Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Химический состав семян горчицы и горчичного жмыха 13
1.2 Биологическая ценность горчичного жмыха 17
1.3 Технология подготовки горчичного жмыха к скармливанию животным 20
1.4 Методы переработки эфирномасличного сырья 26
1.5 Технические средства выделения эфирных масел из растительного сырья 29
1.5.1 Перегонные аппараты для гидродистилляции 29
1.5.2 Перегонные аппараты периодического действия 33
1.5.3 Перегонные аппараты непрерывного действия 38
1.5.4 Аппараты струйного типа 42
1.6 Выводы 43
2 Теоретические основы методов обезвреживания горчичного жмыха с преобразованием его в полноценный корм для животных и птицы 45
2.1 Перегонка эфирных масел с водяным паром вне связи с сырьем 45
2.2 Перегонка эфирного горчичного масла с водяным паром из сырья 50
2.3 Обоснование выбора технических средств
2.3.1 Особенности расчета пароструйного транспортера 56
2.3.2 Алгоритм расчета технологических и конструктивных параметров пароструйного транспортера 59
2.3.3 Конструктивные особенности дегазатора 62
2.3.4 Алгоритм расчета основных конструктивных параметров дегазатора 68
2.4 Выводы 69
3 Методология и методы исследований 72
4 Результаты экспериментальных исследований 75
4.1 Изучение кинетики процесса с учетом технологических параметров 76
4.2 Определение времени извлечения эфирного горчичного масла 81
4.3 Математическое определение технологических режимов разрабатываемого процесса 89
4.4 Выводы 96
5 Результаты производственных испытаний 98
5.1 Результаты исследований промышленной установки по обезвреживанию горчичного жмыха гидратацией 98
5.2 Результаты исследований промышленной установки по обезвреживанию горчичного жмыха под вакуумом 101
5.3 Результаты промышленных исследований предлагаемых технических средств и технологических решений 106
5.3.1 Описание технологического процесса 107
5.3.2 Технические средства для реализации предлагаемого технологического процесса 1 0 9
5.3.2.1 Параметры используемого пароструйного транспортера 109
5.3.2.2 Дегазатор 111
5.3.2.3 Оптимизация конструктивных параметров дегазатора 113
5.4 Режимные параметры предлагаемой технологии извлечения эфирного горчичного масла из горчичного жмыха 119
5.5 Качественные показатели производимых по предлагаемой технологии продуктов 120
5.5.1 Кормовой продукт 120
5.5.2 Эфирное горчичное масло 122
5.5.3 Результаты исследований по использованию эфирного горчичного масла в различных отраслях народного хозяйства 123
5.5 Выводы 123
6 Технико-экономическое обоснование эффективности результатов исследований 126
Заключение 131
Список использованной литературыQ
- Перегонные аппараты для гидродистилляции
- Алгоритм расчета технологических и конструктивных параметров пароструйного транспортера
- Определение времени извлечения эфирного горчичного масла
- Результаты промышленных исследований предлагаемых технических средств и технологических решений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из важных факторов, сдерживающих рост продуктивности животноводческой отрасли, является кормовой фактор. На протяжении последних 10 лет, опираясь на данные как отечественных, так и зарубежных производителей, в рационах сельскохозяйственных животных наблюдается дефицит протеина, составляющий 20…25 %.
Использование местных и нетрадиционных кормов способствует удешевлению питательного рациона животных и птицы, позволяет решить данную проблему и укрепить в Волгоградской области кормовые базы животноводства и птицеводства.
Основным направлением интенсивного поиска дешевых нетрадиционных кормов, которые по биологическим характеристикам были бы аналогичны широко используемым белковым кормам растительного и животного происхождения, является внедрение в ряде перерабатывающих отраслей технологий, позволяющих отходы и побочные продукты одной отрасли использовать в качестве сырья в другой.
Значительным резервом для этого является масложировая промышленность.
В нашей стране большая часть масличных культур выращивается с целью получения из маслосемян растительных масел, которые в последующем используют как для пищевых, так и для технических целей.
Высокая кормовая ценность отходов и побочных продуктов масложировой промышленности, основная доля которых приходится на жмыхи и шроты, доказывает возможность их использования в отраслях животноводства и птицеводства. Наличие в жмыхах до 95 % белкового азота определяет их, как продукт, имеющий высокую кормовую ценность.
Некоторые из отходов масложирового производства по своему качеству, уступая только по ряду незначительных показателей, приближаются к кормам животного происхождения. А по показателям, определяющим питательность (содержание сырого протеина до 50 %), они вполне могут составить достойную конкуренцию кормам, произведенным из зерна. Такие продукты используют с целью обогащения протеином рационов и комбикормов всех видов животных и птицы.
