close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

10211.Структурно-параметрический синтез шнекового экструдера для отжима рапса.

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
М. А. Корякина, В. А. Шахов, А. П. Козловцев
СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ
СИНТЕЗ ШНЕКОВОГО ЭКСТРУДЕРА
ДЛЯ ОТЖИМА РАПСА
Монография
Оренбург
Издательский центр ОГАУ
2016
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 378.016:004(076)
ББК 74.58я7+73я7
К70
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом
ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ.
Рецензенты:
зав. кафедрой «Технологическое оборудование животноводческих
и перерабатывающих предприятий» Башкирского ГАУ,
д-р техн. наук, профессор Г. П. Юхин;
начальник отдела технической политики, технического
обеспечения охраны труда министерства сельского хозяйства
Оренбургской области А. П. Карякин
К70
Корякина, М. А.
Структурно-параметрический синтез шнекового экструдера для отжима рапса : монография / М. А. Корякина, В. А. Шахов, А. П. Козловцев. – Оренбург : Издательский центр ОГАУ,
2016. – 176 с.
ISBN 978-5-88838-950-8
Монография предназначена для аспирантов и научных работников, занимающихся исследованием в области структурно-параметрического синтеза шнековых объектов, технологией математического моделирования
экструзионного процесса с оттоком жидкой фазы и анализом качества продуктов экструзии, специалистов агроинженерного комплекса.
УДК 378.016:004(076)
ББК 74.58я7+73я7
ISBN 978-5-88838-950-8
© Корякина М. А., Шахов В. А.,
Козловцев А. П., 2016
© Издательский центр ОГАУ, 2016
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Повышение эффективности экструзионного производства в
промышленных масштабах является одним из актуальных факторов, обеспечивающих стабильную работу перерабатывающих
отраслей сельского хозяйства. Вследствие этого перед научными
и производственными работниками сельскохозяйственной отрасли стоят задачи создания и освоения инновационных процессов с применением современных физико-химических методов
обработки; проектирования и создания новых видов оборудования, обеспечивающих повышение эффективности производства; разработки объективных методов оценки качества сырья и
продуктов с заранее заданными свойствами.
Экструзия – идеальный безотходный технологический процесс для обогащения продуктов белком, пищевыми волокнами,
витаминами, микроэлементами, растительными жирами, пектиновыми веществами, органическими кислотами, сахарозаменителями и другими добавками, а также для получения высококачественного рапсового масла как основы биодизеля и жмыха
как ценного компонента в кормлении сельскохозяйственных животных и птицы [66].
Возможности современного шнекового экструзионного оборудования позволяют перерабатывать сырье растительного происхождения как без оттока, так и с оттоком жидкой фазы, например, при отжиме масла [106].
Экструдер, перерабатывающий растительное сырье, является сложной физико-химической системой [106]. В современных
условиях агропромышленного комплекса экструзионные техно3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
логии успешно используют два типа экструдеров: одношнековые и двухшнековые в качестве измельчителей, экстракторов,
испарителей для отгонки растворителя из шрота и для процесса
отжима.
Одношнековые предназначены для переработки крахмалсодержащего и растительного сырья, содержащего белки, а двухшнековые перерабатывают огромный спектр сырья – от муки до
целого зерна при значительном снижении затрат на подготовку
исходного сырья.
Таким образом, такие высокотехнологичные производственные процессы в области сельского хозяйства, как выращивание
рапса и производство органического моторного топлива на его
основе, позволят разрабатывать и совершенствовать конструкции экструзионного оборудования, модернизировать ресурсосберегающие агротехнологии переработки сырья, получать
ценное растительное масло и высокобелковый кормовой жмых,
предотвращать экологические катастрофы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ОБ ОТЖИМЕ РАСТИТЕЛЬНОГО
МАСЛА В ОДНОШНЕКОВЫХ
ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРАХ
1.1 Использование экструдеров в отраслях
агропромышленного комплекса
Экструзионные технологии в отраслях аграрно-промышленного комплекса применяются в двух направлениях. Первое –
экструдирование биополимеров, которые при этом получают
новые потребительские свойства, а второе – технологии выделения экструдированием жидкой фазы, например при отжиме растительного масла.
Современные шнековые прессующие механизмы в сельском
хозяйстве являются наиболее востребованными. Универсальность этого оборудования позволяет использовать его во многих областях и отраслях производства и переработки различных
продуктов (рис. 1.1).
Комбикормовая промышленность России – отрасль, которая
входит в состав агропромышленного комплекса страны. Проблема обеспечения полноценными кормами животных всех видов и
возрастных групп является основной при формировании структуры сельскохозяйственного животноводства и ценовой политики на мясную и рыбную продукцию (рис. 1.2).
Производство комбикормов – это сложный технологический процесс, требующий специализированного оборудования.
В условиях конкуренции вопросы улучшения качества произ5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
водимых комбикормов неразрывно связаны с внедрением прогрессивных технологических приемов, с модернизированным
техническим перевооружением заводов и цехов.
Экструзия является одним из наиболее эффективных и широко применяемых в комбикормовой промышленности способов
обработки продуктов растительного происхождения, при котором корм вследствие физических и химических преобразований
изменяет свои свойства.
ПРОДУКЦИЯ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ
ОТРАСЛЕЙ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
1
амидоконцентратные добавки
2
комбикорма для крупного и мелкого рогатого
скота
3
переработка зерновых, бобовых, сорговых
культур и соломы
4
органо-минеральные удобрения
5
рыбная и мясокостная мука
6
заменитель сухого молока и яичного порошка
из растительных компонентов
7
корма для рыб и пушных зверей
8
растительные масла
9
плодово-ягодные соки и напитки
10 переработка биологических отходов
11 производство биологического топлива
Рисунок 1.1 – Использование шнековых прессующих механизмов
в отраслях сельского хозяйства
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экструдеры позволяют получать высококачественный комбикорм и кормовые добавки при высокой температуре и давлении. Такие корма стерильны, т. к. чужеродная микрофлора и
продуценты токсинов при экструзии разрушаются. Крахмал, содержащийся в зернах, проходит гидролиз, при этом декстринов
становится больше в 20 раз, сахаров в 2 – 3 раза, белок разрушается до протеидов и аминокислотной смеси. Это дает возможность экономить корма на 10 – 12%. Усвояемость вспученного
корма составляет 88 – 90%, поэтому животное наедается быстрее. Эффект от скармливания экструдата выше на 50%, чем
от «дробленки», что позволяет увеличить привесы и надои до
20 – 30% [61].
Гибель животных
от кишечных
заболеваний
снижается в
1,5–2 раза
Расход корма
сокращается
на 10–20%
Питательность
кормов больше
на 20–25%
Стоимость
кормов меньше
на 25%
ЭКСТРУДИРОВАННЫЕ
КОРМА
Возможность
изготовления
корма из ржи
Усвояемость корма
увеличивается
на 20–40%
КРС
Надои выше
на 30–40%
Свиньи
Птица
Репродуктивность
выше на 8–15%
Яйценоскость
выше на 10%
Крупноплодность
больше на 5–10%
Эмбриональная
смертность ниже
на 12%
Рисунок 1.2 – Преимущества экструдированных полноценных
комбикормов для разных видов сельскохозяйственных животных
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Липидное и жирно-кислотное питание сельскохозяйственных животных стало важной научно-практической проблемой
современного животноводства. Липиды значимы в полноценном
кормлении животных. Выявлена важная роль липидов в процессах, лежащих в основе роста, терморегуляции, жироотложения,
лактогенеза, иммунных процессах. В настоящее время известно,
что липиды являются концентрированным источником энергии,
участвуют в регуляции клеточного цикла, используются для
формирования жировой, мышечной и других тканей [75].
Биологически полноценным кормовым средством, получаемым с помощью шнековых прессующих механизмов, является
растительное масло. Рапсовое масло имеет ряд преимуществ
по сравнению с соевым и подсолнечным. Низкое содержание
линолевой кислоты в рапсовом масле (13 – 15%) позволяет использовать его при конструировании комбикормов. ВНИИ животноводства, ВНИТИ птицеводства и ВНИИ комбикормовой
промышленности рекомендуют вводить в комбикорма рапсовое
масло: молодняку КРС и коровам до 2%, свиньям – 2 – 5%, птице – до 3%. Ограничения по вводу рапсового масла объясняются тем, что жиры с непредельными жирными кислотами трудно
перевариваются в организме животных и птицы.
Основными отходами маслоэкстракционных предприятий
являются жмыхи и шроты. Это высокобелковые ценные кормовые продукты для всех сельскохозяйственных животных, получаемые при переработке семян масличных растений – сои, подсолнечника, рапса, льна, хлопка и др. Жмыхи, богатые белком и
жиром, получают при извлечении из семян масла путем прессования, а шроты, богатые протеином, получают при экстрагировании масла из семян органическими растворителями.
Вопросам использования рапсовых жмыхов и шротов посвящено множество научно-исследовательских работ, авторами
которых являются Н. И. Черных, Х. М. Мутиева, С. И. Кононен8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ко, И. А. Егоров, М. П. Кирилов, Л. И. Тучемской, С. Н. Фошин,
С. Т. Шегенов [27, 56, 53, 79, 133, 136, 138, 142].
Жмыхи содержат обычно 9% жира. В последние годы были
разработаны эффективные способы извлечения жира из семян с
помощью растворителей, в результате чего получается шрот, в
котором содержится только 1 – 2% жира. Выход шрота составляет 55 – 58% от массы цельных семян с содержанием до 38 – 45%
белка. По уровню обменной энергии рапсовые шрот и жмых
выше, а уровень клетчатки в 2 раза ниже, чем в подсолнечных.
Рапсовые белки хорошо сбалансированы по незаменимым аминокислотам.
Давно известно, что в рационах для животных соотношение
кальция к фосфору должно быть, как 1,2 – 2 к 1. Однако в основных кормовых видах зерна и побочных продуктах их переработки, наоборот, уровень фосфора в 3 – 8 раз превышает уровень
кальция. Это вынуждает вводить в рационы мел, ракушечник и
другие кальцийсодержащие вещества. Вместе с тем мел, попадая
в желудок свиней и птицы, резко нейтрализует там кислотность,
что ухудшает переваримость питательных веществ и способствует росту патогенной микрофлоры в желудочно-кишечном
тракте. В рапсовых же кормовых продуктах соотношение кальция к фосфору составляет 0,9:1, что позволяет существенно снизить ввод в рационы мела или ракушечника.
Коровы переваривают рапсовый протеин хуже соевого только на 5%, но настолько же лучше подсолнечного. Замена части
подсолнечного шрота рапсовым в рационах коров улучшает
качественные показатели молока: повышается его термоустойчивость и нормализуется кислотность. Исследования ВНИПТИ
рапса показали, что в комбикорма для высокопродуктивных
коров можно вводить до 30% рапсовых шротов (жмыхов), при
этом молочная продуктивность коров повышается на 5 – 16% по
сравнению с использованием подсолнечных шротов (жмыхов).
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В связи с тем, что стоимость рапсового шрота в 5 раз дешевле соевого при достаточно высоких его кормовых достоинствах,
он широко используется в молочном скотоводстве Западной
Европы и Канады. Кроме того, исследованиями ВНИИ животноводства (Кириллов М. П.) и многими другими институтами
установлено, что в рационах КРС можно полностью заменить
дорогой соевый шрот дешевым рапсовым при вводе кормовых
ферментов.
Вопросам использования рапсовых шротов (жмыхов) посвящено множество исследовательских работ. Мутиева Х. и Карев А. (2008) исследовали эффективность замены подсолнечного шрота рапсовым в кормлении цыплят-бройлеров, ремонтного
молодняка и мясных кур-несушек. Среднесуточные приросты
живой массы у циплят-бройлеров и ремонтного молодняка возросли на 10 – 15%, а яйценоскость кур-несушек увеличилась
на 11,2%. Шмаков П. и др. (2007) и Тлецерук И. (2007) установили, что ввод в комбикорма для цыплят-бройлеров 10 – 15%
рапсового шрота или жмыха вместо соевого шрота не понижает
интенсивность их роста при существенном снижении себестоимости продукции и повышении рентабельности производства.
Кононенко С. И. (2008) сравнивал эффективность скармливания
свиньям подсолнечного и рапсового жмыхов на уровне 10% рациона и установил, что интенсивность роста животных, потреблявших рапсовый жмых, превышала сверстников на 9%.
У свиней и птицы переваримость протеина и усвояемость
аминокислот рапсового шрота значительно повышаются при
вводе в комбикорма кормовых ферментов. Так, Егоров И. и Селина Н. (2008) при анализе новых тенденций в кормлении птицы установили, что в рационы бройлеров с добавкой кормовых
ферментов можно вводить до 20% рапсового шрота в первый
период выращивания и до 30% во второй период, что значительно выше общепринятых норм. Обогащение рационов свиней
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кормовыми ферментами повышает переваримость питательных
веществ кормов и, соответственно, интенсивность роста животных на 5 – 10% при одновременном снижении себестоимости
продукции до 20% (Кирилов М. П. и др., 2000 – 2008 гг., Кононенко С. И., 2008). Наиболее эффективными кормовыми ферментами являются препараты Натугрэйн и Натуфос от фирмы
BASF.
Рапс – универсальная кормовая культура. Его с успехом
можно возделывать почти во всех климатических зонах страны.
Для кормления животных и птицы можно использовать траву,
семена, шроты, жмыхи и масло. Пример рецептов комбикормов
для взрослых свиней, в состав которых включены рапсовое масло и жмых, представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Рецепты комбикормов для взрослых свиней
Ингредиенты
1
Пшеница
Ячмень
Кукуруза
Рожь
Овёс
Отруби пшеничные
Лузга овса, ячменя
Шрот рапсовый
Шрот поде СП 36%
Дрожжи кормовые
Рыбная мука
Сахар
Масло рапсовое
Лизин
% ввода ингредиентов по группам свиней
СвиноматСвиноматки СвиноОткорм Откорм
ки холостые
супоросные
матки
1-го пе- 2-го пеи супорос2-го перио- подсосриода
риода
ные 1-го педа
ные
риода
2
3
4
5
6
9,00
8,00
20,86
16,78
10,00
8,00
10,00
25,00
15,00
37,07
–
8,21
10,00
10,00
5,00
–
–
–
15,00
20,00
29,23
20,00
5,00
–
–
30,00
30,00
5,00
17,59
5,00
10,00
–
–
–
–
7,89
17,32
20,00
20,00
18,92
–
–
4,00
1,00
1,00
1,00
2,60
1,00
–
0,50
1,00
–
–
1,00
1,00
1,00
–
–
–
–
2,33
–
–
0,14
0,04
0,29
0,03
–
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 1.1
1
Метионин
Треонин
Соль NаСl
Meл
Фосфат обесфторен.
Соль КСО3
Соль Na2SO4, безвод.
Фермент Натугрэйн
Фермент Натуфос
Премикс
ОЭ, МДж/кг
Сырой протеин, %
Сырой жир, %
Сырая клетчатка, %
Лизин, %
Метионин, %
Метионин+цистин, %
Треонин, %
Триптофан, %
Са,%
Р, %
Р усвояемый, %
К, %
Na, %
NаСl,%
2
3
0,10
0,04
0,03
–
0,32
0,30
1,80
1,73
–
–
0,42
0,73
0,05
0,11
0,01
0,01
0,01
0,01
1,00
1,00
Показатели качества
10,35
11,54
14,02
16,95
3,33
3,32
10,98
7,98
0,65
0,76
0,30
0,33
0,52
0,61
0,43
0,56
0,18
0,21
0,85
0,90
0,71
0,78
0,32
0,35
1,00
1,20
0,18
0,20
0,40
0,41
4
0,01
–
0,34
1,24
0,63
1,19
0,09
0,01
0,01
1,00
5
–
0,11
0,28
1,47
–
0,12
–
0,01
0,01
1,00
6
–
0,04
0,22
1,52
–
0,11
0,10
0,01
0,01
1,00
12,54
17,40
4,68
6,33
1,00
0,41
0,71
0,64
0,21
0,95
0,75
0,41
1,30
0,24
0,45
12,48
17,35
2,55
5,98
0,85
0,31
0,60
0,72
0,21
0,80
0,70
0,33
0,80
0,15
0,37
12,96
15,95
2,23
5,69
0,76
0,30
0,58
0,61
0,19
0,80
0,59
0,27
0,70
0,16
0,32
Денин Н. уверенно считает, что без широкомасштабного использования рапса невозможно высокопродуктивное и рентабельное животноводство и птицеводство.
Зеленую массу травы рапса, а также других крестоцветных
культур – сурепицы, редьки, тифона – с успехом используют в
кормлении КРС и свиней. Трава крестоцветных содержит такой
же высокий уровень протеина, как и бобовые, но на 10% меньше
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
клетчатки (15% против 25%). Самой привлекательной особенностью крестоцветных является их способность давать полноценный урожай зелёной массы в ранневесенний (раньше ржи) и
позднеосенний (до заморозков минус 8 °С) периоды, что значительно расширяет период зелёного конвейера.
Многие исследователи, такие как Подобед Л. И. и Тимофеев Н. П. считают, что использование крестоцветных – рапса,
редьки масличной, горчицы белой, тифона – это кратчайший
путь к достижению продуктивности коровы, с возможностью
получения до 8 – 10 тыс. л молока в год.
Рапсовый жмых и шрот являются высокоэнергетическими
протеиновыми добавками, сбалансированными по аминокислотному составу и содержащие в 4 – 5 раз больше незаменимых
аминокислот, чем злаковые культуры. Так, в 1 кг рапсового шрота
содержится до 13 – 20 МДж обменной энергии, 213 – 320 г сырого
протеина. Он превосходит подсолнечный шрот по содержанию незаменимых аминокислот, его биологическая ценность составляет
86%, что выше соевого и подсолнечного. Например, введение в
комбикорма птицы 8 – 39% рапсовых жмыхов (шротов) повышает
на 8 – 13% продуктивность при снижении затрат на 10 – 12%.
При очистке растительного масла на маслоэкстракционных
предприятиях получают кормовые фосфатиты, которые содержат около 50% фосфатидов и 40 – 50% растительного масла.
Введение в комбикорм фосфатидного концентрата способствует
улучшению роста молодых животных, ускорению их развития,
укреплению здоровья и повышению аппетита, более интенсивному использованию азота и фосфора, значительному накоплению в печени каротина и витамина А. Таким образом, побочные
масложировые продукты и отходы представляют собой большой
резерв кормов.
Ценным кормовым средством является также и рапсовое
масло. По биологической полноценности кормовое рапсовое
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
масло имеет ряд преимуществ по сравнению с соевым и подсолнечным. Оно дольше, чем соевое, не прогоркает. Соевое
и подсолнечное масла содержат 50 и 60% линолевой кислоты
соответственно. Их высокий уровень в рационах кур-несушек
сверхнормативно повышает массу яиц, что провоцирует различные патологии в репродуктивных органах. Для дальнейшего повышения энергии в рационах слабоупитанных и высокопродуктивных коров перед отёлом и в первый месяц после
отёла, телят-молочников, подсосных свиноматок и поросят до
двухмесячного возраста, а также цыплят-бройлеров необходимо использовать твёрдые жиры, состоящие из предельных
пальмитиновой и стеариновой жирных кислот. Лучшим твёрдым кормовым жиром является Веджелин, дополнительно содержащий гидролизованные высококачественные защищённые
белки. Его можно включать в комбикорма до 10%.
Длительное время корма из рапса имели ограниченное применение в кормлении животных и птицы, так как содержали ряд
антипитательных компонентов. В настоящее время выведены
новые сорта рапса с низким уровнем эруковой кислоты (<0,1%)
и глюкозинолатов (<0,3%). Каноловые яровые сорта рапса не содержат антипитательных веществ.
Вместе с тем по вкусовым качества рапсовые шроты и
жмыхи уступают подсолнечным. Многие исследователи отмечают, что свиньи и птица снижают потребление комбикормов
с рапсовыми ингредиентами на 3 – 5% по сравнению с соевыми. Для повышения вкусовых и запаховых качеств рапсовых
кормов наиболее предпочтительно использовать кормовую
добавку Дигестаром. Многочисленные исследования показали, что включение Дигестарома в рационы животных и птицы
способствует повышению потребления кормов на 5 – 7%, на
основе чего улучшается интенсивность роста и яйценоскость
на 10 – 15%.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Максимальное извлечение травяного сока из фитомассы зеленых растений с получением пищевых протеиново-витаминных
добавок и кормов стало эффективным за счет использования как
прессов периодического действия, так и прессов непрерывного
действия: шнековых и ленточных, а также экструзионной техники.
Так, например, обоснована малоотходная экономически эффективная технология комплексной переработки вегетативной
массы сельскохозяйственных культур, основанная на ее отжиме и разделении на пресс-остаток и клеточный сок, на гидромеханической коагуляции клеточного сока, биотрансформации
пресс-остатка, утилизации депротеинизированного коричневого
сока путем силосования [52].
1.2 Биологические особенности и ценности рапса
как масличной культуры
Рапс является одной из наиболее ценных и перспективных
культур в общемировом производстве растительных масел [16,
21, 67, 69]. Вследствие значительного прогресса в селекции и в
практике культивирования рапсовые семена – мировые лидеры
источников растительных масел [63].
Повышенный интерес к биологическим особенностям сортов рапса и физиологическим ценностям его масла, жмыхов и
шротов отражается в работах таких ученых, как В. Е. Ланкин,
А. Н. Лисицын, С. Ф. Быков, Е. К. Давиденко, Н. М. Минасян,
В. Н. Григорьев, Е. Е. Смирнов, В. Н. Марков, Ю. В. Максимук,
В. Н. Курсевич, А. Л. Василенко [60, 62, 63, 65, 67].
В пятерку крупнейших производителей рапса входят Европейский союз, Китай, Канада, Индия и Украина, которая занимает второе место среди поставщиков семян рапса на мировой
рынок [103]. Суммарный экспорт семян рапса из Украины составил 2,636 млн т.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Урожай семян озимого рапса 10 – 30 ц, ярового – 8 – 15 ц с
1 га, в частности для Оренбургской области – 8 – 20 ц с 1 га. Учитывая большое значение ярового рапса, посевные площади под
ним увеличились по области к 2012 г. до 25 тыс. га, а валовое
производство маслосемян – до 40 тыс. тонн. Курс на расширение посевов и получение достаточных объемов высокоценной
культуры в Оренбургской области базируется на основе научнотехнических достижений, на более полном использовании земельных и природных ресурсов, высокой продуктивности, дешевизне получаемой продукции, ее высокой окупаемости.
Рапс – высокопродуктивная культура с широким спектром
применения (рис. 1.3).
Рапс относится к семейству крестоцветных Cruciferae, роду
капустных Brassica. Имеет две формы: яровой рапс Brassica napus annua, озимый рапс Brassica napus biennis.
Корень у рапса стержневой, глубокоуходящий в почву до
160 – 180 см. Основная часть корней с разветвлениями располагается на глубине 25 – 45 см. Толщина корня в верхней части у озимого рапса достигает до 2 см, у ярового – до 1,5 см. В благоприятных условиях корень рапса обладает способностью быстро расти,
в фазе двух настоящих листьев он достигает 15 – 40 см. В горизонтальном направлении боковые разветвления корня распространяются на 25 – 40 см у ярового рапса и на 35 – 50 см у озимого.
Рапс имеет прямостоячий, высотой 90 – 180 см, стебель. При
редком посеве стебель сильно ветвится и несет 5 – 15 ветвей первого порядка. Цвет стебля в зависимости от сорта бывает зеленый, сизо-зеленый, иногда с антоциановой окраской.
Листья у рапса неоднородные, представлены тремя типами:
нижние, средние и верхние. Нижние листья крупные, мясистые,
черешковые, лировидно-перисто-надрезные. Средние листья
удлиненно-копьевидные, а верхние удлиненно-ланцетовидные с
расширенным основанием, охватывающим стебель до 2/3.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РАПС
Рапсовое
семя
Зеленое
удобрение
Кормовая
культура
зеленая масса
Рапсовый жмых
Рапсовое
масло
сенаж
Концентрированный
корм для скота
пищевое
травяная мука в
чистом и смешанном
виде
техническое
маргарин
Медонос
пастбищная культура
(для свиней, овец)
металлургическая
промышленность
майонез
консервирование
рыбных, растительных
продуктов
регулирование
жирового обмена
мыловаренная
промышленность
кожевенная
промышленность
текстильная
промышленность
химическая
промышленность
лаки
краски
масла
смазывающие
гидравлические
охлаждающие
антикоррозийные
моторные
биодизельное
топливо
Рисунок 1.3 – Применение рапса
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цветок рапса правильный, обоеполый, с нектарником, имеет
четырехлепестной венчик с четырьмя накрест расположенными
лепестками. Цветок имеет 6 тычинок, из них 4 по длине равны
пестику. Цветки собраны в рыхлое кистевидное соцветие, состоящее из 20 – 40 цветков желто-золотистой окраски. Раскрываются раньше нижние цветки.
Плод – стручок длиной 6 – 12 см, бывает линейный или слегка изогнутый, сидит на плодоножке. На одном растении бывает
в среднем 150 – 200 стручков. Створки стручка разделены перегородкой, по обе стороны которой находятся семена. Число семян в стручке 16 – 36 штук.
Семена имеют округлую или шаровидную форму, черную,
серовато-черную, коричневую окраску. Масса 1000 семян колеблется от 2,5 до 5,5 г, как правило, более крупные семена имеет
озимый рапс.
По продолжительности вегетационного периода и требованиям к условиям развития различают рапс озимый и яровой.
Рапс озимый представляет типичную озимую культуру, которая при посеве весной не имеет условий для прохождения
стадии яровизации, остается в фазе розетки в течение всего вегетационного периода. Яровизацию озимый рапс проходит в полевых условиях в течение осенне-зимнего периода, находясь в
фазе розетки и подвергаясь длительному воздействию пониженных температур. Перезимовавшие растения быстро отрастают,
образуя стебель, бутоны, затем наступает цветение и плодообразование.
Прорастание семян озимого рапса начинается при температуре 3 – 4 °С, но в таких условиях процесс прорастания идет
замедленно. Оптимальная температура для прорастания семян
15 – 18 °С и всходы при такой температуре появляются на четвертый или пятый день, а через 8 – 10 дней после появления всходов образуются настоящие листья. При недостатке влаги всходы
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
появляются с большим опозданием. Хозяйственно важной биологической особенностью озимого рапса является способность
отрастать при скашивании в фазе розетки листьев.
Рапс яровой является типично яровой культурой. При посеве весной в прогретую и нормально увлажненную почву всходы появляются на 5 – 6 день. От всходов до образования розетки
листьев рапс растет медленно. Эта отрицательная особенность
ярового рапса способствует усиленному развитию разнообразных сорняков на рапсовом поле.
Рапс озимый и яровой относится к влаголюбивым культурам, он в среднем в 1,5 – 2 раза больше расходует за вегетационный период воды, чем зерновые культуры. Однако при большом
увлажнении, когда вода застаивается и доступ воздуха к корневой системе задерживается, растения желтеют и рост их прекращается.
К питательным вещества рапс как озимый, так и яровой высокотребовательны. Хорошо развивается он на плодородных
окультуренных почвах с рН 6,5 – 7,0. Предпочитает дерновоподзолистые среднесуглинистые и супесчаные, подстилаемые
мореной почвы.
Рапс как любая высокопродуктивная культура потребляет
значительное количество питательных веществ (таблица 1.2).
Таблица 1.2 – Потребление питательных веществ озимым рапсом
Используется, кг/га
Урожайность,
ц/га
N
P
K
Ca
Mg
15
90
20
70
60
10
20
120
25
95
80
12
25
150
30
120
100
15
30
180
35
145
120
18
35
210
40
170
140
20
40
240
45
190
160
24
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Озимый рапс – высокопродуктивная масличная культура.
По семенной продуктивности она занимает первое место среди
маслично-белковых культур из рода Brassica.
Рапс относится к растениям с высоким содержанием масла,
так как в его семенах концентрируется до 40 – 50% жира (причем у ярового рапса – от 33 – 40%, у озимого рапса – 40 – 50%),
18 – 22% белка, 6 – 7% клетчатки, 24 – 26% безазотистых экстрактивных веществ, 0,2 – 1,2% фосфолипидов.
С каждого гектара (при урожайности 20 ц/га) семян рапса
можно получить около 8 центнеров растительного масла и более
тонны кормового шрота. Рапсовое масло, полученное из высококачественных сортов, относится к группе пищевых масел и
используется в качестве пищевого жира для приготовления маргарина, майонеза, салатов, консервирования рыбных, растительных и других продуктов.
Практика показывает, что основную площадь, планируемую под масличные культуры, должен занимать рапс озимый,
но главная причина, сдерживающая широкое внедрение этой
культуры, заключается в том, что не всегда обеспечивается его
стабильная перезимовка. Поэтому рационально отведенное под
рапс поле следует засевать рапсом озимым, но в случае его гибели это же поле пересевать рапсом яровым.
Успешная перезимовка рапса зависит, главным образом, от
биологических особенностей сорта, а еще больше – от соблюдения всех элементов общего технологического процесса возделывания.
Рапс предпочитает легко- и среднесуглинистые почвы, на таких почвах его и следует размещать в первую очередь. Очень
важно выбрать ровное поле и весьма предпочтительно поле,
имеющее южный склон. На холмистых с невыравненным рельефом полях меньше гарантии на благоприятную перезимовку.
Во влажные годы в пониженных местах рапс погибает от пере20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
увлажнения и ледяной корки, а на возвышенных местах больше
растений погибает в морозные, бесснежные и ветреные зимы.
Именно эти факторы необходимо учитывать при подборе поля
под озимый рапс.
Следует максимально насыщать севооборот рапсом, учитывая реальные возможности. Возможная концентрация посевов
рапса – 20 – 25% пашни, но с обязательным последовательным
трех-четырехлетним перерывом. Практически следует занимать
рапсом одно поле в четырех- и пятилетнем или два поля в восьми- и десятилетнем севооборотах. Внедрение таких севооборотов весьма положительно влияет на продуктивность других
культур. При введении рапса в севооборот желательно, чтобы он
разрывал зерновое звено севооборота. Предшественником для
озимого рапса обязательно должна быть раноубираемая культура, чтобы было возможным своевременно произвести обработку
поля под посев. Наиболее вероятными предшественниками для
озимого рапса выступают однолетние травы, раноубираемые
зерновые и зернобобовые культуры, многолетние травы после
первого укоса, ранний картофель.
