Режимы озонирования и параметры электроозонатора для стерилизации растительных субстратов кормопродуктов

В настоящее время одним из направлений использования вторичного сырья в пищевой и перерабатывающей промышленности является производство кормов для скота и птицы. При этом достигается значительная экономия первичного сырья за счет использования вторичного, в том числе пшеницы, фуражного зерна, кормовой свеклы и др. Помимо получения ценных кормов биологического происхождения переработка вторичного сырья имеет еще и экологический аспект, поскольку снижается антропогенная нагрузка на окружающую среду за счет уменьшения массы производственных отходов предприятий.
Переработка вторичного сырья предполагает получение биологически ценного, безопасного и стойкого при хранении корма. Отходами перерабатывающей промышленности являются субстраты, которые служат сырьем для приготовления биопрепаратов. Такие препараты могут применяться для нормализации симбиотической кишеч1юй микрофлоры, являющейся естественным барьером для проникновения патогенов в организм животных. Кроме того, они играют роль иммуномодулятора, вырабатывая собственные анабиотические вещества и стимулируя работу защитных средств организма.
В настоящее время субстраты поступают на биофабрики от сельхозтоваропроизводителей, которые не уделяют надлежащего внимания их хранению, поэтому на субстратах начинает развиваться патогенная микрофлора (различные плесневые грибы и микроорганизмы). Поэтому перед приготовлением биопрепаратов необходимо проводить стерилизацию субстратов с целью угнетения патогенной микрофлоры, которая пагубно влияет на развитие полезной биомассы.
Стерилизация субстратов – долгий и трудоемкий процесс, требующий больших затрат тепловой и электрической энергии, так как он осуществляется с использованием пара, получаемого в электропарогенераторе. При термической обработке значительно увеличивается влажность субстратов, а следовательно, необходимо производить их сушку, что также требует дополнительных энергетических затрат.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что разработка электротехнологии для стерилизации растительных субстратов является актуальной темой научного исследования
Работа выполнена в соответствии с планом НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной теме «Теоретическое обоснование и практическая реализация энергосберегающего оборудования, электротехнологий и систем автономного электро- и теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей с использованием ВИЭ» на 2011-2015 гг. (№ ГР 01.2011.53641).
Научная гипотеза – использовать озоновоздушную обработку для стерилизации растительных субстратов кормопродуктов можно, если определить параметры озонирования и разработать конструкцию электроозонатора, удовлетворяющую технологическим параметрам стерилизации.
Цель работы – определение эффективных параметров электроозонирования субстратов кормопродуктов для их стерилизации и разработка соответствующей конструкции электроозонатора.
Задачи исследования:
1. Разработать функциональную схему стерилизации субстратов с помощью озоновоздушной смеси.
2. Определить параметры озоновоздущной обработки субстратов с целью их стерилизации.
3. Построить математические модели влияния озона на микрофлору и плесневые грибы на поверхности субстрата.
4. Предложить новое конструктивное рещение и режимы работы электроозонатора, позволяющие сократить нагрев диэлектрических пластин разрядного блока.
5. Экспериментально подтвердить полученные теоретические данные.
6. Произвести технико-экономическое обоснование применения озонирования для стерилизации субстратов.
Объектом исследования является процесс стерилизации растительных субстратов, а также электроозонатор барьерного типа.
Предмет исследования – закономерности режимов и параметров электроозонирования при стерилизации субстратов; динамические характеристики электроозонатора.
Методы исследований. В работе использованы основные положения электротехники, теория электрического разряда, методика планирования многофакторного эксперимента, методы теории вероятностей и математической статистики, программное обеспечение STATISTICA 6.0, MathCAD Professional 11.
Научную новизну работы составляют:
1 . Функциональная схема технологического процесса стерилизации субстратов с применением озоновоздушной смеси.
2. Математическая модель влияния параметров озонирования на обсемененность субстратов кормопродуктов патогенной микрофлорой и плесневыми грибами, позволяющая определить оптимальные концентрации озоновоздушной смеси и время ее воздействия.
3. Алгоритм для автоматизированного управления процесса стерилизации растительных субстратов с использованием озоновоздушной смеси.
4. Двухэлементная тепловая модель электроозонатора, позволяющая оценить степень влияния энергии лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин.