Применение новых кормовых средств, традиционно не использующихся в этом направлении, но содержащих оптимальное количество протеина и жира, следует считать весьма перспективным. Горчичный жмых и другие отходы горчично-маслобойного
производства представляют научный и практический интерес в качестве ценных
источников энергии и незаменимых жирных кислот. Содержащееся в семенах горчицы значительное количество сырого протеина и жира наделяют их высоким ростостимулирующим качеством. Однако наличие в них токсичных веществ, не позволяет использовать их для кормления сельскохозяйственных животных без предварительной подготовки. И приводит к тому, что после получения горчичного масла и горчичного порошка жмых (порядка 70% от массы семян) направляется в отход.
Выделение из жмыха эфирного горчичного масла, которое в свою очередь является ценным продуктом, обладающим широким спектром действия, позволяет обеспечивать отрасль животноводства качественными кормами, содержащими сырого протеина до 45 %, жира 10…14 %, БЭВ 35…42 %, незаменимые аминокислоты, витамины, моно- и полисахариды, и решить проблему предприятий по реализации горчичного жмыха. Поэтому усовершенствование технологии и технических средств обезвреживания горчичного жмыха, обеспечивающих экологическую безопасность животноводства и птицеводства, является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Жмыхи и шроты ряда масличных культур находят в кормлении сельскохозяйственных животных достаточно широкое применение. Использование в этих целях горчичного жмыха, сдерживается содержанием в них токсичных веществ и необходимостью его предварительного обезвреживания.
Ученые и практики России и зарубежных стран уделяют пристальное внимание
подготовке отходов масложировой промышленности к скармливанию в рационах
сельскохозяйственных животных и птицы. На основании их исследований разработаны оптимальные нормы ввода шротов и жмыхов в рационы и комбикорма животным и птице.
Литературные данные, из существующих способов обезвреживания отходов
масложировой промышленности при подготовке горчичного жмыха к скармливанию
сельскохозяйственным животным и птице, рекомендуют использовать в качестве
основного метода влаго-тепловую обработку при различных температурах и времени обработки.
В отличие от таких традиционных масличных культур, как подсолнечник, соя, сафлор, рапс и др., исследования по переработке продуктов горчично-маслобойного производства и в частности горчичного жмыха проводились эпизодически.
Результаты этих исследований указывают на целесообразность и эффективность
использования горчичного жмыха в качестве кормовой добавки в рационах
сельскохозяйственных животных и птицы после предварительной подготовки. На это указывает химический состав, обосновывая высокую питательную и энергетическую ценность.
В связи с этим возникает необходимость создания научно-обоснованной системы
модернизации процессов переработки горчичного жмыха при его подготовке к
скармливанию сельскохозяйственным животным и птице с минимальным содержанием токсичных веществ: синигрина и эфирного горчичного масла.
Цель исследований – совершенствование технологии и технических средств подготовки горчичного жмыха для использования в качестве кормовой добавки.
Задачи исследований.
-
Исследовать качественные показатели горчичного жмыха и определить целесообразность его использования в качестве кормовой добавки до и после извлечения из него эфирного горчичного масла.
-
Изучить теоретические основы процесса извлечения эфирных масел из эфирномасличного сырья путем их перегонки с водяным паром.
-
Обосновать конструктивную схему дегазатора по результатам анализа существующего оборудования для отгонки эфирных масел.
4. Выполнить экспериментальные исследования и испытания в производственных
условиях предлагаемой технологии и технических средств по переработке горчичного
жмыха.
-
Путем проведения математического планирования эксперимента, установить рациональные режимы технологического процесса и конструктивные параметры дегазатора для извлечения эфирного горчичного масла из горчичного жмыха.
-
Выполнить определение технико-экономической эффективности результатов исследования.
Объект исследования. Технология и технические средства переработки
горчичного жмыха с целью повышения его кормовой ценности и качественного состава.
Предмет исследования. Конструктивные параметры дегазатора и технологические режимы выделения из горчичного жмыха эфирного горчичного масла.
Научная новизна работы. Предложены оптимальные режимы технологического процесса выделения из горчичного жмыха эфирного горчичного масла с получением продукта, пригодного для введения в рацион животным и птице. Обоснована конструктивная схема и определены оптимальные параметры дегазатора. Новизна технических решений подтверждена патентами на полезную модель №131994 и №149461.
