автоматизированной программы для создания рецептуры кормовых смесей и методов их обработки.
-
Исследование зависимостей реологических свойств расплава кормосмесей от их влажности и температуры, позволяющих оценить характер течения в экструдере и выявить их влияние на качество получаемого комбикорма.
-
Изучение основных закономерностей тепло- и массообмена в процессах производства полнорационных коэкструдированных и экспандированных комбикормов; разработка на этой основе стратегии создания и реализации новых способов производства полнорационных комбикормов; выявление рациональной области изменения режимных параметров, обеспечивающих получение комбикормов высокого качества.
-
Разработка математических моделей: течения двух вязко-пластичных сред в формующем канале экструдера при коэкструзии; влияния расположения дозирующего патрубка в формующем канале матрицы экструдера на гидродинамическую структуру потоков при коэкструзии и температурных полей начинки при ее течении в матрице экструдера.
-
Разработка научно обоснованных рекомендаций по созданию ресурсосберегающих технологий полнорационных коэкструдированных и экспандированных комбикормов с повышенной питательной ценностью для различных групп и видов животных и рыб с учетом их специфических свойств, а также соответствующего аппаратурного оформления.
-
Изучение влияния основных параметров процесса на механизм формирования структуры полнорационных коэкструдированных и экспандированных комбикормов; систематизация полученных данных и формулировка на их основе теоретических положений, обосновывающих характер протекания физико-химических и структурно-механических изменений в комбикормах; исследование показателей качества комбикормов для различных групп и видов животных и рыб.
-
Разработка технических условий на полученные виды полнорационных комбикормов и технологических регламентов произ-
водства полнорационных экспандированных и коэкструдированных комбикормов.
-
Создание подсистемы автоматизированного проектирования экструдеров, обеспечивающих эффективное использование материальных и энергетических ресурсов.
-
Разработка перспективных видов технологического оборудования кормоцехов (смесителей, сушилки, экструдеров и устройств для ввода жиросодержащих компонентов, аппаратов для тепловлаж-ностной обработки, дражировочного аппарата) для реализации ресурсосберегающих технологий полнорационных комбикормов и способов автоматического управления ими.
-
Проведение энергетической оценки термодинамической эффективности разработанных технологий полнорационных комбикормов посредством эксергетического анализа.
-
Проведение промышленной апробации полученных результатов с их технико-экономической оценкой для широкомасштабного внедрения в комбикормовой промышленности, и оценка реальной эффективности предлагаемых технологий.
Научная концепция: разработка и научное обеспечение подходов, принципов и методов интенсификации и создания ресурсосберегающих технологий полнорационных экспандированных и коэкструдированных комбикормов на основе комплексного анализа основных закономерностей процесса с учетом физико-химических и структурно-механических характеристик кормовых смесей; разработка перспективных видов технологического оборудования кормоцехов, способов производства и управления, системы автоматизированного проектирования экструдеров.
Научные положения, выносимые на защиту:
концептуальный подход к созданию ресурсосберегающих технологий, оборудования и способов управления для производства полно-рационных экспандированных и коэкструдированных комбикормов;
обоснование принципов и методов интенсификации и создания ресурсосберегающих технологий полнорационных комбикормов для различных групп и видов животных и рыб;
разработка комплекса методов анализа и принятия решений, включающего структуризацию процессов производства полнорационных комбикормов, построение моделей и обоснование выбора рациональных технологических параметров;
обоснование выбора и содержания рецептурных компонентов, входящих в состав полнорационных экспандированных и коэкструдированных комбикормов для различных групп и видов животных и рыб;
разработка стратегии создания новых способов производства полнорационных экспандированных и коэкструдированных комбикормов для различных групп и видов животных и рыб; повышение их эффективности с оценкой показателей качества комбикормов с повышенной питательной ценностью;
методологический подход создания подсистемы автоматизированного проектирования экструдеров на основании реализации математических моделей, обеспечивающих эффективное использование материальных и энергетических ресурсов;
комплекс математических моделей, описывающих процесс коэкс-трудирования кормовых смесей, применяемых в кормопроизводстве.