Рапс яровой (Brassica napus oliefera annua) в народном хозяйстве используется на те же цели, как и озимый рапс, то есть
для производства растительного масла и кормового белка. Его
можно использовать в качестве страховой культуры для пересева
погибших по каким-либо причинам посевов озимого рапса. По
урожайности яровой рапс уступает озимому, однако современные сорта при соблюдении технологии дают по 25 ц/га и более.
Под яровой рапс следует отводить плодородные и чистые, то
есть наименее засоренные поля. Подбор поля следует проводить
осенью с тем расчетом, чтобы на этом поле можно было провести агротехнические меры борьбы с сорной растительностью
методом полупара. Рапс предпочитает дерново-подзолистые
легкосуглинистые и суглинистые почвы с содержанием гумуса
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
не менее 1,5%, при рН 6,5 – 7,0. Малопригодными под яровой
рапс являются пониженные, склонные к переувлажнению поля.
Во влажные годы рапс на таких полях погибает. Поучительным
примером должен послужить влажный 1998 год, когда урожайность на пониженных участках была повсеместно очень низкой,
а на многих участках рапс погиб полностью.
Максимальная концентрация посевов рапса в севообороте
может достигать до 20%, но при обязательном последовательном соблюдении четырехлетних перерывов. Желательно, чтобы
между рапсом и свеклой, между рапсом и льном разрыв составлял 2 – 3 года. В санитарном отношении наиболее рационально
внедрять севообороты, в которых рапс будет занимать 20% пашни, то есть одно поле в пятипольном севообороте, в этом случае
перерыв между полем рапса составит 4 года. По возможности
рапс, свеклу и лен следует размещать в севооборотах. Внедрение рапса в севооборот положительно влияет на урожайность
зерновых культур и таким образом повышается продуктивность
всего севооборота. Хорошим предшественником для рапса являются зерновые культуры, отличным – однолетние травы, бобовые культуры и картофель. Наиболее вероятным предшественником для ярового рапса во многих хозяйствах будут зерновые
культуры, в севооборот его нужно включать так, чтобы он разрывал зерновое звено севооборота.
По аминокислотному составу рапс приближается к сое, а по
оценке зарубежных исследователей, биологическая ценность
рапсового белка составляет 86% против 68% соевого и 65% подсолнечного [63, 147, 150].
Традиционные сорта рапса имеют ряд недостатков для технологических операций процесса переработки семян рапса на
масло:
1) мелкие размеры клеток с высоким содержанием масла в
семенах затрудняют отток жидкой фазы;
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2) быстрая прогоркаемость масла делает невозможным длительное хранение измельченных семян;
3) рапс и продукты его переработки содержат группу антипитательных веществ: глюкозинолаты (в семенах колеблются в
пределах 0,5 – 6,0%), эруковую кислоту (более 3%), дубильные
соединения, танины, сапонины, синапин, полифенолы, фитиновую кислоту, кротониловое масло. Вредны не сами глюкозинолаты, а продукты их ферментативного гидролиза, значительно осложняющие обменные процессы у животных. Они
раздражают слизистую оболочку пищеварительного тракта
животного, тормозят поступление йода из крови в щитовидную железу и снижают переваримость питательных веществ
рациона. Летучие соединения – изотиоционаты и тиоционаты – придают семенам рапса специфически горький привкус
[12, 60, 62, 107, 137].
Биологическая ценность рапса как растительного сырья характеризуется совокупностью таких показателей, как суммарное содержание белка, его функциональный и аминокислотный
состав, содержание и соотношение незаменимых аминокислот,
атакуемость белков ферментами желудочно-кишечного тракта
(перевариваемость белков) [62].
Наиболее общий показатель белковой ценности продукта –
общее содержание белка.
Ценность семян рапса как источника кормового белка обусловлена высоким содержанием в них белковых веществ
(22,5 – 27,0% против 13,5 – 19,1% в подсолнечнике в пересчете
на сухое вещество).
Проблема увеличения белкового фонда страны и улучшения
качественного состава белков имеет первостепенное значение.
Повышение качества белковых кормовых продуктов (жмыхов,
шротов) сводится к сохранению биологической ценности белков (улучшению и сохранению их аминокислотного состава, по23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вышению перевариваемости), а также к устранению факторов,
снижающих эффективность использования этих продуктов организмом животных.
Большинство стран, возделывающих рапс и сурепицу в качестве основных масличных культур, перешло на выращивание
сортов рапса типа «00», которые определяют признаки «безэруковость масла» и «низкое содержание тиоглюкозинолатов в
шроте».
Наличие целого ряда высокоурожайных районированных
сортов озимого и ярового рапса, обладающих высокой масличностью семян, низким содержанием в масле эруковой кислоты
и тиоглюкозинолатов в шроте и изменения в морфологической
структуре и химическом составе тканей семян, происшедшие в
ходе селекции на вышеуказанные признаки, обусловили необходимость изучения биологических особенностей современных
сортов рапса и их влияния на физиологическую и кормовую ценность жмыхов и шротов, получаемых в ходе их переработки.
К азотосодержащим веществам семян рапса относятся белки
и небелковые соединения органической и неорганической природы. Современные селекционные сорта рапса характеризуются
высоким содержанием протеинов (более 80% всех азотосодержащих веществ), причем в озимых сортах этот показатель несколько выше по сравнению с яровыми, в желтосемянном сорте
содержание белков – на уровне озимых сортов (табл. 1.3).
Белковые вещества семян рапса обладают довольно высокой
растворимостью. Суммарное содержание растворимого протеина колеблется в пределах 77,8 – 83,2% общего содержания белков. Преобладающими фракциями являются водо- и солерастворимые белки, выполняющие преимущественно каталитические
и запасные функции (табл. 1.3). Анализируемые озимые сорта
рапса отличались повышенным содержанием небелковых водорастворимых форм азота по сравнению с яровыми сортами.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.3 – Содержание протеина в сортах рапса
Сорта
рапса
Фракционный состав протеинов,
% общего содержания
Содержание
белковый
небелковый
протеина, % на водо- солера- щелочноводорасстросуммарСВ
творираство- створи- растворимы
ный
мый
римый
мый
мый
Озимые
Отрадненский
27,1
35,6
26,1
16,1
77,8
17,3
4,9
Дракон
26,4
36,4
31,9
12,5
80,8
14,8
4,4
Оникс
25,3
34,9
30,8
14,6
80,3
15,8
3,9
Яровые
ВНИИМК
214
22,5
35,9
29,7
17,6
83,2
13,1
3,7
Галант
24,4
37,7
30,2
14,3
82,2
12,9
4,9
Янтарь
(желтосемянный)
26,5
36,6
29,8
16,3
82,5
12,8
4,7
Результаты исследований аминокислотного состава свидетельствуют о высокой биологической ценности белков семян
рапса. По сумме незаменимых аминокислот они превосходят
подсолнечные белки и почти не уступают соевым. Аминокислотный состав белков семян современных и перспективных
сортов озимого и ярового рапса свидетельствуют о хорошей
сбалансированности всех аминокислот. Во всех изученных
сортах рапса отмечен практически одинаковый уровень лизина, аналогичный соевым белкам. Доля треонина в белках как
озимого, так и ярового рапса выше, чем у подсолнечника и
сои. По содержанию другой эссенциальной аминокислоты –
серина – белки рапса превосходят подсолнечные, но уступают
соевым.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По уровню лейцина и изолейцина белки рапса независимо
от сорта и разновидности несколько уступают подсолнечным и
соевым.
Отличительной особенностью семян рапса, как и всех семян
семейства капустных, является содержание в них тиоглюкозидов. В процессе маслодобывания последние расщепляются на
ряд серусодержащих соединений, природа которых определяется структурой радикала тиоглюкозида, режимами переработки
маслосемян, действием ферментативного комплекса.
Достижения селекции по созданию безэруковых сортов рапса с низким содержанием тиоглюкозидов позволили значительно улучшить качество вырабатываемых жмыхов и шротов, поскольку эти соединения при маслодобывании концентрируются
именно в этих продуктах переработки маслосемян как в неизменном состоянии, так и в виде продуктов их ферментативного
распада под действием тиоглюкозидгидролазы.
Принято условно считать, что рапсовый шрот, содержащий
от 3 до 8% глюкозинолатов (от 75 до 200 мкмоль/г шрота) относится к высокоглюкозинолатному, а от 0,3 до 1% (от 7 до 26
мкмоль/г шрота) – низкоглюкозинолатному. Введение в комбикорма рапсового шрота или жмыха с высоким содержанием
глюкозинолатов ограничивается 5% вследствие их «токсического эффекта». Кормовые продукты, вырабатываемые из семян
рапса современных сортов, содержат не более 20 – 25 мкмоль/г
(0,8 – 1%) глюкозинолатов, поэтому могут широко использоваться в кормопроизводстве. Однако содержание этих соединений
должно строго контролироваться как в семенах, поступающих
на переработку, так и в продуктах переработки.
Заинтересованность в качестве рапсового масла обусловлена наличием в нем жирных кислот и эруковой кислоты. Сорта
технического и пищевого назначения различаются главным образом по жирно-кислотному составу (табл. 1.4). Присутствие
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жирных кислот в составе триацилглицеринов повышает устойчивость рапсового масла к окислению, что гарантирует его больший срок годности.
Таблица 1.4 – Жирнокислотный состав семян рапса
Жирные кислоты
Содержание жирных кислот, %
в технических сортах
в пищевых сортах
Олеиновая
10 – 12
50 – 60
Линолевая
12 – 14
20 – 35
Линоленовая
8 – 11
3 – 10
Эруковая
5 – 60
0–2
Сорта с содержанием эруковой кислоты меньше 2% принято
называть сортами типа «0» (однонулевой сорт), а сорта с содержанием эруковой кислоты в масле меньше 2% и глюкозинолатов
в шроте меньше 25 микромоль на 1 г сухого вещества принято
называть двухнулевыми, или сортами типа «00», отличающимися высокой семенной продуктивностью и высоким качеством
белка [143]. Существует еще сорт типа «000» – с отсутствием
эруковой кислоты (не более 0,5%).
В связи со значительной насыщенностью мирового рынка
пищевыми жирами в последнее время вновь возрастает спрос на
непищевое использование рапса в технических целях. Рапсовое
масло уникально по своим свойствам и возможности широкого
использования для производства непищевых продуктов из-за гомогенности состава, отсутствия примесей и биоразложения, что
является преимуществом по сравнению с нефтяными маслами.
Таким образом, важная задача селекции рапсовых семян как сырья, пригодного для промышленных целей, – это генетическая
модификация жирно-кислотного состава масла рапсовых семян
с целью достижения максимального количества эруковой кислоты и суммарной вместительности мононенасыщенных кислот
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в пределах 53 – 69%, а полиненасыщенных – до 23%, а также с
устойчивостью к окислению [63].
1.3 Промышленное производство органического
моторного топлива – биодизеля на основе
рапсового масла
На современном этапе развития мирового топливноэнергетического производства стала актуальной и значимой возобновляемость источников энергии, получаемых из растительного сырья. К ним относится биодизель как вид биотоплива, с
успехом используемый на практике в ряде стран как альтернатива обыкновенной солярке [10, 13, 14, 16, 21, 28, 68].
Поиски новых биологических источников энергии обусловлены целым рядом причин, а именно: ограниченностью запасов
природно-ископаемых источников энергии; желанием стран
снизить национальную, экономическую, энергетическую зависимость, связанную с поставками энергоресурсов; парниковым
эффектом, который обусловлен поступлением в атмосферу двуокиси углерода; экологическими проблемами; ценовой нестабильностью в нефтедобывающих странах.
Достоинства и недостатки (табл. 1.5) альтернативных топлив, а также особенности их применения в дизелях обусловлены
их составом, физико-химическими свойствами и возможностью
получения из возобновляемого сырья.
Теоретически и экспериментально доказано: наиболее пригодными для производства биодизеля являются такие растительные масла, как подсолнечное, хлопковое, соевое, рапсовое, кукурузное, ореховое, конопляное, льняное, пальмовое, арахисовое,
сурепное, а также отработанные растительные масла. Чаще
всего такой вид топлива производят на основе масла рапса, как
наиболее оптимального варианта по доступности, стоимости и
физико-химическим характеристикам [21].
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.5 – Сравнительный анализ разных видов топлива
Топливо
Дизельное
Сжатый природный газ
Сжиженный
нефтяной газ
Диметиловый эфир
Метанол
Рапсовое
масло
Метилэфир
рапсового
масла
Экологичность
Адаптированность
к транспарнипри
портироАЗС дизеля ковый
сгораванию и
эффект
нии
хранению
+/–
+
+
+
–
Возобновляемость
ресурсов
при
производстве
–
–
–
+
+
–
–
–
–
–
+
+
–
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
–
–
+
+
+
–
–
+
+
+
+
+
+/–
+
+
+/–
+
+
+
+
+
Примечание. Знаком «+» обозначено наличие преимуществ по сравнению со
штатным дизельным топливом, знаком «–» – их отсутствие, а «+»/«–» – сочетание
и того, и другого.
Заслуживают особого внимания современные исследования
рапсового масла в качестве основы биотоплива таких ученых,
как И. Р. Облащикова, А. А. Ефанов, Д. Б. Бубнов, П. Вальехо,
В. Е. Пономарев, Ч. А. Хеваге, А. В. Шашев [82, 28, 13, 14, 108,
137, 141].
Масла в растениях характеризуются таким же сложным химическим составом, как и состав сырой нефти. Наиболее полезными соединениями, с точки зрения использования их как
топлива, являются смеси жидких углеводородов. Такие масла
можно использовать в исходном виде или после химической обработки, а также в смеси с нефтяными топливами или спиртами.
Причем наиболее интересны не сами растительные масла, а их
метиловые эфиры.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В связи с этим в Европе (Англии, Германии, Польше, Франции, Швеции) и в Азии (Китае, Индии, Индонезии) уже начали
применять на АТС топливо из растительных масел и продуктов
их химической переработки. Более того, в перечисленных странах приняты законодательные акты о производстве смесей из
дизельного топлива.
Лидером по производству биодизельного топлива из стран
ЕС является Германия, где его производство достигло в 2003 г.
600 тыс. т. Во Франции предусмотрена правительственная программа производства 300 тыс. т метилового эфира из растительного масла. В Чешской Республике работает 14 заводов общей
мощностью 200 тыс. т [119].
Биодизельное топливо как вид моторного топлива был разработан в 1853 г. англичанами Даффи и Патриком. В 1900 г. на
международной выставке в Париже немецкий ученый Р. Дизель
продемонстрировал свой знаменитый двигатель, работающий
на арахисовом масле [21]. В начале 90-х годов прошлого столетия к идее использования биотоплива вернулись вновь. Например, в 1991 г. в Олмуле (Австрия) был построен первый завод по
производству биотоплива.
При энергетическом использовании рапсового масла в качестве биотоплива возможны два пути: централизированное
производство, где получают биодизель для двигателей любых
марок, и децентрализированное производство, где отфильтрованное рапсовое масло используется в модифицированных дизельных двигателях.
Например, в настоящее время в Германии действует около 12
централизованных и 80 децентрализованных заводов по производству рапсового масла, а топливо Biodiesel выпускают восемь
немецких фирм.
Биодизель – это популярное название метилового эфира рапсового масла или жирной кислоты (МЭРМ). Он представляет со30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бой топливо, полученное из растительного масла путем его трансэтерификации с целью удаления тяжелой фракции – глицерина.
Рабочие названия МЭРМ из производных рапсового масла в России и на Украине – биодизель, во Франции – diester, в Германии –
RME (рапсометиловые эстеры), в Польше – біонафта, біопаливо.
Процесс производства достаточно прост. В состав любого
растительного масла входит глицерин, который придает ему вязкость и плотность. В связи с этим задача в приготовлении биодизеля заключается в уменьшении вязкости растительного масла
за счет замещения глицерина на спирт. Этот процесс называется
трансэтерификацией.
Перед процессом трансэтерификации рапсовое масло проходит рафинацию с целью удаления примесей, фосфатидов, свободных жирных кислот (СЖК). На стадии трансэтерификации
происходит смешивание масла с метанолом и катализатором
(метоксидом натрия или гидроксидом натрия) при 50 °C в течение 4 – 8 часов. Реакционная смесь поддерживается при 70 °C
в течение 1 – 10 часов. После завершения реакции биодизель
должен быть цвета меда, а глицерин – темнее. При температуре
38 °С глицерин остается в жидком состоянии и может быть легко удален [16, 21, 84, 119].
Побочными продуктами производства биодизеля из рапса
являются глицерин и жмых. Очищенный глицерин можно использовать по многим направлениям для производства, например: технических моющих средств, фармакологического глицерина, фосфорных удобрений и т. д. Жмых можно использовать
в качестве полноценного корма для скота, что позволяет полностью безотходно утилизировать биомассу растения.
Из 1 т растительного масла и 111 кг спирта (в присутствии
12 кг катализатора) получается 970 кг (1100 л) биодизеля и
153 кг первичного глицерина. Основная технологическая схема
производства МЭРМ приведена на рисунке 1.4 [119].
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экологическое
топливо для дизельных
двигателей
Рапсовое
масло
метанол
катализатор
(КОН, NaOH)
Метилэстер
Рапсовое
семя
Жмых или шрот
Сырой глицерин
рафинация
Кормовые смеси
Чистый глицерин
Рисунок 1.4 – Схема производства МЭРМ
В Европе МЭРМ используется по двум принципиальным
схемам: «немецкой» и «французской» [15, 149]. «Немецкая схема» предусматривает кооператив фермеров, имеющий установку по производству и этерификации рапсового масла 1 т/сутки.
«Французская» схема предусматривает централизованное производство diestera на мощных установках (5 – 10 тыс. т в год).
Биодизель может быть использован как топливо в чистом
виде (марка В 100) и в смеси с обычным дизельным топливом.
Концентрация биодизельного топлива, смешанного с дизельным
топливом на нефтяной основе, маркируется буквой «В». Так,
наиболее распространенный состав В 20 – 20% биодизеля, 80%
дизельного топлива. Такой стандарт биотоплива применяется в
15 штатах США для сельскохозяйственной техники, общественного транспорта, морских судов и транспорта в шахтах. Существуют также американский (ASTM) и европейский стандарты
на биодизель (DIN EN 14214, EN 590, DIN 51606). Планируется
переход на топливо B 40 [10, 21].
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Главным фактором, сдерживающим применение биодизельного топлива, является его более высокая стоимость.
Для определения стоимости получаемого биодизельного
топлива, как для любой другой продукции, должен разрабатываться конкретный бизнес-план.
1.4 Качественные характеристики биодизельного
топлива на базе рапсового масла:
преимущества и недостатки
Биотопливо – это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного
тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Существуют также
проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии
разработки или коммерциализации.
Различается твёрдое, жидкое, газообразное биотопливо.
Твердое топливо. Дрова – древнейшее топливо, используемое человечеством. В настоящее время для производства дров
или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из
быстрооборачиваемых растений.
Энергоносители биологического происхождения (навоз)
брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов
и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество, используемое в бытовых и производственных нуждах. В последнее время разработаны методы непосредственного получения электричества с помощью специальных бактерий
при сбраживании биологических отходов.
Древесные отходы прессуют в пеллеты, которые имеют
форму цилиндрических или сферических гранул диаметром
8 – 23 мм и длиной 10 – 30 мм. Также кроме пеллет отходы прессуют в топливные брикеты.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отходы биологического происхождения – необработанные
или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки,
щепа, кора, лузга, шелуха, солома, топливный торф, твердые бытовые отходы и т.д.
Жидкое топливо. Мировое производство биоэтанола в
2005 г. составило 36,3 млрд литров, из которых 45% пришлось
на Бразилию и 44,7% – на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из
кукурузы.
В январе 2007 г. в своём ежегодном послании Конгрессу Дж.
Буш предложил план «20 за 10». План предлагает сократить
потребление бензина на 20% за 10 лет, что позволит сократить
потребление нефти на 10%. 15% бензина предполагается заменить биотопливами. 19 декабря 2007 г. президент США Дж. Буш
подписал закон об Энергетической независимости и безопасности (EISA of 2007). EISA of 2007 предусматривает производство 36 миллиардов галлонов этанола в год к 2022 г. При этом
16 млрд галлонов этанола будет производиться из целлюлозы –
непищевого сырья.
Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин работающих на Е85 (смесь 85%
этанола и 15% бензина; буква «Е») на единицу объёма топлива
составляет примерно 75% от пробега стандартных машин.
Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсия морского фитопланктона рассматривается как одно из
наиболее перспективных направлений в области получения биотоплива.
В начале 80-х гг. рядом европейских стран совместно разрабатывался проект, ориентированный на создание промышленных систем с использованием прибрежных пустынных районов.
Осуществлению этого проекта помешало общемировое снижение цен на нефть.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Первичное производство биомассы осуществляется путем
культивирования фитопланктона в искусственных водоемах,
создаваемых на морском побережье.
Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола.
Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются следующие:
 высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в
год);
 в производстве не используются ни плодородные почвы,
ни пресная вода;
 процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством;
– энергоотдача процесса достигает 14 на стадии получения
метана и 7 на стадии получения метанола;
С точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с
другими способами преобразования солнечной энергии.
Бутанол – C4H10O – бутиловый спирт. Бесцветная жидкость
с характерным запахом. Широко используется в промышленности. В США ежегодно производится 1,39 млрд литров бутанола
приблизительно на $1,4 млрд.
Бутанол начал производиться в начале XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum. В 50-х годах из-за падения цен на нефть начал производиться из нефтепродуктов.
Бутанол не обладает коррозионными свойствами, может
передаваться по существующей инфраструктуре. Может, но не
обязательно должен смешиваться с традиционными топливами.
Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах и как сырьё для производства водорода.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сырьем для производства биобутанола могут быть сахарный
тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и
целлюлоза. Технология производства биобутанола разработана
компанией DuPont Biofuels. Компании Associated British Foods
(ABF), BP и DuPont строят в Великобритании завод по производству биобутанола мощностью 20 000 литров в год из различного сырья.
Диметиловый эфир (ДМЭ) – C2H6O. Может производиться
как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозобумажного производства. Сжижается при небольшом давлении.
Диметиловый эфир – экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на
90% меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира
не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями
при 30%-ном содержании в топливе.
В июле 2006 г. Национальная комиссия развития и реформ
(NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового
эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира как возможную альтернативу дизельному топливу. В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5 – 10 млн тонн диметилового эфира в год.
Департамент транспорта и связи Москвы подготовил проект
постановления городского правительства «О расширении применения диметилового эфира и других альтернативных видов
моторного топлива».
Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом
эфире, разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания SAIC Motor.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Биодизель – топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их
этерификации.
Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьём могут быть рапсовое,
соевое, пальмовое, кокосовое масло или любое другое маслосырец, а также отходы пищевой промышленности.
Биотоплива второго поколения – различные топлива, полученные различными методами пиролиза биомассы, или другие
топлива, отличные от метанола, этанола, биодизеля.
Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и
использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное
топливо или топливо для электростанций.
Из биотоплив второго поколения, продающихся на рынке,
наиболее известны BioOil – производства канадской компании Dynamotive и SunDiesel – германской компании CHOREN
Industries GmbH.
По оценкам Германского энергетического агентства (Deutsche
Energie-Agentur GmbH) производство топлив пиролизом биомассы может покрыть 20% потребностей Германии в автомобильном топливе. К 2030 году, с развитием технологий, пиролиз биомассы может обеспечить 35% германского потребления
автомобильного топлива. Себестоимость производства составит
менее €0,80 за литр топлива.
Создана «Пиролизная сеть» (Pyrolysis Network (PyNe) – исследовательская организация, объединяющая исследователей из
15 стран Европы, США и Канады.
Газообразное топливо. Биогаз – продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и
углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенобиоводород – водород, по37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лученный из биомассы термохимическим, биохимическим или
другим способом, например водорослями.
Биотоплива третьего поколения – топлива, полученные из
водорослей.
Департамент энергетики США с 1978 г. по 1996 г. исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе
«Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что
Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м2.
Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО2. Урожайность составила более 50 г водорослей с 1 м2
в день. 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо,
достаточное для годового потребления 5% автомобилей США.
200 тысяч гектаров – это менее 0,1% земель США, пригодных
для выращивания водорослей. У технологии еще остаётся множество проблем. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат,
но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур. В конце 1990-х годов технология не попала
в промышленное производство из-за низкой стоимости нефти.
Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло
ТЭЦ способно покрыть до 77% потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует
жаркого пустынного климата.
Продовольственная и сельскохозяйственная организация
ООН (FAO) в своем отчете за 2005 г. говорила о том, что рост
потребления биотоплив может помочь диверсифицировать
сельскохозяйственную и лесную деятельность и улучшить безопасность пищевых продуктов, способствуя экономическому
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
развитию. Производство биотоплив позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить зависимость
развивающихся стран от импорта нефти. Кроме этого, производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. Например, в Мозамбике сельское хозяйство
ведётся на 4,3 млн га из 63,5 млн га потенциально пригодных
земель.
По оценкам Worldwatch Institute в 2007 г. во всём мире было
произведено 54 миллиарда литров биотоплив, что составляет
1,5% от мирового потребления жидких топлив. Производство
этанола составило 46 миллиардов литров. США и Бразилия производят 95% мирового объёма этанола.
По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15%.
По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из
сельскохозяйственного оборота выведено 385 – 472 миллиона
гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8%
в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10% до 25%.
В настоящее время потребности транспорта, промышленности и сельского хозяйства России в энергоносителях практически на 100% удовлетворяются углеводородными видами топлива – углем, минеральным дизельным топливом, бензином, а
также природным газом.
Сырьем для получения полноценного качественного биодизельного топлива служит рапсовое масло с соответствующими
биологическими особенностями. На современном этапе развития альтернативных источников получения энергии биотопливо
в странах Европы постепенно расширяет свое присутствие на
рынке топлив. Хотя его можно получить и из других растительных масел: пальмового, соевого, из семян винограда и семян
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
хлопка. Из всех производимых растительных масел рапсовое
наиболее дешевое.
Рассмотрим основные преимущества биотоплива на основе
рапсового масла [25].
1. Экологичность. Биотопливо сгорает практически без токсичных отходов, и количества сажи (твердых частиц) в продуктах
сгорания уменьшается наполовину в сравнении с минеральным
дизельным топливом. Сажа является носителем канцерогенных
соединений, которые вызывают раковые заболевания у людей;
попадая в почву, биодизельное топливо в течение 28 дней практически полностью (на 90 – 99%) разлагается микроорганизмами, содержащимися в почве.
При сжигании биодизеля уменьшается количество углекислоты в продуктах сгорания, что снижает интенсивность
возникновения парникового эффекта. При сгорании биодизеля выделяется столько же углекислого газа, сколько было
потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным
сырьем для производства масла. Дымность выхлопных газов
снижается на 50 – 60%. Следовательно, назвать биодизель
полностью экологически чистым топливом нельзя. Он дает
значительно меньшее количество выбросов углекислого газа
в атмосферу, но не сводит их полностью. Биодизель, как показывают опыты, при попадании в воду не причиняет вреда ни
флоре, ни фауне.
2. Значительное содержание кислорода. Биодизель может
быть использован в машинах, техническое состояние которых не
позволяет их дальнейшую эксплуатацию, используя минеральное дизельное топливо. Биодизель из рапсового масла отличается и большим количеством кислорода, по сравнению с обычным
дизтопливом (10,8%), поэтому он лучше сгорает в двигателе.
3. Низкая сернистость. Повышает срок службы катализаторов, которые минимизируют вредные выбросы с помощью ок40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сиката, превращающего углеводороды и окись углерода в воду и
углекислый газ. Оксикат чувствителен к присутствию в топливе
серы, «отравляющей» катализатор на длительное время и приводящей к увеличению выброса остаточных частиц. Поэтому
важно, что биодизель в сравнении с минеральным дизтопливом
почти не содержит серы (< 0,001% против – < 0,2%). По требованиям Евростандарта, начиная с 2005 года, дизельное топливо
должно содержать не более 50 ppm (0,05%) серы.
4. Хорошие смазочные и противоизносные характеристики.
Известно, что минеральное дизтопливо при устранении из него
сернистых соединений теряет свои смазочные свойства. Биодизель, несмотря на полное отсутствие серы, характеризуется хорошими смазочными показателями, что обусловлено его химическим составом и наличием в нем кислорода.
5. Увеличение срока службы двигателя и топливного насоса.
При использовании биодизеля, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60%, так как топливный насос является
достаточно дорогим узлом в дизельном двигателе.
6. Температура вспышки. В открытом тигле для биодизеля
температура вспышки составляет 120 °С (у дизельного топлива
55 °С), что позволяет назвать его пожаробезопасным топливом,
которое можно использовать на стационарных установках в закрытых помещениях и на транспортных средствах для перевозки пожароопасных веществ и людей.
7. Воспламеняемость. Растительное топливо отличает хорошая воспламеняемость, поскольку его цетановое число достигает 58, тогда как этот показатель для традиционной солярки не
превышает 52. Иными словами, зажечь биодизельное топливо
легче, но сгорает оно с меньшей теплоотдачей.
Вместе с перечисленными достоинствами биотопливо имеет
ряд недостатков. Рассмотрим некоторые из них [25].
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Агрессивность. Биодизель интенсифицирует химическое
изнашивание деталей дизельного двигателя, т. к. является более
агрессивным, чем обычное дизельное топливо.
Агрессивность проявляется и в лучших моющих свойствах
биодизеля, которые способствуют удалению различных нефтепродуктов и их производных с деталей, образующихся в процессе работы дизельного двигателя. Биодизель относительно
агрессивен по отношению к резиновым деталям. Проведенные
исследования показали, что при использовании смеси биодизеля
и минерального дизтоплива в пропорции 30:70 отрицательное
воздействие на резину не является таким явным и смесь можно
использовать в обычных двигателях, не изменяя их конструкции
и требований к эксплуатации.
2. Погодные условия. В холодное время года эффективность
биодизеля будет сравнительно ниже.
