Technology of accelerated processing of rough plant raw material and waste

Full Text

Введение Анализ отечественного и зарубежного опыта получения качественных высокобелковых кормовых добавок позволил выявить наиболее значимые технологии и оборудование для этих целей [1-3]. В результате проведенных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ предложены способы предварительной подготовки рулонированного корма, 3-стадийного измельчения грубых растительных и пищевых отходов и их 2-стадийного смешивания [4, 5]. Цель исследования Цель исследования - разработать и создать оборудование в модульном исполнении для приготовления высокобелковых кормовых добавок в рамках развития инновационной техники для фермерских хозяйств. Материалы и методы Для достижения поставленной цели выбран блочно-модульный метод расчета и компоновки конструкций. В качестве вспомогательного оборудования использованы усовершенствованные серийно выпускаемые машины и новые физические модели, изготовленные по модульному принципу и скомпонованные в технологическую линию. Для комплектации подобных линий рекомендовано использовать следующие модули: - предварительного измельчения рулонированного корма и вертикального транспортирования (серийные усовершенствованные образцы резчика рулонов и ленточного транспортера); - одновременного 3-стадийного измельчения растительного сырья, причем для 2-стадийного измельчения применяется новая физическая модель турбоинерционного измельчителя, а для третьей стадии измельчения в водной среде - усовершенствованный опытный образец роторно-пульсационного аппарата (РПА); - измельчения отходов (опытный образец); - одновременного 2-стадийного смешивания, причем для первой стадии применяется новая физическая модель РПА [4], а для второй - новая физическая модель смесителя [5]. Таким образом, появляется возможность создания многофункционального оборудования для приготовления высокобелковых кормовых добавок в хозяйствах. Разработанные и изготовленные физические модели, опытные и экспериментальные образцы прошли испытания [5]. Комплект оборудования в модульном исполнении предназначен для осуществления эффективного способа ускоренной переработки малоценного растительного сырья с целью приготовления высокобелковых кормовых добавок для животных и снижения энерго- и металлоемкости оборудования. Результаты и их обсуждение По результатам исследований [5, 6] изготовлены усовершенствованные образцы серийного оборудования - резчика рулонов, вертикального транспортера, инерционного разгрузителя, а также опытные образцы физических моделей - измельчителя отходов, РПА, смесителя-биореактора, 2-стадийного турбоизмельчителя. На основании 8-летнего опыта эксплуатации в российских хозяйствах 4-колесного резчика рулонов ИРК-1, поставленного из Италии, освоен выпуск новой модели резчика ИРК-01.1 на двух колесах большего диаметра (рис. 1). Новая модификация резчика перемещается трактором на значительные расстояния с большей скоростью без ограничений по дорожному покрытию. Эта техника производится и в Италии, и на совместном итало-российском предприятии ООО «Краснокамский РМЗ». Усовершенствованный образец резчика в отличие от серийного снабжен автоматической системой регистрации веса загружаемых рулонов. Управление работой резчика-кормораздатчика осуществляется дистанционно из кабины трактора. Резчик имеет полностью автономную гидросистему и механизм нарезки гильотинного типа. Техническая характеристика резчика рулонов ИРК-01.1 Производительность, рулонов/ч ……………………. 7-10 Габаритные размеры (длина×ширина×высота), мм ….. 4300×1880×2230 Масса резчика, кг ………………………………. 1480 Размер рулона, мм: - высота ………………….. 1200±50 - диаметр ……………….. 1450-1800 Масса рулона, кг …………………………. до 850 Количество режущих ножей, шт. …………………. 5 Количество противорежущих ножей, шт. ……….. 10 Ширина резания, мм …………………………. не более 100 Длина резания, мм …………………..…….. 240-280 Толщина резания, мм ………………………. 90-150-220 Для транспортирования отрезанных от рулона сегментов в бункер турбоинерционного измельчителя предлагается использовать усовершенствованный образец вертикального транспортера (рис. 2), который имеет резиновую ленту с закрепленными на ней спиралевидными битерами. Последние способствуют равномерному транспортированию сегментов, отрезанных от рулона соломы, грубых или стебельчатых кормов. Техническая характеристика вертикального транспортера Производительность, т/ч ………………..…. до 2 Установленная мощность, кВт …………….. 1,7 Питание регулируемого электропривода, В ………. 380 Габаритные размеры, мм ……………………..540×250×4000 Масса, кг ………………………………………... 