Научная новизна. Разработаны концептуальные принципы создания ресурсосберегающих технологий полнорационных экспандированных и коэкструдированных комбикормов для различных групп и видов животных и рыб, направленных на интенсификацию процесса получения функциональных комбикормов, рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций оборудования, обеспечивающих расширение ассортимента и повышение качества получаемых комбикормов.
Сформулирована и экспериментально подтверждена реологическая модель кормосмесей при режимах, близких к горячей экструзии. Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности тепло- и массообмена в процессе производства коэкструдированных и экспандированных комбикормов заданного состава (влияние начальной влажности, температуры, давления, угловой скорости вращения шнека на глубину физико-химических изменений в исследуемых кормосмесях и качество полученных комбикормов).
Предложены оригинальные концептуальные подходы по стабилизации основных термодинамических параметров процесса экструзии, формирующие стратегию рационального производства качественных полнорационных комбикормов.
Разработан следующий комплекс математических моделей: течения зерновой оболочки и начинки в формующем канале экстру-дера при коэкструзии; влияния расположения дозирующего патруб-
ка в формующем канале матрицы экструдера на гидродинамическую структуру потоков при коэкструзии; температурных полей начинки при ее течении в матрице экструдера, описывающие характер течения и изменение температуры расплава в формующем канале матрицы экструдера. Раскрыты механизмы формирования микроструктуры полнорационных коэкструдированных и экспандированных комбикормов, обусловленные коллоидными процессами, связанными с удалением и перераспределением воды и изменением структуры под влиянием физических воздействий.
Разработана система автоматизированного проектирования экструдеров нового поколения, позволяющих решить проблему эффективного ресурсосбережения и интенсификации процесса.
Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 21 патентом РФ и 1 свидетельством РОСПАТЕНТА о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования, а также анализ работы технологического оборудования позволили разработать методологические подходы к созданию ресурсосберегающих технологий получения полнорационных комбикормов с соответствующим аппаратурным оформлением (пат. РФ № 2302122).
Развиты положения по ресурсосбережению, которые реализованы в разработанных схемах линий производства полнорационных экструдированных комбикормов (пат. РФ № 2302337, 2304417, 2315535, 2328171). Определены и обоснованы рациональные технологические режимы производства комбикормов для КРС, поросят, пушных зверей и прудовых рыб на основе сформулированных принципов ресурсосбережения, обеспечивающие сокращение продолжительности процесса, снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.
Создана методика инженерного расчета одношнекового экструдера, положенная в основу разработанной системы автоматизированного проектирования.
Для реализации ресурсосберегающих технологий разработаны перспективные конструкции аппаратов для влаготепловой обработки и производства жировитаминных начинок (пат. РФ № 2328126, 2299387), смеситель для сыпучих продуктов (пат. РФ № 2348449),
экструдеров (пат. РФ№ 2177702, 2179111, 2205105, 2214918, 2227783, 2241598, 2301004), формующих головок экструдеров (пат. РФ № 2213659, 2317891), сушилки (пат. РФ № 2338980), дражировочного аппарата (пат. РФ № 2292726), основанные на выявленных закономерностях исследуемого процесса.
Предложены способы автоматического управления экструде-ром, а также процессом приготовления экструдированного комбикорма с целью интенсификации процесса и получения комбикормов высокого качества (пат. РФ № 2178738, 2184653, 2276013, 2294833, 2302122).
Проданы лицензии (договоры № РД0037266 от 11.06.2008 г., № РД0036375 от 22.05.2008 г. и № 36/09 от 15.12.2009 г.) на право использования интеллектуальной собственности предприятиями ОАО «Россошанский элеватор», ООО «Зерновой потенциал» и ООО «Эпрод» по патентам на изобретения РФ № 2304417, № 2302122 и свидетельству РОСПАТЕНТА о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2009611397.
Созданы опытные образцы одношнекового экструдера и дражировочного барабана, прошедшие заводские производственно-технологические испытания в ООО «Эпрод» (Москва) и ООО «ВНИ-ИКП» (Воронеж), подтвержденные соответствующими актами.
Достоверность научных разработок подтверждена результатами экспериментальных исследований в промышленных условиях (проведены промышленные испытания способов производства полнорационных комбикормов в ОАО «Комбинат хлебопродуктов Ста-рооскольский» (Белгородская обл., г. Старый Оскол), ООО «Волгоградский комбикормовый завод» (г. Волгоград) и ОАО «Концкорма» (Белгородская обл., Губкинский р-н, п. Троицкий).