Практическую значимость работы составляют:
– технологическая схема озоновоздушной стерилизации субстратов;
– оптимальные режимы и параметры озонирования растительных субстратов, снижающие количество микроорганизмов и плесневых грибов
– конструкция озонатора, позволяющая снизить влияние лучистого теплообмена, что приведет к снижению нагрева диэлектрических пластин;
– алгоритм автоматического управления технологического процесса стерилизации растительных субстратов с использованием озоновоздушной смеси, что позволит упростить создание программы для контроллера;
– номограмма для определения размеров газоразрядного устройства электроозопатора по количеству микрофлоры на поверхности субстрата.
На защиту выносятся следующие основные положения:
• функциональная схема технологического процесса стерилизации субстратов с применением озоновоздушной смеси;
• математическая модель влияния параметров озонирования на обсемененность субстратов кормопродуктов патогенной микрофлорой и плесневыми грибами, позволяющая определить оптимальные концентрации озоновоздущной смеси и время ее воздействия;
• алгоритм для автоматизированного управления процесса стерилизации растительных субстратов с использованием озоновоздущной смеси;
• двухэлементная тепловая модель электроозонатора позволяющая оценить степень влияния энергии лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин;
• конструкция озонатора позволяющая снизить влияние лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин газоразрядного блока;
• номограмма для определения размеров газоразрядного устройства электроозонатора по количеству микрофлоры на поверхности субстрата.
Реализация результатов исследования. Разработанный электроозонатор используется для дезинфекции фуражного зерна при помощи озоновоздушной смеси в ООО «Зонд» Староминского района Краснодарского края и хозяйстве индивидуального предпринимателя Горяевой Е.С.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на
– 4-й, 5-й и 6-й Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2010-2012 гг.);
– Международном промышленно-техническом форуме «Технофорум» (г. Волгоград, 2010 г.);
– II туре Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства России, номинация «Технические науки» (г. Зерноград, 2011 г.);
– II туре Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства России, номинация «Технические науки» (г. Зерноград, 2011 г.);
В 2010 году на 4-й Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение АПК» автором получен диплом 2-й степени.
В 2011 году на 3-й Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи – нуть к обществу, основанному на знаниях» автором получен диплом конкурса научных разработок.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 19 научных работах, в том числе 3 статьи – в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 5 п. л., из них на долю автора приходится 2,6 п. л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 117 наименований, в том числе 6 – на иностранном языке, и приложения. Диссертация изложена на 122 страницах мащинописного текста, включает 37 рисунков и 23 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость и представлены основные положения, выносимые на защиту.
в первой главе рассмотрены различные виды кормовых добавок и их использование в животноводстве. Рассмотрены различные способы стерилизации субстратов, доказана возможность использования озоновоздушной смеси для стерилизации субстратов.
Проанализированы способы стерилизации растительных субстратов. Установлено, что существующие способы в различной степени влияют на субстраты после обработки, однако они имеют и различные недостатки. Анализ литературных источников показывает, что озонирование является наиболее приемлемым методом стерилизации растительных субстратов кормопродуктов.
Традиционной считается многочасовая термообработка при повышенном давлении в аппаратах периодического действия, в частности, в вакуумных котлах (котлах-утилизаторах Лапса). Структурная схема даьнюй установки представлена на рисунке 1. Технологический процесс приготовления биологически активных добавок (БАД) при использовании традиционной технологии заключается в следующем:
– растительный субстрат помещается в стерилизатор растворов 2, где обрабатывается паром в течении 5 часов, при этом затрачивается 120 кВт ч электроэнергии;
– затем субстрат помещается в ферментер, в котором на поверхность субстрата высевается полезная микрофлора, в результате роста которой получается БАД
К недостаткам традиционной технологии следует отнести следующее:
1. В результате многочасовой термообработки протеины, точнее, их белковая часть, подвергаются глубоким изменениям, что значительно снижает их кормовую ценность;
2. Длительность переработки (несколько часов);
3. Энергоемкость: для работы установок помимо электроэнергии необходимы пар и горячая вода;
4. Недостаточная экологичность процесса: термообработка сопровождается, как правило, неприяг?1ым запахом.
Для того чтобы избавиться от этих недостатков традиционной технологии обработки кормов, мы решили заменить процесс термообработки на озоновоздушную обработку. Структурная схема с замещениями представлена на рисунке 2. в разработанном технологическом процессе предлагается замена парогенератора, использующегося для стерилизации, на электроозонатор, без нарушения стандартного технологического процесса.
Для повышения качества обработки и снижения ее себестоимости целесообразно создание недорогих высокопроизводительных озонаторов. Технические требования к таким генераторам озона из-за специфики применения отличаются от требований к генераторам, используемым для других целей, в том числе выпускаемых промышленностью.
