Обоснование Конструктивных параметров УСТАНОВКИ для ВЫВЕДЕНИЯ кормовых ФОСФОЛИПИДОВ ИЗ ПОДСОЛНЕЧНОГО

На правах рукописи

АЛЕКСАНДРОВ ИГОРЬ ЮРЬЕВИЧ

Обоснование Конструктивных параметров

УСТАНОВКИ для ВЫВЕДЕНИЯ кормовых

ФОСФОЛИПИДОВ ИЗ ПОДСОЛНЕЧНОГО МАСЛА

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск 2009

Работа выполнена на кафедре «Механизация животноводства» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Алтайский государственный аграрный университет

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Федоренко Иван Ярославович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, с.н.с.

Петухов Николай Александрович;

(ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии)

кандидат технических наук, доцент

Терехова Ольга Николаевна

(ФГО ВПО АлтГТУ)

Ведущая организация – Государственное научное учреждение Сибирский

научно-исследовательский институт животноводства

Сибирского отделения Российской академии

сельскохозяйственных наук

(ГНУ СибНИИЖ СО Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится «16» декабря 2009 года в 9 часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Сибирского отделения Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: Новосибирская область, Новосибирский район, п. Краснообск-1, а/я 460, ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии.

www.sibime.sorashn.ru; e-mail: sibime@ngs.ru.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета: 630501, Новосибирская область, Новосибирский район, п. Краснообск - 1, а/я 460, ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакдемии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакдемии.

Автореферат разослан « 14 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук В.С. Нестяк

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Важным источником пополнения запасов кормов являются отходы маслопрессовых и маслоэкстракционных заводов. Одним из отходов являются фосфолипиды (фосфатиды), получаемые при первичной очистке растительных масел. Фосфолипиды содержат (%): собственно фосфатидов 8 – 12, жира – до 20, белковых веществ – 50 - 60, влаги не более 14.

Кормовой фосфатидный концентрат является важным компонентом заменителей цельного молока для телят, где фосфолипиды играют роль физиологически ценного вещества и эмульгатора. Кроме того, фосфолипиды входят в состав рационов кормления свиней, молодняка крупнорогатого скота, овец, цыплят и взрослой птицы.

По данным Гайнетдинова М.Ф. добавление в рацион телят 50 грамм фосфолипидов на голову в день позволило довести среднесуточные привесы до 875 грамм вместо 550 в контрольной группе. Поросята, получавшие по 30 грамм фосфолипидов в день, увеличили привесы с 240 грамм до 430. При скармливания птице 1,5-2 грамма этого отхода повысилась яйценоскость кур на – 51 %, уток на – 41 %, гусей на – 105 %.

Современный этап развития сельского хозяйства характеризуется созданием сельхозпроизводителями собственной перерабатывающей базы. В частности, широкое распространение получили миницеха по производству подсолнечного масла. Эти цеха отличает упрощенная технология производства, в результате чего получаемое масло содержит повышенное содержание фосфолипидов, восков, красящих веществ. Чтобы довести такое масло до сортовых кондиций, его нужно подвергнуть тщательной очистке. Извлечение фосфолипидов вместе с примесями возможно только гидратацией.

Свойство фосфолипидов при взаимодействии с водой снижать устойчивую растворимость их в масле вплоть до образования отдельной фазы положено в основу промышленного метода извлечения фосфолипидов из масла, получившего название «гидратация». Существующие способы выведения фосфолипидов основаны на смешивании растительных масел с водой или обработки их паром, что реализуется на тихоходном металлоемком оборудовании, при этом очищенное масло необходимо досушивать (для удаления остатков гидратирующего раствора) на вакуумных установках. Однако они столь энергоемки, сложны и дорогостоящи, что не могут быть применены в условиях цехов малой мощности.

Поэтому необходим поиск новых технических решений в области совершенствования технологий и устройств для гидратации растительных масел применительно к данным условиям работы.