3. Снижение мощности. При работе дизельного двигателя
на биотопливе его мощность может снизиться примерно на 10%,
а расход топлива повыситься примерно на 10%.
4. Высокое содержание в выхлопе окиси азота NOx. Содержание NOx в выхлопе в сравнении с обычным дизельным топливом на 10% больше, а в ходе эксперимента инженеры Volvo
доказали, что эта разница может достигать 40%.
При использовании растительных масел в чистом виде вместо дизтоплива возникают существенные проблемы: масла не
могут длительно применяться в обычных двигателях с непосредственным впрыском, т. к. сгорают не полностью. Это приводит к отложению продуктов коксования на форсунках и деталях
цилиндро-поршневой группы.
Причина заключается в вязкости масел, которую можно
понизить нагреванием или разжижением минеральным дизтопливом. Например, рапсовое масло имеет температуру застывания от минус 4 до минус 10 °С, т. е. в зимнее время возни42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кает проблема его прокачки из топливного бака к топливному
насосу и далее к форсункам. В моторах с предкамерой и
вихрекамерой масло дополнительно подогревается перед
воспламенением, таким образом обеспечивается его лучшее
смешение с воздухом и более полное сгорание. Существуют
двигатели внутреннего сгорания, которые могут работать на
дизтопливе, бензине, авиационном керосине и растительном
масле. Такие двигатели отличаются очень высокой ценой и
используются на армейских самоходных средствах: танках,
бронетранспортерах, боевых машинах и армейских грузовиках.
Одна из причин ухудшения финансового положения аграрного сектора страны – постоянно возрастающие цены на ГСМ. В
связи с этим возникает необходимость в производстве и использовании различных видов топлив на основе возобновляемых
источников сырья растительного происхождения – биодизеля и
этанола.
Производством рапсового масла могут заняться производители сельхозпродукции и использовать его в качестве базового
ингредиента, к которому добавляют минеральное дизельное
топливо. Такую смесь можно использовать только в период плюсовых температур воздуха. Данный способ практикуется фермерами в США и Южной Америке.
В Кабардино-Балкарской сельскохозяйственной академии
с 1995 г. проводились испытания по использованию рапсового
масла на экспериментальных двигателях Д-240 и ГАЗ-52.
Например, для двигателя Д-240, согласно опытным данным,
рекомендуется следующий состав топлива: 75% рапсового масла и 25% минерального дизельного топлива. Той же академией
были выполнены расчеты производства и использования рапсового масла для фермерского хозяйства с общей посевной площадью 100 га: если на 20 га будет возделываться озимый рапс, то
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при урожайности в 25 ц/га с этой площади можно собрать 50 т
маслосемян, а из них получить 16 т масла.
В таблице 1.6 приведены величины издержек при производстве биодизеля [25].
Таблица 1.6 – Издержки при производстве биодизеля в зависимости
от мощности установки (на примере Германии)
Мощность установки,
тонн/год
Инвестиции, млн евро
Производственные издержки, евро/тонна
2 000
15 000
75 000
80 000
125 000
1,5
10,0
12,5
10,0
25,0
288
196
76
64
87
Следовательно, используя рапсовое масло для производства
биодизеля и используя его в сочетание с минеральным дизельным топливом, можно решить проблему обеспечения машин для
сельскохозяйственного производства и транспортных средств
моторным топливом для дизельных двигателей и позаботиться
о чистоте окружающей среды.
Первый способ снижения вредных выбросов в атмосферу с
одновременной экономией углеводородного топлива – бензина.
Суть его состоит в добавлении в бензин биоэтанола – этилового
спирта, получаемого из растительного сырья.
В США в настоящее время производится порядка 60 млрд л
биоэтанола, являющегося побочным продуктом глубокой переработки зерна кукурузы.
Добавка этанола в бензин удешевляет его, а выхлопные газы
становятся практически безвредными. В настоящее время соотношение бензина и этанола: 90 и 10% или 85 и 15%. Для существенного снижения стоимости бензина это соотношение необходимо довести до 80 и 20%. Таким образом, экономия бензина
может составить 20% при серьезном экологическом эффекте.
Этанол можно получать из картофеля, ржи, ячменя, рапса и пр.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Второй способ – использование экологически чистого моторного топлива нового поколения – диметилового эфира
(ДМЭ), который является инертным газом и разделяется только
при красном калении. Его можно получать из диметилсульфата
нагреванием с окисью меди или из метанола с помощью серной
кислоты. Производство ДМЭ дешевле, чем того же дизельного
топлива и бензина. Для работы на ДМЭ двигатель внутреннего
сгорания требует некоторой переделки. Испытания нового топлива в Российской Федерации на автомобиле ЗИЛ-5301 прошли
успешно.
Растительные масла обладают высокой молекулярной массой
(порядка 900), определяющей их низкую летучесть при значительном вакууме, что позволяет использовать их как в качестве
самостоятельных смазочных сред, так и в качестве дисперсионных сред при изготовлении высокоэффективных пластичных
смазочных материалов для работы в обычных условиях и в условиях вакуума: в высотной авиации и на космических объектах.
Проводились экспериментальные исследования противоизносных, противозадирных и антифрикционных свойств таких
растительных масел как касторовое, масел из семян: винограда,
томатов, рапса, арахиса, кукурузы, подсолнечника и оливкового
масла (табл. 1.7).
Цель исследования состояла в определении растительного
масла, обладающего наилучшими смазочными и антифрикционными свойствами.
Трибологические исследования растительных масел проводились на четырехшариковой машине трения по методике
(ГОСТ 9490-75):
– частота вращения верхнего шара 1460 мин–1;
– ступенчатое повышение осевой нагрузки до наступления
сваривания шаров;
– продолжительность каждого испытания 10 с;
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– идентификация нагрузки заедания – Рлр осуществлялась по
резкому возрастанию диаметра пятна изнашивания на нижних
шарах;
– на каждой осевой нагрузке проводилось три эксперимента
с поворотом шаров после каждого эксперимента, но без их извлечения, и с добавлением новой порции масла перед очередным экспериментом.
Таблица 1.7 – Основные показатели растительных масел [25]
Наименование масла
из семян из семян из сеиз секуку- подсолПоказатель касто- виногра- томатов, мян рап- мян ара- рузное, нечное,
да, РСТ
РСТ
са,
хиса,
ГОСТ ГОСТ
ровое
УССР 19- УССР
ГОСТ
ГОСТ
8808-73 1129-73
1946-84 1544-79 8988-77 7981-73
Плотность
0,909… 0,920… 0,911… 0,911…
при 15 °С,
0,924
0,924
0,962
0,956
0,929
0,918
0,929
3
г/см
Температу–12…
–10…
–3…
–15… –19…
–18…
–20…–10
ра застыва–7
–4
+3
–10
–16
–10
ния, °С
Температура деструк240…250
ции, °С
Молекуляр850…940
ная масса
127…
94…
83…
Йодное
–
84…88
–
–
136
106
108
число
Дистилляциионное
33,5
–
–
36,5
53
–
25
число
Шары из стали ШХ9, твердостью HRC 60…62. Температура
масла 292...294 К. Оценочными показателями противоизносных
свойств масел служили величины диаметров пятен изнашивания – dиз.ср, измеренные после окончания испытаний. В конце
каждого эксперимента измеряли величину силы трения, возни46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кающей в зоне контакта шаров (с помощью тензометрического динамометра, связанного с нижней чашкой машины трения),
усилителя ТА-5 и стрелочного микроамперметра М266М. Затем силу трения пересчитывали в величину коэффициента трения – f, служившего оценочным показателем антифрикционных
свойств масел.
Противозадирные свойства масел оценивались по величинам
критической нагрузки, нагрузки сваривания и индекса задира.
Все растительные масла проявили сравнительно высокие
противоизносные, противозадирные и антифрикционные свойства. По-видимому, это связано с тем, что основу всех масел
составляют триацилглицерины, которые в процессе трения под
воздействием повышенных температур в зоне контакта трущихся поверхностей, а также окисляясь кислородом воздуха,
образуют перекисные соединения, оксикислоты и продукты
полимеризации.
Исходя из величин йодного и дистилляционного чисел, можно сделать следующий вывод о том, что рапсовое масло обладает удовлетворительной склонностью к загустению и полимеризации.
Таким образом, анализ результатов испытаний показал, что
рапсовое масло является наиболее пригодным для использования в качестве дисперсионной среды при изготовлении пластичных смазок.
1.5 Высокотехнологичные производственные
процессы переработки семян рапса на масло
Основными задачами и целями, стоящими перед биотопливной промышленностью, являются производство высококачественного растительного масла как базового компонента
для биодизеля, создание и внедрение современных высокоэффективных видов технологического оборудования, которые на
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
основе использования прогрессивных безотходных технологий повышают производительность, способствуют экономии
исходного сырья, топливно-энергетических и материальных
ресурсов.
Сырьем для получения растительного масла служат семена
масличных растений. Масличными условно называют растения,
которые концентрируют в своих органах большое количество
жира, достаточное для получения из них масел в промышленных масштабах.
Видовой состав масличных растений довольно разнообразен
(рис. 1.5) [113].
Схема переработки масличных семян обусловлена физикомеханическими свойствами семян, их природой, видом компонентов и назначением извлекаемого масла, а также способом их
переработки – с отделением или без отделения оболочки.
Переработка семян рапса с целью получения высококачественного масла связана с определенными трудностями: семена рапса плохо отдают масло из-за маленького размера клеток;
МАСЛИЧНЫЕ РАСТЕНИЯ
Чисто
масличные
Прядильномасличные
Эфирномасличные
Белковомасличные
Пряномасличные
подсолнечник
хлопчатник
кориандр
соя
горчица
сафлор
лен
тмин
арахис
кунжут
конопля
фенхель
рапс
анис
тунг
мята
роза
жасмин
лаванда
Рисунок 1.5 – Классификация масличных растений
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
оболочка семени прочно срастается с маслосодержащим эндоспермом, что затрудняет его отделение. Таким образом, такие
бескожурные масличные семена перерабатываются вместе с
оболочкой [45, 63]. Эту особенность и специфический химический состав учитывают при разработке технологий переработки рапса.
Процесс переработки семян рапса на отечественных и зарубежных масложировых заводах состоит из основных технологических операций, представленных на рисунке 1.6 [63, 99].
Различия состоят в режимах отдельных технологических
операций, особенно тех, которые на стадии подготовки семян к
извлечению масла определяют содержание соединений серы в
готовой продукции и качественные показатели масла (кислотное
и перекисное число, цветность, содержание нежировых примесей) и шрота (содержание масла, фракционный состав белка).
ПЕРЕРАБОТКА СЕМЯН РАПСА
Взвешивание
Очистка от
металлопримесей
Первая очистка от
сорных примесей
Вторая очистка от
сорных примесей
Отделение примесей
на сухомойке
Сушка (при
необходимости)
Очистка от
металлопримесей
Измельчение на
пятивальцевых станках
Охлаждение
Подготовительные
операции перед
жарением
Подготовка мезги
(жарение мятки)
Хранение
Форпрессование
Первичная очистка масла
Жмых на хранение
Масло на гидратацию
Жмых потребителю
Рисунок 1.6 – Технологические операции по производству
масла из семян рапса
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рассмотрим особенности традиционных технологических
операций по переработке семян рапса с целью получения высококачественного масла для производства биодизельного топлива.
Семена рапса после приемки (транспортировки, снятия лабораторных проб, взвешивания) и подготовки (очистки и сушки)
проходят стадию измельчения при влажности 8% на пятивальцевых станках ВС-5 через четыре прохода для большего разрушения клеточной структуры и максимального перевода масла на
внешнюю поверхность частиц. Полученная мятка становится
пластичным материалом, который в прессе не окажет сопротивления, и масло не отпрессуется. Таким образом, чтобы отжать
масло, необходимо придать мятке жесткость, снижая ее влажность с помощью тепла [106, 99].
Влаготепловая обработка – приготовление мезги (жаренье) –
является важнейшей технологической операцией подготовки
мятки к извлечению масла. Содержащееся в мятке масло распределено в виде тончайших пленок на поверхности частиц и
удерживается на них огромными силами молекулярного воздействия. Под действием влаги материалу придается необходимая
степень упругости и пластичности, после чего масло в мезге
переходит в относительно свободное состояние.
За рубежом традиционно подготовку семян рапса к извлечению масла осуществляют путем «сухого» жарения, нагревая
мятку до 80 – 90 °С без дополнительного ввода влаги. При такой
технологии извлекаемое масло имеет темный цвет, высокое содержание серы, свободных жирных кислот и нежировых примесей.
Согласно последним научным рекомендациям ВНИИЖа разработана «мягкая» технология подготовки семян, используемая
на маслоэкстракционных заводах России и СНГ, позволяющая
снизить по сравнению с зарубежной технологией содержание
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
серы в готовой продукции (в масле – на 70 – 90%, в шроте – на
50%), увеличить выход масла на 1 – 2%, уменьшить цветность
масла, снизить перекисное и кислотные числа, уменьшить расход растворителя на 1 – 4 кг/т семян [63, 99].
Извлечение масла производят двумя способами: прессованием и экстракцией. Предварительный съем масла шнековыми
прессами перед экстракцией является одним из основных процессов в технологии добывания растительных масел. Более 75%
наиболее ценного пищевого масла извлекается из маслосодержащего материала прессованием [106].
Прессование – механическая обработка различных продуктов давлением. Сыпучие продукты уплотняются в результате
относительного перемещения частиц из-за упругих и остаточных деформаций под действием приложенных внешних сил.
В процессе уплотнения происходит изменение структурномеханических свойств сжимаемых продуктов [26, 111].
На современном этапе существует несколько технологических схем переработки рапса на масло методом прессования:
– однократное прессование на шнековых прессах;
– двукратное прессование с предварительным и окончательным отжимом масла;
– трехкратное прессование с двумя предварительными и
одной окончательной ступенями отжима масла [60, 122, 126,
127].
Эффект прессования обусловлен параметрами готовой мезги – температурой, влажностью и достигнутой под их действием глубиной денатурации белковых веществ, определяющих
физико-механические свойства мезги, поступающей в пресс.
Передовым направлением в технологии маслодобывания из
семян рапса является холодное прессование, что является условием для соблюдения норм для рапсового масла как горючего.
Данная технология дает возможность получать до 75 – 85% рап51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сового масла и жмыха без глубоких денатурационных изменений белковых веществ. Качество готового продукта должно
соответствовать следующим требованиям: низкое содержание
взвешенных частиц, способных отлагаться в топливной системе транспортного средства и приводить к закупорке; отсутствие
ферментов и фосфатов в масле предотвращает закоксование
стенок цилиндров дизельного мотора во время процесса сгорания [106, 134]. ВНИИЖем получен патент России № 2156790
на разработанную технологию «холодного» отжима [65]. Так,
например, фирмой «Крупп Эластомертехник» (Гамбург, Германия) предложена программа MOPS («Modulare Oelsaaten-PressSystem» – модульная система прессования для производства
растительного масла), которая позволяет перерабатывать рапс
до 50 т/сут. прессом EP 16 [130].
Экструзионная технология – один из самых перспективных
и высокоэффективных процессов, совмещающий термо-, гидрои механическую обработку растительного сырья, позволяющий
получать высококачественные растительные масла с одновременным получением жмыхов или шротов, управляя исходным
составом масличного сырья, механизмом физико-химических,
механических, биохимических и микробиологических процессов, протекающих при термопластической экструзии [66].
Широкое использование инновационных экструзионных
технологий в производстве растительных масел позволяет исключить из общего процесса такие дорогостоящие технологические стадии, как измельчение ядра и жарение мятки для подготовки семян масличных культур, и соответственно снизить
инвестиционные и ресурсные затраты.
Фирмой «Insta-Pro» предложен метод сухой экструзии полножирного рапса, осуществляемый по следующей схеме (рис. 1.7).
Этот метод позволяет получать высокопитательный кормовой
продукт за счет тепла и пара (кондиционирование). Использо52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вание пара удваивает производительность и уменьшает износ
рабочих частей экструдера [44, 63, 93].
Этой же фирмой разработана технология экструдирования и
последующего прессования, позволяющая получать высококачественное рапсовое масло с более высоким содержанием токоферолов, меньшим количеством фосфолипидов, хлорофиллов,
свободных жирных кислот и перекисных соединений, что увеличивает сроки годности и хранения масла (рис. 1.8).
При обычной технологии получения масла семена рапса
подвергаются значительному многократному нагреванию, что
приводит к денатурации белка. Технология сухой экструзии
устраняет этот недостаток. При экструдировании рапса инактивируется фермент мирозиназа, поэтому не требуется дополнительной обработки жмыха перед скармливанием его животным.
В. Е. Ланкин предложил эффективную технологическую линию по переработке семян сои и рапса с применением на экструдере КМЗ-2У маслоотделяющей приставки ПМ-2Б и насадРапс
Очистка
Экструдирование
Комбикорма для
животных
Полножирный рапс
Охлаждение
Рисунок 1.7 – Схема метода сухой экструзии
Рапс
Очистка
Экструдирование
Отстой
масла
Фильтрация
Горячее
прессование
Рапсовое
масло
Рапсовый
жмых
Рисунок 1.8 – Схема метода сухой экструзии
и последующего прессования
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ки. Разработанная конструкция приставки обеспечивает отжим
высококачественного масла из рапса 50 – 56% с его выходом
25 – 28%, а насадка в виде камеры с плоской матрицей – термическую обработку семян без отделения масла более 60 °С [60].
Механический способ получения масла не дает возможности
добиться полного извлечения масла. Вследствие этого на маслозаводах применяют экстракционный способ, который позволяет
обеспечить практически полное извлечение масла [31, 45, 54,
116, 99, 101, 102, 144, 145].
1.6 Перспективы развития современных
шнековых прессующих механизмов
1.6.1 Классификация шнековых
прессующих механизмов
Богатый ассортимент качественных экструдированных продуктов, совершенствование существующих и разработка новых
прогрессивных конструкций в шнековых прессующих механизмах объясняется широким спектром применения этих машин в
перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса и
особенностями инновационных экструзионных технологий.
Производство широкого спектра продуктов базируется, вопервых, на мощной промышленной базе фирм, выпускающих
экструдеры различных модификаций и производительности, и,
во-вторых, на жестком контроле экструдируемого сырья, качества конечных продуктов и технологических параметров процесса.
Развитие шнековых экструдеров в различных областях техники связано с внедрением непрерывных методов производства. При конструировании экструдеров фирмы-производители
основной задачей ставят создание универсальных машин для
производства высококачественных экструдированных продук54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тов сбалансированного состава практически всех видов с минимальными энергозатратами.
Конструктивно экструдер состоит из основного рабочего
органа – шнека, вращающегося в цилиндрическом корпусе. На
выходе из корпуса установлена формообразующая матрица. Рабочую часть экструдера с учетом стадий процесса обработки
можно условно разделить на 3 функциональные зоны: I – зона
приема сырья (загрузки и транспортирования); II – зона пластификации и сжатия; III – зона выпрессовывания продукта [44].
Современное многообразие конструкций шнековых прессующих механизмов позволяет их классифицировать (рис. 1.9) [1,
11, 19, 22, 148, 74, 106, 121, 146].
Сегодня промышленность предлагает широкий спектр экструзионных машин различных конструкций и модификаций. За
рубежом и в нашей стране основными производителями экструдеров различных типов и моделей являются фирмы American Maplan Corporation, Battenfeld GmbH, BAUSANO&FIGLI
S.P.A., Berstorff GmbH, COSTRUZIONE MECCANICHE LUIGI
BANDERA SpA, ENTEK Manufacturing, Inc., ENTEX Rust &
Mitschke GmbH, ERMAFA Kunststofftechnik Chemnitz GmbH,
Gamma Meccanica SpA, KUHNE GmbH, Instapro, Wenger, Toshiba, Weber, Walter, Berstoft, Bausana, Anderson, Днепропетровский машиностроительный завод, Самарский завод аэродромного оборудования, Санкт-Петербургский завод «Арсенал»,
«Белес», ООО «Полимер Проект», ООО «ТПК ТРИГЛА», ЗАО
«Аксиом Проджектс», ООО «Продвижение» и др. [17, 73].
Существует целый модельный ряд конструкций рабочей части шнековых экструдеров, которые имеют различные технические особенности и специфические рабочие параметры режимов переработки сырья.
Наиболее важным узлом экструдера является шнек специальной конструкции, который может собираться из отдельных
55
56
С вращающимся
шнеком
С вертикальным
расположением
шнека
По термодинамическим свойствам
Изотермические
Рисунок 1.9 – Классификация экструдеров
Автогенные
Политропные
Длинноствольные
(L/D < 30:1)
Среднествольные
(L/D < 10:1)
Короткоствольные
(L/D < 5:1)
По длине шнека
Быстроходные (до 7 м/мин)
С горизонтальным
расположением
шнека
Высокого давления
(до 25 МПа)
С возвратнопоступательным
движением шнека
Среднего давления
(до 5 МПа)
Нормальные (до 0,5 м/мин)
С вращающимся
корпусом
Комбинированные
С незначительным углом
режущей кромки матрицы
Поршневые
Многошнековые
Дисковые
Низкого давления
(до 2 МПа)
Стационарные
Двухшнековые
Шнековые
С большим углом режущей
кромки матрицы
Винтовые
Одношнековые
Шестеренные
С коротким шнеком
(автогенные)
Валковые
По рабочему давлению
в предматричной
зоне
По частоте
вращения шнека
По конструктивному
исполнению
По физическим
признакам
По типу основного рабочего
органа
ЭКСТРУДЕРЫ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
заменяемых элементов различной конфигурации (рис. 1.10).
Именно шнек определяет режимы обработки материалов, производительность машины и качество готового продукта [85, 89].
В современной практике экструзионных технологий по типу
основного рабочего органа нашли широкое применение три вида
экструдеров – одношнековые, двухшнековые, многошнековые.
Одношнековые экструдеры в настоящее время нашли широкое применение в различных областях промышленности. Они
отличаются между собой по конструктивным, режимным, напряжений сдвига (низкие, высокие), с разной внутренней нарезкой винта, формой корпуса, с различным шагом нарезки (постоянным, переменным), цилиндрическим и коническим шнеком,
коническим шнеком с шагом, уменьшающимся к выходу из экструдера (рис. 1.11) [4, 5].
Двухшнековые экструдеры также имеют пять типов: вращающиеся в одном направлении с взаимным зацеплением и без зацепления; с противоположным вращением шнеков с взаимным
зацеплением и без зацепления; с коническими зацепляющими
шнеками [44, 85].
Шнековые элементы
Смешивающие и
пластифицирующие
Сжимающие
Кулачки с углом
наклона элементов
относительно друг
друга 30, 45, 60, 90 о
Переходные с
однона двух- или
трехзаходные
Штифтовые
Транспортирующие
Однозаходные
Двухзаходные
Трехзаходные
С эксцентриситетом
Шнековый элемент с
прорезями
Зубчатый
Рисунок 1.10 – Классификация шнековых элементов экструдера
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.11 – Структурные схемы одношнековых
прессующих механизмов:
А – шнек с одной лопастью постоянного шага и переменной высотой лопасти;
Б – шнек с лопасть переменного шага и постоянной высотой лопасти; В – шнек,
разделенный на секции компрессионными затворами, с переменным шагом лопасти и переменным числом лопастей в секциях; 1 – шнек; 2 – шнековый цилиндр;
3 – загрузочное устройство; 4 – формующая матрица; 5 – компрессионный затвор
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одношнековые прессы предназначены для переработки
крахмалсодержащего сырья, а также растительного сырья, имеют ряд достоинств и недостатков. Они проще в изготовлении,
относительно дешевы, легче в восстановлении износа рабочего
органа – шнека. Кроме того, для них лучше развито математическое описание теории процессов, что расширяет возможности
оптимизации таких прессующих механизмов. К недостаткам
можно отнести возникновение скачков давления из-за накопления продукта, плохое смешивание обрабатываемого продукта,
отсутствие принудительного транспортирования, приводящее к
неудовлетворительному перемещению продукта с высоким содержанием жира и воды, отсутствие самоочистки, вызывающее
спекание продукта на шнеке при его низкой влажности, а также
затруднен переход с одного сырья на другое [89, 121].
На двухшнековых экструдерах можно перерабатывать большой ассортимент сырья – от муки до целого зерна. Двухшнековые машины обеспечивают более высокое качество продукции,
точное объемное дозирование, лучшее перемешивание продукта, достигается эффект самоочистки, что позволяет избежать
прилипания и пригорания продукта к шнеку или корпусу. Позволяют значительно снижать затраты на подготовку исходного
сырья, исключают необходимость в подсушивании продукта после экструдирования. Они способны перерабатывать смеси с высоким содержанием жира и сахара, не требуют предварительной
гидротермической обработки продукта [118. 109].
Недостатки этих машин заключаются в сложности конструкции, в потреблении энергии больше на 20 – 50%, в стоимости –
она выше на 60%, в трудоемкости использования и в значительном износе рабочих органов.
Например, при вращении шнеков в разных направлениях
между валами возникают значительные разжимающие усилия,
приводящие к быстрому износу корпуса при больших скоро59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стях, а при вращении шнеков в одном направлении, окруженных
со всех сторон продуктом, не создают разжимающих усилий,
что позволяет работать с высокими скоростями вращения. Наибольшее распространение получили экструдеры с взаимозацепляющими шнеками, вращающимися в одном направлении для
получения экструзионных пищевых продуктов.
1.6.2 Структурно-параметрические особенности
маслоотжимных прессов и их рабочих органов
Научное сопровождение масложировой отрасли является базой в ее прогрессивном развитии и основано на большом комплексе фундаментальных и прикладных исследований в сфере
разработки и внедрения новейшей техники и оборудования.
В исследования реологии, характера движения материала в
рабочем пространстве маслоотжимного пресса, теоретических
представлений об отжиме растительного масла внесли свой
научный вклад такие ученые, как В. А. Масликов, Ю. П. Кудрин, Ю. А. Толчинский, А. М. Голдовский, В. В. Белобородов,
Г. В. Зарембо, Н. В. Гавриленко, В. Т. Алымов, Ю. П. Мацук,
А. Л. Маркман, Л. Н. Измалков, В. С. Морозов, И. В. Бабошин,
В. П. Олешко, Д. М. Руб, А. С. Савус, П. И. Чечевицын, В. С. Сескутов, И. П. Колпаков, В. П. Ржехин, А. Ю. Авербах, В. Ю. Полищук [70, 59, 131, 20, 9, 29, 18, 6, 71, 40, 77, 8, 86, 117, 120, 139,
125, 55, 115, 1, 104, 139].
Среди отечественных изготовителей эффективной экструзионной техники особое внимание заслуживают конструкции экструдеров, выпускаемых предприятием ЧеркассыЭлеваторМаш
с 1998 г. и рекомендованных МинАПК Украины. На сегодня выпущено более 500 экструдеров под торговой маркой BRONTO
типа Е производительностью 150 – 1500 кг/ч, предназначенных для переработки различных зерновых и бобовых культур
(рис. 1.12) [42].
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конструкция рабочей части этих экструдеров – одношнековая с цилиндрической формой шнека с постоянным шагом. Каждая из моделей экструдеров снабжена датчиками температуры,
причем в экструдере Е-1000 температура контролируется в двух
зонах – в зоне смешивания и в зоне сжатия. Данное оборудование реализует технологию сухой экструзии. Совершенствование
конструкции экструдеров позволило в 2006 г. создать новую модель – экструдер Е-1500, оснащенный кондиционером [42].
ПРОДУКЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ BRONTO
Пищевые
продукты
Комбикорма
На основе
зерновых
культур
Кукурузные
палочки;
завтраки
быстрого
приготовления; соевые
продукты;
ингредиенты для кондитерской
промышленности
кукурузы,
ячменя,
пшеницы,
гречихи
На основе
бобовых
культур
сои,
гороха
Сырье для
лакокрасочной
промышленности
Топливные
брикеты
из биомассы
На основе
отходов
птицефабрик, мясокомбинатов,
переработки рыбы
Соевое
масло
опилок
твердых
и мягких
пород
деревьев;
веток;
шелухи подсолнечника;
гречихи и
других культур соломы
Рисунок 1.12 – Продукция, получаемая с использованием
экструзонных технологий BRONTO
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На сегодняшний день отечественные одношнековые экструдеры семейства КМЗ (КМЗ-2М, КМЗ-2У, пресс-экструдеры ПЭКМЗ, ПЭ-1 (ПЭ-КМЗ-2, ПЭ-КМЗ-2М, ПЭ-КМЗ-2У) являются наиболее востребованным и универсальным оборудованием [51, 60].
Для переработки рапса на масло и жмых по схеме однократного прессования используются прессы ПШ-70 с производительностью 70 кг/ч масла и 180 кг/ч жмыха. С этой же целью
можно использовать шнековые прессы типа ПШМ-250, ПШ-68,
ПШ-70, пресс-камеры ПК-200 в комплекте с пресс-экструдером
[41, 60, 76, 111].
Специалистами ООО «ПромАгро 8» разработано и внедрено
в производство маслопрессовое оборудование в виде одношнековых прессов МПШ-180 и МПШ-350, комплектующиеся жаровней с ТЭНовым подогревом и накопительной емкостью для
предварительного сбора масла. Предусмотрена возможность повторного отжима жмыха, что позволяет получать дополнительно
4 – 8% растительного масла [83].
На базе пресса МПШ-92 [122] для предварительного отжима масла (форпрессования) Черниговским АО «Химтекстильмаш» при технологическом сопровождении УкрНИИМЖ был
разработан грануляционный пресс МПШ-92 М. Шнековый вал
наборной конструкции состоит из отдельных шнеков и переходных колец, собранных на валу, шнеки имеют переменный
шаг витка, на валу имеется специальный истирающий кулачковый орган. Вместо конуса установлен гранулирующий узел.
Ступенчатый зеер позволяет поддерживать в прессе давление
250 – 280 кгс/см2 и максимально отжать масло, а также получить жмых. В настоящее время такие прессы эксплуатируются
на заводах Молдовы, в странах СНГ, имеется заинтересованность маслодобывающих заводов Болгарии.