Наиболее целесообразным представляется использование для стерилизации растительных субстратов кормопродуктов озонаторов пластинчатого типа с генерацией озона в барьерном разряде. Применение таких озонаторов позволит сократить затраты электрической энергии при стерилизации субстратов.
Во второй главе рассмотрены теоретические аспекты процессов нафева и охлаждения разрядного устройства электроозонатора, определено влияние лучистого теплообмена на данные процессы. Также предложена номограмма, позволяющая определить площадь газоразрядного блока от конечного количества патогенной микрофлоры на поверхности субстрата.
Анализ литературных источников показал, что длительная непрерывная работа электроозонатора приводит к его перегреву и выходу из строя. Для решения данной проблемы был составлен тепловой баланс электроозонатора и определены параметры, влияющие на его нагрев. Для этого нами построены энергетические диаграммы, на основании которых было составлено первичное уравнение теплового балансa.
Динамика изменения температуры диэлектрика во времени при различных параметрах подводимой к генератору озона мощности представлена на рисунке 3. На основе проведенных нами теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости: влияния концентрации озоновоздущной смеси на количество патогенной микрофлоры на поверхности растительного субстрата кормопродуктов; производительности электроозонатора от его активной мощности, потребляемой из сети; площади генератора озона от его мощности при различной толщине стекла. При объединении графиков данных зависимостей получена номограмма для определения размеров газоразрядного устройства электроозонатора по количеству микрофлоры на поверхности субстрата после его обработки (рисунок 4). 1 – зависимость концентрации озоновоздушной смеси от количества микроорганизмов на поверхности субстрата за 30 мин; 2 – зависимость концентрации озоновоздушной смеси от количества микроорганизмов на поверхности субстрата за 60 мин; 3 — зависимость концентрации озоновоздушной смеси от количества микроорганизмов на поверхности субстрата за 90 мин; 4 — зависимость концентрации озоновоздушной смеси от количества микроорганизмов на поверхности субстрата за 120 мин; 5 – зависимость площади генерирующего блока от М0Щ1ЮСТИ при толщине стекла 2,5 мм; 6 — зависимость площади генерирующего блока от мощности при толщине стекла 3,5 мм; 7 – зависимость площади генерирующего блока от мощности при толщине стекла 4,5 мм.
Рисунок 4 – Номограмма для определения размеров газоразрядного устройства электроозонатора по количеству микрофлоры на поверхности субстрата после его обработки.
Полученная номограмма позволяет определить геометрические размеры генерирующего блока по максимально необходимому количеству микрофлоры на поверхности субстрата. Определение размеров газоразрядного блока электроозонатора с помощью представленной номограммы осуществляется следующим образом. Зная максимально необходимую величину количества микрофлоры после обработки и время воздействия, находим ее на оси Пп„ и проводим прямую линию до пересечения с кривой зависимости концентрации озоновоздушной обработки от количества патогенной микрофлоры на поверх1юсти субстрата. Следующий шаг: от полученной точки А поднимаем перпендикуляр до пересечения с кривой зависимости активной мощности от концентрации озоновоздушной смеси, получаем точку В. От нее проводим перпендикуляр до пересечения с прямой зависимости площади газоразрядного устройства от мощности газоразрядной камеры. Перпендикуляр необходимо проводить до линии, соответствующей толщине стекла, которое будет использоваться при изготовлении газоразрядного блока. Получаем точку С и от нее опускаем перпендикуляр до пересечения с осью 8. Значение, полученное на оси 8, соответствует значению общей площади газоразрядного блока электроозонатора.
Таким образом, полученная нами номограмма позволяет определять размеры газоразрядного блока электроозонатора без использования специального оборудования, что значителыю облегчает его создание.
В третьей главе представлены результаты экспериментов по определению влияния параметров озоновоздушной обработки на количество патогенной микрофлоры и плесневых грибов на поверхности субстратов, определено влияние энергии лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин электроозонатора и построен алгоритм автоматического технологического процесса стерилизации растительных субстратов с помощью озоновоздушной смеси.
Для определения области, в которой влияние параметров озоновоздушной смеси на обсеменепность растительных субстратов наиболее эффективно, был проведен поисковый эксперимент. По его результатам установлено, что стерилизация озоновоздушной смесью угнетает патогенную микрофлору на поверхности субстратов и время воздействия при концентрации 80 мг/м3 должно составлять не менее 150 мин. Поэтому было принято решение провести полнофакторный эксперимент по определению влияния параметров озоновоздушной обработки на обсемененность растительных субстратов.