Установлена зависимость эффективности процесса обезвреживания горчичного жмыха от основных технологических режимов, позволившая получить математическую модель процесса и определить область оптимальных значений параметров процесса, соответствующих минимальному остаточному содержанию эфирного горчичного масла.
Теоретически обоснована и подтверждена в экспериментальных и опытно-промышленных условиях целесообразность и эффективность технологии подготовки горчичного жмыха к безопасному скармливанию в составе высокопитательных рационов животным и птице.
Теоретическая значимость работы. Определены и обоснованы закономерности влияния конструктивных параметров устройства и кинематических факторов процесса паровой отгонки эфирного горчичного масла на качество кормового продукта.
Разработаны рекомендации по внедрению процесса извлечения эфирного
горчичного масла в технологии переработки горчичного жмыха, а также по
аппаратурному оформлению для ее реализации.
Практическая значимость: органолептическими и физико-химическими исследованиями установлены качественные показатели горчичного жмыха до и после очистки от токсичных соединений;
с использованием предложенных технических средств и по разработанной технологии получена высокопротеиновая кормовая добавка. Подтверждена ее безопасность в качестве кормовой добавки для сельскохозяйственных животных и птицы;
подтверждена возможность использования эфирного горчичного масла в различных отраслях народного хозяйства;
предложено производству ввести в технологию переработки горчичного жмыха операцию по извлечению из него эфирного горчичного масла и устройства для ее реализации.
Отдельные элементы диссертации используются при проведении учебного процесса и дипломного проектирования студентами факультета технологии переработки пищевых продуктов Волгоградского государственного технического университета.
Внедрены результаты исследований на ООО ВГМЗ «Сарепта» (г. Волгоград).
Экономический эффект от внедрения разработанной технологии и технических средств на ООО ВГМЗ «Сарепта», при переработке 15 тонн в сутки горчичного жмыха, составил 21,597 тыс. руб. в ценах 2015 года.
Методология и методы исследования. В ходе работы были применены современные методы оценки показателей качества горчичного жмыха до и после очистки. Исследования в теоретической части были выполнены с учетом методов математического моделирования и законов термодинамического анализа ферментативного расщепления гликозидов с последующей паровой отгонкой эфирного масла. Экспериментальные исследования, определение физико-химических и органолептических свойств перерабатываемого жмыха, осуществлялись по действующим ГОСТам, ОСТам и с использованием методики планирования экспериментов. Результаты обрабатывались с использованием компьютерных технологий методами математической статистики.
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты анализа химического состава горчичного жмыха и его биологическая
ценность.
2. Результаты исследований теоретических основ выделения эфирных масел из
эфирномасличного сырья.
3. Целесообразность разработки дегазатора и его конструктивная схема.
-
Результаты исследований по установлению оптимальных режимов технологического процесса извлечения эфирного горчичного масла из горчичного жмыха.
-
Результаты промышленных испытаний разработанных режимов и технологической схемы.
-
Качественные характеристики кормового продукта и результаты исследований по применению его в животноводческой отрасли.
-
Качественные характеристики эфирного горчичного масла и результаты исследований по его использованию.
-
Технико-экономические показатели разработанной технологии получения эфирного горчичного масла из горчичного жмыха.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность практических
выводов и рекомендаций подтверждается: применением фундаментальных практических
трудов российских и зарубежных ученых в области переработки продуктов масложировой
промышленности в качестве теоретической базы; использованием общепринятых
методик с высокой степенью корректности и точности получаемых данных;
соответствием действующей нормативно-технической документации; апробацией
результатов исследования в докладах и публикациях.
Результаты выполненных теоретических изысканий, экспериментальных и производственных исследований опубликованы в 16 научных работах объемом 31,9 п.л, при этом доля автора составляет 7,89 п.л.. Перечень данных работ содержит: 8 публикации в ведущих научных изданиях, в том числе рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ (5 работ), в материалах научных конференций (3 работы); 3 монографии; 2 патента РФ на полезную модель.
В ООО « ВГМЗ «Сарепта» внедрена технологическая схема переработки горчичного жмыха по разработанной технологии с применением технических средств, предложенных в данной работе.
Воронежским ВНИИКП были составлены рецептуры кормовых смесей с оптимальным содержанием кормового продукта для использования в животноводческой отрасли и проведены промышленные испытания по вводу данного продукта в комбикорма.
Сотрудниками ООО « ВГМЗ «Сарепта» под руководством профессора Русаковой Г.Г. составлены рецептуры средств с использованием эфирного горчичного масла для применения в различных отраслях народного хозяйства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа представлена в виде рукописи на 176-ти страницах (в том числе 31 страница приложений) компьютерного текста и содержит: 23 таблицы, 34 рисунка, 4 приложений. Список литературных источников состоит из 135 наименований, в том числе 24 зарубежных авторов.