Широко известны прессы одношнековые для отжима масла
из семян подсолнечника, рапса, сои следующих моделей: ZX-130,
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М8-МШП для окончательного отжима масла, ПМ-400 с четырьмя
камерами зеера [110, 112].
Рассмотрим пресс шнековый для отжима масла модели
ZX-130. Он разработан с применением передовых технологий
в области производства растительного масла.
Пресс отличается высокой производительностью, стабильной работой и простотой в управлении и обслуживании. Использование конической зубчатой передачи обеспечивает равномерное и устойчивое вращение шнека, а также низкий уровень
шума при работе пресса. Пресс шнековый для отжима масла
модели ZX-130 предназначен для работы с широким спектром
семян масличных культур.
В производстве растительных масел из семян маслосодержащих культур применяют также двухшнековые прессы:
ЭК-75/1200, FARMOL-180, FARMOL-360, маслопрессы УПМ-1
и УМПП-1М-50, прессы дожима ПД-1 и ПД-1М, маслопрессы марки УЭП (УЭП-100, УЭП-150, УЭП-250, УЭП-450) производства ЗАО РНПП «Укрэкспо-Процесс», МП-50, МП-60,
МП-80, МП-100, МП-150, МП-200, М8-МПД, в перспективе
пресс-экструдер с параллельными сопряженными шнековыми
валами горизонтального типа [24, 80, 87, 112].
Рассмотрим более подробно особенности экструдера
FARMOL-360 (рис. 1.13). Он предназначен для производства
растительных масел из семян маслосодержащих культур. При
подаче семян через загрузочный бункер пресса сырьё захватывается первыми шнеками, имеющими самый большой шаг, и
направляется в проточную часть пресса. По длине проточной
части шаг шнеков уменьшается и достигает минимального значения у матрицы, благодаря чему семена сдавливаются.
Для извлечения масла из семян необходимо разрушить клеточную структуру их тканей. В проточной части пресса клеточная структура маслосодержащих тканей разрушается, подвер63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гаясь интенсивному сдавливанию, кратковременному нагреву
и истиранию под воздействием активных элементов конструкции пресса. Особенностью конструкции предлагаемого прессэкструдера является наличие двух валов с закрепленными на
них рабочими узлами (набор шнеков и кулачков), вращающихся
синхронно в одну сторону.
Такая конструкция позволяет совместить несколько технологических операций в одном корпусе, поддерживать заданный
температурный режим по зонам, а также легко менять рабочие
узлы пресса в зависимости от перерабатываемого сырья.
Масло получается методом многократного сжатия и диспергирования обрабатываемой сырьевой массы с двухступенчатым
отжатием масла в зеерных камерах без предварительной тепловой обработки сырья, т. к. она осуществляется непосредственно
в прессе.
Пресс шнековый экструдер FARMOL-360 поставляется
изготовителем полностью собранным, отрегулированным на
оптимальный отжим масла из культуры, указанной заказчиком. Пресс шнековый экструдер должен эксплуатироваться
Рисунок 1.13 – Экструдер FARMOL-360
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в закрытых помещениях, при температуре окружающей среды 15...40 °С. Пресс работает без вибрации и в специальном
фундаменте не нуждается; имеет 1 класс защиты по ГОСТ
12.2.007.0 и степень защиты от поражения электрическим током 1Р-22.
Пресс шнековый экструдер рассчитан на длительный срок
эксплуатации. Частичный износ узлов и деталей, непосредственно соприкасающихся с перерабатываемым сырьем, наступает
после переработки около 600 тонн семян. Он может наступить
гораздо раньше при переработке потребителем сырья очень низкой масличности и повышенной сорности (с песком, песчаной
пылью и другими твердыми примесями).
Наличие двух рабочих валов является уникальной особенностью маслопресса, позволяющей достичь более глубокого
разрушения клеточной структуры семян с повышением выхода
масла при малых давлениях и температурах, что в несколько раз
продлевает срок службы рабочей зоны, увеличивает надежность
и резко снижает эксплуатационные расходы (табл. 1.8).
Таблица 1.8 – Технические характеристики
экструдера FARMOL-360
Характеристика
Значение
Производительность
360 кг/ч (по подсолнечнику)
Габаритные размеры
3350×1000×1050 (мм)
Потребляемая мощность
35 кВт, 380 В
Установленная мощность
до 35 кВт
Двигатель
11 кВт
Вес
до 1350 кг
Обслуживающий персонал
1 человек
Выход масла (в зависимости от масличности и влажности семян)
36 ÷ 42%
Тепловая обработка сырья осуществляется непосредственно в прессе
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Получение высококачественных растительных масел с одновременным получением жмыха или шротов всегда являлось актуальной технологической задачей. В последнее время вместе
с перспективным импортным и отечественным прессовым оборудованием в промышленном комплексе России, перерабатывающем масличное сырье, появились технологии, основанные
на производстве и переработке сырья с помощью мини-заводов
(линий, схем).
На сегодняшний день действующими технологическими
схемами являются ЛОРМ-450 и ЛМ-1, комплект по переработке сои М8-КПС, линия М8-МКИ, маслоотжимной агрегат
Т7-МОА, установка по производству биотоплива из рапса
CAF 200-1, линия производства полнорационных экструдированных комбикормов, комплект оборудования для производства
полуобезжиренной белковой добавки на основе соевого сырья
[3, 24, 43, 88, 134].
В области современных научных разработок шнековых
конструкций и прессующих механизмов для отжима жидкой
фазы вызывают интерес следующие изобретения: патенты РФ
№ 2262441, № 2269420, № 2271278, № 2251486, № 2271931,
№ 2399493, № 2401199 [92, 94, 95, 96, 97, 98]. Новизна и ценность конструктивных разработок экструзионной техники для
отжима растительного масла предопределили поставленные
цели и задачи исследования – повышение эффективности работы экструдера на основе структурно-параметрического синтеза
для производства рапсового масла.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОЦЕССА ЭКСТРУДИРОВАНИЯ
С ОТТОКОМ ЖИДКОЙ ФАЗЫ
2.1 Системный подход к моделированию
и оптимизации технологических объектов
Системным анализом называется логически связанная совокупность теоретических и эмпирических положений из области
математики, естественных наук и опыта разработки сложных
систем, обеспечивающих повышение обоснованности решения
конкретной проблемы.
Система – целенаправленное множество взаимосвязанных
элементов любой природы.
В системном анализе используются как математический аппарат общей теории систем, так и другие качественные и количественные методы из области математической логики, теории
принятия решений, теории эффективности, теории информации,
методов искусственного интеллекта, методов моделирования и
др. [30].
Метод системного анализа включает в себя:
– разработку общей схемы решения поставленной проблемы, включая построение обобщенной модели, и целевых программ;
– декомпозицию сложных систем, сложных объектов и операций их разработки и применения;
– методические основы формирования альтернатив;
– способы формирования целей и задач, назначение и согласование критериев;
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– общую методологию подготовки и обоснования решений,
включая неформальные процедуры.
Под анализом понимают разложение целого на части так,
чтобы в дальнейшем соединить части в единое целое, то есть
провести синтез. Анализ позволяет получить и систематизировать знания об объекте.
Делить объекты на элементы имеет смысл до тех пор, пока
сохраняется «системное качество», описывающее свойства объекта как системы.
Цель декомпозиции в техническом плане – упростить задачу формирования сложной системы путем рассмотрения ее по
частям.
При системном подходе к моделированию систем необходимо, прежде всего, четко определить цель моделирования. Поскольку невозможно полностью смоделировать реально функционирующую систему, создается модель под поставленную
проблему. Таким образом, применительно к вопросам моделирования цель возникает из требуемых задач, что позволяет подойти к выбору критерия и оценить, какие элементы войдут в
создаваемую модель. Поэтому необходимо иметь критерий отбора отдельных элементов в создаваемую модель [46].
Важным для системного подхода является определение
структуры системы – совокупности связей между элементами
системы, отражающих их взаимодействие. Структура системы может изучаться извне с точки зрения состава отдельных
подсистем и отношений между ними, а также изнутри, когда
анализируются отдельные свойства, позволяющие системе
достигать заданной цели, т. е. когда изучаются функции системы. В соответствии с этим наметился ряд подходов к исследованию структуры системы с ее свойствами, к ним относятся структурный и функциональный подходы (рис. 2.1)
[100, 128].
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СИСТЕМНЫЙ
ПОДХОД
СТРУКТУРНЫЙ
ПОДХОД
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ
ПОДХОД
Рисунок 2.1 – Подходы к исследованию структуры системы
При структурном подходе выявляются состав выделенных
элементов системы и связи между ними. Совокупность элементов и связей между ними позволяет судить о структуре системы.
Наименее общим является функциональное описание, когда
рассматриваются отдельные функции, то есть алгоритмы поведения системы, и реализуется функциональный подход, оценивающий функции, которые выполняет система, причем под
функцией понимается свойство, приводящее к достижению
цели. Поскольку функция отображает свойство, а свойство отображает взаимодействие системы с внешней средой, то свойства
могут быть выражены в виде либо некоторых характеристик
элементов и подсистем системы, либо системы в целом [128].
Процесс синтеза модели на базе системного подхода условно
представлен на рисунке 2.2.
Данные
Данные
Критерии
выбора
Требования
Цель
…
Подсистемы
Элементы
Выбор
Модель
Требования
Рисунок 2.2 – Синтез модели на основе системного подхода
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Математические модели динамических систем, которыми
являются технологические объекты, могут быть подвержены
декомпозиции и позволяют проводить анализ на количественном уровне при помощи компьютерных технологий. Это новый
и весьма перспективный метод анализа технологического оборудования, позволяющий не проводить дорогостоящие физические эксперименты [47, 106].
При создании технических устройств и систем различного
назначения обычно рассматривают несколько возможных вариантов проектных решений, ведущих к намеченной цели. Учет
противоречивых требований и поиск компромисса предполагают наличие достаточно полной и достоверной количественной
информации об основных параметрах, которые характеризуют
возможные для выбора альтернативы.
Условная схема, определяющая последовательность проведения отдельных этапов общей процедуры вычислительного
эксперимента, показана на рисунке 2.3. Исходной позицией этой
схемы служит технический объект, под которым понимают конкретное техническое устройство, машину или технологический
процесс [48].
На первом этапе осуществляют неформальный переход от
рассматриваемого технического объекта (разрабатываемого или
существующего) к его расчетной схеме. В зависимости от направленности вычислительного эксперимента и его конечной цели выделяются те свойства, условия работы и особенности технического объекта, которые вместе с характеризующими их параметрами
должны найти отражение в расчетной схеме. А также аргументируют допущения и упрощения, позволяющие не учитывать в расчетной схеме те качества технического объекта, влияние которых
предполагают в рассматриваемом случае несущественными.
В общем виде система уравнений, описывающих процесс
механического взаимодействия обрабатываемого материала с
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Технический
объект
1
Расчетная
схема
2
Математическая
модель
3
Рабочая
математическая
модель
Алгоритм
Практические
рекомендации
7
Упрощенный
вариант
математической
модели
4
5
Программа
6
Рисунок 2.3 – Этапы проведения вычислительного эксперимента
рабочими органами технологической машины, состоит из уравнений движения этого материала в рабочем пространстве машины.
Во всех математических моделях присутствуют два вида
величин – внешние, которые для данной модели являются известными, и внутренние, которые вычисляются из соотношений модели, если известны начальное состояние процесса и все
внешние величины. Внешние величины, в свою очередь, можно
разделить на три группы:
– величины, которые являются характеристиками данного
процесса;
– величины, которые описывают влияние на изучаемый процесс некоторых внешних по отношению к нему процессов;
– величины управления, которые находятся в распоряжении
управляющих органов, с помощью которых можно оказывать
влияние на процесс.
Внешние величины, не являющиеся управляющими, подлежат экспериментальному определению.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Внутренней характеристикой механико-математической модели удобнее всего выбрать напряженное состояние обрабатываемого материала на контактных поверхностях рабочих органов
машины. Исходя из требований получения готовой продукции,
формируются геометрические, конструктивные и кинематические параметры технологического процесса. Учитывая свойства
сырья, механическое воздействие рабочих органов машины,
происходят изменения реологических свойств обрабатываемого
материала [72, 106].
На рисунке 2.4 показано формирование математической модели для одношнекового экструдера с оттоком жидкой фазы и с
учетом требований к готовой продукции.
СЫРЬЕ
семена рапса
влажность, масличность
скорость
вращения
шнека
внутренняя характеристика
системы
Конструктивные параметры
Геометрические параметры
Температура протекания технологического процесса
Реологические свойства обрабатываемого материала
Индекс течения
Коэффициент консистенции
Сырье для биотоплива
Корм для животных
РАПСОВОЕ МАСЛО
кислотное число
• перекисное число
• массовая доля влаги и летучих веществ
• массовая доля нежировых примесей
• массовая доля фосфорсодержащих
веществ
•
ГРАНУЛЫ
прочность
• крошимость
• вкусовые и потребительские
свойства
•
Рисунок 2.4 – Формирование математической модели на основе
системного подхода
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Взаимодействие рабочих органов приводит к существенным
изменениям качественных характеристик обрабатываемого материала, под воздействием сил трения создается определенная
температура технологического процесса, а это существенно влияет на реологические свойства сырья. В результате происходит
отток рапсового масла, которое имеет определенные свойства.
Нас интересуют в данном случае именно те свойства, которые
характеризуют качество сырья для биотоплива. Жмых должен
иметь хорошие потребительские свойства, чтобы использоваться в качестве полноценного корма. С учетом этих требований
к результату процесса экструдирования необходимо проводить
векторную оптимизацию, т. е. подобрать такие геометрические,
конструктивные параметры и кинематические параметры, чтобы параметры, оценивающие потребительские свойства готовой
продукции, имели достаточные значения.
Векторную оптимизацию рабочих органов можно провести
по методу рабочих характеристик.
Множество параметров Pk (где k – множество качеств и
свойств технического объекта) может быть представлено в виде
Pk = Pk(A, B, C...).
Ограничения параметров имеют вид:
(2.1)
(2.2)
(2.3)
– возможные уровни ограничения параметров.
До начала оптимизации исследователь должен определить
ограничения параметров в виде (2.1, 2.2) или (2.3). При построении рабочих характеристик первого, второго, третьего и так
далее до k-го параметра необходимо включать эти ограничения
в число определяемых значений, причем таким образом, чтобы в
область допустимых значений попало достаточное число функциональных зависимостей рабочих характеристик.
где
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тогда в принятой системе координат функциональные зависимости на рабочей поверхности ограничат оптимальный
участок, если таковой имеется. В случае необходимости оптимальный участок может быть ограничен значениями основных
параметров в виде wo = const.
Внутренняя характеристика системы позволяет использовать модель векторной оптимизации, которая представляет собой подсистему, состоящую из трех элементов (рис. 2.5).
Выбор
параметров
оптимизации
Определение
граничных
условий
Построение
оптимизационной
области
Рисунок 2.5 – Модель векторной оптимизации
2.2 Формирование математической модели
с учетом оттока жидкой фазы
Система одношнекового прессующего механизма является
сложной из-за сложности взаимодействия звеньев механизма
с обрабатываемым материалом. Система уравнений движения
прессуемого материала допускает приближенную декомпозицию по зонам рабочего пространства, в которых различные граничные условия прессующего механизма определяют внутреннюю характеристику системы, параметры процесса и их связь
с конструктивными параметрами механизма, реологическими
параметрами прессуемого материала [49]. Это позволяет проводить оптимизацию конструкции экструдера и технологического
процесса экструдирования на стадии эскизного проектирования
машины.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Прессующий механизм в общем случае состоит, как показано на рисунке 2.6, из шнека, компрессионного затвора, матрицы,
загрузочного устройства и шнекового цилиндра, в котором имеются отверстия для оттока масла (последний компрессионный
затвор и матрица образуют головку экструдера).
Взаимодействие прессуемого материала с рабочими органами связано с движением материала в пространстве между этими
органами.
Рассмотрение действительного механизма затруднительно
из-за сложности пространства между рабочими органами экструдера. Все поверхности указанных полостей являются развертывающимися цилиндрическими и коническими и при развертке представляют несколько пар параллельных между собой
плоскостей, которые будем полагать неограниченными. Прес1
2
3
4
7
5
6
lф
by
bл
dф
D1
bк
Dк
tл
σ2I
sш
tк
i-секция
σм
σ1
σ0
Рисунок 2.6 – Схема прессующего механизма:
1 – загрузочное устройство; 2 – корпус; 3 – шнек; 4 – компрессионный затвор;
5 – головка экструдера; 6 – матрица; 7 – отверстия для оттока масла; Dк – диаметр цилиндра, м; D1 – внешний диаметр винтовой линии шнека, м; by – высота
зазора между цилиндром и вершиной лопасти шнека, м; bл – высота шнекового
канала, м; bк – высота компрессионного затвора, м; lф – длина канала фильеры, м;
dф – диаметр фильеры, м; σ0, σм, σ1 , σ2I – напряжения в прессуемом материале
в фильере, матрице, первой и последующих секциях; tл – толщина лопасти шнека, м; sм – шаг винтовой лопасти, м; tк – осевая протяженность компрессионного
затвора, м
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
суемый материал расположен между парой рассматриваемых
плоскостей, образующих рабочие участки.
Движение прессуемого материала можно представить как
движение между парами параллельных плоскостей, при этом
сохраняется свойство непрерывности объемной производительности в шнековом механизме. Исключение составляют осесимметричные каналы фильер, для которых имеется собственное
решение задачи течения экструдируемого материала [48].
Для более точного описания процесса разобьем экструдер на
секции. Секцией в общем случае будем называть элементарный
шнековый прессующий механизм с условно постоянными параметрами процесса прессования. Секция может оканчиваться
матрицей либо компрессионным затвором – участком механизма, на котором лопасть шнека прерывается и проходное сечение
уменьшается. Компрессионный затвор может быть фиктивным,
если параметры процесса прессования изменяются при непрерывных лопастях шнека [48, 47].
Матрицу будем полагать эквивалентной компрессионному
затвору и вместе с прилегающей частью шнека считать первой
секцией прессующего механизма. Схема модели шнекового канала представлена на рисунке 2.7.
Обработку материалов растительного происхождения в экструдере можно представить как течение псевдопластической
жидкости и описать их движение уравнением Оствальда – де
Виля, связывающем напряжение сдвига τxy со скоростью сдвига :
(2.4)
где μ' – коэффициент консистенции материала;
n – индекс течения, характеризующий отклонение свойств
данного материала от свойств ньютоновской жидкости.
Задача сводится к решению системы уравнений (2.5):
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
i = 2, 3.., I, (2.5)
где I – число всех секций в шнековом механизме;
m = 1 / n;
σм, σ1 – напряжения в прессуемом материале соответственно
в матрице и в первой секции;
k1, ki – коэффициенты оттока жидкой фазы;
kф – число фильер в матрице;
Zi – коэффициент, учитывающий реологические свойства материала, геометрические размеры компрессионного затвора
и характер движения материала в компрессионном затворе, а
также потери на местные сопротивления;
,
(2.6)
где bкi – радиальная высота компрессионного затвора в i-й секции шнекового механизма;
tкi – осевая протяженность компрессионного затвора в i-й
секции шнекового механизма;
c – коэффициент местных сопротивлений головки;
Rкi – гидравлический радиус канала компрессионного затвора в головке;
Yi – коэффициент, определяющий максимально возможный
расход в канале с учетом его геометрических размеров, отклонение формы канала шнека от прямоугольной, искажение
формы канала;
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
y
секция i
секция (i + 1)
секция (i + 2)
1
vc
σ+dσ
τxy
σ
bлi
2
τxy
τxy
bл(i+1)
bл(i+2)
y0i
dx
x
y0(i+1)
y0(i+2)
xшi
σ2i–1
xш(i+1)
σ2i = σ2i+1
xш(i+2)
σ2i+2 = σ2i+3
σ2i+4
Рисунок 2.7 – Схема модели шнекового канала:
1 – плоскость, замещающая шнековый цилиндр; 2 – плоскость, замещающая дно
шнекового канала
(2.7)
kиni – коэффициент искажения пространства i-й секции,
определяется зависимостью:
;
(2.8)
kfi – коэффициент формы канала шнека, учитывающий отклонение площади поперечного сечения канала от площади
описанного прямоугольника в i-й секции;
bлi – радиальная высота шнекового канала i-й секции шнекового механизма;
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
snci – нормальный шаг винтовой лопасти i-й секции на цилиндрической поверхности диаметром Dk:
snci = sшi cosαi;
qi – число лопастей шнека (число заходов);
tnci – нормальная толщина вершины лопасти на цилиндрической поверхности диаметром Dk:
tnci = tлi cosαi;
vcшi – относительная скорость поверхности шнекового цилиндра вдоль шнекового канала:
vcшi = vc cosαi;
vc – относительная окружная скорость поверхности шнекового цилиндра диаметром Dk;
αi – угол подъема винтовой лопасти i-й секции шнека на цилиндрической поверхности диаметром Dk;
σ2i–1, σ2i – нормальные напряжения в прессуемом материале
в соответствующих секциях;
Ai – коэффициент, учитывающий реологические свойства
материала, геометрические размеры канала шнека, характер
движения, отклонения формы канала шнека от прямоугольной и искажение формы канала по сравнению с пространством между параллельными плоскостями, а также геометрические размеры полости утечек и характер движения материала в полости утечек.
Ai = Aшi – Aуi ,
(2.9)
xшi – протяженность развертки на плоскость шнекового канала i-й секции;
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
y0 – координата плоскости, в которой касательные напряжения равны нулю (рис. 2.7).
Для случая 0 ≤ y0 ≤ hш обозначим скорость движения материала в области y < y0 через vx1, а в области y > y0 через vx2. Сделав
ряд преобразований, получим:
при y ≤ y0,
при y ≥ y0,
где
,
.
,
(2.10)
где byi – радиальная высота зазора между поверхностью шнекового цилиндра и вершиной лопасти шнека i-й секции шнекового механизма;
xnyi – осевая протяженность зазора утечек xnyi = ki tnci;
ki – число шагов винтовых лопастей в i-й секции шнекового
механизма.
Параметр X для цилиндрических каналов фильер равен:
,
(2.11)
где dф – диаметр фильеры;
lф – длина канала фильеры;
m = 1 / n.
Решение системы уравнений (2.5) сводится к нахождению
σм, σ1, σi, а далее рассчитываются производительность экструдера по жмыху и по маслу, мощность, сила, действующая на рабочие органы, кпд.
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент оттока жидкой фазы между i-й и (i – 1)-й и секциями прессующего механизма:
где QI – подача материала в I-ю секцию прессующего механизма;
Qoi – расход жидкой фазы из i-й секции.
Производительность шнекового пресса-экструдера Qм определена количеством продукта, проходящего через формующие
каналы матрицы и отверстия в зеере в единицу времени:
(2.12)
где ρ1 – плотность прессуемого материала в первой секции прессующего механизма.
Для оценки качества процесса экструдирования масличного
сырья Р.Ф. Сагитов предложил использовать в качестве критерия K относительную производительность прессующего механизма, записанную в виде выражения:
,
(2.13)
где ki – коэффициент оттока в i-й секции по длине сепарирующего цилиндра.
Мощность N сил полезного сопротивления шнекового прессующего механизма составлена из мощностей Ni полезного сопротивления прессованию материала в каждой секции, то есть
(2.14)
С другой стороны, мощность сил полезного сопротивления
секции равна:
Ni = Nшi + Nyi + Nкi ,
(2.15)
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Nшi, Nyi, Nкi – соответственно мощности сил полезного сопротивления в канале шнека, в зазоре утечек и в компрессионном затворе i-й секции прессующего механизма.
Мощность сил полезного сопротивления в канале i-й секции
шнека можно определить, проинтегрировав касательные напряжения на верхней пластине. Получим:
,
(2.16)
т.е. мощность, которая расходуется в зазоре утечек i-й секции.
Мощность Nyi можно записать через Li – осевую протяженность i-й секции:
(2.17)
Мощность, расходуемая в компрессионном затворе i-й секции, определяется аналогично зазору утечек с учетом геометрических параметров компрессионного затвора:
(2.18)
Нагрузка на рабочие органы прессующего механизма может
быть оценена усилием в сечении с максимальным давлением,
действующим в прессующем механизме:
,
(2.19)
а также крутящим моментом, действующим на шнек, равным
Для характеристики качества гранул введены параметры:
Sσ – импульс напряжений сжатия и Sτ – импульс напряжений
сдвига прессуемого материала в механизме. Условие образования прочной гранулы оценивается импульсом Sσ сжимающих
напряжений σc, сообщаемым готовому продукту за время его
прессования. Условие смешивания и гомогенизации продукта
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
определяется импульсом Sτ касательных напряжений τ, воздействующих на прессуемый материал за время его пребывания в
прессующем механизме экструдера. В структуре шнекового механизма (рис. 2.6) эти импульсы напряжений получают существенное значение в винтовых каналах шнека, в фильерах матрицы, компрессионных затворах прессующего механизма [32].
Импульс сжимающих напряжений, получаемый потоком
прессуемого материала, определен зависимостью:
(2.20)
где Sσм – импульс сжимающих напряжений, получаемый материалом в фильерах матрицы;
Sσкi, Sσшi – импульс сжимающих напряжений соответственно
в компрессионном затворе и канале шнека i-й секции.
По определению, импульс, получаемый продуктом в канале
шнека i-й секции,
,
(2.21)
где tшi – время нахождения продукта в канале шнека.
Для компрессионного затвора:
(2.22)
где tкi – время нахождения продукта в компрессионном затворе.
Для канала фильеры матрицы:
(2.23)
где tм – время прессования продукта в матрице пресса.
Время прессования в шнековом канале, в компрессионном
затворе, в фильерах матрицы соответственно:
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Импульс напряжений всестороннего сжатия прессуемого материала в полости утечек:
(2.24)
где tyi – время прессования в полости утечек.
Время прессования в полости утечек определим аналогично
компрессионному затвору:
xnyi = tnci ki ,
где ki – число шагов лопасти шнека в i-й секции механизма;
tnci – нормальная толщина лопасти на наружном диаметре
шнека.
Общий импульс касательных напряжений, получаемый материалом в шнековом прессующем механизме, равен:
.
(2.25)
Импульс касательных напряжений в зазоре утечек, ввиду
малости потока утечек, можно рассматривать только с позиции предотвращения деструкции материала. Благодаря этому
в плане гомогенизации этот импульс касательных напряжений
не должен учитываться. Поскольку у нас экструдируется сырье,
состоящее из одного компонента, то этот параметр для нас не
представляет интерес.
Для одношнекового прессующего механизма, разделенного
компрессионными затворами (рис. 2.6) на I секций, коэффициент полезного действия имеет вид:
.
84
(2.26)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.3 Исследование влияния геометрических
и конструктивных параметров рабочих
органов экструдера на отток жидкой фазы
Для проведения экспериментов были использованы геометрические параметры малогабаритного пресс-экструдера
ПЭШ-30/4, модернизированного для получения растительного
масла и жмыха. Использовали реологические параметры рапса сорта «Ратник» яровой при влажности сырья 7,49% (ГОСТ
10856-96) и масличности 42,92% (ГОСТ 10857-64) [49].
Вычислительный эксперимент показан на рисунке 2.8 [124]
(Приложение В).
Конструктивные исходные данные следующие: диаметр корпуса Dk = 0,0552 м; диаметр фильеры матрицы dф = 0,008 м; длина фильеры матрицы dф = 0,1 м; высота компрессионного затво-
Рисунок 2.8 – Вычисление технико-экономических параметров
процесса экструдирования с оттоком рапсового масла
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ра bк = 0,0041 м; ширина компрессионного затвора tк = 0,05 м;
высота зазора утечек by = 0,0005 м; угол подъема винтовой лопасти α = 13°; число заходов шнека равно 1.
Скорость вращения шнека принимала значения: 10, 13, 15,
20, 23 рад/с. Изменяли шаг (0,03 – 0,05 м), высоту (0,01 – 0,014 м)
и толщину лопастей шнека (0,003 – 0,022 м).
В результате получили характеристики, показанные на рисунке 2.9.
Анализ проведенных экспериментов показал, что изменение геометрических параметров шнека влияет на отток жидкой
фазы, увеличение числа витков шнека и высоты лопасти шнека
увеличивает отток масла. Можно подобрать такие геометрические параметры шнека, при которых производительность и отток масла будут оптимальными.
Провели исследования экструдирования рапса на экструдере,
имеющем переменный шаг винтовой лопасти шнека [37].
Q, кг/ч
Qж(bл)
30
Qж(sш)
Qж(tл)
Qм(bл)
20
Qм(sш)
10
Qм(tл)
0,01
0,011
0,012
0,013
0,014
bл, м
0,003
0,008
0,012
0,017
0,022
tл, м
0,03
0,035
0,04
0,045
0,05
s ш, м
Рисунок 2.9 – Зависимости производительности экструдера
от геометрических размеров шнека
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для проведения вычислительного эксперимента использовали два шнека: первый имел толщину лопасти tл = 8 мм, шаг
sш = 32 мм, высоту лопасти bл = 12,5 мм, второй состоял из двух
частей – в первой части шаг sш1 = 32 мм, во второй части шаг
sш1 = 28 мм, высота и толщина лопасти остаются без изменений.
Размеры остальных параметров остаются теми же, что и описанные выше.
Поскольку геометрические размеры шнека изменяются, то
мы разбили его на две части с учетом изменяющихся параметров, как показано на рисунке 2.10.
Рисунок 2.10 – Ввод значений конструктивных
параметров по секциям
Из результатов эксперимента получили, что производительность экструдера по маслу при использовании шнека, состоящего из двух частей и имеющего разный шаг, больше по сравнению
с использованием шнека с постоянным шагом винтовой лопасти. На рисунке 2.11 показан расчет технико-экономических по87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
казателей экструдера со шнеком, имеющим разный шаг винтовой лопасти.
На рисунке 2.12 показаны сравнительные характеристики
производительности экструдера по маслу, полученные расчетным путем с переменным (1) и постоянным шагом (2) при разной скорости вращения шнека.
Рисунок 2.11 – Результаты расчетов при экструдировании семян рапса
с переменным шагом винтовой лопасти
Q, л/ч
15
1
10
2
5
10
15
20
25
ω, рад/с
Рисунок 2.12 – Зависимость производительности экструдера
от скорости вращения шнека:
1 – шнек с переменным шагом лопасти; 2 – шнек с постоянным шагом лопасти
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Провели исследование влияния величины компрессионного
затвора на технико-экономические характеристики технологического процесса.