Цель исследования – снижение металло - и энергоемкости процесса выведения кормовых фосфолипидов и повышение качества обработанного масла путем кавитационного воздействия на систему: «подсолнечное масло -фосфолипиды - гидратирующий раствор».

Объект исследования – технологический процесс гидратации подсолнечного масла и оборудование для его осуществления.

Предмет исследования: факторы, выходные характеристики и закономерности проведения механико-химической гидратации.

Методы исследований: основные законы гидравлики, дифференциальное и интегральное исчисление, методы математической статистики и планирования эксперимента.

Научная гипотеза заключается в том, что наилучшего выведения фосфолипидов и получения масла высшего сорта в миницехах можно добиться комплексным механико-химическим воздействием на устойчивость системы: «масло - фосфолипиды - гидратирующий раствор», не требующим сложного аппаратурного оформления.

Научная новизна. Получены расчётная модель и теоретические зависимости, определяющие параметры процесса гидратации, учитывающие механизм образования кавитации и размер получаемых частиц масляно-водной эмульсии.

Получены экспериментальные зависимости оценочных показателей установки для выведения кормовых фосфолипидов от ее конструктивных параметров в виде регрессионной математической модели процесса гидратации.

Новизна конструкторской разработки и способа гидратации подтверждена патентом РФ на изобретение № 2288948.

Практическая ценность:

- разработаны способ и устройство для гидратации подсолнечного масла, использующие кавитирующее воздействие на систему: «масло - фосфолипиды - гидратирующий раствор», позволяющие очищать масло, полученное как на промышленных заводах, так и в миницехах.

- результаты исследований могут быть использованы конструкторскими организациями при проектировании устройств для гидратации подсолнечного масла.

На защиту выносятся:

- обоснование технологии механико-химической гидратации подсолнечного масла, не требующей сложного аппаратурного оформления;

- результаты теоретических исследований гидромеханических процессов, сопутствующих гидратации подсолнечного масла;

- результаты экспериментальных исследований по обоснованию конструктивно-кинематических параметров установки для выведения кормовых фосфолипидов;

- технико-экономическое обоснование эффективности проведенных научных исследований.

Реализация результатов исследований:

1. Спроектирован, изготовлен и апробирован экспериментальный образец установки для выведения фосфолипидов из подсолнечного масла в ООО ИТЦ «Алтайвибромаш» г. Барнаул.

2. Проведены производственные испытания установки в миницехе по производству подсолнечного масла ООО «Электротехника-Сибирь» Алтайского края.

3. Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе Алтайского государственного аграрного университета при чтении лекций по курсу «Технология хранения и переработки продукции растениеводства» и «Технологическое оборудование для переработки продукции растениеводства», а также при проведении практических и лабораторных работ по этим курсам.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на следующих конференциях:

- Вторая городская межвузовская научно-практическая конференция «Молодежь – Барнаулу». (Барнаул, БЮИ, 2000г.);

- Международная научно-практическая конференция. (Москва, МГАУ, 2000г.);

- научно-технические конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АГАУ (Барнаул, АГАУ, 1997-2009гг).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 3 статьи – в издании, указанном в «Перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий…», рекомендованном ВАК и патенте РФ № 2288948.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 25 таблиц и 8 приложений. Список использованной литературы включает 127 наименований, в том числе 4 на иностранных языках.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, ее цель, определены объект и предмет исследований, раскрыты научная гипотеза, новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» изложены общие сведения о кормовой ценности фосфолипидов, существующие способы гидратации растительных масел и конструкции устройств для её осуществления, а также теоретические основы выведения фосфолипидов.

Исследованиям процесса гидратации растительных масел посвящены работы Н.С. Арутюняна, Е.П. Корненой, Б.Н. Тютюнникова, В.Г. Щербакова, А.Г. Сергеева, С.И. Копейковского, Л.А. Севастьяновой, Б.А. Дехтермана, А.А. Шмидта и других.

