ПОИСК И НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ В ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ РИСА-СЫРЦА
Рубрики: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
2.
ЗАО «Корпорация МетаСинтез»
3.
ООО «Научно-производственное предприятие «Золотое зернышко»
Тип:
Статья
Страницы:
с 16
по 22
Статус:
Опубликован
Получено:
10.04.2013
Одобрено:
10.04.2013
Опубликовано:
15.04.2013
Классификаторы:
УДК 664.782.4.004.69
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 26.03 Общественно-политическая мысль
ГРНТИ 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
ГРНТИ 44.01 Общие вопросы энергетики
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 62.01 Общие вопросы биотехнологии
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ББК 36.822.7:36.821.03-02
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 26.03 Общественно-политическая мысль
ГРНТИ 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
ГРНТИ 44.01 Общие вопросы энергетики
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 62.01 Общие вопросы биотехнологии
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ББК 36.822.7:36.821.03-02
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
зерно, крупа, переработка зерна, рис-сырец, шелушение зерна, шлифование крупы, автоматизированная система управления, технологии машиностроения, детали машин
Аннотация (русский):
Представлены краткие итоги анализа научно-технической и патентной литературы по переработке зерна при получении крупы. Отражены результаты разработки и испытаний макета по очистке риса-сырца. Определены задачи для проведения дальнейших исследований с целью разработки аппарата и автоматизированной системы управления им для очистки риса-сырца в условиях малых крестьянских фермерских хозяйств.
Представлены краткие итоги анализа научно-технической и патентной литературы по переработке зерна при получении крупы. Отражены результаты разработки и испытаний макета по очистке риса-сырца. Определены задачи для проведения дальнейших исследований с целью разработки аппарата и автоматизированной системы управления им для очистки риса-сырца в условиях малых крестьянских фермерских хозяйств.
Ключевые слова:
зерно, крупа, переработка зерна, рис-сырец, шелушение зерна, шлифование крупы, автоматизированная система управления, технологии машиностроения, детали машин
зерно, крупа, переработка зерна, рис-сырец, шелушение зерна, шлифование крупы, автоматизированная система управления, технологии машиностроения, детали машин
Введение Несмотря на сравнительно небольшие объемы производства, эффективная работа малых форм хозяйствования не только обеспечивает устойчивое развитие отечественного аграрно-промышленного комплекса (АПК), но и способствует созданию стратегического запаса земельных угодий и сохранению навыков ведения хозяйств, необходимые для пополнения сельскохозяйственного сектора в случае непредвиденных (внутренних либо мировых) продовольственных угроз [1]. Учитывая современное состояние отечественного АПК, очевидно, что для обеспечения стабильного и интенсивного роста малых форм хозяйствования необходимо создание и практическое внедрение наукоемких технологических и технических решений, обеспечивающих благоприятные и безопасные условия труда, сокращение энерго-, материальных затрат и удельной трудоемкости при производстве сельскохозяйственной продукции. По данным Министерства сельского хозяйства Астраханской области, в регионе по состоянию на 01.01.2013 г. функционирует 2 634 крестьянских (фермерских) хозяйства и индивидуальных предпринимателя, 278 сельскохозяйственных организаций, свыше 110 тыс. личных подсобных хозяйств населения, в пищевой и перерабатывающей промышленности задействовано более 47 крупных и средних предприятий. Приоритетной для области является отрасль растениеводства – 63,7 %, на долю продукции животноводства приходится 36,3 %. Рис является одной из традиционных злаковых культур Астраханского региона, входит в основной рацион питания населения в 39 странах мира, в основном в странах Азии, выращивается в 118 государствах, обеспечивает 35–59 % энергии, потребляемой 2 700 миллионами человек в Азии и 8 % – 1 000 миллионов – в Африке и Латинской Америке. От других злаковых культур рисовая крупа отличается сравнительно высоким содержанием незаменимых аминокислот и довольно низким – заменимых; по питательной ценности она превосходит другие хлебные злаки, зерновые культуры и корнеплоды. Питательная ценность белка обусловлена высоким относительным содержанием лизина (0,31 %) [2]. По данным ООО «Издательство Агрорус» [3], динамика