Перегонные аппараты для гидродистилляции
Содержащиеся в горчичном жмыхе аминокислоты, витамины и углеводы подтверждают его биологическую ценность [8, 20, 23].
В своем составе горчичный жмых содержит значительное количество аминокислот, в том числе незаменимые: глютаминовая кислота - 4,0…4,5 %; лейцин – 1,47…1,64 %; аспарагиновая кислота - 1,43…1,57 %; лизин - 1,34…1,55 %; пролин - 1,35 %; глицин - 1,28…1,35 %; аргинин - 1,11…1,15 %; треонин - 1,1…1,21 %; серин - 0,96…1,0 %; аланин - 0,98…0,99 %; фенилаланин - 0,94…1,12 %; метионин 0,74…0,78 %; валин – 0,77…0,79 %; тирозин - 0,65…0,81 %; изолейцин - 0,64…0,68 %; гистидин - 0,63…0,75 %; цистин - 0,44…0,46 %. В горчичном жмыхе содержится значительное количество углеводов, в состав которых входят (%): сахароза - 0,8…1,1; целлюлоза - 0,8…1,0; арабиноза в форме арабина - 0,45…0,55; глюкоза, связанная в синигрине - 0,4…0,5; галактоза -0,35…0,45; галактуроновая кислота - 0,3…0,4; стахиоза 0,25…0,40; ксилоза в форме ксилана - 0,1…0,25; амидон - 0,1; манноза – 0,1; рафиноза - 0,05…0,10; рамноза – следы[37]. Такие ди- и полисахариды как целлюлоза, арабиноза в форме арабина, ксилоза в форме ксилана , амидон , галактуроновая кислота, рамноза, галактоза и манноза большей частью локализованы в оболочке семян. Помимо незаменимых (не синтезируемых в живом организме) аминокислот горчичный жмых содержит водо- и жирорастворимые витамины. Витамин В6, содержащийся в жмыхе, играет ведущую роль в азотистом обмене, в процессах синтеза и распада аминокислот. Его недостаток приводит к специфическому поражению кожи, патологическому изменению нервной системы, припадкам, анемии. Обладающий антипеллагрическим действием, витамин РР (никотиновая кислота) так же присутствует в горчичном жмыхе. Находится он в усвояемой форме, в то время как в большинстве обычных продуктов значительная его часть (до 90... 95 %) находится в связанном состоянии и недоступна для усвоения. Недостаток никотиновой кислоты приводит выпадению волос, дерматитам и некротическим поражениям кожи, расстройству функций пищеварительного тракта, к воспалению слизистых оболочек рта, языка, и нервным явлениям.
Содержащееся в горчичном жмыхе остаточное количество масла определяет наличие в нем биологически активных веществ, участвующих в жизненно важных обменных процессах, в том числе жирные кислоты, токоферолы, стеролы, фосфатиды, жирорастворимые витамины.
Содержание высокомолекулярных жирных кислот ( % к сумме жирных кислот) в горчичном масле зависит от сорта маслосемян и региона произрастания (Codecs Stan. 210. Дополнения от 2003, 2005): эруковая (Сил) - 22,5... 50,0; линолевая (Ci8:2) - 10,6...24,0; олеиновая (Ci8:i) - 8,0...22,0; линоленовая (Ci8:3) - 6,3... 18,0; эйкозеновая (С20:і) - 5,1... 13,0; церогиновая (С20:0) - 1,4; миристиновая ( Сі4:0) - 1,1; эйкозадиеновая (С20:2) - 1,0; бегенодиеновая (С22:2) - 1,0; нервоновая (C24:l) -0,5...2,5; стеариновая (Сі8:0) - 0,5...2,1; пальмитиновая (Сіб:0) - 0,4...4,6; бегеновая (С22Ю) - 0,2...2,5; пальмитолеиновая (Сіб:і) - 0,5; лигноцериновая (С24:0) - 0,5; кислоты с числом атомов углерода менее 14 0,5.
Токоферолы горчичного масла имеют следующий фракционный состав (% к их сумме): ос-токоферол - 26,8...27,0; у-токоферол - 35,0...56,0; 5-токоферол -18,2... 19,0.