Для проведения вычислительного эксперимента были выбраны следующие исходные данные: высота лопасти шнека bл = 0,0076 м; толщина лопасти шнека tл = 0,0092 м; шаг
sш = 0,0357 м; диаметр фильеры матрицы dф = 0,011 м; длина
фильеры матрицы lф = 0,1 м. Остальные значения параметров
оставили без изменений [35].
Вычисления проводили при двух скоростях ω = 10 рад/с и
23 рад/с. Изменяли высоту bк и ширину tк компрессионного затвора. Взяв tк = 0,05, изменяли bк: 0,003; 0,0035; 0,004; 0,0045;
0,005 в (м). Затем при bк = 0,005 м изменяли ширину компрессионного затвора tк: 0,03; 0,04, 0,05; 0,06; 0,07 в (м).
В результате получили характеристики зависимости производительности экструдера по жмыху и по маслу от высоты и ширины компрессионного затвора (рис. 2.13).
Qж(hк), ω = 23
Q, л/ч
Qж(хк), ω = 23
Qж(hк), ω = 10
20
Qж(хк), ω = 10
Qм(hк), ω = 23
15
Qм(хк), ω = 23
Qм(hк), ω = 10
10
Qм(хк), ω = 10
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
хк, м
0,003
0,0035
0,004
0,0045
0,005
hк, м
Рисунок 2.13 – Зависимости производительности экструдера
от геометрических размеров компрессионного затвора
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Анализируя полученные результаты, мы установили, что с
увеличением высоты компрессионного затвора производительность увеличивается, а при увеличении ширины незначительно
снижается. Изменение геометрических размеров компрессионного затвора влияют на отток жидкой фазы, варьируя этими
параметрами, можно получить такое соотношение параметров,
при которых отток масла будет наибольшим.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА
ЭКСТРУДИРОВАНИЯ СЕМЯН РАПСА
3.1 Общая методика проведения эксперимента
Программа исследований предусматривала проведение экспериментов, которые были реализованы в несколько этапов:
– подготовка экспериментальной установки для экструдирования семян рапса на одношнековых прессах-экструдерах;
– подготовка оборудования и измерительной аппаратуры;
– проведение опытов и анализ результатов проб полученных
продуктов – рапсового масла и жмыха;
– проведение вычислительного эксперимента, обработка и
анализ полученных данных.
Экспериментальные исследования проводились на кафедре
«Машины и аппараты пищевых производств» государственного
образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет».
3.2 Экспериментальная установка,
приборы и оборудование, используемые
в исследованиях
Основной экспериментальной установкой по исследованию процесса экструзии в условиях отжима жидкой фазы из
семян рапса с целью получения высококачественного масла
как основного компонента биотоплива стал малогабаритный
универсальный пресс-экструдер ПЭШ-30/4, выпускаемый
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОАО «Орстан». Техническая характеристика пресса и геометрические параметры его рабочих органов приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Техническая характеристика и геометрические
параметры пресса-экструдера ПЭШ-30/4 для получения
рапсового масла и жмыха
Наименование показателя
Габариты, длина×ширина×высота, м
Масса, кг
Значение
1,705×0,73×1,505
480
Производительность паспортная не ниже, кг/ч
30
Мощность электродвигателя, кВт
7,5
Частота вращения электродвигателя, об/мин
1440
Напряжение сети, В
380
Передаточное число редуктора
10
Угловые скорости шнека, обеспечиваемые набором
сменных шкивов, рад/с
Длина рабочей части шнека, м
Число заходов шнека
Внутренний диаметр корпуса, м
Наружный диаметр шнека, м
10; 13; 15; 20; 23
0,515
1
0,0554
0,0546
Шаг винтовой лопасти шнека, м
0,032 – 0,047
Осевая толщина лопасти шнека, м
0,006 – 0,021
Расстояние между шнеком и цилиндром, м
0,008
Средний диаметр насадки на конце шнека, м
0,047
Осевая протяженность насадки, м
0,05
Число фильер
1
Длина фильеры, м
0,04
Диаметр фильеры, м
0,008
Пресс имеет сменные шнеки. На выходном конце шнеков для
дополнительной гомогенизации материала и сглаживания пульсаций давления, вызванных вращением шнека, установлена обтекаемая цилиндрическая насадка типа «торпедо», образующая
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
со стенками шнекового цилиндра зазор меньший, чем глубина
канала шнека. Такая насадка имеет шесть продольных канавок
прямоугольного сечения и выполняет функции компрессионного
затвора. Привод шнека осуществляется от асинхронного двигателя посредством клиноременной передачи через редуктор. Для
изменения угловой скорости вращения шнека имеется комплект
сменных шкивов клиноременной передачи. Головка пресса позволяет устанавливать матрицы различной конструкции. Внешний вид экспериментальной установки показан на рисунке 3.1.
Для осуществления возможности прессования материалов
растительного происхождения с оттоком жидкой фазы при различных режимах пресс-экструдер был модернизирован. Вместо
шнекового корпуса использовали зеерный цилиндр. Зеерный
стальной цилиндр для отжима растительного масла из семян
рапса имеет конструкцию, представленную на рисунке 3.2.
4
3
2
6
5
1
Рисунок 3.1 – Общий вид экструдера ПЭШ-30/4:
1 – станина; 2 – редуктор; 3 – загрузочная воронка; 4 – зеерный цилиндр; 5 – формующая головка; 6 – пульт управления
93
Рисунок 3.2 – Конструкция зеерного цилиндра
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зеерный цилиндр образует пространство, в котором расположен шнековый вал и осуществляется отжим масла. Под воздействием возникающего давления масло отжимается из мезги,
проходит через зазоры в зеерном цилиндре и собирается в сепарирующий цилиндр (кожух) со штуцерами для стока масла
(рис. 3.3).
Принцип работы экструдера заключается в следующем:
электродвигатель, установленный в станине 1, посредством ременной передачи приводит во вращение быстроходный вал редуктора 2, с тихоходного вала движение передается муфтой на
рабочий орган – шнек, расположенный в зерном цилиндре 4, который заканчивается формующей головкой 5. Питание экструдера осуществляется через смеситель с питающей воронкой 3,
соединенный непосредственно со шнековым корпусом, расположенным на станине 1 с электроприводом.
Установка, регулирование и контроль всех технологических
параметров процесса прессования семян рапса осуществляется
с помощью пульта управления 6, расположенного в зоне обслуживания экструдера на его станине.
Рисунок 3.3 – Сепарирующий цилиндр со штуцерами для стока масла
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Угловая скорость шнека, изменяемая установкой разного
диаметра шкивов ременной передачи, составляла 10, 13, 15, 23
рад/с и измерялась с помощью тахометра.
Для измерения мощности, расходуемой на прессование, применяли ваттметр марки Д 539 (ГОСТ 8476-93) с нагрузочным
трансформатором тока УТТ-5М (ГОСТ 51974-73).
Контроль температуры велся в зоне формующей головки и в
зоне оттока жидкой фазы цифровым мультиметром М 838, имеющим термопару типа «К».
Взвешивание исходного сырья и анализируемых образцов
рапсового масла и жмыха производилось на лабораторных рычажных весах ГОСТ 19491-74.
Время отбора проб этих же образцов фиксировалось механическим секундомером ГОСТ 5072-72.
Для прессования семян рапса использовали одну фильеру
цилиндрического сечения диаметром 0,008 м и длиной 0,040 м.
3.3 Методика проведения эксперимента
Рапс – однолетнее или двулетнее растение семейства крестоцветных Cruciferae, роду капустных Brassica. В диком виде
не встречается. Произошел от скрещивания озимой или яровой
сурепицы с капустой огородной. Все растение покрыто восковым налетом. Имеет две формы: яровой рапс Brassica napus
annua (однолетний); озимый рапс Brassica napus biennis (двулетний).
Для экспериментального исследования процесса отжима
масла были использованы семена рапса ярового «Ратник» сорт
«00». Семена рапса мелкие, округлой формы, черной окраски.
Масса 1000 шт семян 3,4 – 4,7 г. Объемная масса семян около
636 кг/м³. Технологическая схема получения рапсового масла и
жмыха из сорта «Ратник» представлена на рисунке 3.4 (Приложение А).
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ɋɚɩɫ ɜ ɮɚɡɟ ɩɥɨɞɨɧɨɲɟɧɢɹ
ɜ ɜɢɞɟ ɫɬɪɭɱɤɨɜ
Ɋɚɩɫ ɜ ɮɚɡɟ ɰɜɟɬɟɧɢɹ
ɋɟɦɟɧɚ ɪɚɩɫɚ
ɥɨ
Ɋɚɩɫɨɜɨɟ ɦɚɫɥɨ
Ɋɚɩɫɨɜɵɣ ɠɦɵɯ
Рисунок 3.4 – Технологическая схема получения рапсового масла
Благодаря высокому потенциалу продуктивности и адаптивности, качеству семян «Ратник» вполне конкурентоспособен в Северном, Северо-Западном, Волго-Вятском, Центрально-Черноземном,
Северокавказском, Средневолжском, Уральском, Западносибирском и Восточносибирском регионах, по которым он внесен в Госреестр и допущен к использованию в производстве.
Выбор экспериментального базового сырья для производства рапсового масла был обусловлен выбором культуры именно
ярового рапса согласно следующим его преимуществам:
1) скороспелая, холодостойкая, высокоурожайная, высокопродуктивная кормовая культура;
2) способна формировать высокий прирост вегетативной
массы;
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3) возделывание в качестве повторной культуры дает возможность повысить продуктивность пашни за счет интенсификации полевого кормопроизводства;
4) выход белка с 1 га посева при урожайности семян 10 ц/га
составляет 300 кг;
5) полученный шрот из семян рапса содержит 35 – 40% белка.
Таким образом, значимость ярового рапса для Оренбургской
области возрастет за счет расширения его посевов на маслосемена, что способствует удовлетворению возрастающего спроса
для промышленности – сырье для производства биотоплива, а
для животноводства – ценный высокобелковый шрот.
Качество масличных семян рапса оценивалось по следующим показателям: без сорной примеси, с масличностью при
анализе – 42,92% и масличностью семян на абсолютно сухое вещество – 43,83%, с кислотным числом масла в семенах рапса –
2,05%. Процесс прессования исходного сырья велся при фиксированном значении влажности: W = 7,49%. Содержание эруковой
кислоты в масле согласно сорту «Ратник» составляет 0,0 – 0,5%,
глюкозинолатов в шроте 0,4 – 0,7% (9,4 – 16,4 ммоль/г).
Результаты экспертизы качества масличных семян рапса были
представлены согласно ГОСТ 10854-88, 10856-96, 10857-64,
10858-77 ОАО «Оренбургский маслоэкстракционный завод».
Прессование семян рапса проводилось на четырех шнеках с
различным шагом и шириной лопасти, как показано на рисунках
3.5 – 3.8. В таблице 3.2 показаны геометрические размеры параметров шнека.
Процесс отжима рапсового масла можно рассматривать следующим образом. Маслосодержащее сырье поступает в загрузочную воронку экструдера. Одновременно с этим с помощью
привода вращается шнек, прессуя и транспортируя сырье по направлению зеерного цилиндра. В зазоре между винтовыми лопастями шнека и зеерным цилиндром происходит интенсивное
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
измельчение жома и отделение масла. Далее при перемещении
продукта из него отжимается жидкая фаза вплоть до стока через
отверстия из зеерного цилиндра и осуществляется выход жмыха
под высоким давлением через фильеру матрицы.
Рисунок 3.5 – Шнек № 1 (шаг лопасти sш = 0,032 м,
ширина лопасти tл = 0,006 м)
Рисунок 3.6 – Шнек № 2 (шаг лопасти sш = 0,032 м,
ширина лопасти tл = 0,008 м)
Рисунок 3.7 – Шнек № 3 (шаг лопасти sш = 0,047 м,
ширина лопасти tл = 0,009 м)
Рисунок 3.8 – Шнек № 4 (шаг лопасти sш = 0,047 м,
ширина лопасти tл = 0,021 м)
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.2 – Геометрические размеры шнеков
№ шнека
1
2
3
4
bл, м
0,0125
0,0125
0,0125
0,0125
tл, м
0,006
0,008
0,009
0,021
sл, м
0,032
0,032
0,047
0,047
Процесс отделения рапсового масла от мезги в большой степени зависит от конструкции зеерного цилиндра и от суммарной
площади отверстий, которые должны обеспечивать свободный
выход масла и одновременно предотвращать выдавливание мезги через отверстия из зеера.
Степень заполнения отжимного устройства масличным материалом оказывает существенное влияние на производительность экструдера. При недостаточном заполнении объема зеерного цилиндра материалом не создается необходимого давления
на мезгу. В этом случае отжимное устройство транспортирует
мезгу до последней секции зеерного цилиндра. В ней материал подпрессовывается и начинается отток масла, при этом мезга
может закрыть выход маслу и забить отверстия. Масло в этом
случае выходит из пресса вместе со жмыхом-ракушкой и масличность жмыха возрастает.
С целью преодоления указанных недостатков возникает производственная необходимость в поиске усовершенствованных
конструктивных решений пресса-экструдера в режиме оттока
жидкой фазы.
Температура процесса экструзии является одним из наиболее важных технологических параметров, так как она оказывает
значительное влияние на качество получаемого продукта.
В ряде экспериментов контроль температуры осуществляют
непосредственным контактом экструдируемого продукта на выходе из фильеры матрицы ртутным термометром (ГОСТ 215-73),
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
что не позволяет получать точные значения температуры, так как
замер происходит с некоторым запозданием после выхода готового продукта. Таким образом, более точным методом измерения
температуры является применение цифрового минимультиметра, имеющим термопару и способным измерять температуру
в широких пределах, обладает достаточной точностью ±1 °С и
скоростью замера. Значение температуры считывается с дисплея
минимультиметра в °С. Замер происходит непосредственным
контактом термопары экструдируемого материала при выходе из
матрицы и отверстий для стока масла.
Угловая скорость вращения шнеков измеряется при помощи
тахометра. Вал тахометра посредством резинового ремня соединяется с тихоходным валом редуктора, что обеспечивает возможность получать точные значения угловой скорости на валу
шнека.
Мощность сил полезного сопротивления в шнековом прессующем механизме определяли по электрической мощности с
учетом потерь в двигателе и в передаточных механизмах по формуле:
(3.1)
N = (NW – Nхх) · ηобщ,
где NW – мощность, которую показывает ваттметр;
Nхх – мощность холостого хода двигателя (Nхх = 1,32 кВт);
ηобщ – общее кпд, включающее кпд ременной передачи, редуктора и подшипниковой опоры шнека (ηобщ ≈ 0,846) [7].
Производительность экструдера определяли следующим образом: за определенные промежутки времени (20 с) были взяты образцы рапсового масла и жмыха, которые взвешивали на
технических весах и определяли производительность как массу
образца за 1 с экструдирования, а затем вычисляли часовую производительность.
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.4 Отбор и обработка результатов
Общие подходы в области методики эксперимента и некоторые операции проводились ранее на различном сырье и при
различных режимах прессования [23, 105]. Выработанная целенаправленная последовательность действий была использована
при проведении данных экспериментальных исследований.
Шнековые прессы-экструдеры являются машинами непрерывного действия, у которых для первоначального пуска и вывода
пресса на данный регламентированный режим работы требуется
определенное количество времени и некоторое количество исходного сырья. Когда шнековый корпус и формующая головка получали равномерный нагрев по всему объему от трения прессуемого
материала о рабочие органы, тогда производили непрерывное дозирование масличного сырья с фиксированной влажностью.
Выход на режим контролировался по постоянству температуры процесса экструдирования и устойчивости потребляемой
мощности электродвигателя пресса. В ходе опыта за определенный промежуток времени (20 с) производили отбор проб масла
и жмыха при экструдировании масличного сырья, одновременно
при этом визуально фиксировали показания ваттметра, производили замер температуры. На рисунке
3.9 показан образец рапсового масла.
При экструдировании масличного сырья последовательность операций повторяли для одного диаметра
и длины цилиндрической фильеры, при четырех значениях угловой
скорости вращения шнека. Каждый
опыт выполнялся пять раз, по значимым результатам была определена
средняя производительность выхода
Рисунок 3.9 – Образец
рапсового масла и жмыха.
рапсового масла
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Полученные образцы взвешивали на технических весах,
определяли среднеарифметический показатель и находили часовую производительность для каждого замера (табл. 3.3).
Таблица 3.3 – Зависимости производительности пресс-экструдера
по рапсовому маслу и жмыху от мощности, частоты вращения
и геометрическим параметрам шнека
Номер
шнека
Мощность
N, кВт
Температура
масла, °С
Производитель- Производительность по маслу, ность по жмыху,
л/ч
кг/ч
Частота вращения 10, с–1
№1
1,71
77,0
4,70
17,69
№2
1,83
73,0
3,53
17,24
№3
1,60
71,7
5,08
13,08
№4
1,94
76,6
2,09
14,01
Частота вращения 13,
с–1
№1
2,34
88,4
11,76
16,93
№2
2,50
82,0
8,83
16,39
№3
2,18
89,3
7,77
17,31
№4
2,65
79,8
5,66
14,56
Частота вращения 15,
с–1
№1
2,78
72,0
17,40
17,40
№2
2,96
61,5
12,17
18,26
№3
2,60
89,0
10,49
19,47
№4
3,86
88,3
8,98
19,07
Частота вращения 23, с–1
№1
4,68
59,3
9,85
32,98
№2
4,78
55,3
6,42
34,34
№3
4,37
71,5
7,62
30,46
№4
5,30
74,0
4,32
31,70
Экспериментальные исследования проводили также с предварительно измельченными семенами рапса. Сырье измельчали на дробилке «Эликор-1», размером, соответствующим сетке
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 0,3 мм. Затем измельченные семена также подвергали экструдированию, результаты исследований представлены в таблице 3.4.
Таблица 3.4 – Производительность пресс-экструдера
(по маслу и жмыху) в зависимости от его модернизации
конструкции и узлов, экспериментально полученная
при частоте вращения  = 15, с–1 шнека № 1
Технологический
показатель
Производительность
по маслу, л/ч
Производительность
по жмыху, кг/ч
Экспериментальные семена
традиционные
измельченные предварисемена
тельно семена
5,20
6,08
18,70
21,51
Из таблицы видно, что при экструдировании предварительно измельченных семян рапса производительность экструдера
увеличивается по выходу масла на 17% и жмыха на 15% при
мощности сил полезного сопротивления 2,78 кВт в шнековом
прессующем механизме.
При исследовании процесса экструдирования семян рапса с
оттоком жидкой фазы также использовали шнек с переменным
шагом и толщиной лопасти при частоте вращения  = 15, с–1
(рис. 3.10). Его геометрические параметры приведены в таблице 3.5.
Рис. 3.10 – Шнек с переменным шагом и толщиной лопасти
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.5 – Геометрические параметры шнека
с переменным шагом и толщиной лопасти
№
Параметры шнека
Размеры, м
1
Осевая ширина лопасти шнека tл
0,008
2
Шаг лопасти шнека sш
0,032
3
Осевая ширина лопасти шнека tл
0,007
4
Шаг лопасти шнека sш
0,046
5
Головка шнека:
6
Осевая ширина лопасти шнека tл
0,008
7
Шаг лопасти шнека sш
0,028
Результаты эксперимента показали, что при мощности двигателя N = 6,6 кВт часовая производительность по выходу рапсового масла составляет 14,70 л при температуре T = 61,6 °С и выходу жмыха 33,6 кг при температуре T = 70,6 °С. Таким образом,
использование шнека с переменными параметрами повышает
производительность экструдера.
3.5 Методика определения крошимости
гранул рапсового жмыха
Крошимость гранул – это качественный показатель, который
характеризует степень связанности частиц, составляющих гранулы. Крошимость гранул влияет на их сохранность при транспортировке и раздаче. Например, кормовые гранулы, обладая
высокой степенью крошимости, могут образовывать крошку,
что приводит к значительным потерям корма и загрязнению
кормушек.
Данный показатель определяется как разность между первоначальной массой гранул и массой гранул после испытания, выраженную в процентах. Для испытания гранул на крошимость
применяли лабораторную установку марки ППГ-2, как показано
на рисунке 3.11, и весы лабораторные технические.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.11 – Лабораторная установка марки ППГ-2
Пробу жмыха массой 1 – 1,5 кг отбирали после выхода из фильеры матрицы и его охлаждения.
Не менее чем через 30 минут с момента отбора пробы, ее
освобождали от крошки на просеивателе. Для этого в просеиватель устанавливали сито с отверстиями диаметром, равным
0,75 мм от диаметра испытываемых гранул. Просеиватель приводили в движение нажатием кнопки «Пуск» на левом пульте
управления установки. Отсев проводили в течение 1 мин, после
чего просеиватель автоматически выключался. Оставшаяся на
сите часть гранул – это проба жмыха, готовая к проведению испытания на крошимость.
Лабораторная установка для определения крошимости состоит из корпуса с закрепленными на нем истирателем, который
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
имеет форму цилиндра диаметром 0,5 м и длиной 0,8 м с одной
камерой и крышкой. На установке имеется пульт управления,
с помощью которого осуществляется привод с электродвигателем, частота вращения истирателя 20 об/мин.
Из приготовленной пробы выделяли три навески, массой
по 500 г каждая, и помещали их по очередности в камеру истирателя лабораторной установки, которую плотно закрывали
специальной крышкой. Истиратель приводили во вращение. Испытание продолжали 10 мин, после чего он автоматически останавливался. Затем камеру открывали и содержимое высыпали на
то же сито просеивателя.
По окончании просеивания гранулы ссыпались в специальный сборник. Крошку, прошедшую через сито, собирали в другой сборник. Сборник с просеянными гранулами взвешивали с
точностью до 0,5 г. В такой же последовательности проводили
операции с двумя другими навесками.
Крошимость гранул (ГОСТ 28497-90) в процентах для каждой пробы гранул вычисляли по формуле:
,
где m1 – масса гранул до проведения испытания, г;
m2 – масса гранул после испытания, г.
Экспериментальные исследования показывают, что полноценное потребление и усвояемость гранулированных кормов
животными зависит от определенных физико-механических
свойств этих гранул. При анализе таких кормов следует учитывать не только содержание в них питательных веществ, но
и физическую форму [106]. На рисунке 3.12 изображены образцы жмыха рапсового, полученные в разных технологических условиях экструдирования с оттоком жидкой фазы, а в
таблице 3.6 описаны свойства полученной ракушки рапсового жмыха.
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
2
3
4
Рисунок 3.12 – Образцы проб жмыха рапсового, полученные
в разных технологических условиях
Таблица 3.6 – Результаты экспериментального исследования
прессования семян рапса
№
образца
Органолептические и физические
показатели ракушки жмыха
Технологические параметры
получения рапсового жмыха
1
Гранулы цилиндрической формы
с матовой поверхностью;
диаметр гранул до 10 мм;
длина гранул 15 – 20 мм
Частота вращения шнека № 1
ω ≈ 23 с–1;
T = 63 °C
2
Пластичная
Частота вращения шнека № 4
ω ≈ 23 с–1;
T = 74 °C
3
Гранулы цилиндрической формы
с матовой поверхностью, рассыпчатые;
диаметр гранул до 10 мм;
длина гранул 10 – 15 мм
Частота вращения шнека № 2
ω ≈ 23 с–1;
T = 93 °C
4
Гранулы дугообразной формы,
твердые;
диаметр гранул 5 – 8 мм;
длина гранул 20 – 55 мм
Частота вращения шнека № 3
ω ≈ 15 с–1;
T = 61,6 °C
Таким образом, наиболее подходящие формы жмыховой ракушки для скармливания сельскохозяйственным животным и
птице соответствуют образцам 1 и 3. С уменьшением скорости
вращения шнека усиливается противоток прессуемого материала, что приводит к пластичной форме ракушки, характеризующейся большей степенью масличности. Следовательно, образцы
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рапсового жмыха, взятые при частоте вращения ω ≈ 10 с–1 всех
шнеков и ω ≈ 23 с–1 (шнек № 4) не соответствуют требованиям
стандарта на гранулированные комбикорма.
Таблица 3.7 – Зависимость крошимости гранул рапсовой ракушки
от частоты вращения шнека и его геометрических параметров, %
Частота
вращения
10 с–1
13 с–1
15 с–1
23 с–1
№1
2,0
5,2
15,2
11,3
Крошимость
№2
№3
0,8
0,7
4,8
4,0
15,7
25,0
5,8
3,2
№4
0,3
2,5
12,2
0,5
Крошимость гранул для сельскохозяйственных животных и
птицы согласно ГОСТ 22834-87 не должна превышать 22%. Из
таблицы 3.7 видно, что крошимость экструдированных семян
рапса с увеличением шага и толщины лопасти шнека понижается.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4 АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ
РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ЭКСТРУДИРОВАНИЯ
СЕМЯН РАПСА С ОТТОКОМ
ЖИДКОЙ ФАЗЫ
4.1 Методы анализа качества рапсового
масла и жмыха
Анализ растительных масел достаточно сложен вследствие
их многокомпонентного состава. В промышленной практике и научно-исследовательских работах для характеристики
масел применяют следующие органолептические и физикохимические методы анализа: прозрачность, запах и вкус, определение чисел цветного, кислотного, омыления, йодного, пероксидного и гидроксильного, а также определение массовой доли
влаги и летучих, неомыляемых и фосфорсодержащих веществ,
нежировых примесей, эруковой кислоты, температуры застывания и температуры вспышки экстракционного масла.
Для более глубокого анализа используют спектроскопические, хроматографические и рентгеноструктурные методы. За
рубежом методики анализа с помощью газовой и жидкостной
хроматографии утверждены в качестве стандартных [82].
Рассмотрим основные методы анализа и средства испытаний.
Атомно-абсорбционная спектрофотометрия – метод анализа,
который определяет большое число элементов в самых разнообразных объектах. Основан на ослаблении светового потока
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при прохождении его через поглощающую среду вследствие
электронного возбуждения атомов и молекул.
Метод хроматографии становится все более прогрессивным
и популярным способом анализа определения содержания в
смесях веществ в разных фазах. Данный метод разделения, анализа и физико-химических исследований веществ основан на
перемещении зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы. Существуют два основных способа хроматографии – жидкостный и газовый.
Жидкостная хроматография входит в состав группы методов, которая ввиду сложности исследуемых объектов включает
предварительное разделение исходной сложной смеси на относительно простые. Полученные простые смеси анализируются
обычными физико-химическими методами. Отличительной особенностью этого метода является использование высокого давления (до 400 бар) и мелкозернистых сорбентов.
Газовая хроматография – метод разделения летучих компонентов, при котором подвижной фазой служит инертный газ, протекающий через неподвижную фазу с большой поверхностью.
Разделение основано на различиях в летучести и растворимости
компонентов разделяемой смеси. Этот метод широко используют
как серийный метод анализа органических соединений.
Фотоэлектроколориметрия – метод определения концентрации веществ в растворе по его окраске в видимой области
спектра с помощью фотоэлектроколориметров. Для измерения
светопоглощения используется свет определенной длины волны. Сравнение интенсивности падающего и прошедшего через
раствор световых потоков осуществляется путем выравнивания
их интенсивностей с помощью ослабляющих фотометрических
клиньев. По измеренной величине оптической плотности и градуировочному графику находят концентрацию анализируемого
раствора.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Средствами для испытаний проб жмыха являются: атомноабсорбционный спектрофотометр «Формула ФМ 400», хроматографы жидкостные: «Люмахром» и «Орланд», газовый
хроматограф «Кристалл-4000 Люкс», фотоэлектроколориметр,
гамма-бета спектрометр сцинтилляционный «Юлия-2».
Качество исходного сырья – масличных семян рапса – оценивалось по следующим показателям:
– содержание сорной примеси – ГОСТ 10854-88;
– содержание влаги и летучих веществ – ГОСТ 10856-96;
– масличность при анализе – ГОСТ 10857-64;
– масличность семян на абсолютно сухое вещество – ГОСТ
10857-64;
– кислотное число масла в семенах рапса – ГОСТ 10858-77.
В качестве методов исследования были выбраны стандартные методы оценки физико-химических свойств рапсового
масла:
– кислотное число, мг КОН/г – ГОСТ Р 50457-92;
– перекисное число – ГОСТ Р 51487-99;
– массовая доля нежировых примесей, % – ГОСТ 5481-89;
– массовая доля фосфорсодержащих веществ, % в пересчете
на стеароолеолецитин – ГОСТ 52676-2006;
– массовая доля влаги и летучих веществ, % – ГОСТ Р 5045692.
Качество образцов исследуемого жмыха оценивалось показателями:
– общая влага – ГОСТ 27548-97, ГОСТ 13496.3-92;
– массовая доля сухого вещества – ГОСТ Р 52838-07;
– массовая доля сырой клетчатки – ГОСТ Р 52839-07;
– массовая доля сырого жира – ГОСТ 13496.15-97;
– массовая доля сырого протеина – ГОСТ 13496.4-93, ГОСТ
Р 51417-95.
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.2 Анализ образцов рапсового масла
и оценка качества процесса
При экструзионном способе извлечения масла за счет влаги, температуры и сдвиговых усилий обрабатываемый материал
приобретает такие реологические свойства, которые позволяют
передать механические усилия от частей клетки к сферосомам. В
результате этого они разрушаются в первую очередь, масло коалесцирует и вытекает, практически минуя капиллярно-пористую
структуру, что предохраняет его от окисления кислородом воздуха, находящимся в капиллярно-пористой структуре [64].
Рапсовое масло из семян извлекали механическим непрерывным способом прессования на одношнековом прессе. Полученное масло представляет собой суспензию с твердыми частицами масличного гомогенного материала. Разделение суспензии
производится методами отстаивания и фильтрации. Процесс
экстракции масла может обеспечить практически полное извлечение масла из подготовленного соответствующим образом
масличного материала. Чистое рапсовое масло при нормальных
условиях находится в жидком состоянии и относится к полувысыхающим маслам.