При анализе существующих способов гидратации, конструкций устройств для их осуществления и теоретических исследований установлено:

- Очистка подсолнечного масла, получаемого в миницехах методом гидратации, позволяет получать масло высшего сорта и отходы – фосфолипиды. Фосфолипиды растительных масел являются важным кормовым компонентом, повышающим продуктивность животных.

- Гидратация подсолнечного масла – процесс энергоемкий, многостадийный, сложный и неприемлем для цехов малой мощности. Поэтому проблема разработки способа гидратации и технического средства для его осуществления в малых цехах является актуальной.

- Полного выведения фосфолипидов из подсолнечного масла можно добиться направленным регулированием поверхностных и объемных свойств фосфолипидов путем комплексного механико-химического воздействия на устойчивость системы «подсолнечное масло - фосфолипиды - гидратирующий раствор».

Для достижения цели работы сформулированы следующие задачи:

1. Разработать и обосновать способ и устройство кавитационной обработки подсолнечного масла с выведением кормовых фосфолипидов, приемлемые для малых производств.

2. На основе анализа факторов, характеризующих процесс гидратации, получить математические модели влияния режимов кавитации на выходные параметры этого процесса.

3. Обосновать конструктивные параметры рабочих органов кавитатора и технологические режимы процесса гидратации.

4. Провести испытания установки в хозяйственных условиях и дать технико-экономическую оценку ее применения.

Во второй главе «Математическое описание гидромеханических процессов, сопутствующих кавитационной гидратации подсолнечного масла» рассмотрены и проанализированы закономерности смешивания не растворяющихся друг в друге жидкостей, обоснованы конструктивно-кинематические параметры кавитатора установки для гидратации подсолнечного масла, при которых обеспечивается минимальный размер частиц эмульсии.

Для качественного проведения гидратации масло и гидратирующий раствор должны быть тщательно перемешаны. Однако для несмешивающихся жидкостей, каковыми являются масло и вода (гидратирующий раствор), простое механическое перемешивание не дает должного эффекта. Поэтому после смешивания и получения механической смеси ее сразу же необходимо превращать в эмульсию.

Для получения механической смеси указанных жидкостей можно использовать специальные смесители, однако это бы существенно усложнило технологию выделения кормовых фосфолипидов. Мы выдвинули гипотезу, что качественного перемешивания масла и воды можно добиться с помощью оборудования, применяемого для перекачки масла. Такое оборудование содержит шестеренчатый насос, трубопроводы, запорную арматуру.

В настоящей работе детерминированное рассмотрение процесса смешивания основано на использовании интегральных уравнений, которые все шире используются в различных отраслях науки.

В данном случае возможность использования таких уравнений связано с известным рассмотрением процесса смешивания как совокупности двух противоположных явлений - смесеобразования и сегрегации (обратного разделения смеси на составляющие компоненты).

Исходными пунктами предлагаемой теории являются следующие гипотезы.

1. Для идеальных условий смешивания, когда отсутствует сегрегация исходных компонентов (например, в невесомости), предлагается зависимость:

(1)

где А – работа, потребная для смешивания 1кг смеси до однородности , Дж / кг;

W – модуль смешивания, показывающий какая работа совершается при увеличении однородности 1 кг смеси на 1 %, Дж / (кг %).

2. В обычных условиях смешивания, когда проявляется сегрегация, смеси, текущие значение (t) зависит не только от текущего значения A(t), но и от «истории» изменения величины А. Математически это означает, что соотношение между функциями (t) и A(t) содержит не только сами функции, но и их производные.

Иными словами, зависимость (1) для данного случая не является однозначной, в неё вклинивается фактор времени, причём можно записать:

(t) = A(t)/ W-, (2)

где -уменьшение однородности (связанное с сегрегацией), зависящее от промежутка времени t - , отделяющего момент t наблюдения однородности смеси от момента начала ее смешивания и от A() (где -промежуток времени, за который совершена работа A()).