Стеролы горчичного масла представлены в следующем составе (% к их сумме): Р-ситостерол - 45,0...54,0; кампестерол - 34,0...36,5; феофитины - 4,6...24,7 \0А; Л5-авеностерол - 14,0; брассикастерол - 5,2... 12,5; хлорофиллы - 1,3... 1,8 \0А; холестерол - следы -3,2; стигмастерол - следы - 2,5; Л7-стигмастерол - следы.
Содержащиеся в горчичном масле фосфатиды имеют следующий фракционный состав (% к их сумме): фосфатидные кислоты - 16,4...20,2; фосфатидил-этаноламины - 15,3...25,1; фосфатидилхолины - 15,1...24,6; инозит фосфатиды - 3,6.. .26,4; не идентифицированные фосфатиды - 19,9.. .25,6.
Горчичное масло на ряду с такими растительными маслами как кукурузное, соевое, подсолнечное, гречневое является основным источником витамина Е, при этом сохраняется он в горчичном масле в 4 - 5 раз дольше, чем в подсолнечном. Витамин Е регулирует развитие зародыша при беременности и обладает антиоксидантными свойствами.
Провитамин А (каротин), наоборот из всех растительных масел содержится только в гречневом и горчичном маслах, и непосредственно в горчичном масле сохраняется до 8 - ми месяцев.
Помимо наличия каротина в горчичном масле, он присутствует и непосредственно в жмыхе.
Способность животных разных видов преобразовывать каротин в витамин А, который участвует в синтезе белков, гормонов коры надпочечников и половых гормонов, позволяет повышать содержание гликогена в мышцах, сердце и печени, способствует росту молодых животных. Дефицит витамина А ослабляет иммунную реакцию организма на инфекционные заболевания, вызывает образование камней в желчи и почках, способствует развитию глазных заболеваний [60, 98].
Помимо этого горчичное масло обогащает жмых витамином Д, которого содержится в 1,5 раза больше, чем в подсолнечном масле. Витамин Д оказывает влияние на белковый и углеводный обмен, обмен фосфора и кальция.
В горчичном масле так же содержится значительное количество холина, который связан с клеточной и нервно-мышечной структурой. [66].
Витамин К, так же содержащийся в горчичном масле, повышает эластичность и прочность капилляров, и улучшает их проницаемость. Проведенный анализ биологического состава горчичного жмыха подтверждает значительное содержание в нем биологически активных соединений: витаминов, стеролов, токоферолов, микро- и макроэлементов, фосфатидов, минеральных солей. Приведенные выше данные, указывают на целесообразность его использования в качестве добавки к кормам сельскохозяйственным животным и птице. Введение его в рацион позволит обогатить корма веществами, обладающими высокой биологической активностью.
Алгоритм расчета технологических и конструктивных параметров пароструйного транспортера
Рассмотренная выше перегонка эфирного масла несвязанного с сырьем, существенно отличается от физико-химического процесса извлечения масла, находящегося в связанном состоянии. Объясняется это тем, что в первом случае масло переходит в парообразное состояние со свободной поверхности при непосредственном контакте с паром [74].
В таблице 2.1 приведен сравнительный анализ перегонки эфирного горчичного масла с водяным паром под атмосферным давлением. Указаны основные параметры процессов: идеального (расчетного), повторной перегонки масла, а так же выделения с последующим извлечением масла из сырья на непрерывно действующем аппарате (рисунок 1.10 стр.39).
Как видно, расход пара на извлечение масла из сырья значительно превышало расчетный. Это объясняется очень незначительным содержанием эфирного масла в паровой фазе. Размещение эфирного масла в сырье в специальных вместилищах, является основной причиной перерасхода пара. Причем, тем больше будет перерасход, чем дальше от поверхности, омываемой паром, оно располагается. Рассмотренные ранее причины повышенного расхода пара при извлечении эфирного масла, не связанного с сырьем, также влияют на процесс, но носили второстепенный характер, так как не оказывали существенного влияния [74]. Таблица 2.1.- Данные перегонки эфирного масла с водяным паром [74] Процесс перегонки эфирного масла Показатели идеальный реальный (расчетный) перегонкабез связи ссырьем извлечение из сырья Парциальное давление эфирного масла рм, кПа 2,99 2,70 0,47 Парциальное давление воды рв, кПа 98,33 98,62 100,85 Температура t, C 99,1 99,15 99,7 Концентрация эфирного масла в паровой фазе см, % 20,6 19,0 3,8 Расход пара G, кг/кг 3,85 22,7 25,2 Эффективность процесса , % 100 90,6 15,3 Эфирное масло, локализованное во вместилищах на поверхности и отделённое от пара только кутикулой или оболочкой, легко высвобождается при повышении температуры или при механическом воздействии на сырье. В результате эфирное масло распределяется по поверхности сырья, с которой и происходит переход в паровую фазу [22, 106].