Качество рапсового масла оценивалось по ГОСТ-методикам
по следующим органолептическим и физико-химическим показателям: вкусу, запаху, цвету, прозрачности, кислотному и перекисному числу, массовой доле влаги, летучих веществ, нежировых примесей, фосфорсодержащих веществ [15, 16, 149, 119].
Литературные данные показывают, что значительным изменениям в зависимости от скорости вращения шнека и его
конструктивно-параметрических особенностей подвержено качество и количество растительных масел, поэтому образцы всех
масел стандартизировали по физико-химическим показателям.
Результаты эксперимента подвергались химическому анализу в
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
производственной лаборатории ОАО «Оренбургский маслоэкстракционный завод» (Приложение Б). Протокол исследований
приведен в таблице 4.1.
Таблица 4.1– Результаты исследования проб образцов масла
рапсового нерафинированного
Наименование
показателей
ГОСТ 8988-2002
марка Р
марка Т
1. Кислотное число,
мг КОН/г, не более
4,0
2. Перекисное число, моль активного кислорода/кг, не
более
3. Массовая доля
влаги и летучих веществ %, не более
4. Массовая доля
нежировых примесей %, не более
5. Массовая доля
фосфорсодержащих
веществ в пересчете
на стеаро-олеолецитин %, не более
10
0,25
0,15
2,0
6,0
Не определяется
0,25
0,20
2,0
6. Температура масла, °С
–
114
–
Номер
шнека
Частота вращения
шнека, с–1
10
13
15
23
1
1,50
1,55
1,55
1,61
2
2,37
2,46
2,23
2,78
3
2,62
2,25
2,55
2,48
4
1,94
2,08
1,98
2,35
1
1,50
1,52
1,51
1,51
2
1,51
1,51
1,52
1,53
3
1,51
1,51
1,51
1,51
4
1,51
1,50
1,51
1,50
1
0,10
0,22
0,22
0,22
2
0,15
0,31
0,18
0,10
3
0,20
0,20
0,46
0,16
4
0,10
0,24
0,23
0,21
1
0,11
0,15
0,20
0,33
2
0,20
0,11
0,17
0,29
3
0,13
0,22
0,28
0,23
4
0,20
0,18
0,18
0,25
1
0,25
0,29
0,20
1,04
2
0,97
0,83
1,12
0,54
3
1,01
0,72
0,28
1,15
4
0,36
0,37
0,63
0,92
1
69,00 64,00 72,00 59,00
2
72,00 82,00 61,00 55,00
3
81,00 71,00 89,00 61,00
4
77,00 67,00 77,00 68,00
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рапсовое масло в зависимости от способа обработки, показателей качества и назначения подразделяют на следующие марки:
Р – для промышленной переработки с применением рафинации
и дезодорации; СК – для производства саломасов и кулинарных
жиров; П – для поставки в торговую сеть и на предприятия общественного питания, а также для производства пищевых продуктов; Т – для технических целей.
Кислотное число выражает содержание свободных жирных
кислот, образующихся при распаде жира в процессе хранения
продукта. Их накопление свидетельствует об ухудшении качества продукта. Согласно экспериментальным данным самое
большое значение кислотного числа составляет 2,78 мг КОН/г
при температуре масла 55 °С, что позволяет считать полученное
рапсовое масло высококачественным техническим и пригодным
для долговременного хранения.
Перекисное число характеризует изменение качества пищевого растительного масла, особенно ухудшающее органолептические показатели, а для технического масла он не определяется. Данный показатель отражает степень окисленности масла, то
есть содержание продуктов окисления жирных кислот, которое
происходит в присутствии кислорода, света и высоких температур. Во всех опытных образцах перекисное число не превышает
предельно допустимых значений и имеет очень низкий показатель (1,50 – 1,53%), что позволяет отнести рапсовое масло к числу технических.
Необходимо осуществлять контроль содержания воды в
рапсовом масле и биотопливе, чтобы избежать опасности развития микроорганизмов, образования перекисей и коррозионного воздействия воды, в том числе и на элементы топливной
аппаратуры. Влага также способствует гидролитическому расщеплению жиров, повышению кислотного числа и коагуляции
фосфатидов. Попадание в дизельное топливо воды и механи115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ческих примесей еще более опасно, чем для бензина. Такое
топливо может стать непригодным для использования. Опытные данные по показателю «массовая доля влаги и летучих веществ» во всех образцах не превышают допустимых значений
и могут быть рекомендованы для всех марок рапсового масла, кроме полученных образцов масла при частоте вращения
ω ≈ 13 с–1 и 15 с–1 шнеков № 2, № 3 соответственно 0,31%;
0,46% (табл. 4.1) [38].
Сырые нерафинированные масла, получаемые экструзионным способом, могут содержать механические примеси (частицы мезги, обрывки клеточных стенок и др.) – нежировые (отстой
по массе). Значение массовой доли нежировых примесей позволяет отнести образцы рапсового масла к марке технического, полученного при частоте вращения ω ≈ 10 с–1 шнеков № 2 и № 4,
ω ≈ 13 с–1 шнеков № 1 и № 4, ω ≈ 15 с–1 шнеков № 1, № 2, № 4
(табл. 4.1) [38, 69].
Наличие фосфорсодержащих веществ в рапсовом масле характеризует присутствие фосфатидов, выраженное в пересчете
на стеароолеолецитин. Эти вещества обладают антиокислительной активностью. Фосфатиды гигроскопичны, поглощая воду,
набухают с образованием коллоидных растворов. Последующая
коагуляция их из коллоидных растворов является причиной образования в масле растительного осадка. Массовая доля фосфорсодержащих веществ во всех экспериментальных образцах
рапсового масла не превышает предельно допустимых норм и
колеблется в пределах 0,20 – 1,15%, что позволяет сделать вывод
о высоком качестве растительного масла, пригодного для технической марки.
Влияние температуры в процессе экструдирования объединяется с эффектом резкого перепада давления во время выбрасывания продукта из экструдера. При нормальном уровне теплового воздействия 55 – 89 °С в конце процесса на протяжении 3 – 4 с
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(продолжительность всего процесса не более 30 с), происходит
равномерная денатурация нативного белка, при этом не разрушаются первичные соединения аминокислот, что обеспечивает
выпаривание нежелательной воды и образование незначительного осадка фосфатидов, а также сбережение питательной ценности рапсового масла.
Анализируя результаты исследования извлеченного рапсового масла методом механического прессования, можно рекомендовать полученные образцы масла для технических целей.
Прессовое рапсовое масло можно использовать как качественное сырье для одного из известных способов производства биодизельного топлива – выращивание масличной культуры рапса
для получения пищевого масла:
– методом дальнейшей переработкой его в метиловые эфиры
жирных кислот;
– методом холодного прессования с последующей его очисткой от продуктов переработки.
Однако наиболее оптимальным и ресурсосберегающим процессом переработки семян рапса и получения рапсового масла
является производство смесевого топлива.
На основании полученных данных в результате проведения
физических экспериментов по отжиму масла из семян рапса
мы получили возможность проанализировать зависимости качественных показателей масла от геометрических параметров
шнека пресс-экструдера, скорости протекания технологического
процесса [34].
Для получения эмпирических и графических зависимостей
кислотного числа, массовой доли влаги и летучих веществ, массовой доли нежировых примесей, массовой доли фосфорсодержащих веществ использовали разработанное нами программное
средство, изображенное на рисунке 4.1 [123].
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.1 – Программа для расчета показателей качества
экструдированных продуктов
Уравнение (4.1) описывает зависимость качественного показателя рапсового масла кислотного числа от шага, толщины
винтовой поверхности шнека, температуры технологического
процесса и частоты вращения шнека:
(4.1)
Аналогичные зависимости (4.2 – 4.4) получены соответственно для массовой доли влаги и летучих веществ, массовой
доли нежировых примесей, массовой доли фосфорсодержащих
веществ рапсового масла.
(4.2)
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(4.3)
(4.4)
На рисунках 4.2 – 4.5 показаны зависимости кислотного числа (К), массовой доли влаги и летучих веществ (ВЛ), массовой
доли нежировых примесей (НЖ), массовой доли фосфорсодержащих веществ (Ф) от толщины лопасти (tл) и шага винтовой
лопасти шнека (sш) при температуре T = 72 °С, частоте вращения
ω ≈ 15 с–1.
В ходе проведения множественного корреляционного анализа мы установили наличие связи между анализируемыми
переменными, оценили тесноту связи и определили ее направление, а также произвели отбор существенных факторов. Все
качественные показатели в опытных образцах рапсового масла
имеют зависимость от шага и толщины лопасти шнека, скорости
вращения, температуры протекания технологического процесса
и при определенных соотношениях этих параметров они достигают максимального значения.
Таким образом, выявлено, что при увеличении скорости
вращения шнека и температуры протекания технологического
процесса его кислотное число (К) незначительно уменьшается
при равных условиях. Массовая доля влаги и летучих веществ
(ВЛ) в рапсовом масле с увеличением скорости вращения шнека и повышением температуры технологического процесса отжима незначительно увеличивается. Массовая доля нежировых примесей (НЖ) в масле с увеличением скорости вращения
шнека и повышением температуры процесса увеличивается,
а массовая доля фосфорсодержащих веществ (Ф), наоборот,
уменьшается.
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.2 – Зависимость
качественного показателя рапсового
масла кислотного числа (К) от
толщины лопасти (tл) и шага
винтовой лопасти шнека (sш) при
температуре T = 72 °С, частоте
вращения ω ≈ 15 с–1
Рисунок 4.3 – Зависимость качественного показателя рапсового масла
массовой доли влаги и летучих
веществ (ВЛ) от толщины лопасти
(tл) и шага винтовой лопасти шнека
(sш) при температуре T = 72 °С,
частоте вращения ω ≈ 15 с–1
Рисунок 4.4 – Зависимость
качественного показателя
рапсового масла массовой доли
нежировых примесей (НЖ) от
толщины лопасти (tл) и шага
винтовой лопасти шнека (sш) при
температуре T = 72 °С, частоте
вращения ω ≈ 15 с–1
Рисунок 4.5 – Зависимость
качественного показателя
рапсового масла массовой доли
фосфорсодержащих веществ (Ф)
от толщины лопасти (tл) и шага
винтовой лопасти шнека (sш) при
температуре T = 72 °С, частоте
вращения ω ≈ 15 с–1
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Анализируя влияние геометрических параметров шнека на
качество рапсового масла, пришли к следующему заключению:
с увеличением толщины лопасти шнека кислотное число, массовая доля влаги и летучих веществ, массовая доля нежировых
примесей и фосфорсодержащих веществ увеличиваются, а с увеличением шага лопасти эти показатели качества понижаются.
Таким образом, экспериментальным путем было получено,
что наиболее эффективная работа пресс-экструдера ПЭШ-30/4
по прессованию как целых, так и предварительно измельченных
семян рапса наблюдалась при частоте вращения ω ≈ 15 с–1 шнека № 1 с постоянными геометрическими параметрами: толщина
лопасти tл = 0,006 м, шаг винтовой лопасти sш = 0,032 м [38].
4.3 Анализ образцов рапсового жмыха
и оценка качества процесса
Жмых рапсовый (Rape cake) – это продукт маслоперерабатывающего производства, получаемый при прессовании маслосемян рапса на шнековых прессах с целью извлечения из них
масла.
Одной из основных причин низкой продуктивности сельскохозяйственных животных является неполноценное по белку и
аминокислотам кормление. В связи с этим трудно переоценить
значение рапса экструдированного в рационах животных, так
как данный продукт является самым эффективным источником энергии, аминокислот и минеральных веществ. Благодаря
тому, что рапс относится к семейству крестоцветных, полученный из него жмых является молокогонным кормом, повышает
среднесуточные приросты живой массы у цыплят-бройлеров,
ремонтного молодняка на 10 – 15% и яйценоскость кур-несушек
на 11,2% [79].
При экструдировании масличного сырья полученные образцы подвергались химическому анализу в производственной
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лаборатории ОАО «Оренбургский маслоэкстракционный завод»
(Приложение Б). Критерием качества и эффективности процесса прессования для жмыха послужила остаточная масличность жмыха семян рапса, соответствующая производственному
ГОСТ. Протоколы исследований приведены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Результаты исследования проб образцов
жмыха рапсового
Наименование
показателей
ГОСТ
11048-95
1. Общая влага %,
не более
6,0 – 9,0
2. Массовая доля
сухого вещества,
%
91,0 – 94,0
3. Массовая доля
сырой клетчатки
%, не более
16,0
4. Массовая доля
сырого жира %, не
более
9,0
5. Массовая доля
сырого протеина
%, не менее
37,0
6. Температура
жмыха, °С
–
122
Номер
шнека
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Частота вращения шнека, с–1
10
6,18
4,23
4,62
5,13
93,82
95,77
95,38
94,87
13,25
16,50
12,80
12,60
38,50
36,20
15,79
24,90
39,30
23,14
40,06
23,50
64,00
72,30
61,60
81,00
13
7,25
6,98
6,32
5,90
92,75
93,02
93,68
94,10
12,97
15,61
13,70
16,05
36,41
25,34
34,80
25,70
38,50
22,69
37,10
23,60
67,00
73,00
66,00
81,00
15
5,98
6,38
6,16
7,47
94,02
93,62
93,84
92,53
13,90
15,36
14,48
13,70
37,35
28,80
34,20
27,30
21,15
21,90
35,40
36,30
82,00
77,00
68,00
62,00
23
4,37
3,92
4,77
3,09
95,63
96,08
95,23
96,91
13,30
14,45
16,32
15,05
21,29
38,62
36,41
38,71
35,00
27,00
26,40
27,70
63,00
93,00
88,00
74,00
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Полученные образцы жмыха как продукта переработки семян рапса после экструдирования представляют собой маслянистую ракушку (гранулы) с рассыпчатой консистенцией и плохой
сыпучестью. Кроме того, в полученном жмыхе значительно повышается количество золы, нерастворимой в соляной кислоте.
Температурный режим обработки рапса колеблется от 61 до
93 °С, что соответствует режиму теплой экструзии. Высокое давление 8 – 14 МПа и температура вызывает не только структурномеханическое, но и незначительное химическое преобразование
продукта, приводящее к незначительной коагуляции белка.
Рацион животных может состоять из следующих доз корма:
обычного и экструдированного нагретого. Для лактирующих коров важно увеличить количество нерасщепляемого (защищенного) от распада в рубце протеина и проходящего без существенного изменения в кишечник. Этого можно добиться безопасным
технологическим методом нагревания или экструдирования (сухое экструдирование занимает не более 30 с). За короткое время
экструзии осуществляется несколько стадий обработки:
1) при высокой температуре и под давлением погибают болезнетворные микроорганизмы, различные грибки, плесень, инфекционные палочки;
2) снижается влажность продукта;
3) высокая температура и давление прекращают и нейтрализуют воздействие ферментов;
4) сохраняются витамины и питательные свойства кормов.
При организации полноценного кормления сельскохозяйственных животных разных видов необходимо нормировать до
40 – 50 показателей химического состава, в том числе содержание сухих веществ, углеводный комплекс (сырая клетчатка, сахара, крахмал), сырой жир, перевариваемый протеин, обменную
энергию, незаменимые аминокислоты, жирные кислоты, витамины и т.д. [106].
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В рапсовом жмыхе в зависимости от сорта рапса, условий
выращивания и фазы вегетации могут присутствовать также нежелательные для животных вещества – эруковая кислота, глюкозинолаты, танины, фитиновая кислота, полифенолы и продукты
их распада. Повышенная концентрация этих веществ вызывает
различной тяжести отравления животных и снижение их продуктивности. Летучие соединения изотиоцинаты и тиоцинаты
придают семенам рапса горький привкус. Следовательно, для
повышения биологической полноценности кормов из рапса их
подвергают различным способам технологической обработки,
которые позволяют инактивировать антипитательные вещества,
что существенно повышает доступность протеина, углеводов,
липидов и биологически активных веществ рациона.
Продуктивность животных находится в прямой зависимости
от количества и качества сухого вещества в корме. Сухое вещество кормов представлено белком, углеводами, жирами и минеральными веществами. Оно является источником субстратов, из
которых образуется молоко, мясо, яйца, шерсть, новорожденные
и т.д. Содержание влаги в рапсовом жмыхе не должно превышать 10%, в противном случае происходит оксидация жира,
возникает токсичная плесень и активизируется нежелательный
фермент мирозиназа. Результаты исследований рапсового жмыха опытным путем показали, что массовая доля сухого вещества
соответствует норме – 92,53 – 96,91%.
Клетчатка – основная часть оболочек растительных клеток.
Сырая клетчатка – это трудноперевариваемая часть корма. В
умеренном количестве она нужна всем животным для стимуляции работы кишечного тракта. Так, например, клетчатка играет
большую роль в энергетическом обмене и образовании составных частей молока КРС. При недостатке в рационах клетчатки
у коровы нарушаются процессы рубцового пищеварения и, как
следствие, снижается жирность молока. Избыток сырой клетчат124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ки снижает переваримость питательных веществ рациона, что
ведет к уменьшению удоя. Согласно представленным опытным
данным, массовая доля сырой клетчатки составляет от 12,60%
до 16,05%, что соответствует также норме. Однако образцы рапсового жмыха, полученные при частоте вращения ω ≈ 10 и 23 с–1
шнеков № 2 и 3 соответственно, имеют незначительное превышение предельно допустимых норм (табл. 4.2).
Под сырым жиром подразумевают всю совокупность нелетучих веществ. Он включает все растворимые в органических растворителях вещества: жиры, воски, смолы, свободные
жирные и смоляные кислоты, эфиры этих кислот, высокомолекулярные спирты, фосфатиды, альдегиды, кетоны и др. Его
энергетическая ценность выше в 2 – 2,5 раза углеводов. Отличительной особенностью экструдированного продукта является высокий остаток сырого жира в жмыхе. Известно, что
рапсовое масло содержит олеиновую кислоту, которая в свою
очередь повышает обменную энергию корма. Это позволяет
отказаться от дополнительного введения в рацион КРС растительных масел. Содержание жира в экспериментальном рапсовом жмыхе колеблется от 15,79 до 38,50% (в пересчете на
абсолютно сухое вещество от 1,65 до 4,10%, что соответствует
норме) (табл. 4.2).
Протеину принадлежит решающая роль в полноценном питании животных. Жизнедеятельность животного организма неразрывно связана с образованием и распадом белковых веществ,
и требуется постоянный приток их с кормом. Например, высокое
содержание протеина позволяет увеличивать жирность молока.
Обычно под термином сырой протеин в комбикорме понимают
общее количество азотистых соединений корма – белков, аминокислот и амидов. Биологическая ценность протеина – это
способность протеина усваиваться организмом и разлагаться на
необходимые аминокислоты. Массовая доля сырого протеина
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в жмыхе, согласно результатам экспериментальных исследований, колеблется от 21,15 до 40,06% (в пересчете на абсолютно
сухое вещество колеблется от 22,50 до 42,00%). Для скармливания животным можно рекомендовать образцы жмыха, полученные при частоте вращения ω ≈ 10 с–1 и 13 с–1 шнеков № 1, № 3
соответственно, а также при частоте вращения ω ≈ 15 с–1 шнеков
№ 3 и 4 (табл. 4.2).
На основании полученных экспериментальных данных по
отжиму масла из семян рапса, мы имеем возможность провести
анализ зависимостей качественных показателей рапсового жмыха общей влаги, массовой доли сырой клетчатки, сырого жира
и сырого протеина от геометрических параметров шнека прессэкструдера, скорости протекания, температуры технологического процесса [78].
Уравнение (4.5) описывает зависимость качественного показателя рапсового жмыха общей влаги от шага и толщины винтовой поверхности шнека, температуры технологического процесса и частоты вращения шнека:
(4.5)
Аналогичные зависимости (4.6 – 4.8) получены соответственно для массовой доли сырой клетчатки, сырого жира, сырого протеина рапсового жмыха:
(4.6)
(4.7)
(4.8)
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На рисунках 4.6 – 4.9 показаны зависимости общей влаги
(ОВ), массовой доли сырой клетчатки (СК), массовой доли сырого жира (Ж), массовой доли сырого протеина (П) от толщины
лопасти (tл) и шага винтовой лопасти шнека (sш) при температуре T = 72 °С, частоте вращения ω ≈ 15 с–1.
Корреляционный анализ рапсового жмыха показал наличие
связей между анализируемыми переменными, на основании которого отобрали существенные факторы. Все качественные показатели в опытных образцах рапсового жмыха имеют зависимость от шага и толщины лопасти шнека, скорости вращения
шнека, температуры протекания технологического процесса и
при определенных соотношениях этих параметров она достигает максимального значения.
Таким образом, выявлено, что при увеличении температуры технологического процесса и скорости вращения шнека
массовая доля сырой клетчатки в рапсовом жмыхе увеличивается, а сырого жира – уменьшается. При увеличении температуры технологического процесса отжима общая влага и
массовая доля сырого протеина увеличивается, а при увеличении скорости вращения шнека эти показатели уменьшаются в
жмыхе.
Анализируя влияние геометрических параметров шнека на
качество рапсового жмыха, пришли к следующему обоснованному выводу, что с увеличением толщины лопасти шнека общая
влага, массовая доля сырой клетчатки, сырого жира и протеина понижается, а с увеличением шага лопасти все эти же качественные показатели повышаются.
Максимальный выход рапсового жмыха на пресс-экструдере
ПЭШ-30/4 наблюдается при частоте вращения ω ≈ 10 с–1, 23 с–1
шнеков № 3, № 4, а минимальный – при частоте вращения
ω ≈ 15 с–1 шнека № 1, № 2 [58].
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.6 – Зависимость
качественного показателя
рапсового жмыха общей влаги
(ОВ) от толщины лопасти (tл) и
шага винтовой лопасти шнека
(sш) при температуре T = 72 °С,
частоте вращения ω ≈ 15 с–1
Рисунок 4.7 – Зависимость
качественного показателя
рапсового жмыха массовой
доли сырой клетчатки (СК) от
толщины лопасти (tл) и шага
винтовой лопасти шнека (sш) при
температуре T = 72 °С, частоте
вращения ω ≈ 15 с–1
Рисунок 4.8 – Зависимость
качественного показателя
рапсового жмыха массовой
доли сырого жира (Ж) от
толщины лопасти (tл) и шага
винтовой лопасти шнека (sш) при
температуре T = 72 °С, частоте
вращения ω ≈ 15 с–1
Рисунок 4.9 – Зависимость
качественного показателя
рапсового жмыха массовой
доли сырого протеина (П) от
толщины лопасти (tл) и шага
винтовой лопасти шнека (sш) при
температуре T = 72 °С, частоте
вращения ω ≈ 15 с–1
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Уравнения регрессии, полученные для всех качественных
показателей рапсового масла и жмыха, значимы, их значимость
проверялась по критерию Фишера.
Анализ полученных зависимостей показал, как влияют геометрические параметры шнека, конструктивные изменения, скорость технологического процесса на качество рапсового масла,
соответствующего нормам технического сорта и пригодного как
сырье для биодизельного топлива.
Таким образом, мы можем определить оптимальные параметры для получения рапсового масла и жмыха с заданными свойствами и готовы на этапе эскизного проектирования прогнозировать качество готового продукта.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
КОНСТРУКЦИИ И ЭКОНОМИЧЕСКОЕ
ОБОСНОВАНИЕ МОДЕРНИЗАЦИИ
ОДНОШНЕКОВОГО ЭКСТРУДЕРА
5.1 Оптимизация шнека экструдера
Производительность и энергоемкость экструдера зависят от
скорости протекания технологического процесса и геометрических размеров шнека (табл. 3.2). На основании вычислительного
эксперимента проведем векторную оптимизацию шнека (согласно методики, описанной во второй главе) по кпд, так как этот параметр характеризует энергетические затраты машины [39, 81].
Для проведения вычислительных экспериментов были использованы геометрические параметры малогабаритного прессэкструдера ПЭШ-30/4, модернизированного для получения растительного масла и жмыха [33]. Использовали реологические
параметры рапса сорта «Ратник» яровой при влажности сырья
7,49% (ГОСТ 10856-96) и масличности 42,92% (ГОСТ 10857-64)
[57].
Конструктивные исходные данные следующие: диаметр корпуса Dк = 0,0552 м; диаметр фильеры матрицы dф = 0,008 м; длина фильеры матрицы lф = 0,1 м; высота компрессионного затвора
bк = 0,0041 м; ширина компрессионного затвора tк = 0,05 м; высота зазора утечек bу = 0,0005 м; угол подъема винтовой лопасти
α = 13°; число заходов шнека равно 1.
Скорость вращения шнека принимала значения: 10, 13, 15,
20, 23 рад/с.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введем ограничения – мощность N < 5 кВт, сила R < 10 кН,
коэффициент оттока жидкой фазы k > 0,3.
Приняв толщину лопасти шнека tл = 0,009 м и высоту лопасти bл = 0,011 м, варьировали шаг sш: 0,035; 0,04; 0,03; 0,045;
0,05 в (м).
Результаты оптимизации показаны на рисунке 5.1. Красным
цветом показана зависимость при sш = 0,035; зеленым – 0,04;
желтым – 0,03; синим – 0,045; белым – 0,05 (м).
Слева и справа зависимости кпд = f (Q) ограничены значениями мощности N, которые изображены розовым цветом, и силой, действующей на рабочие органы R, изображенной голубым
цветом. Справа четвертая и пятая конструкции не проходят по
мощности. Коэффициент оттока жидкой фазы изображен коричневым цветом и принимает значения k > 0,3 при скорости вращения шнека от 13 до 20 рад/с для первой конструкции (крас-
Рисунок 5.1 – Построение оптимальной области (
при изменении шага лопасти шнека sш
)
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ный цвет sш = 0,035 м), для второй (зеленый цвет sш = 0,04), для
третьей (желтый цвет sш = 0,03 м), а для четвертой (синий цвет
sш = 0,045 м) при ω = 15 рад/с. Для пятой конструкции, изображенной белым цветом (sш = 0,05), k < 0,3. Следовательно, данная
конструкция не входит в оптимальную область.
Оптимальная область закрашена салатным цветом. По ней
видно, что наибольшее значение кпд наблюдается у первой конструкции при всех введенных ограничениях. Далее, зафиксировав шаг sш = 0,035 м, варьировали толщину лопасти шнека tл:
0,003; 0,005; 0,007; 0,009; 0,011 в (м). Результаты оптимизации
показаны на рисунке 5.2.
Графики зависимости кпд = f (Q) имеют следующую идентификацию: красным цветом показана зависимость при tл = 0,003;
зеленым – 0,005; желтым – 0,007; синим – 0,009; белым – 0,011
(м). Все конструкции слева удовлетворяют ограничениям по
мощности и силе, а справа 2 – 5 конструкции не проходят по
мощности при скорости вращения шнека ω > 20 рад/с. Ограничения по коэффициенту оттока жидкой фазы удовлетворяют при
скорости вращения шнека в интервале от 13 до 20 рад/с для первой, второй и третьей конструкций, а для четвертой конструкции
от 14 до 16 рад/с. Пятая конструкция не входит в оптимальную
область. Максимальное значение кпд наблюдается у первой конструкции tл = 0,003, изображенной красным цветом.
Приняв фиксированные значения sш = 0,035 м и tл = 0,003 м,
изменяли высоту лопасти шнека bл: 0,01; 0,011; 0,012; 0,013;
0,014 в (м). Результаты оптимизации показаны на рисунке 5.3.
Красным цветом показана зависимость кпд = f (Q) при
bл = 0,013; зеленым – 0,012; желтым – 0,014; синим – 0,011; белым – 0,01 (м).
Все конструкции слева удовлетворяют ограничениям по
мощности и силе, а справа 4 – 5 конструкции не проходят по
мощности при скорости вращения шнека ω ≈ 23 рад/с. Первая,
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.2 – Построение оптимальной области (
толщины лопасти шнека tл
) при изменении
Рисунок 5.3 – Построение оптимальной области (
высоты лопасти шнека bл
) при изменении
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вторая и третья конструкции удовлетворяют ограничениям по
оттоку жидкой фазы при скорости от 13 до 20 рад/с, а четвертая
и пятая конструкции – при скорости вращения шнека от 15 до
16 рад/с. Из рисунка 5.3 видно, что максимальное значение кпд
наблюдается у первой конструкции при bл = 0,013 м.
Таким образом, для прессования семян рапса с оттоком
жидкой фазы наиболее эффективнее применять шнек, имеющий шаг винтовой части лопасти sш = 0,035, толщину лопасти
tл = 0,003 м, высоту лопасти bл = 0,013 м при скорости вращения
от 13 до 20 рад/с.
5.2 Совершенствование конструкций
и узлов пресс-экструдера
Модернизация маслоотжимных прессов по сравнению с созданием нового оборудования является более экономичным мероприятием, позволяет повысить сроки использования действующих машин и установок, поднять их технико-экономические
параметры – надежность, производительность, снизить удельные затраты энергии и других ресурсов.
Известны многочисленные конструктивные решения, относящиеся к одношнековым прессам, предназначенным для извлечения растительного масла и жмыха из маслосодержащих
семян, которые включают в себя электропривод, шнек, загрузочное устройство, зеерный цилиндр, формующую матрицу.
Одна из технологических операций подготовки высокомасличного сырья к прессованию заключается в предварительном
измельчении материала. Для извлечения масла из семян необходимо разрушить клеточную структуру их тканей. Эта операция требует включения дополнительного энергопотребляющего
оборудования. Следовательно, снижение количества оборудования в технологической линии и уменьшение энергоемкости технологического процесса является перспективным направлением
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в усовершенствовании конструкций и узлов маслоотжимных
прессов.
Недостатком предлагаемых конструкций для переработки масличных семян рапса являются неучтенные особенности
мелких размеров клеток и прочно сросшейся оболочки семени
с маслосодержащим эндоспермом, что затрудняет отток жидкой
фазы, и поэтому масличное сырье должно быть предварительно
измельчено.
Техническим результатом изобретения является расширение технологических возможностей пресса за счет повышения
эффективности отжима жидкой фазы. Применяемый в рабочей
зоне зеерного цилиндра метод измельчения семян рапса вместо
традиционного расплющивания позволяет достичь глубокого
разрушения клеточной структуры маслосодержащего сырья перед его сжатием за счет интенсивного измельчения и повысить
выход качественного технического растительного масла.