Полнофакторный эксперимент проводился при четырех уровнях концентрации (х2) и четырех уровнях времени воздействия (х1), после чего осуществлялся анализ на обсемененность обработанных образцов и одного образца, не подвергшегося обработке.
В результате обработки экспериментальных данных профаммой «STATISTICA 6.0» получены уравнения регрессии, описывающее влияния параметров озоновоздушной смеси на количество патогенной микрофлоры (12) и количество спор плесневых грибов (13) на поверхности субстратов. Рисунок 5 – Диаграмма влияния времени воздействия (х1) и концентрации озоновоздушной смеси (х2) на количество патогенной микрофлоры на поверхности растительного субстрата (у1) Рисунок 6 – Диаграмма влияния времени воздействия (x1) и концентрации озоновоздушной смеси (х2) на количество спор плесневых грибов на поверхности растительного субстрата (у2)
При наложении друг на друга сечений диаграмм влияния озоновоздушного воздействия на споры плесневых грибов и патогенную микрофлору, пересечение линий экстремумов дает область оптимальных параметров по двум показателям (рисунок 7). Следовательно, область оптимальных параметров озоновоздушной стерилизации растительных субстратов составляет: концентрация озона в озоновоздушной смеси, С = 103-119 мг/м3; длительность воздействия, 1 = 103-123 мин.
Определено влияние лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических барьеров электроозонатора. По полученным экспериментальным данным построены характеристики нагрева и охлаждения генерирующих блоков различной мощности. На основании полученных данных предложено использовать прозрачный корпус электроозонатора, что позволяет снизить влияние лучистой энергии на нагрев генерирующего блока до 35 %.
Проведенные нами теоретические и экспериментальные исследования позволяют построить временную характеристику автоматизированного процесса стерилизации субстратов озоновоздушной смесью (рисунок 8). Представлены следующие режимы работы электроозонатора при стерилизации растительных субстратов: участок 1-2 мощность электроозонатора P1-2 = 60 Вт, время работы t1-2 = 40 мин; участок 3-4 Р3-4 = 60 Вт, t3-4 = 20 мин; участок 5-6 Р5-6=50 Вт, t5-6 = 30 мин; участок 7-8 Р7-8 = 40 Вт, t7-8 = 30 мин. С использованием временной диаграммы был построен алгоритм автоматического технологического процесса стерилизации субстратов с помощью озоновоздушной смеси (рисунок 9)
в четвертой главе определены показатели экономической эффективности от внедрения озоновоздушной обработки в технологический процесс стерилизации субстратов. Сравнение производилось по следующим вариантам: 1) использование в качестве стерилизатора термической обработки; 2) использование в качестве стерилизатора химического протравителя. Чистый дисконтированный доход биотехнологического предприятия с объемом товарооборота 100 т/год составляет 2372 тыс. руб. при норме доходности 19 % и уровне инфляции 6 %.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Разработана функциональная схема стерилизации субстратов с помощью озоновоздушной смеси
2. Определены технологические параметры озоновоздушной стерилизации растительных субстратов, позволяющие добиться необходимого положительного эффекта (количество микроорганизмов на поверхности субстрата не превышает 200 кл/г и полностью уничтожаются споры плесневых фибов): концентрация озона в озоновоздушной смеси, С = 103-119 мг/м3; длительность воздействия, t = 103-123 мин.
3. Построены математические модели влияния озона на микрофлору и споры плесневых фибов на поверхности субстрата, статистический анализ, которых показал, что исследуемые параметры (концентрация озона и время обработки) в 94 % случаев изменение количества микроорганизмов и в 90 % случаев – изменение количества плесневых грибов объясняется взаимодействием этих параметров. Математические модели, построенные на основе исследований, показывают высокую сходимость с экспериментальными данными: расхождение в данных не превышало 5 %.
4. На основании экспериментальных и теоретических исследований предложено новое конструкционное решение озонатора – использование лучепрозрачного корпуса, который позволяет снизить влияние лучистого теплообмена на нагрев диэлектрических пластин (до 35 %), а также режимы ступенчатого изменения мощности и времени работы, которые позволяют сократить нагрев диэлектрических пластин разрядного блока.
5. Составлен энергетический баланс электроозонатора с учетом особенностей конструкции газоразрядного блока. По результатам экспериментального исследования определено количество тепловой энергии, участвующее в лучистом теплообмене.
6. Чистый дисконтированный доход биотехнологического предприятия с объемом товарооборота 100 т/год составляет 2372 тыс. руб. при норме доходности 19 % и уровне инфляции 6 %.