В случае, когда вместилища не вскрыты при измельчении, эфирное масло от поверхности вместилища и от пара, помимо оболочки, отделяют многочисленные клетки тканей сырья. Поэтому чтобы попасть в зону контакта с паром эфирное масло должно преодолеть путь из вместилища к поверхности частиц сырья. Принято считать, что масло перемещается в виде водного раствора. В связи с этим расход пара не влияет на скорость извлечения эфирного масла из внутренних вместилищ, а зависит от растворимости его в воде [74].
Таким образом, высвобождая эфирное масло из вместилищ путем вскрытия их при измельчении, можно значительно снизить влияние растворимости на процесс отгонки масла [106].
Перенос отдельных молекул эфирного масла из вместилища на поверхность частицы, к границе раздела фаз сырье (твердое тело) — пар называется процессом массопроводности (внутренней диффузией). Первый и второй законы Фика дают описание процесса массопроводности. Первый закон Фика выражается уравнением: dG = - DF(dJd x )dx, (2.13) где dG - количество диффундирующего вещества; D - коэффициент массопроводности, знак минус указывает на уменьшение концентрации с с увеличением расстояния х (перенос вещества происходит в направлении снижения концентрации); F - площадь сечения, через которую протекает диффузия; dc/d x - гpaдиент концентрации с по направлению х; - время диффузии.
Уравнение (2.13) подтверждает, что количество диффундирующего вещества dG находится в прямо пропорциональной зависимости от площади сечения F, через которую осуществляется диффузия, градиента концентрации djdx в направлении, перпендикулярном этому сечению, и времени dr.
Коэффициент массопроводности D характеризует мощность движения молекул и во многом зависит от размеров диффундирующих молекул, температуры и вязкости среды. Формула Эйнштейна выражает эту зависимость D=(RT/N)(F67rjur), (2.14) где D - коэффициент массопроводности; R - газовая постоянная; Т - температура; N - число Авогадро; - вязкость среды; г - радиус диффундирующих молекул.
С повышением температуры увеличивалась кинетическая энергия молекул, т. е. ускоряется их молекулярное движение, и, следовательно, ускорялась диффузия. Одновременно уменьшалась вязкость среды. Это значит, что среда оказывала меньшее сопротивление движению диффундирующих молекул и коэффициент диффузии повышался. С увеличением размеров диффундирующей молекулы увеличивалось сопротивление среды ее движению, т. е. уменьшалась скорость ее теплового движения. Поэтому с увеличением размеров молекулы уменьшались коэффициент диффузии и, следовательно, скорость процесса массопроводности [74].
Второй закон Фика отражает зависимость времени от концентрации диффундирующего вещества в определенной точке и описывается уравнением: dJdx = D dtc/dx, (2.15) где dc/d x - гpaдиент концентрации с по направлению х; D - коэффициент массопроводности. Уравнение 2.15 указывает, что количество вещества, переносимое в процессе внутренней диффузии тем больше чем больше площадь поверхности, температура и градиент концентрации. Обратное воздействие оказывают размер молекул извлекаемого вещества и вязкость среды [74].
В целом длительность процесса зависит от расположения эфирномасличных вместилищ, т.е. от пути который необходимо преодолеть диффундирующей молекуле изнутри частицы к границе раздела фаз. Процесс завершится тем быстрее, чем ближе к поверхности локализовано вместилище.
Перенос вещества в паровую фазу с поверхности сырья, т.е. конвективная диффузия, выражен в уравнении: dG =pFd dт , (2.16) где dG, F, dc, dт имеют те же значения, что и для внутренней диффузии [формула (2.11)]; р - константа скорости диффузии (коэффициент массоотдачи). Решающими факторами, влияющими на скорость переноса эфирного масла в паровую фазу, являются: характер поверхности, скорость и режим движения пара. Это объясняется тем, что конвективная диффузия идет за счет энергии внешних сил. Важные же факторы для внутренней диффузии, такие как размер молекул, вязкость и другие, не оказывают значительного влияния на процесс конвективной диффузии [74].