3. Полученные в разное время уравнения однородности смеси складываются.

В соответствии с этим процесс смешивания можно представить в виде интегрального уравнения:

(3)

где функция (t-) является резольвентой интегрального уравнения.

Экспериментальные данные по гравитационному разделению (осаждению) различных многофазных сред показывают, что в качестве резольвенты может быть принята простая экспоненциальная зависимость вида:

(4)

где T- характерное время релаксации, в течении которого релаксирующая часть однородности смеси уменьшается в l = 2,71 раза, мин.

Уравнение (3) можно использовать для анализа различных режимов смешивания, отвечающих различным законам ввода энергии в смешиваемый материал. Ограничимся важнейшим для практики случаем линейного закона ввода энергии:

A=Nt, (5)

где N=const - мощность, поглощенная материалом в процессе его смешивания.

Закону (5) приближенно отвечает смешивания материала в непрерывном режиме работы смешивающих рабочих органов и с постоянной скоростью.

Для указанного режима уравнение (2), с учетом резольвенты (4), запишем в виде:

. (6)

Вычислив интеграл, получим:

. (7)

В пространственном движении вязкой изотропной системы, как это имеет место при смешивании, применяется обобщенный закон Ньютона, устанавливающий линейную связь между тензором напряжения Р и тензором скоростей деформации :

, (8)

где - динамический коэффициент вязкости.

Выражение для механической энергии, диссипированной в единице объема жидкости и в единицу времени, можно записать в виде:

. (9)

Квадрат величины тензора равен сумме квадратов его компонентов:

, (10)

где u, , - проекции вектора скорости на оси неподвижной декартовой прямоугольной системы координат x, y, z.

Окончательное выражение для диссипированной в единице объема жидкости в единицу времени энергии будет иметь вид:

(11)

Таким образом, мощность диссипации зависит как от свойств смешиваемой среды, так и от типа смешивающих рабочих органов, задающих определённые деформации среды .

Полученные зависимости (7) и (11) позволяют рассчитать все необходимые параметры процесса смешивания (, t*,N). Требуемые для расчета экспериментальные величины Т и W имеют четкий физический смысл и легко определяются из опытов.

Для определения однородности смеси двух несмешиваемых жидкостей при воздействии турбулентного потока в трубопроводах и шестеренчатом насосе получено выражение:

, (12)

где d1 - диаметр трубопровода, м;

1 - скорость течения смеси жидкости, м/с;

v - кинематическая вязкость, м2/с.

Решая уравнение (12) численным методом и задавая исходные данные: T=0,5 c; t =1 c; W=2,1 Дж / (кг %); d1=0,005 м; 1=9,4 м/с; v=60,6·10-6 м2/с, построили зависимость однородности смеси от скорости потока 1 (рисунок 1).

Рисунок 1 - Зависимость однородности смеси при воздействии турбулентности от скорости потока

График на рисунке 1 показывает, какой максимальной однородности смешиваемых жидкостей можно добиться при их течении со скоростью 1. Как видно из графика, максимальная однородность смеси жидкостей достигается при скорости потока около 9,4 м/с.

Качественное образование эмульсии из предварительно смешанных жидкостей возможно под действием кавитации. Для характеристики процесса кавитации применяется безразмерный критерий, называемый числом кавитации и равный:

(13)

где p3 – абсолютное давление, Па;

pn – давление насыщенных паров, Па;

– плотность, кг/м3;

2 – скорость потока из сопла, м/с.

Физический смысл числа кавитации выясняется непосредственно из рассмотрения процесса образования кавитационной каверны и ее дальнейшего движения из области низкого давления в область высокого давления. С этой точки зрения число кавитации представляет собой отношение давления, под действием которого происходит схлопывание каверны, к давлению, под действием которого каверна возникает и растет.

Используемый нами кавитатор, в котором осуществляется гидратация подсолнечного масла, представляет собой устройство, состоящее из сопла 1 и отражателя 2 (рисунок 2).