экспорта отечественного риса-сырца в сентябре – декабре 2008–2012 гг. указывает на практически 17-кратный рост поставок зерна Российской Федерацией за последние пять лет. Укреплению цен на рис способствует общая ситуация на мировом рынке зерна, а также превышение потребления риса над производством [4]. В Астраханском регионе переработкой риса-сырца занимаются ООО «Астраханский рис»; ООО «Красноярский рис»; индивидуальное частное предприятие «Хечоян»; ООО «Рис» [5]. Следует отметить, что одним из крупнейших производителей зерновых культур в области и ведущим по производству риса является Камызякский район, на долю которого приходится более 40 % объема зерновых. Современный уровень жизни развитых стран обусловливает потребность в функциональных продуктах питания, спрос на которые интенсивно растет, расширяется ассортимент предлагаемых функциональных продуктов. Питательная ценность рисовой крупы широко известна: в 100 граммах содержится широкий спектр микроэлементов, витаминов и минералов, белков, жиров и углеводов, при этом калорийность продукта – не более 350 ккал. В ряде отечественных работ представлены результаты изучения биологически активных добавок (БАД), полученных в результате комплексной переработки крупы, например БАД из краснозерного риса; доказана высокая физиологическая активность БАД [6]. Между тем актуальными являются вопросы максимального сохранения питательной ценности крупы, изначально задаваемого достижения требуемых показателей готового продукта, что зависит от исходных характеристик риса-сырца, методов и режимов переработки. Следует отметить, что при применении традиционных методов шлифования рисового зерна удаляется плодовая оболочка и зародыш, являющиеся основными по содержанию микроэлементов и витаминов, белка, амилозы и липидов. Количество белка сокращается примерно в 3–4 раза (в зависимости от степени шлифования и сорта зерна) [7]. Отечественный рынок зерноперерабатывающей техники представлен десятками машиностроительных предприятий, в том числе ЗАО «ПКФ «Экспресс Агро», ООО «Мельагромашснаб», ООО «Технопорт», ООО «АгроСистемПрибор», ООО «Армавирский элеватормельмаш», ООО «Темп», ОАО «Воронежский НИИ комбикормовой промышленности» и пр. Следует отметить, что предлагаются в основном крупнотоннажные аппараты, использование которых неэффективно в условиях малых и средних сельскохозяйственных предприятий. Установки для малых производств сравнительно металло- и энергоемки, трудоемки в эксплуатации и обслуживании. Распространены аппараты, реализующие только один процесс (шлифование, шелушение, дробление). Анализ рынка импортных сушильных установок позволил выявить конкурентные изделия – большинство из них сравнительно малоэффективные, с неоправданно завышенной себестоимостью (Украина, Индия, Италия, Молдова, Китай, Колумбия и пр.). На основе результатов анализа научно-технической и патентной литературы установлены пять основных групп, на которые разделены принципы действия современных шелушильных и шлифовальных аппаратов [8–11]. 1. Зерно подвергают шелушению усилиями сжатия и трения между торцевыми поверхностями двух абразивных дисков (постава) или в зазоре между вращающимся валком и неподвижной декой. Отличие данных аппаратов состоит в траектории движения зерновок при шелушении и времени воздействия усилий на них. 2. Шелушение и шлифование происходят в результате продолжительного действия сил трения зерен между собой, а также их трения о рабочую поверхность абразивных дисков и перфорированной обечайки. 3. Зерна шелушатся с помощью многократно повторяющихся ударов и инерционных сил, что достигается посредством вращающихся бичей (лопастей), которые отбрасывают зерно на твердую поверхность, благодаря чему происходит разрушение и отделение оболочек, либо зерно разгоняется с помощью вращающегося диска и ударяется о неподвижную кольцевую обечайку. 4. Зерно шелушится исключительно в результате действия сил сжатия и сдвига, для чего используют пару обрезиненных (эластичных) валков, установленных с определенным зазором и вращающихся навстречу друг другу с различной окружной скоростью. 