150 Разработан и изготовлен новый образец физической модели турбоинерционного измельчителя (рис. 3) для одновременного 2-стадийного измельчения соломы, грубых и стебельчатых кормов. Техническая характеристика турбоинерционного измельчителя Производительность, кг/ч …………………… до 200 Установленная мощность, кВт ……………… до 7,5 Питание регулируемого электропривода, В …………… 380 Габаритные размеры, мм …………………… 1540×860×1200 Масса, кг …………………………….. 200 На первой стадии измельчения используются ножи сменного блендера, установленные в улиткообразном корпусе турбоизмельчителя. Они измельчают растительные отходы поперек волокон, длина резания не более 50 мм. На второй стадии измельчение полученной фракции осуществляется Ш-образными и П-образными прямоугольными билами до размера частиц не более 5 мм. Совместно с предприятием ООО «Промсервис» изготовлен опытный образец физической модели измельчителя отходов (рис. 4): корнеплодов, кукурузы, фруктов, отходов пищевой, комбикормовой и других промышленностей. Конструкция измельчителя снабжена таймером, обеспечивающим заданную регулировку процесса его работы. Техническая характеристика измельчителя отходов Производительность, кг/ч ……………. от 15 до 200 Установленная мощность, кВт ………………… 1,1 Питание, В ………………………….. 220 Габаритные размеры, мм ………………….. 395×485×253 Масса, кг ………………………………… 32 Эффективное воздействие предложенных оригинальных рабочих органов, выполненных из закаленной пружинной стали, позволяет создавать направленный поток движения продукта в корпусе по спирали с подъемом вверх, что обеспечивает заданный размер измельченных частиц. Измельчитель комплектуется частотным преобразователем и таймером. По результатам ранее проведенных исследований [3, 4] разработан и изготовлен опытный образец физической модели РПА (рис. 5), в котором осуществляется третья стадия, - измельчение продукта до 0,05 мм в водной среде, взятой по объему измельченной массы стебельчатых кормов. Новая модель РПА имеет шнековый питатель разных диаметров для активизации процесса подачи в аппарат требуемого продукта из расходного бункера. Также предложены регулируемые лопасти в смесителе-биореакторе (рис. 6). Техническая характеристика РПА Производительность, кг/цикл ………………. 40-500 Температура приготовления (в зависимости от вида корма), °С ….. 55-60 Длительность цикла приготовления (в зависимости от объема и вида сырья), ч ……………… 1-4 Мощность электропривода, кВт ……………. 1,5-5,5 Максимальные габариты, мм …………. 1500×500×1800 Масса, кг ………………………………… 95 Техническая характеристика смесителя-биореактора Производительность, кг/цикл …………………. 40-500 Температура приготовления (в зависимости от вида корма), °С …. 55-60 Длительность цикла приготовления (в зависимости от объема и вида сырья), ч ……. 1-4 Мощность электропривода, кВт …………………… 2,7-14,5 Максимальные габариты, мм …………….. 1500×500×1800 Масса (в зависимости от производительности), кг ………. 100-2000 В результате сформирован комплект из модульного оборудования, который содержит изготовленные физические модели нового поколения для энергосберегающей инновационной технологии переработки растительного сырья и отходов (рис. 7). В дальнейшем приготовленный продукт используется для подготовки ускоренной биоферментации в виде высокобелковых кормовых добавок. Технологическая характеристика линии Производительность, кг/ч ………………… 1400 Установленная мощность, кВт …………… 10,1 Габаритные размеры, мм ……………….. 1500×1100×1200 Масса, кг ……………………….. 350 Длительность цикла приготовления (в зависимости от объема и вида сырья), ч …. 1-4 Оборудование линии работает следующим образом. Усовер-шенствованный резчик рулонов - кормораздатчик ИРК-01.1 автоматически загружает рулонированный корм (солому, листостебельную массу), контролируя его вес, на свое днище вилообразным устройством с гидравлическим приводом. Ножом гильотинного типа от рулона поперек волокон отрезаются сегменты шириной не более 100 мм, толщиной 90-150-220 мм и длиной 240-280 мм. Эти сегменты поступают на усовершенствованный вертикальный транспортер с электродвигателем привода и резиновой лентой, на которой закреплены металлические пружинные секторные битеры. Битеры активно захватывают отрезанные сегменты и подают их в бункер экспериментального образца физической модели измельчителя, который изготовлен в виде вертикального цилиндра. Корпус турбоинерционного измельчителя выполнен в виде улиткообразного инерционного насоса с приводом от электродвигателя. На первой стадии в корпусе турбоинерционного измельчителя отрезанные сегменты измельчаются поперек волокон ножами сменного блендера с длиной резания не более 50 мм. Стальные ножи имеют форму удлиненных треугольников и отогнуты от горизонтали не более чем на 30°. Они закреплены на вертикальной полуоси, которая вкручена в торец вертикального вала электродвигателя привода измельчителя. Для второй стадии измельчения в улиткообразном корпусе турбоинерционного измельчителя установлен горизонтальный диск со съемной полой ступицей, которая через редуктор