Определение времени извлечения эфирного горчичного масла
При выполнении указанных исследований были определены ниже перечисленные технологические параметры пароструйного транспортера (см. разделы 2.3.1 - 2.3.2 стр. 56-59): - эквивалентный диаметр окатышей горчичного жмыха (dэкв = 4 мм); - расход пара на транспортировку горчичного жмыха (Qn = 4,810 3 м3/с); - массовый расход пара на транспортировку горчичного жмыха (Gnт = 2,8610"3 кг/с (10,3 кг/час)); - массовый расход пара на нагрев горчичного жмыха до tотп = 95 С (W = 95 С: Gnн = 1,2 кг/час); - массовый расход пара на нагрев и транспортировку горчичного жмыха (Gnотп = 11,5 кг/час); - массовая доля горчичного жмыха в смеси с паром (хгжвл = 0,83); - плотность влажного горчичного жмыха (І/ргжвл = 1124 кг/м3); - плотность смеси (пар + влажный горчичный жмых) (1/рсм = 3,5 кг/м3); - объем влажного горчичного жмыха (Vгжвл = 49,410"3 м3); - объемная доля влажного горчичного жмыха в смеси с паром ( pгж= 2,910"3); - вязкость смеси (пар + влажный горчичный жмых) ( = 0,013 10"3Пас); - напор, необходимый для подъема смеси на заданную высоту (Рпод = 189 Па); - напор на создание скорости движения смеси (Рск = 404 Па); - напор на преодоление сопротивления трубопровода (dэкв / е = 100, Rе = 82103; Ртр = 6625 Па); - напор на преодоление местных сопротивлений (Рмс. = 1293 Па); - гидравлическое сопротивление трубопровода (Рс = 8511 Па); - критическую скорость пара в сопле инжектора (d = 450 м/с). Дальнейшее изучение процесса извлечения эфирного горчичного масла из суспензии (горчичный жмых-вода) проводили в модуле, представленном на рисунке 4.9 [101]. эфирное горчичное масло на конденсацию Модуль для извлечения эфирного горчичного масла из суспензии (горчичный жмых-вода) После проведения полного гидролиза синигрина, горчичный жмых, содержащий эфирное горчичное масло, из гидролизера (рисунок 5.4 стр. 107) подаются в приемную воронку пароструйного транспортера. Отпаривание эфирного горчичного масла из горчичного жмыха осуществлялось острым паром при атмосферном давлении. Принимая во внимание, что температура водяного насыщенного пара при атмосферном давлении составляет 99,1 С, температура кипения воды 100 С, а температура кипения эфирного масла 149…151 С, то процесс отпаривания переходило в фазу медленного испарения жидкостей. Учитывая, что концентрации испаряемых компонентов в паровой фазе пропорциональны концентрациям этих компонентов в жидкой фазе, поэтому концентрация паров эфирного масла в газовой фазе будет незначительна. Испарялась, в основном, вода.
Парциальное давление паров эфирного горчичного масла в пузырьках острого пара незначительно, в силу чего молекулы эфирного масла из насыщенного водного раствора, а также из капель эфирного горчичного масла, переходят в пар. Вспененный влажный горчичный жмых поступал в расширитель, где пена разрушалась.
Горчичный жмых, смешанный с паром, через подогреватель и испаритель по трубопроводу подавался в дегазатор. В подогревателе он разогревался до температуры 90…95 С [101]. Время извлечения эфирного горчичного масла – 25...45 минут. Выделившаяся из пены парогазовая смесь по трубопроводу направлялась на конденсацию. Дегазированный продукт, не содержащий эфирного горчичного масла, с помощью шнекового дозатора через фильеру подавалась на сушку [101]. После проведения органолептической оценки (отсутствие характерного запаха) из продукта отбирали пробу на анализ и определяли по ГОСТ 13979.7-78 остаточное содержание эфирного горчичного масла.
Полученные данные лабораторных исследований при двухфакторном эксперименте были опробованы и получили подтверждение в ходе экспериментов в производственных условиях, при которых установлено, что отпаривание эфирного горчичного масла паром из горчичного жмыха с физической влагой не менее 30 % проходит в течение 40 минут при температуре 90…95 С. При несоблюдении данных параметров, будет проходить денатурация белка, увеличение кислотного числа кормового продукта с образованием целого ряда других химических соединений [23]. На основании отработанных параметров процесса извлечения эфирного горчичного масла из влажного жмыха были определены параметры пароструйного транспортера (раздел 5.3.2.1 стр. 109).
Результаты промышленных исследований предлагаемых технических средств и технологических решений
Эфирное горчичное масло обладает широким спектром действия: используется в зарубежной и российской фармакопее (ГФ VIII изд. Ст.420, с.569, ВФС 42-1333-83), внесено в список пищевых добавок, разрешенных к применению при производстве пищевых продуктов в качестве консерванта (СанПиН 2.3.2.560-96).