5. Зерно шелушится при помощи струи воздушного потока и в результате действия комплекса различных факторов (перепад давлений, разность скоростей, касательные силы, скачки уплотнений и др.), возникающих при обтекании продукта высокоскоростной (звуковой и сверхзвуковой) воздушной струей. Основные недостатки традиционной зерноперерабатывающей техники: - сравнительно низкая технологическая эффективность, ведущая к потерям цельной крупы (увеличение количества дробленого зерна); - сравнительно высокий удельный расход энергии на процесс шелушения, большая материалоемкость конструкции; - интенсивное изнашивание рабочих органов, необходимость постоянного контроля рабочих поверхностей, низкая удельная производительность процесса и пр.; - сложны в исполнении и обслуживании, в том числе не позволяют произвести настройку аппарата под заданные режимы переработки (например, при влажном зерне для сокращения выхода дробленой крупы); - аппараты гидродинамической очистки зерна эффективны в случаях, когда стоимость обрабатываемого сырья в сравнении с затратами энергии в несколько раз выше, а также когда иными средствами невозможно достигнуть требуемой эффективности. В целом предлагаемые конструкции зерноперерабатывающей техники эффективны в условиях крупнотоннажных производств, кроме того, при анализе литературных, научно-технических и конъюнктурных источников не выявлены аппараты с программируемым получением крупы, например оснащенные автоматизированной системой управления. В условиях малого крестьянского фермерского хозяйства многолетним экспериментально-поисковым методом велось создание аппарата по переработке риса-сырца. Экспериментально доказано, что для эффективного (высокоинтенсивного и качественного) получения рисовой крупы актуально использование принципа интенсивного трения зерна в зазоре между вращающимся вальцом и неподвижной перфорированной обечайкой. Установлено, что при рациональном соотношении длины и диаметра узла валец – обечайка и соответствующей частоте вращения вальца интенсифицируется процесс переработки и сокращается выход дроблёной крупы (рис. 1). Оснащение рабочей камеры специальными клапанами, создающими необходимое давление в ней, ввод в узел дополнительных ножей, расположенных вдоль обечайки внутри узла, и рациональное соотношение рабочих секторов по длине вальца при интенсификации процесса позволяют достигать высоких качественных показателей готового продукта. Установлено, что специальное исполнение перфорации на обечайках (чередование канавок и бугорков) позволяет зерну лучше «катиться» при обработке (скольжение с качением), тем самым равномернее очищаться, быстрее охлаждаться, при интенсивном удалении мучки, лузги, отрубей из рабочей камеры (рис. 1). Рис. 1. Схема узла очистки зерна (шелушения – шлифования) В результате воспроизведения многочисленных рационализаторских предложений нами создан макет аппарата, реализующий технологию высокоинтенсивного шелушения и шлифования, что позволяет существенно сократить вероятность дробления и некачественной обработки крупы. Макет состоит из нескольких узлов, смонтированных на станине: - шелушения зерна; - шлифования крупы; - сепарирования и очистки крупы от отходов переработки; - нагнетания воздушного потока. Привод осуществляется посредством ременной передачи от электродвигателя либо мобильного двигателя внутреннего сгорания. В результате создания макета опытным путем определены и применены новые рационализаторские предложения с учетом современных достижений науки и техники: - осуществлен выбор материалов, форм и размеров составных элементов (обечайки, ножи, шлифовальные камни, шнеки, рабочие камеры); - осуществлена компоновка узлов и агрегатов, сит, воздушных камер; - осуществлен выбор привода, соединительных элементов; - отработана технологическая цепочка шелушения и шлифования зерна. При исследовательских испытаниях макета установлено: - на максимальной мощности аппарат позволяет получить не менее 250 кг шлифованной рисовой крупы в час (рис. 2, а); - удельный выход дробленой крупы – не более 18 % от исходного зерна; - удельные энергетические затраты при малой материалоемкости и малых габаритных размерах сравнимы с аналогами; - доказана возможность переработки риса-сырца без предварительной очистки от соломы и сорных трав (рис. 3). Включения растительного происхождения (солома, «просянка» и пр.) в сравнении с зерном имеют более низкую твердость, в процессе переработки истираются в «муку» и удаляются с отходами переработки (мучкой (рис. 2, б) и отрубями); - достигается чистота крупы по ГОСТ 6292–93. а б Рис. 2. Продукты переработки риса-сырца: а – крупа рисовая, шлифованная; б – отход переработки риса-сырца – мучка В результате испытаний отмечена нерациональность расположения рабочих узлов, передач и органов управления, при эксплуатации – вибрация узлов, выброс отходов переработки в рабочую зону. Таким образом, для рациональной компоновки рабочих узлов с целью повышения функциональных характеристик аппарата, улучшения условий управления и эксплуатации необходима доработка технических решений и