Для реализации данной цели рассмотрим два конструктивных изобретения, отличающихся тем, что одно содержит звездообразную промежуточную матрицу, жестко закрепленную на
шнеке между двумя секциями, имеющую лопасть в виде ножа, а
другое – промежуточную матрицу с каналом, профиль которого
выполнен в виде звезды, жестко закрепленную на корпусе цилиндра между двумя секциями, имеющую нож [90, 91].
Пресс включает цилиндр 1 с отверстиями для выхода масла 2, секцию с матрицей для выхода жмыха 3, шнек 4 с лопастями в секциях транспортирования 5 и сжатия 6, звездообразную
промежуточную матрицу 7, имеющую хотя бы одну лопасть в
виде ножа, острая режущая кромка 8 которого проходит по его
поверхности. Лопасть ножа может быть выполнена как перпендикулярно движению материала, так и под углом. Другой вариант конструкции предусматривает включения промежуточной
матрицы 7 с каналом, профиль которого выполнен в виде звез135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ды, имеющей лучи в виде ножей с острыми режущими кромками 8, расположенными на его поверхности.
Пресс для отжима жидкой фазы работает следующим образом.
Необрушенные семена рапса загружаются в бункер установки, оттуда самотеком исходный маслосодержащий продукт попадает в
секцию транспортирования 5. В результате вращения шнека маслосодержащий продукт перемещается между перфорированным
цилиндром 1 и секцией 5. В проточной части пресса клеточная
структура маслосодержащих тканей разрушается, подвергаясь
интенсивному сжатию, кратковременному нагреву, измельчению
и сдвигу под воздействием активных элементов конструкции
пресса, которые деформируют и надрывают клеточные оболочки,
содержащие жидкую фазу. В этот момент происходит отсечение
жидкой фазы и ее истечение через отверстия 2 перфорированного
шнекового цилиндра в секции сжатия 6. Отжимаемое растительное масло через щели зеера стекает в поддон. В конце рабочей
зоны пресса измельченные и отжатые семена рапса переходят в
секцию 3 с матрицей для выхода через фильеру в виде жмыха.
Процесс отжима протекает непрерывно, происходит механическое разделение жидкой и твердой фаз семян давлением, создаваемым за счет специальной конструкции шнекового вала и
зеерной камеры во время прохождения материала. В результате
процесс предварительной подготовки масличного сырья к прессованию (измельчение) происходит внутри прессующего механизма, при этом увеличивается отток жидкой фазы, а жмых на
выходе получается с минимальной остаточной масличностью.
Предлагаемые совершенствованные конструкции маслоотжимного пресса (рис. 5.4 и 5.5) выполняют базовую операцию и
реализуют малоэтапную, ресурсосберегающую, экструзионную
технологию получения растительного масла (получены патенты
на изобретения № 2399493, № 2401199 «Пресс для отжима масла из маслосодержащего сырья») [50, 90, 91].
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.4 – Конструкция маслопресса для отжима жидкой фазы
с лопастями звездообразной промежуточной матрицы:
1 – сепарированный цилиндр; 2 – отверстия для выхода масла; 3 – секция с матрицей для выхода жмыха; 4 – шнек; 5 – винтовые нарезки шнека в секции транспортирования; 6 – винтовые нарезки шнека в секции сжатия; 7 – звездообразная
промежуточная матрица, имеющая лопасть в виде ножа; 8 – острая режущая
кромка лопасти ножа разных форм
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.5 – Конструкция маслопресса для отжима жидкой фазы
с профильным каналом промежуточной матрицы в виде звезды:
1 – сепарированный цилиндр; 2 – отверстия для выхода масла; 3 – секция с матрицей для выхода жмыха; 4 – шнек; 5 – винтовые нарезки шнека в секции транспортирования; 6 – винтовые нарезки шнека в секции сжатия; 7 – промежуточная
матрица с профилем канала в виде звезды; 8 – острая режущая кромка профиля
канала в виде ножа на его поверхности разных форм
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, реализуемая конструкция установки безотходной технологии однократного, окончательного прессования
семян рапса обеспечивает высокие качества натурального масла, сохраняет природный витаминный и минеральный состав
жмыха, гарантирует условия соблюдения норм для рапсового
масла как сырья для производства биодизельного топлива.
5.3 Экономическое обоснование
эффективности применения
модернизированного оборудования
При рассмотрении вопроса об энергобалансе биодизельного
топлива следует учитывать не только энергию, выделяющуюся
при сгорании, но и затраченную на его производство, подготовку, доставку. В затраты энергии на получение рапсовых семян
следует включать доли, приходящиеся на уборку урожая, обработку полей и внесение удобрений.
Оценки энергетического баланса при производстве рапсового масла в разных источниках различны. Прежде всего, это
связано с разной оценкой эффекта утилизации отходов. Так, например, рапсовая солома может рассматриваться как дополнительный источник энергии. Жмых и экстракционный остаток
могут быть использованы в качестве компонентов белкового
корма для животных. При производстве МЭРМ в качестве побочного продукта образуется глицерин. Здесь энергобаланс значительно улучшается, если для глицерина находится оптимальное применение.
Используя предложенную методику расчета и разработанные программные средства, можно подобрать конструктивные
параметры и режимы работы, исходя из технологических требований к готовому продукту, при этом добиваясь того, что производительность увеличивается не менее чем на 33%, а энергоемкость снижается не менее чем на 20%.
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Годовой экономический эффект от снижения энергозатрат и
увеличения производительности рассчитывается [136]:
(5.1)
Э = (Сб + ЕнКб) – (См + ЕнКм),
где Сб, См – себестоимость единицы продукции по базовому и
модернизированному экструдеру, руб./кг;
Ен – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, Ен = 0,15;
Кб, Км – капитальные вложения в базовом и в модернизируемом вариантах расчета, руб.
В качестве базового варианта принимается экструдер ПЭШ30/4, выпускаемый на предприятии ОАО «Оренбургский станкозавод» до внедрения разработки. За модернизируемый вариант
принимается тот же экструдер после внедрения разработки.
Для того чтобы определить себестоимость рапсового масла,
необходимо рассчитать затраты при производстве экструдированного материала по формуле:
(5.2)
С = ЗЗС + ЗАморт + ЗРем + ЗЭлек + ЗЗдан ,
где ЗЗС – затраты на выплату заработной платы и социальные
нужды, руб.;
ЗАморт – затраты на амортизационные отчисления, руб.;
ЗРем – затраты на все виды ремонта и технического обслуживания (ТО), руб.;
ЗЭлек – затраты на электроэнергию, руб.;
ЗЗдан – затраты на содержание производственных зданий,
руб.
Заработанная плата определяется:
(5.3)
ЗЗарп = (Зосн + Здоп + Зпрем) · 0,15,
где Зосн – основная зарплата;
Здоп – дополнительная зарплата;
Зпрем – премиальные выплаты;
15% – уральский коэффициент.
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основная заработная плата:
Зосн = Тст · Тд ,
где Тст – часовая тарифная ставка (29,80 руб./час);
Тд – действительный фонд рабочего времени, час;
Тд = (365 – ВП) · 8,
,
где 365 – дни в году;
ВП – выходные и праздничные дни (117 дней);
8 – рабочая смена.
Т = (365 – 117) · 8 = 1984.
Действительный фонд рабочего времени, необходимый для
выпуска базового объема продукции (при условии, что производительность выше на 16%) на модернизируемом экструдере:
Т = Т · 0,84 = 1666,56.
Основная зарплата на базовом оборудовании составит:
= 29,80 · 1984 = 58123,20.
Основная зарплата на модернизируемом оборудовании составит:
= 29,80 · 1666,56 = 49663,49.
Дополнительная зарплата составляет 15% от основной зарплаты, соответственно по базовому и модернизируемому вариантам составит:
= 58123,20 · 0,15 = 8718,48,
= 49663,49 · 0,15 = 7449,52.
Премиальные выплаты составляют 10% от основной зарплаты, соответственно по базовому и модернизируемому вариантам:
= 58123,20 · 0,10 = 5812,32,
= 49663,49 · 0,10 = 4966,35.
Зарплата по базовому и модернизируемому вариантам соответственно составит:
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
= (58123,20 + 8718,48 + 5812,32) · 1,15 = 83552,10,
= (49663,49 + 7449,52 + 4966,35) · 1,15 = 71391,26.
Отчисления на социальное страхование составляют 37,7%
от общей заработной платы, включая отчисления на соцстрах,
отчисления в пенсионный фонд, отчисления на медицинское
страхование и соответственно составят по базовому и модернизируемому вариантам расчета:
=
· 0,377 = 83552,10 · 0,377 = 31499,14 руб.,
=
· 0,377 = 71391,26 · 0,377 = 26914,51 руб.
Затраты на выплату заработной платы и социальные нужды
составят по базовому и модернизируемому вариантам соответственно:
= 83552,10 + 31499,14 = 115051,24 руб.,
= 71391,26 + 26914,51 = 98307,77 руб.
Затраты на амортизационные отчисления составят:
ЗАморт = Ст · kнорм,
(5.4)
где Ст – балансовая стоимость экструдера;
kнорм – норма амортизационных отчислений, kнорм = 16,7%.
Ст = Ц · kдм,
где Ц – оптовая цена экструдера по прейскуранту (Ц = 230000
руб.);
kдм – коэффициент, учитывающий расходы на доставку и
монтаж (kдм = 1,12).
Амортизационные отчисления по модернизируемому варианту расчета будут меньше на 16% за счет сокращения работы
экструдера (при условии, что объем производства остался прежним).
Амортизационные отчисления по базовому и модернизируемому вариантам в рублях:
= 230000 · 1,12 · 0,167 = 43019,20 руб.,
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
= 230000 · 1,12 · 0,167 · 0,84 = 36136,13 руб.
Затраты на все виды ремонта и технического обслуживания
составят 18,8% от балансовой стоимости экструдера:
= Ст · 0,188 = 257600 · 0,188 = 48428,80,
= Ст · 0,188 · 0,84 = 257600 · 0,188 · 0,84 = 40680,19.
Затраты на электроэнергию:
ЗЭлек = Nэл · Цэл · Тд ,
(5.5)
где Nэл – удельный расход электроэнергии кВт;
Цэл – стоимость 1 кВтּч электроэнергии;
Тд – действительный фонд рабочего времени, час.
Затраты на электроэнергию по модернизируемому варианту
ниже на 20% за счет снижения энергоемкости процесса экструдирования.
Затраты на электроэнергию по базовому и модернизируемому вариантам соответственно равны:
= 7,5 · 2,8 · 1984 = 41664,00,
= 6 · 2,8 · 1666,56 = 27998,21.
Затраты на содержание производственных зданий для базового оборудования и модернизированного одинаковы:
(5.6)
ЗЗдан = Sоб · Sдоп · Нпл,
где Sоб – площадь, занимаемая оборудованием 2,24 м2;
Sдоп – дополнительная площадь – 1,2 м2;
Нпл – норма на содержание 1 м2 производственных площадей – 1113,91 руб/м2.
ЗЗдан = 2,24 · 1,2 · 1113,91 = 2994,19 руб.
Таким образом, затраты по базовому и модернизируемому
вариантам, используя (5.3) – (5.6), соответственно составят:
Сб = 115051,24 + 43019,20 + 48428,80 +41664,00 +
+ 2994,19 = 251157,43 руб.
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
См = 98305,77 + 36136,13 + 40680,19 + 27998,21 +
+ 2994,19 = 206114,49 руб.
Поскольку капитальные вложения по базовому и модернизируемому вариантам равны, то экономический эффект составит:
Э = 251157,43 – 206114,49 = 45042,94 руб.
Технико-экономические показатели приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Технико-экономические показатели
Показатели
Производительность
Фактический годовой
объем продукции
Энергоемкость
Количество рабочих
Годовая технологическая
себестоимость
Себестоимость единицы
продукции
Годовой экономический
эффект
Единицы
измерения
Базовая
конструкция
Модернизируемая
конструкция
кг/ч
42,83
49,25
т/год
85
98,60
кДж/кг
чел.
1695
1
1356
1
руб./год
251157,43
206114,49
руб./т
12400,00
8680,00
руб.
45042,94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамов, О. В. Научное обеспечение процесса экструзии
модельных сред на основе крахмалосодержащего сырья и разработка высокоэффективного оборудования для его реализации:
дис. … д-ра техн. наук / О. В. Абрамов. – Воронеж, 2009. – 399 с.
2. Авербах, А. Ю. Двухжидкостная модель физико-механических характеристик масличного материала в шнековом
маслоотжимном прессе / А. Ю. Авербах, В. Н. Геращенко,
Ю. П. Кудрин, Ю. А. Толчинский // Известия вузов. Пищевая
технология. – 1991. – № 1 – 3. – С. 75 – 177.
3. Азрилевич, М. Р. Выставка «Пищемаш-2000» / М. Р. Азрилевич // Масложировая промышленность. – 2000. – № 3. – С. 36.
4. Алексанян, И. Ю. Совершенствование технологии экспандированных-гранулированных продуктов / И. Ю. Алексанян,
О. В. Антошкин, С. В. Синяк // Известия вузов. Пищевая технология. – 2004. – № 4. – С. 39 – 42.
5. Алферников, О. Ю. Технология и оборудование экструзионной обработки животного и растительного сырья / О. Ю. Алферников, А. С. Щубко // Известия вузов. Пищевая технология. –
2007. – № 3. – С. 87 – 89.
6. Алымов, В. Т. Изменение плотности прессуемой мезги
и кислотного числа масла в зависимости от глубины отжима в
шнековом прессе / В. Т. Алымов // Тр. ВНИИЖиров. – Л., 1971. –
Вып. XXVIII. – С. 84 – 88.
7. Артоболевский, И. И. Теория механизмов и машин /
И. И. Артоболевский. – М.: ГИТТЛ, 1953. – 712 с.
8. Бабошин, И. В. Метод определения радиальных давлений внутри зеерной камеры: рукопись / И. В. Бобошин. – Л.:
ВНИИЖиров, 1953. – 30 с.
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9. Белобородов, В. В. Основные процессы производства растительных масел / В. В. Белобородов. – М.: Пищевая промышленность, 1966. – 478 с.
10. Биотопливо: биодизель – топливо будущего [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.greenrussia.ru/main.
11. Богатырев, А. Н. Термопластическая экструзия: научные основы, технология, оборудование / А. Н. Богатырев,
В. П. Юрьев. – М.: Ступень, 1994. – 200 с.
12. Богданов, Г. А. Требования к рапсовому шроту для сельскохозяйственных животных в отношении содержания в нем
тиоглюкозидов / Г. А. Богданов, А. М. Жадан, Г. И. Мееров. – Л.:
Труды ВНИИЖ, 1986.
13. Бубнов, Д. Б. Адаптация дизеля сельскохозяйственного
трактора для работы на рапсовом масле: автореф. дис. … канд.
техн. наук / Д. Б. Бубнов. – М.: 1996. – 17 с.
14. Вальехо, П. Применение раздельной подачи топлива растительного происхождения в малоразмерный дизель с целью
улучшения его экологических показателей: автореф. дис. …
канд. техн. наук / П. Вальехо. – М.: 2000. – 16 с.
15. Винтоняк, В. Аналитика: Украинская рапсодия / В. Винтоняк // Агро-перспектива. – 2000. – № 1. – 2 с.
16. Возможности рапса как альтернативы дизельному топливу [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.css-mps.
ru/zdm.
17. Выставка оборудования в Германии // Комбикорма. –
2005. – № 5. – С. 34 – 36.
18. Гавриленко, Н. В. Оборудование для производства растительных масел / Н. В. Гавриленко. – М.: Пищевая промышленность, 1972. – 312 с.
19. Глухов, М. А. Разработка и научное обоснование способа производства пищевых текстуратов в экструдере с динамической матрицей: дис. … канд. техн. наук / М. А. Глухов. – Воронеж, 2008. – 242 с.
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20. Голдовский, А. М. Теоретические основы производства
растительных масел / А. М. Голдовский. – М.: Пищепромиздат,
1958. – 496 с.
21. Гуйда, А. Н. Биодизель: переводим двигатели на рапс /
А. Н. Гуйда. – 2006 [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://agroyug.ru.
22. Данилкин, А. П. Разработка и обоснование шнекового пресс-экструдера с боковым расположением фильер: дис.
… канд. техн. наук / А. П. Данилкин. – Оренбург: Издат. центр
ОГАУ, 2007. – 118 с.
23. Дегтяренко, Г. Н. Исследование процесса производства крупяных палочек на универсальном прессе-экструдере
/ Г. Н. Дегтяренко, В. П. Ханин // Тезисы докладов региональной конференции молодых ученых и специалистов. – Оренбург,
1995. – 112 с.
24. Деревенко, В. В. Оптимальный энерготехнологический
комплекс маслопрессового производства / В. В. Деревенко //
Масложировая промышленность. – 2001. – № 2. – С. 24 – 26.
25. Дука, Г. Растительное сырье для получения ГСМ и энегетическая безопасность республики Молдова / Г. Дука, А. Крачун. Bd. Ştefan cel Mare şi Sfânt, 1, MD 2012, Chişinău Republica
Moldova.
26. Егоров, Г. А. Технология и оборудование мукомольнокрупяного и комбикормового производства / Г. А. Егоров,
Е. М. Мельников, В. Ф. Журавлев. – М.: Колос, 1979. – 367 с.
27. Егоров, И. А. Нетрадиционные корма и добавки в комбикормах бройлеров и яичных кур-несушек: автореф. дис. … д-ра
биол. наук / И. А. Егоров. – Сергиев Посад, 1992. – 45 с.
28. Ефанов, А. А. Улучшение экологических характеристик дизеля регулированием состава смесевого биотоплива: дис. … канд.
техн. наук / А. А. Ефанов. – М.: Ун-т им. Баумана, 2008. – 127 с.
29. Зарембо, Г. В. Исследование процесса отжима растительных масел в шнековых прессах: автореф. дис. … канд. техн. наук
/ Г. В. Зарембо. – Краснодар, 1962. – 36 с.
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30. Зарубин, В. С. Математическое моделирование в технике /
В. С. Зарубин. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 496 с.
31. Заявка RU на изобретение № 2005119589/13, С11 В1/04
(2006.01). Способ извлечения масла ферментативным гидролизом из растительного маслосодержащего сырья / Б. Е. Красавцев,
П. Б. Василевский, И. Н. Толсторебров, Т. А. Рочев, В. А. Мухин,
В. Ю. Новиков.
32. Зубкова, Т. М. Повышение эффективности работы одношнекового экструдера для производства кормов на основе
параметрического синтеза: автореф. дис. … д-ра техн. наук /
Т. М. Зубкова. – Оренбург, 2006. – 39 с.
33. Зубкова, Т. М. Использование вычислительного эксперимента для проведения векторной оптимизации конструктивных
параметров технологических объектов / Т. М. Зубкова, А. Н. Колобов, М. А. Корякина // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы VII Всероссийской научно-практической конференции (с международным
участием). – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. – С. 87 – 91.
34. Зубкова, Т. М. Влияние геометрических параметров
шнека на производительность экструдера при экструдировании
масличного сырья / Т. М. Зубкова, М. А. Корякина // Научнотехнический прогресс в животноводстве – стратегия машиннотехнологического обеспечения производства продукции на
период до 2020 г.: сборник научных трудов. Т. 20. Ч. 3 / ГНУ
ВНИИМЖ Россельхозакадемия. – Подольск, 2009. – С. 68 – 73.
35. Зубкова, Т. М. Использования вычислительного эксперимента для анализа технико-экономических показателей
процесса экструдирования масличного сырья / Т. М. Зубкова,
М. А. Корякина // Компьютерная интеграция производства и
ИПИ-технологии: сборник материалов четвертой Всероссийской научно-практической конференции. – Оренбург: ИПК ГОУ
ОГУ, 2009. – С. 487 – 489.
36. Зубкова, Т. М. Математическое моделирование процесса экструдирования с оттоком жидкой фазы / Т. М. Зубкова,
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М. А. Корякина // Современные информационные технологии в
науке, образовании и практике: материалы VIII Всероссийской
научно-практической конференции (с международным участием). – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. – С. 95 – 96.
37. Зубкова, Т. М. Экспериментальные исследования работы экструдера с переменным шагом шнека при обработке семян
рапса / Т. М. Зубкова, М. А. Корякина // Сборник научных трудов. Т. 21. Ч. 3 / РАСХН ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии. –
Подольск, 2010. – С. 61 – 65.
38. Зубкова, Т. М. Исследование влияния геометрических
параметров шнека экструдера на качество продукции и энергоемкость технологического процесса / Т. М. Зубкова, М. А. Корякина // Современные информационные технологии в науке,
образовании и практике: материалы IХ Всероссийской научнопрактической конференции (с международным участием). –
Оренбург: ООО «КОМУС», 2010. – С. 5 – 8.
39. Зубкова Т. М. Многопараметрическая оптимизация конструкции одношнекового экструдера на основе адаптивных методов поиска / Т. М. Зубкова, Н. А. Мустюков // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург, 2013. – № 9
(158). – С. 208 – 216. ISSN: 1814 – 6457.
40. Измалков, Л. Н. Влияние свойств подсолнечной мезги на
износ сталей / Л. Н. Измалков // Известия вузов. Пищевая технология. – 1964. – № 3. – С. 115 – 119.
41. Интенсивная технология производства рапса / под ред.
Ю. П. Бурякова. – М.: Росагропромиздат, 1990. – 190 с.
42. К юбилею машиностроительного завода // Комбикорма. –
2007. – № 1. – С. 52 – 53.
43. Кабанов, Е. Реконструкция завода по переработке масличных культур / Е. Кабанов // Комбикорма. – 2007. – № 5. –
С. 31 – 32.
44. Кабушка, В. Г. Принцип действия и конструкция экструдеров [Электронный ресурс] / В. Г. Кабушка. – Режим доступа:
http://www.extrutec.ck.ua/reports/rep_3.htm.
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
45. Калошин, Ю. А. Технология и оборудование масложировых предприятий: учебник / Ю. А. Калошин. – М.: Академия, 2002.
46. Карташов, Л. П. Системный синтез технологических объектов АПК / Л. П. Карташов, В. Ю. Полищук. – Екатеринбург:
УрО РАН, 1998. – 185 с.
47. Карташов, Л. П. Моделирование процесса экструдирования в одношнековых прессующих механизмах / Л. П. Карташов,
В. Ю. Полищук, Т. М. Зубкова // Техника в сельском хозяйстве. –
1998. – № 6. – С. 12 – 14.
48. Карташов, Л. П. Параметрический и структурный синтез
технологических объектов на основе системного подхода и математического моделирования / Л. П. Карташов, Т. М. Зубкова. –
Екатеринбург: УрО РАН, 2009. – 225 c.
49. Карташов, Л. П. Исследование влияния геометрических
параметров шнека на производительность экструдера при экструдировании семян рапса / Л. П. Карташов, Т. М. Зубкова,
М. А. Корякина // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. – Москва, 2010. – № 4. – С. 70 – 72.
50. Карташов, Л. П. Совершенствование конструкции прессэкструдера для отжима масла из семян масла / Л. П. Карташов,
Т. М. Зубкова, М. А. Корякина // Вестник Российской академии
сельскохозяйственных наук.– Москва, 2011. – № 4. – С. 73 – 74.
51. Качественное оборудование по приемлемой цене // Комбикорма. – 2007. – № 6. – С. 38.
52. Киреева, В. В. Малоотходная технология комплексной
переработки фитомассы растений с получением пищевых белковых добавок и кормов [Электронный ресурс] / В. В. Киреева. –
Ростов-на-Дону: Государственная академия сельскохозяйственного машиностроения. – 2009. – Режим доступа: http://www.
sciteclibrary.ru/rus.
53. Кирилов, М. П. Обмен веществ и продуктивность жвачных животных при скармливании комбикормов с небелковыми
азотистыми веществами: дис. … д-ра с.-х. наук / М. П. Кирилов. – Дубровицы, 1984. – 415 с.
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
54. Кичигин, В. Л. Технология и технологический контроль
производства растительных масел / В. Л. Кичигин. – М.: Пищевая промышленность, 1976. – 359 с.
55. Колпаков, И. П. Руководство по эксплуатации шнековых прессов ФП и ЕП при переработке подсолнечных семян /
И. П. Колпаков. – М.: Пищепромиздат, 1951. – 126 с.
56. Кононенко, С. И. Балансирование рационов свиней с использованием белковых кормов и биологически активных веществ: автореф. дис. … д-ра с.-х. наук / С. И. Кононенко. – Краснодар, 2008. – 40 с.
57. Корякина, М. А. Оптимизация параметров шнека экструдера для получения рапсового масла / М. А. Корякина // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – Оренбург, 2011. – № 3. – С. 69 – 72.
58. Корякина, М. А. Анализ экспериментальных исследований продуктов экструзии семян рапса [Электронный ресурс] /
М. А. Корякина // Издание «Вестник Оренбургского научного
центра». Электронный журнал № 2, 2013 г. Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН. – Режим доступа: http://
elmag.uran.ru:9673/magazine/Numbers/2013 – 2/cont.html.
59. Кудрин, Ю. П. Исследование течения материала в винтовых каналах маслоотжимных шнековых прессов: автореф. дис.
… канд. техн. наук / Ю. П. Кудрин. – Харьков, 1978. – 22 с.
60. Ланкин, В. Е. Технология производства полу- и полножирных продуктов сои и рапса для комбикормов на экструдерах КМЗ2У с дополнительными маслоотделяющей приставкой и насадкой:
дис. … канд. с.-х. наук / В. Е. Ланкин. – Воронеж, 2001. – 155 с.
61. Линия экструдирования. Преимущества экструдированных кормов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://
www. poptm.ru/index.php.
62. Лисицын, А. Н. Биологические особенности сортов рапса
и физиологические ценности жмыхов и шротов / А. Н. Лисицын,
С. Ф. Быкова, Е. К. Давиденко, Н. М. Минасян // Масложировая
промышленность. – 2007. – № 6. – С. 18 – 20.
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
63. Лисицын, А. Н. Возможные пути использования семян
рапса / А. Н. Лисицын, В. Н. Григорьева, Е. Е. Смирнова // Масложировая промышленность. – 2000. – № 4. – С. 14 – 15.
64. Лисицын, А. Н. Окислительная деструкция растительных
масел под воздействием высоких температур / А. Н. Лисицын,
В. Н. Григорьева, Т. Б. Алымова, Л. Н. Журавлева // Масложировая промышленность. – 2007. – № 4. – С. 10 – 13.
65. Лисицын, А. Н. Современный технологический процесс
для получения качественных пищевых масел и белковых продуктов для кормовых целей [Электронный ресурс] / А. Н. Лисицын, В. Н. Марков. – Режим доступа: http://www.maslobaza.ru.
66. Магомедов, Г. О. Продукты функционального питания
и экструзия / Г. О. Магомедов, А. Ф. Брехов, Л. Н. Шатнюк,
Е. Г. Окулич-Казарин // Пищевая промышленность. – 2004. –
№ 2. – С. 84 – 87.
67. Максимук, Ю. В. Плотность и вязкость растительных масел в интервале 15…80 °С / Ю. В. Максимук, В. Н. Курсевич,
А. Л. Василенко // Масложировая промышленность. – 2006. –
№ 5. – С. 18 – 20.
68. Марков, В. А. Топлива и топливоподача многотопливных
газодизельных двигателей / В. А. Марков, С. И. Козлов. – М.:
Издательство МГТУ им. Баумана. – 2000. – 296 с.
69. Марченко, А. П. Альтернативное биотопливо на основе
производных рапсового масла / А. П. Марченко, В. Г. Семенов //
Химия и технология топлив и масел. – 2001. – № 3.
70. Масликов, В. А. Реология. Технологическое оборудование производства растительных масел. – М.: Пищевая промышленность, 1962. – 422 с.
71. Мацук, Ю. П. К вопросу распределения масла в слоях
прессуемого материала / Ю. П. Мацук // Труды ВНИИЖиров. –
Л., 1954. – Вып. XV. – С. 11 – 20.
72. Мачихин, Ю. А. Реологическая модель комбикорма при
объемном прессовании / Ю. А. Мачихин, Ю. Ф. Белокрылов,
Е. Спандияров // Пищевая технология. – 2005. – № 1. – С. 78 – 80.
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
73. Международная выставка в Голландии // Комбикорма. –
2004. – № 5. – С. 30 – 32.
74. Миллауэр, Х. Экструдеры и экструзионные установки:
семинар по технологии производства комбикормов / Х. Миллауэр. – М.: Минхлебпром, 1989. – 23 с.
75. Михалев, Е. В. Влияние уровня жира в рационах на интенсивность роста, пищеварение, переваримость и использование питательных веществ кормов у ремонтных телок: дис. ...
канд. с.-х. наук / Е. В. Михалев. – Йошкар-Ола, 2004. – 112 c.
76. Морозов, В. С. Современные конструкции прессовых
агрегатов / В. С. Морозов. – М.: ЦНИИТЭИ Пищепром, 1972. –
36 с.
77. Морозов, В. С. Разработка совмещенного процесса отжимания хлопкового масла с получением легкоэкстрагируемых
жмыховых гранул: автореф. дис. … канд. техн. наук / В. С. Морозов. – Л., 1980. – 28 с.
78. Мусиенко, Д. А. Определение рациональных параметров
работы экструдера и влияние их на качество экструдированных
комбикормов: дис. … канд. техн. наук / Д. А. Мусиенко. – Оренбург, 2002. – 212 с.
79. Мутиева, Х. М. Эффективность использования рапсового
шрота из «00» сорта «Эввин» в кормлении кур мясного кросса
«Омега-2»: автореф. дис. … канд. с.-х. наук / Х. М. Мутиева. –
Владикавказ, 2008. – 27 с.
80. На выставке «Олияжирпром» // Масложировая промышленность.– 2000. – № 4. – С. 38 – 39.
81. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2003610998. Оптимизация параметров эффекта
технологического объекта / заявители: А. Ш. Насыров, Т. М. Зубкова. РОСПАТЕНТ. – Опубл. 2003.
82. Облащикова, И. Р. Исследование рапсового масла в качестве основы альтернативных смазочных материалов: дис. …
канд. техн. наук / И. Р. Облащикова. – М., 2004. – 104 с.