Для расширения путей реализации продукта сотрудниками ООО «ВГМЗ «Сарепта» под руководством профессора Русаковой Г.Г. была проверена возможность его использования в различных отраслях сельского хозяйства, в том числе в качестве: акарицида; средств для: борьбы с болезнями злаковых и бобовых растений, внекорневой обработки масличных культур; способа борьбы с: вредителями злаковых растений, кровососущими насекомыми и мышевидными грызунами; способа предпосевной обработки масличных культур и дезинфекции животноводческих объектов; состава для лечения и предотвращения копытной гнили у животных [2, 76-78, 81. 82, 85, 88-90, 93-96].
Результатом научных изысканий и производственных исследований стало определение параметров и составление рецептур для применения эфирного горчичного масла, произведенного по внедряемой технологии, в различных отраслях сельского хозяйства.
Проведенные производственные испытания показали: - при извлечении качественного эфирного горчичного масла гидратацией с использованием реактора с мешалкой технологические параметры соответствуют следующим режимам: содержание эфирного горчичного масла в сырье 1,0 %; гидролиз при t = 35…50 оС 15 мин; содержание сухого вещества в суспензии (горчичный жмых-вода) перед отпаркой 12…15 %; отпарка при t = 90…95 оС 40 мин; выход эфирного горчичного масла 0,79 % от массы сырья; остаточное содержание эфирного горчичного масла в готовом продукте 0,12 %; - извлечение эфирного масла из горчичного жмыха и его отпарка под вакуумом осуществляется в соответствии со следующими технологическими режимами: содержание эфирного горчичного масла в сырье - 1,0 %; содержание сухого вещества в суспензии (горчичный жмых-вода) перед отпаркой перед отпаркой - 70 %; совмещенный процесс – 100…150 минут; выход эфирного горчичного масла - 0,8 % от массы сырья; остаточное содержание эфирного горчичного масла в готовом продукте - 0,12 %; - предлагаемая технология и технические средства, позволяющие извлекать из горчичного жмыха высококачественное эфирное масло и получать кормовой белок, должны соответствовать следующим режимным параметрам: содержание эфирного горчичного масла в сырье - 1,0 %; время гидролиза при t = 35…50 оС - 15 мин; содержание сухого вещества в суспензии (горчичный жмых-вода) перед отпаркой перед отпаркой - 70 %; время отпарки при t = 90…95 оС - 15 мин; выход эфирного горчичного масла - 0,8 % от массы сырья; остаток эфирного горчичного масла в готовом продукте - 0,12 %; - аналитическими расчетами установлены конструктивные и технологические параметры предлагаемого пароструйного транспортера, используемого в проведенных нами исследованиях; - применение пароструйного транспортера и дегазатора позволяет активно перемешивать обрабатываемый продукт, поддерживать заданный температурный режим и обеспечивает качество обезвреживания горчичного жмыха после 15 минут обработки при температуре 90…95 С; - в результате выполнения работы с активным поиском оптимальных значений факторов, максимально влияющих на процесс извлечения эфирного горчичного масла из жмыха, были определены: частота вращения вала дегазатора - 49,3 мин-1; расход пара на транспортировку и подогрев суспензии (горчичный жмых-вода) - 11,4 кг/с; количество лопастей на 1-уровне цилиндрической части дегазатора - 4 шт; количество лопастей на 2-уровне цилиндрической части дегазатора 8 шт; - по итогам проведенных испытаний, определены основные технические параметры дегазатора, производительностью до 1 тонны в сутки. Зона загрузки: объем - 2,910–2 м3; высота - 0,15 м. Зона дегазации: объем - 7,110–2 м3; высота - 1,0 м; объем зоны разгрузки - 0,9310–2 м3; общий объем зоны - 8,0310–2 м3; общая высота дегазатора 1,625 м; шаг винта шнекового дозатора 0,03 м; - предлагаемые технология и технические средства позволяют понизить энергопотребление на переработку 1 тонны горчичного жмыха по удельному расходу по сравнению с процессом, проводимым под вакуумом: пара в 2,8 раза; электроэнергии в 1,5 раза. При этом выход кормового продукта увеличивается на 10% с получением 8 кг эфирного горчичного масла, а потери в кормовом продукте протеина снижаются до 0,5%; - предлагаемые нами технические решения и технологические режимы позволяют оптимизировать процесс обезвреживания горчичного жмыха; производить продукцию соответствующую нормативной документации с получением безопасного кормового продукта для скармливания сельскохозяйственным животным и птице и востребованное на рынке эфирное горчичное масло.