разработка системы аспирации отработанного носителя (воздуха). Рис. 3. Рис-сырец до переработки С целью оптимизации и интенсификации процессов очистки необходимо определение и моделирование закономерностей влияния основных режимных параметров на удельную производительность шелушения и шлифования зерна, а также на образование отходов переработки, изучение процессов сепарирования шелушеной, шлифованной крупы с отделением дробленого зерна и продуктов очистки. Необходим поиск и научное обоснование максимальных значений целевых функций (удельный выход шелушеной и шлифованной крупы, дробленой крупы, мучки) от основных влияющих режимных факторов, обоснование их диапазонов варьирования. С целью автоматического оперативного управления процессами очистки, обеспечения безопасности эксплуатации аппарата требуется разработка автоматизированной системы управления аппаратом. Для этого необходимо экспериментально-аналитическое определение и моделирование зависимости качественных характеристик производимой крупы от режимов переработки и характеристик нативного зерна путем комплексного исследования влияния режимов переработки на характеристики шелушеной и шлифованной крупы, что в последующем позволит получать крупу с требуемыми качественными показателями. Целесообразно определение и моделирование влияния режимов шелушения и шлифования зерна на макро- и микроэлементный состав и кормовую ценность отходов переработки (отруби и мучка) для последующей разработки рецептур комовых смесей и органоминеральных удобрений на основе отходов переработки зерна. Решение данных задач позволит установить рациональные режимы ведения процессов и интенсифицировать очистку при улучшении/сохранении требуемых качественных показателей крупы, а при последующей автоматизации процессов – осуществлять оперативное управление ими путем начального задания режимов очистки посредством программы ЭВМ. Выводы Таким образом, в условиях малого крестьянского фермерского хозяйства создан и испытан макет аппарата по переработке риса-сырца, экспериментально доказана эффективность технических решений с точки зрения удельной производительности, качества готового продукта, энерго- и материальных затрат. Однако для исключения недостатков, выявленных при испытаниях, необходимы поиск и научное обоснование рациональных технических и технологических решений. Дальнейшее изучение процессов очистки риса-сырца и доработка конструкции макета позволят создать: 1. Техническую документацию и мобильный аппарат для высокоэффективной безотходной очистки риса-сырца в условиях малых крестьянских и фермерских хозяйств, превосходящий традиционные аналоги по большинству параметров, включая низкую себестоимость. 2. Автоматизированную систему управления аппаратом, обеспечивающую: - ведение в автоматическом режиме процессов шелушения, шлифования крупы, переработки отходов очистки; - автоматическое сигнальное оповещение и отключение питания двигателей при нарушении работы узлов и в аварийных ситуациях (при превышении предельно допустимых параметров функционирования); - программируемое получение крупы с заданными физико-химическими, органолептическими, гранулометрическими характеристиками. 3. Технологию переработки отходов производства в комбикорма и конструкторское решение для её осуществления.
1. Черняков Б. А. Конкурентоспособность аграрного сектора США: полезный опыт для России / Б. А. Черняков // Аграрный вестник Урала. – 2009. – № 6 (60). – С. 6–12.
2. Костылев П. И. Технологические и биохимические качества зерна риса / П. И. Костылев // Зерновое хозяйство России. – 2009. – № 2. – С. 31–36.
3. http://www.agroxxi.ru.
4. http://www.hlebprod.ru.
5. http://astragro.ru.
6. Шаззо А. А. Инновационная технология получения БАД на основе риса-зерна / А. А. Шаззо, Е. П. Корнена, В. И. Мартовщук, А. П. Гюлушанян, М. В. Ксенз / Новые технологии. – 2010. – № 4. – С. 57–61.
7. Шаззо А. А. Химический состав и пищевая ценность шелушеного обыкновенного и краснозерного риса / А. А. Шаззо // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2009. – № 2–3. – С. 117–118.
8. Геррман Х. Шнековые машины в технологии / Х. Геррман. – Л.: Химия, 1975. – 232 с.
9. Гринберг Е. Н. Производство крупы / Е. Н. Гринберг. – М.: Агропромидат. 1986. – 103 с.
10. Демский А. Б. Оборудование для производства муки, крупы и комбикормов. Справочник / А. Б. Демский, В. Ф. Веденьев. – М.: ДеЛи принт, 2005. – 760 с.
11. Чеботарев О. Н. Технологии муки, крупы и комбикормов. Сер.: Технологии пищевых производств / О. Н. Чеботарев, А. Ю. Шаззо, Я. Ф. Мартыненко. – М.: МарТ; Ростов н/Д: МарТ, 2004. – 688 с.