соединена с электродвигателем для привода диска. На поверхности диска закреплены не менее четырех прямоугольных Ш-образных бил. На внутренней поверхности крышки корпуса измельчителя, которая выполнена с входным отверстием, закреплены не менее четырех прямоугольных П-образных бил. Била измельчают сырье до размера частиц не более 5 мм. Полученное сырье по пневмопроводу подается в усовершенствованный серийный разгрузитель, укомплектованный выгрузным барабанным питателем. Измельченный продукт подается питателем в бункер опытной модели РПА, где проходит третья стадия - измельчение продукта до 0,05 мм в водной среде, взятой по объему измельченной массы стебельчатых кормов, для получения однородного продукта, увлажненного до 45-55%. РПА имеет электродвигатель, загрузочный бункер и шнековый питатель разных диаметров со своим электродвигателем. Работой электродвигателей управляет частотный регулятор. Трубопроводы имеют регулируемые вентили и создают замкнутую систему, что позволяет при работе РПА в замкнутом режиме обеспечить нагрев обрабатываемого продукта до 50 °С и выполнить первую стадию смешивания. Вторая стадия смешивания продукта, полученного в РПА, осуществляется в усовершенствованной модели смесителя-биореактора с регулируемыми лопатками. В него подается подогретая до 40-60 °С вода для увлажнения продукта до 55-60%, а через загрузочные горловины вводится требуемая по рецепту порция биокатализатора. Регулирование и выбор соответствующего угла атаки лопаток обеспечиваются электродвигателем по заданной на микропроцессоре программе. Полученная смесь выгружается из смесителя через выгрузное окно. Для измельчения пищевых отходов и корнеклубнеплодов используется опытная физическая модель измельчителя с электродвигателем. Измельчитель имеет корпус в виде вертикального цилиндра с приваренными торцевыми фланцами и загрузочный бункер с горловиной, выполненной в виде цилиндрического патрубка под углом 90° с торцевым фланцем. В корпусе на вертикальной полуоси ярусно установлены два горизонтальных ножа, которые измельчают отходы до пастообразного состояния и через выгрузную горловину подают их в горизонтальный корытообразный смеситель. Полученная полнорационная добавка выгружается из смесителя-биореактора в кормораздатчик. Использование нового 2-стадийного способа смешивания предотвращает образование застойных очаговых зон. Ускоряется и увеличивается аморфность субстрата, уменьшается кристалличность целлюлозы, обеспечивается стабильный ускоренный рост удельных поверхностей роста бактерий и площади контакта сырья с требуемым биокатализатором. Повышается концентрация субстратов, что приводит к возрастанию в 2-3 раза скорости их превращения в процессе гидролиза. Уменьшается количество используемого оборудования и повышается его надежность, снижаются металло- и энергоемкость технологического процесса [1]. Сочетание механокавитационного измельчения с последующей ферментативной обработкой, совмещенной с процессом твердофазного культивирования микроорганизмов, позволяет сократить продолжительность всего процесса с 12 до 6 ч в сравнении с существующими отечественными и зарубежными технологиями. Полученная добавка в 1,5 раза повышает продуктивность животных на откорме. В процессе биоферментации растительного сырья содержание белка повышается в 2-2,5 раза (с 10-12 до 20-25%), усиливается естественный распад сложных углеводов, их содержание уменьшается в 5 раз (с 25-30 до 5-6%). Выводы 1. Модульное исполнение оборудования позволяет рационально скомпоновать серийно выпускаемые и новые менее энергоемкие технические средства для использования в поточной линии технологии. 2. Разработаны 3-стадийный способ измельчения малоценного растительного сырья и 2-стадийный способ смешивания в водной среде, взятой по объему измельченной массы грубостебельчатого сырья, для получения однородного продукта при работе РПА в замкнутом режиме. 3. Такая переработка сырья повышает эксплуатационные характеристики оборудования по сравнению с лучшими зарубежными и отечественными аналогами. Оборудование, изготовленное по модульному принципу и смонтированное в поточной линии, позволяет повысить рентабельность производства. 4. Создание системы управления оборудованием и применение новых способов 2-стадийного и предварительного измельчения и смешивания грубых растительных и пищевых отходов позволили увеличить производительность всей линии на 35%, снизить материало- и энергоемкость на 34-40% при сроке окупаемости 9 месяцев.

About the authors

E. I Reznik

All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture

Email: viesh@dol.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

S. G Kartashov

All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture

Email: viesh@dol.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files