Проведена проверка эффективности скармливания полнорационных комбикормов в ЗАО «Павловскрыбхоз» (Воронежская обл., г. Павловск), ОАО «Концкорма» (Белгородская обл., Губкинский р-н, п. Троицкий), ООО «Юни» (Воронежская обл., п. Ольховатка). Разработаны технологические регламенты производства экспанди-рованных и коэкструдированных полнорационных комбикормов для ООО «Волгоградский комбикормовый завод» и ОАО «Концкорма».
Разработаны ТУ 929617-029-02068108-2009 «Комбикорма полнорационные для пушных зверей, кроликов и нутрий», ТУ 929612-030-02068108-2009 «Комбикорма полнорационные для
поросят мясных пород», ТУ 929613-032-02068108-2009 «Комбикорма полнорационные для крупного рогатого скота», ТУ 929618-031-02068108-2009 «Комбикорма полнорационные для карповых рыб».
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам «Технологическое оборудование зерноперерабатывающих предприятий» и «Моделирование и автоматизированное проектирование технологических процессов отрасли».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Москва, 2001, 2005, 2008); (Могилев, 2002, 2005, 2006, 2007, 2008); (Тамбов, 2002, 2004); (Новосибирск, 2002); (Кемерово, 2002 (Санкт-Петербург, 2005); (Одесса, 2007, 2008, 2009, 2010); (Мичуринск, 2007); (Воронеж, 2003, 2005, 2008, 2009); (Тольятти, 2001); (Екатеринбург, 2001, 2008); (Краснодар, 2005); (Звенигород, 2009); (Челябинск, 2010); на межрегиональных научно-практических конференциях: (Казань, 2003); (Пятигорск, 2004); (Ростов-на-Дону, 2004) и на отчетных научных конференциях ВГТА за 2000-2010 гг.
Результаты работы демонстрировались на VI Международной выставке «АГРОТЕХМАШ-2001» (Воронеж, 26.10.2001 г.), межрегиональной выставке «ПРОДТОРГ» (Воронеж, 31.10-02.11.2001 г.), 13-й межрегиональной выставке «ПРОДТОРГ» (Воронеж, 27-
-
г.), выставке «ПРОДМАШ» (Воронеж, 05-07.06.2002 г.), 17-й межрегиональной выставке «ПРОДТОРГ» (Воронеж, 22-
-
г.), 2-й Всероссийской выставке-ярмарке «ИННОВ-2005» (Новочеркасск, 19-21.05.2005 г.), Всероссийской выставке-ярмарке «ИННОВ-2007» (Новочеркасск, 22-24.05.2007 г.), выставке «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 20-21.10.2005 г.), 2-й многоотраслевой выставке-ярмарке «Воронежская область - Ваш партнер» (Воронеж), 2-м Воронежском промышленном форуме (Воронеж, 2009 г.), 25-й межрегиональной выставке «Продторг» (Воронеж, 26-28.11.2008 г.), 13-й межрегиональной выставке «Агропром» (Воронеж, 28-30.05.2008 г.), Воронежском промышленном форуме (Воронеж 06-08.02.2008 г.), Воронежском агропромышленном форуме (Воронеж 28-30.10.2008 г.), конкурсе «Русские инновации» (Москва, 2009 г.) и награждены дипломами.
Автор является лауреатом премии в области науки и образования администрации Воронежской области за 2001 г. (Постановление Администрации Воронежской области от 18.12.01 № 1231) и за 2008 г. (Постановление Администрации Воронежской области от 23.12.08 г. №1129).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 116 работ, в том числе 1 учебник, 4 учебных пособия, 3 монографии, 23 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 21 патент РФ и 1 свидетельство РОСПАТЕНТА о гос. регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена в двух томах. Первый том состоит из введения, восьми глав, основных выводов и результатов, литературы из 305 наименований, в том числе 51 - на иностранных языках, объемом 285 страниц машинописного текста, приведены 35 таблиц и 132 рисунка. Второй том состоит из 15 приложений объемом 202 страницы.