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
83. Оборудование для производства масла ООО ПромАгро 8
[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://promagro3.com.
ua/ index.php.
84. Общий технологический процесс получения биодизеля
[Электронный ресурс] / Российская национальная биотопливная
ассоциация (РНБА). – Режим доступа: http://www.bioethanol.ru
85. Ожерельева, О. Н. Разработка и научное обоснование
способа приготовления полнорационных экструдированных
комбикормов для рыб осетровых пород: дис. … канд. техн. наук
/ О. Н. Ожерельева. – Воронеж, 2008. – 232 с.
86. Олешко, В. П. Механизация и автоматизация в масложировой промышленности / В. П. Олешко // Пищевая промышленность СССР. – 1949. – № 3. – С. 39.
87. Опыт использования украинских экструдеров // Комбикорма. – 2004. – № 8. – С. 33 – 34.
88. Остриков, А. Технология производства экструдированных кормов / А. Остриков, В. Василенко // Комбикорма. – 2007. –
№ 3. – С. 31.
89. Остриков, А. Н. Экструзия в пищевых технологиях /
А. Н. Остриков, О. В. Абрамов, А. С. Рудометкин – СПб.: ГИОРД, 2004. – 288 с.
90. Патент RU № 2399493 С1, МПК В30В 9/14 Пресс для отжима масла из маслосодержащего сырья / заявители: Т. М. Зубкова, М. А. Корякина; патентообладатель ГОУ ВПО ОГУ. –
№ 2009107963/02. – Заявлено 05.03.2009. – Опубл. 20.09.2010.
Бюл. № 26.
91. Патент RU № 2401199 С1, МПК В30В 9/14 Пресс для отжима масла из маслосодержащего сырья / заявители: Т. М. Зубкова, М. А. Корякина; патентообладатель ГОУ ВПО ОГУ. –
№ 2009107962/02. – Заявлено 05.03.2009. – Опубл. 10.10.2010.
Бюл. № 28.
92. Патент UA № 3144, В 30, МПК В 9/16 Пресс для отжима
растительных масел / заявители: В. А. Мельтюхов, М. В. Мельтюхов, В. В. Сулима. – Опубл. 1993.
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
93. Патент RU № 2044034 С11, МПК В1/02 Способ переработки соевых семян с получением масла и жмыха или шрота /
заявители: В. В. Ключкин, А. Н. Лисицын, В. И. Краснобородько, Г. В. Зарембо-Рацевич, Г. Ф. Федоров. – Опубл. 1995.
94. Патент RU № 2262441 В 30, МПК В 9/14 Пресс маслоотжимающий / патентообладатель Приморская гос. с.-х. академия. – Опубл. 20.10.2005, Бюл. № 29.
95. Патент RU № 2269420 В 30. МПК В 9/24 Пресс для отделения жидкой фазы из растительного материала / заявители:
А. И. Завражнов. – Опубл. 10.02.2006. Бюл. № 4.
96. Патент RU № 2271278 В 30 МПК В 9/14 Пресс шнековый для отжима жидкости из растительного сырья / заявители:
Н. А. Барташевич. – Опубл. 10.03.2006. Бюл. № 7.
97. Патент RU № 2251486 В 30, МПК В 9/14 Пресс для отжима жидкой фазы / заявители: В. П. Ханин, Т. М. Зубкова,
А. Ш. Насыров. – Опубл. 10.05.2005. Бюл. № 13.
98. Патент RU № 2271931 В 30, МПК В 9/14 Шнековый пресс
для отжима растительного сырья / Мичуринский гос. агр. университет. – Опубл. 20.03.2006. Бюл. № 8.
99. Переработка семян рапса [Электронный ресурс]. – Режим
доступа: http://www.best-rostov.ru
100. Петров, И. А. Моделирование шнек-прессового отжима
как совокупности процессов течения вязкой несжимаемой смеси и фильтрации жидкости сквозь пористую среду / И. А. Петров, Е. В. Славнов // Вычислительная механика сплошных
сред. – Пермь: Институт механики сплошных сред Уральского
отделения РАН. –2013. – Т. 6. – № 3. – С. 277 – 285.
101. Повышение производительности труда в масложировой промышленности. – М.: Пищевая промышленность, 1980. –
248 с.
102. Повышение эффективности производства в масложировой промышленности. – М.: Пищевая промышленность,
1966. – 478 с.
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
103. По итогам 2008/09 МГ экспорт семян рапса из Украины
составил 2,636 млн т [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http:// www.agronews.ru
104. Полищук, В. Ю. Особенности шнекового прессующего
механизма маслоотжимного пресса // Вестник Оренбургского
государственного университета. – Оренбург, 1999. – Вып. № 1. –
С. 78.
105. Полищук, В. Ю. Экспериментальное исследование поведения прессуемого материала в одношнековом прессующем
механизме экструдера / В. Ю. Полищук, В. П. Ханин, Т. М. Зубкова // Совершенствование технологических процессов пищевой
промышленности и АПК: тезисы докладов Российской научнотехнической конференции. – Оренбург, 1996. – 116 с.
106. Полищук, В. Ю. Проектирование экструдеров для отраслей АПК / В. Ю. Полищук, В. Г. Коротков, Т. М. Зубкова. –
Екатеринбург: УрО РАН, 2003. – 201 c.
107. Поморова, Ю. Ю. Биохимическая характеристика желтосемянной формы рапса и продуктов его переработки: автореф. дис. … канд. техн. наук / Ю. Ю. Поморова. – Краснодар,
2005.
108. Пономарев, В. Е. Адаптация малоразмерного высокооборотного дизеля 1Ч 8,2/7,5 с непосредственным впрыском для
работы на рапсовом масле: дис. … канд. техн. наук / В. Е. Пономарев. – М., 1998. – 161 с.
109. Попов, А. С. Математическое моделирование процесса
экструзии в двухшнековом экструдере при производстве зерновых чипсов: дис. … канд. техн. наук / А. С. Попов. – Воронеж,
2006. – 206 с.
110. Пресс шнековый для отжима масла. Модель ZX-130
[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://astroncgroup.ru
111. Прессы пищевых и кормовых производств / под ред.
А. Соколова. – М.: Машиностроение, 1973. – 287 с.
112. Продукция – оборудование для производства и переработки растительных масел АО Алиментармаш (Кишиневский
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
завод пищевого оборудования) [Электронный ресурс]. – Режим
доступа: http://www. almash.md
113. Производство растительного масла [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.znaytovar.ru
114. Путин, В. В. На пути к инновационной экономике. Аналитический портал химической промышленности [Электронный
ресурс] / В. В. Путин. – Режим доступа: http://newchemistry.ru.
115. Ржехин, В. П. Влияние величины удельных давлений в
прессе на выход масла / В. П. Ржехин // Бюллетень технической
информации МПП СССР. – 1950. – № 5. – С. 18.
116. Романенко, Г. А. Рапс – важнейший резерв увеличения
производства растительного масла / Г. А. Романенко // Масличные культуры. – 1987. – № 4. – С. 2 – 5.
117. Руб, Д. М. Исследование маслоотжимных шнековых
прессов: автореф. дис. … канд. техн. наук / Д. М. Руб. – М.,
1957. – 36 с.
118. Рудометкин, А. С. Разработка и научное обоснование
способа производства зерновых продуктов на двухшнековом
экструдере: дис. … канд. техн. наук / А. С. Рудометкин. – Воронеж, 2002. – 189 с.
119. Руслан, В. И. Дизельное биотопливо: технология, оборудование, перспективы / В. И. Руслан, С. С. Ходыко, А. П. Скиба. – Минск, 2003.
120. Савус, А. С. Увеличение ресурса работы шнеком маслопресса / А. С. Савус, В. Д. Деркач, Л. Ф. Колесниченко // Масложировая промышленность, 1980.
121. Сагитов, Р. Ф. Оптимизация процесса экструдирования
масличного сырья в шнековых прессах: дис. … канд. техн. наук
/ Р. Ф. Сагитов. – Оренбург: ОГУ, 2000. – 173 с.
122. Садовничий, Г. В. Современное масложировое производство и перспективы его развития / Г. В. Садовничий // Масложировая промышленность. – 2000. – № 1. – С. 50 – 51.
123. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009614615. Программа для расчета показателей
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
качества экструдированных продуктов / заявители: Т. М. Зубкова, А. Н. Колобов, М. А. Корякина. РОСПАТЕНТ. – Заявка
№ 2009613523. – Заявлено 06.06.2009. – Опубл. 28.08.2009.
124. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011612043. Расчет технико-экономических параметров одношнековых экструдеров / заявители: Т. М. Зубкова, Н. А. Мустюков, М. А. Корякина. РОСПАТЕНТ. – Заявка
№ 2010617272. – Заявлено 19.11.2010. – Опубл. 05.03.2011.
125. Сескутов, В. С. Коэффициенты трения ядер подсолнечных семян / В. С. Сескутов // Известия вузов. Пищевая технология. – 1970. – № 6. – С. 120 – 122.
126. Славнов, Е. В. Метод определения изменения фильтрационных свойств масличных культур в процессе отжима масла на примере экструдата рапса / Е. В. Славнов, И. А. Петров
// Инженерно-физический журнал. – Минск: Институт тепло- и
массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси. –2014. Т. 87. –
№ 4. – С. 860 – 864.
127. Славнов, Е. В. Изменение проницаемости масличных
культур в процессе отжима масла на примере экструдата рапса
/ Е. В. Славнов // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. – М.: Редакция журнала «Доклады РАСХН». –
2013. – № 3. – С. 58 – 60.
128. Советов, Б.Я. Моделирование систем / Б. Я. Советов,
С. А. Яковлев – М.: Высшая школа, 2001. – 343 с.
129. Термопластическая экструзия: научные основы, технология, оборудование / под ред. А. Н. Богатырева, В. П. Юрьева. – М.: Ступень, 1994. – 200 с.
130. Технология производства пищевых растительных масел
Krupp Elastomertechnik GmbH // Масложировая промышленность. – 2002. – № 3. – С. 44.
131. Толчинский, Ю. А. Расчет отжима в шнековом маслоотжимном прессе / Ю. А. Толчинский // Химическое машиностроение. Вестник Харьковского политехнического института. –
Харьков, 1979. – № 159. – Вып. 9. – С. 9 – 12.
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
132. Турбоэкструдеры для выработки качественной продукции // Комбикорма. – 2006. – № 1. – С. 36.
133. Тучемский, Л. И. Методы и приемы создания кроссов
яичных и мясных кур: автореф. дис. … д-ра с.-х. наук / Л. И. Тучемский. – Сергиев Посад, 1994. – 42 с.
134. Установка CAF 200-1 для производства дизельного топлива [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.mtsclaas.ru
135. Филиппов, А. Н. Технико-экономическое проектирование предприятий пищевой промышленности / А. Н. Филиппов. – М.: Агропромиздат, 1990. – 240 с.
136. Фошин, С. Н. Эффективность использования семян рапса и продуктов их переработки в кормлении свиней: автореф.
дис. … канд. с.-х. наук / С. Н. Фошин. – Новосибирск, 1992. –
С. 23.
137. Хеваге, Ч. А. Снижение выбросов сажи малоразмерного
высокооборотного дизеля с непосредственным впрыском путем
добавки рапсового масла в топливо: автореф. дис. … канд. техн.
наук / Ч. А. Хеваге. – М., 1997. – 17 с.
138. Черных, Н. И. Качество продуктов переработки семян
сои и рапса и эффективность их применения в составе комбикормов для цыплят-бройлеров: автореф. дис. … канд. с.-х.
наук. – Курск, 2000. – 21 с.
139. Чечевицын, П. И. Теоретические и экспериментальные
исследования шнековых маслопрессов: автореф. дис. … канд.
техн. наук / П. И. Чечевицын. – Воронеж, 1968. – 32 с.
140. Шавло, В. Ф. Динамика накопления глюкозинолатов
в семенах рапса в зависимости от сортовых особенностей /
В. Ф. Шавло // Вопросы биохимии масличных культур в связи с
задачами селекции. – Краснодар, 1981.
141. Шашев, А. В. Совершенствование рабочего процесса
дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием при использовании в качестве топлива рапсового масла: автореф. дис. …
канд. техн. наук / А. В. Шашев. – Барнаул, 2007. – С. 16.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
142. Шегенов, С. Т. Технология использования в качестве
сочного корма для овец естественно замороженной зеленой массы ярового рапса: автореф. дис. … канд. с.-х. наук / С. Т. Шегенов. – Ставрополь, 1993. – С. 22.
143. Шульвинская, И. В. Модификация функциональных
свойств белково-липидных продуктов из семян рапса и сурепицы / И. В. Шульвинская // Пищевая технология. – 2006. – № 1. –
С. 23 – 24.
144. Щербаков, В. Г. Технология получения растительного
масла / В. Г. Щербаков. – М.: Пищевая промышленность, 1975. –
125 с.
145. Щербаков, В. Г. Химия и биохимия переработки масличных семян / В. Г. Щербаков. – М.: Пищевая промышленность,
1977. – 167 с.
146. Экструдер для обработки сои и кормов // Комбикорма. –
2004. – № 4. – С. 21.
147. Glucozinolates l raps og metoder til deres Krontitative bestemmelse. Angustrimissen erik «Nord jordbrugsborks». 1981. 63. –
№ 2.
148. Ledward, D. A., Mitchell, J. R. Protein extrusion – more
questions than answers. – In: Food Structure – Its Creation and Evaluation / Eds. J. M. V. Blanshard, J. R. Mitchel. – Butterworths: Elsevier Applied Science Publishers. 1988, ch. 12, pp. 219 – 229.
149. Марченко, А. П. Дослідження фізико-хімічних
показників альтернативного біопалива на основі ріпакового масла / А. П. Марченко, В. Г. Семенов, Д. У. Семенова и др. // Машинобудування: Вісник Харківського державного політехнічного
університету. Збірка наукових праць. Випуск 101. – Харків:
ХДПУ, 2000. – С. 159 – 163.
150. Rasmussen K. Frem tidens raps er gul og dobbelt – low. –
dansk. Troavl., 1979, 62, 2.
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕМЯН РАПСА
СПРАВКА
о качестве масличных семян рапса
Сообщаем результаты исследования доставленного образца семян
рапса.
Результаты проверки показали следующее.
Рапс – сорт «РАТНИК» яровой
1. Содержание сорной примеси – не обнаружено
(ГОСТ 10854-88 – «Методы определения сорной, масличной и особо учитываемой примеси»).
2. Содержание влаги и летучих веществ – 7,49%
(ГОСТ 10856-96 – «Семена масличные. Метод определения влажности»).
3. Масличность семян при фактической влажности – 42,92%
(ГОСТ 10857-64 – «Семена масличные. Методы определения масличности»).
4. Масличность семян на абсолютно сухое и чистое вещество –
43,83%
(ГОСТ 10857-64 – «Семена масличные. Методы определения масличности»).
5. Кислотное число масла в семенах рапса – 2,05%
(ГОСТ 10858-77 – «Семена масличных культур. Промышленное
сырье. Методы определения кислотного числа масла»).
Семена рапса согласно ГОСТу – соответствуют классу.
НАЧАЛЬНИК ЛАБОРАТОРИИ
ОАО «Оренбургский маслоэкстракционный
завод»
Т.В. Белобородова
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение Б
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ
МАСЛА И ЖМЫХА РАПСОВОГО
ОАО «Оренбургский
маслоэкстракционный завод»
г. Оренбург, ул. Орлова, 11
ПРОТОКОЛ № 98
исследования проб пищевых продуктов
от «11» ноября 2009 г.
Наименование объекта, адрес __________________________________
Наименование пробы: масло рапсовое, отстой по массе, кол-во 2
Время отбора _______________________ величина партии _________
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Наименование
показателей
1. Прозрачность
2. Запах, вкус
3. Кислотное число
4. Перекисное число
5. Массовая доля влаги и
летучих веществ
6. Массовая доля нежировых примесей
1. Прозрачность
2. Запах, вкус
3. Кислотное число
4. Перекисное число
5. Массовая доля влаги и
летучих веществ
Значение характеристики НДТ на мепо НД не при испытании тоды исследования
более
I образец масла
легкое
помутнение
свойственные
рапсовому маслу
мг КОН/г
1,55
1,51
Ед. изм.
%
0,22
%
0,20
II образец (отстой по массе)
мутное, осадок
свойственные
рапсовому маслу
мг КОН/г
1,68
2,30
%
0,21
Экспериментальные исследования прессования семян рапса проводились
при частоте вращения шнека ω ≈ 15 с–1 с шагом лопасти шнека t = 0,032 м
и шириной лопасти b = 0,006 м с получением рапсового масла при t = 72 °С.
Фамилия и подпись проводившего исследования______________ Горохова О.А.
Заключение ____________________________________________________________
Начальник лаборатории по контролю производства ________ Красникова Н.Ф.
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОАО «Оренбургский
маслоэкстракционный завод»
г. Оренбург, ул. Орлова, 11
ПРОТОКОЛ № 99
исследования проб пищевых продуктов
от «11» ноября 2009 г.
Наименование объекта, адрес __________________________________
Наименование пробы: жмых рапсовый, кол-во 3
Время отбора _______________________ величина партии _________
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Наименование
показателей
Значение характеристики
НДТ на методы исслепо НД не
при испытании
дования
более
Образец № 1
св.-коричневый
свойственный
рапсовому жмыху
Ед. изм.
1. Цвет
2. Запах
3. Массовая доля влаги
и летучих веществ
4. Масличность
%
% (абс.с.)
Образец № 2
1. Цвет
2. Запах
3. Массовая доля влаги
и летучих веществ
4. Масличность
38,88
коричневый
свойственный
рапсовому жмыху
%
% (абс.с.)
Образец № 3
1. Цвет
2. Запах
3. Массовая доля влаги
и летучих веществ
4. Масличность
5,90
5,86
38,29
св.-коричневый
свойственный
рапсовому жмыху
%
6,17
% (абс.с.)
34,88
Экспериментальные исследования прессования семян рапса проводились
при частоте вращения шнека ω ≈ 15 с–1 с шагом лопасти шнека t = 0,032 м
и шириной лопасти b = 0,006 м с получением рапсового масла при t = 82 °С.
Фамилия и подпись проводившего исследования______________ Горохова О.А.
Заключение ____________________________________________________________
Начальник лаборатории по контролю производства ________ Красникова Н.Ф.
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение В
ДАННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Таблица В1 – полученные результаты при изменении
шага винтовой лопасти шнека sш
Наименование
1
Шаг винтовой лопасти шнека
Скорость вращения шнека, рад/с
Производительность экструдера общая, кг/ч
Производительность экструдера по маслу,
кг/ч
Производительность экструдера по жмыху,
кг/ч
Мощность сил полезного сопротивления, кВт
Сила, действующая на матрицу, кН
Коэффициент оттока жидкой фазы
КПД прессующего механизма, %
Энергоемкость процесса прессования, кДж/кг
Шаг винтовой лопасти шнека
Производительность экструдера общая, кг/ч
Производительность экструдера по маслу,
кг/ч
Производительность экструдера по жмыху,
кг/ч
Мощность сил полезного сопротивления, кВт
Сила, действующая на матрицу, кН
Коэффициент оттока жидкой фазы
Кпд прессующего механизма, %
Энергоемкость процесса прессования, кДж/кг
Шаг винтовой лопасти шнека
Производительность экструдера общая, кг/ч
Производительность экструдера по маслу,
кг/ч
Производительность экструдера по жмыху,
кг/ч
170
Значения
2
0,03 м
10
13
15
20
23
18,16 25,08 29,96 34,70 38,08
5,08
7,77 10,49 11,45 7,62
13,08 17,31 19,47 23,25 30,46
1,6
7,14
0,28
2,35
0,088
2,187
7,50
0,31
2,40
0,087
2,60 3,66
7,74 8,20
0,35 0,33
2,60 2,55
0,087 0,11
0,035 м
22,39 28,69 34,81 38,17
4,37
8,61
0,20
2,50
0,11
42,83
4,70 11,76 17,40 13,74 9,85
17,69 16,93 17,40 24,43 32,98
1,71
7,24
0,21
2,81
0,076
2,34
7,62
0,41
2,91
0,082
2,78
7,85
0,50
3,10
0,080
0,04 м
20,77 25,22 30,43
3,92
8,33
0,36
3,10
0,10
4,68
8,75
0,23
2,90
0,11
36,03 40,77
3,53 8,827 12,17 10,80 6,42
17,24 16,39 18,26 25,22 34,34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение таблицы В1
1
Мощность сил полезного сопротивления, кВт
Сила, действующая на матрицу, кН
Коэффициент оттока жидкой фазы
КПД прессующего механизма, %
Энергоемкость процесса прессования, кДж/кг
Шаг винтовой лопасти шнека
Производительность экструдера общая, кг/ч
Производительность экструдера по маслу,
кг/ч
Производительность экструдера по жмыху,
кг/ч
Мощность сил полезного сопротивления, кВт
Сила, действующая на матрицу, кН
Коэффициент оттока жидкой фазы
КПД прессующего механизма, %
Энергоемкость процесса прессования, кДж/кг
Шаг винтовой лопасти шнека
Производительность экструдера общая, кг/ч
Производительность экструдера по маслу,
кг/ч
Производительность экструдера по жмыху,
кг/ч
Мощность сил полезного сопротивления, кВт
Сила, действующая на матрицу, кН
Коэффициент оттока жидкой фазы
КПД прессующего механизма, %
Энергоемкость процесса прессования, кДж/кг
2
2,96 4,18
7,90 8,37
0,40 0,30
2,75 2,70
0,097 0,12
0,045 м
16,10 20,22 28,05 30,34
36,02
2,09
4,32
1,83
7,27
0,17
2,50
0,088
2,50
7,65
0,35
2,55
0,099
5,66
8,98
6,68
4,78
8,79
0,16
2,65
0,12
14,01 14,56 19,07 23,66 31,70
1,94
7,24
0,13
2,00
0,12
2,65
7,62
0,28
2,12
0,13
3,86
7,86
0,32
2,30
0,14
0,05 м
12,32 19,23 22,25
28,11 34,23
1,23
4,22
3,07
5,56
4,44 5,306
8,34 8,75
0,20 0,12
2,21 2,10
0,15 0,15
3,77
11,09 16,15 16,69 23,89 30,46
1,6 2,187 2,60
7,14 7,50 7,74
0,10 0,16 0,25
1,80 1,85 2,02
0,13 0,11 0,12
3,66
8,20
0,15
1,95
0,13
4,37
8,61
0,11
1,81
0,13
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица В2 – Полученные результаты при изменении толщины
винтовой лопасти шнека tл
Наименование
1
Толщина винтовой лопасти шнека
Скорость вращения шнека, рад/с
Производительность экструдера общая, кг/ч
Производительность экструдера по маслу,
кг/ч
Производительность экструдера по жмыху,
кг/ч
Мощность сил полезного сопротивления, кВт
Сила, действующая на матрицу, кН
Коэффициент оттока жидкой фазы
КПД прессующего механизма, %
Энергоемкость процесса прессования, кДж/кг
Толщина винтовой лопасти шнека
Производительность экструдера общая, кг/ч
Производительность экструдера по маслу,
кг/ч
Производительность экструдера по жмыху,
кг/ч
Мощность сил полезного сопротивления, кВт
Сила, действующая на матрицу, кН
Коэффициент оттока жидкой фазы
КПД прессующего механизма, %
Энергоемкость процесса прессования, кДж/кг
Толщина винтовой лопасти шнека
Производительность экструдера общая, кг/ч
Производительность экструдера по маслу,
кг/ч
Производительность экструдера по жмыху,
кг/ч
Мощность сил полезного сопротивления, кВт
Сила, действующая на матрицу, кН
Коэффициент оттока жидкой фазы
172
Значения
2
0,003 м
10
13
15
20
23
21,23 24,20 32,23 36,12 40,30
5,94
7,50 11,28 11,92 8,06
15,29 16,70 20,95 24,20 32,24
1,60
7,14
0,28
2,55
0,075
2,187
7,50
0,31
2,75
0,090
2,60 3,66
7,74 8,20
0,35 0,33
3,10 2,95
0,081 0,101
0,005 м
24,12 28,23 34,13 38,05
4,37
8,61
0,20
2,80
0,108
44,02
5,07 11,57 17,07 13,70 10,12
19,05 16,66 17,06 24,35 33,90
1,71
7,24
0,21
3,20
0,071
2,78 3,92
7,85 8,33
0,50 0,36
3,40 3,30
0,081 0,103
0,007 м
22,09 25,35 32,31 36,11
3,76
2,34
7,62
0,41
3,30
0,083
4,68
8,75
0,23
3,10
0,106
42,32
8,87 12,92 10,83 6,77
18,33 16,48 19,39 25,28 35,55
1,83
7,27
0,17
2,50
7,65
0,35
2,96
7,90
0,40
4,18
8,37
0,30
4,78
8,79
0,16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение таблицы В2
1
2
КПД прессующего механизма, %
Энергоемкость процесса прессования, кДж/кг
Толщина винтовой лопасти шнека
Производительность экструдера общая, кг/ч
Производительность экструдера по маслу,
кг/ч
Производительность экструдера по жмыху,
кг/ч
Мощность сил полезного сопротивления, кВт
Сила, действующая на матрицу, кН
Коэффициент оттока жидкой фазы
КПД прессующего механизма, %
Энергоемкость процесса прессования, кДж/кг
Толщина винтовой лопасти шнека
Производительность экструдера общая, кг/ч
Производительность экструдера по маслу,
кг/ч
Производительность экструдера по жмыху,
кг/ч
Мощность сил полезного сопротивления, кВт
Сила, действующая на матрицу, кН
Коэффициент оттока жидкой фазы
КПД прессующего механизма, %
Энергоемкость процесса прессования, кДж/кг
2,95 3,00 3,25 3,15 2,95
0,083 0,099 0,092 0,116 0,113
0,009 м
18,32 24,12 30,43 34,04 38,00
2,38
6,75
9,74
7,49
4,56
15,94 17,37 20,69 26,55 33,44
1,94
7,24
0,13
2,35
0,106
2,65
7,62
0,28
2,55
0,110
3,86 4,44
7,86 8,34
0,32 0,20
2,85 2,65
0,127 0,130
0,011 м
16,04 22,02 28,02 30,23
5,306
8,75
0,12
2,40
0,140
1,60
3,96
3,52
7,00
4,53
36,04
14,44 18,50 21,02 25,70 32,08
1,60
7,14
0,10
2,25
0,100
2,187
7,50
0,16
2,35
0,099
2,60
7,74
0,25
2,54
0,093
3,66
8,20
0,15
2,45
0,121
4,37
8,61
0,11
2,38
0,121
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 3
1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ОБ ОТЖИМЕ РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА
В ОДНОШНЕКОВЫХ ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРАХ ................................................... 5
1.1 Использование экструдеров в отраслях
агропромышленного комплекса......................................................................... 5
1.2 Биологические особенности и ценности рапса
как масличной культуры................................................................................... 15
1.3 Промышленное производство органического моторного топлива –
биодизеля на основе рапсового масла ............................................................ 28
1.4 Качественные характеристики биодизельного топлива на базе
рапсового масла: преимущества и недостатки .............................................. 33
1.5 Высокотехнологичные производственные процессы
переработки семян рапса на масло ................................................................. 48
1.6 Перспективы развития современных шнековых
прессующих механизмов ................................................................................. 54
1.6.1 Классификация шнековых прессующих механизмов.......................... 54
1.6.2 Структурно-параметрические особенности
маслоотжимных прессов и их рабочих органов .................................. 60
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ЭКСТРУДИРОВАНИЯ С ОТТОКОМ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ................................... 67
2.1 Системный подход к моделированию
и оптимизации технологических объектов..................................................... 67
2.2 Формирование математической модели
с учетом оттока жидкой фазы .......................................................................... 74
2.3 Исследование влияния геометрических
и конструктивных параметров рабочих
органов экструдера на отток жидкой фазы .................................................... 85
3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОЦЕССА ЭКСТРУДИРОВАНИЯ СЕМЯН РАПСА ........................................ 91
3.1 Общая методика проведения эксперимента .................................................. 91
3.2 Экспериментальная установка, приборы и оборудование,
используемые в исследованиях ....................................................................... 91
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3 Методика проведения эксперимента ............................................................... 96
3.4 Отбор и обработка результатов...................................................................... 102
3.5 Методика определения крошимости гранул
рапсового жмыха ............................................................................................. 105
4 АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЭКСТРУДИРОВАНИЯ СЕМЯН РАПСА
С ОТТОКОМ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ............................................................................110
4.1 Методы анализа качества рапсового масла и жмыха ...................................110
4.2 Анализ образцов рапсового масла и оценка качества процесса .................113
4.3 Анализ образцов рапсового жмыха и оценка качества процесса .............. 121
5 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ
И ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
МОДЕРНИЗАЦИИ ОДНОШНЕКОВОГО ЭКСТРУДЕРА ................................ 130
5.1 Оптимизация шнека экструдера .................................................................... 130
5.2 Совершенствование конструкций и узлов пресс-экструдера ..................... 134
5.3 Экономическое обоснование эффективности применения
модернизированного оборудования ............................................................. 139
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................ 145
Приложение А РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕМЯН РАПСА ............... 161
Приложение Б РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ
МАСЛА И ЖМЫХА РАПСОВОГО .......................................... 162
Приложение В ДАННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГОЭКСПЕРИМЕНТА ........... 170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Научное издание
Корякина Марина Александровна,
Шахов Владимир Александрович,
Козловцев Андрей Петрович
СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ
ШНЕКОВОГО ЭКСТРУДЕРА ДЛЯ ОТЖИМА РАПСА
Монография
Технический редактор М.Н. Рябова
Корректор Н.А. Иванов
Верстка Б.З. Хавин
Подписано в печать 18.02.2016. Формат 60×90/16.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 11,0.
Тираж 500 экз. (1-й завод – 120 экз.). Заказ № 7994.
Издательский центр ОГАУ
460014, г. Оренбург‚ ул. Челюскинцев‚ д. 18
Тел.: (3532) 77-61-43
Отпечатано в Издательском центре ОГАУ
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
208
Размер файла
11 996 Кб
Теги
10211, структура, синтез, отжимая, экструдера, шнекового, параметрические, рапса
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа