Результат интеллектуальной деятельности: Способ производства кормов

Изобретение относится к технологии производства кормов и предназначено для переработки отходов животного и растительного происхождения с целью получения белковых добавок к кормовому рациону животных, птиц и рыб.

Известен способ приготовления корма и/или кормовой добавки для сельскохозяйственных животных, птиц и рыб, характеризующийся тем, что свежие кости сельскохозяйственных животных измельчают до получения желеобразной массы, содержащей зерна кости размером 1-2 мм, которую соединяют с отходами мучного и/или крупяного производств в соотношении по весу соответственно 0,8/0,2-0,2/0,8, перемешивают и добавляют в полученный состав морскую соль в соотношении 1 г соли на 1 кг состава. Затем полученную массу перемешивают в течение 20-30 мин до получения пасты. Далее пасту одновременно стерилизуют ультрафиолетовым излучением, ворошат и сушат при температуре 40°С до влажности 9-10%, после чего высушенную смесь измельчают в муку с размером частиц 30-50 мкм. Способ обеспечивает равномерность распределения кормовых ингредиентов в объеме корма и/или кормовой добавки, позволяет расширить функциональные возможности по использованию исходного растительного сырья и по применению корма, увеличить содержание обменной энергии [1].

К недостаткам данного способа можно отнести чрезвычайно высокую трудоемкость получения готовой продукции, связанную с большим количеством технологических операций (измельчение сырья животного происхождения, его смешивание с сырьем растительного происхождения с добавлением морской соли с длительностью операции не менее 20 мин; длительная сушка со следующими параметрами: нагрев до температуры не больше 40°С, содержание воды в сырье - 25-80%, влажность высушенного продукт - 9-10%; измельчение полученного продукта в муку и его гранулирование или обработка с помощью макаронного пресса) и с применением более десяти единиц энергонасыщенного оборудования.

Известен способ производства экструдатов, включающий очистку зерна, его экструдирование и измельчение экструдата. В качестве обрабатываемых материалов используют зерна пшеницы, ржи, ячменя, овса, риса, гречихи, проса, кукурузы, сои с массовой долей влаги 12…18% отдельно или в смеси без предварительного шелушения поверхности. Целые зерна экструдируют в течение 15…25 с при температуре 110…140°С с последующим воздействием на выходящее из фильеры матрицы экструдера сырье пониженным давлением, равным 0,03…0,07 МПа, при этом содержание влаги в экструдированном продукте регулируют величиной вакуума на выходе из экструдера на уровне не более 8%. Экструдат при выходе из фильеры матрицы разрезают на частицы размером 1,0…4,0 мм [2].

К недостаткам этого способа можно отнести то, что он не предусматривает совместное экструдирование сырья животного и растительного происхождения с влажностью больше 18%. К тому же влажность готового продукта согласно способа составляет 8% и меньше, что достаточно сложно обеспечить при экструдировании смеси сырья животного и растительного происхождения с содержанием влаги 35-40% при величине пониженного давления 0,03…0,07 МПа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является способ переработки отходов животного и растительного происхождения, включающий дозирование компонентов, их измельчение, перемешивание, экструдирование и охлаждение.

После экструдирования согласно данного способа осуществляется быстрый принудительный пневмоотвод пара и воздуха из экструдата. При влажности исходной смеси выше 30% проводят повторное экструдирование с быстрым принудительным пневмоотводом пара и воздуха из экструдата. Содержание отходов животного происхождения в исходной смеси составляет 10-80%.

Согласно прототипу, биологические отходы, в том числе отходы мясопереработки и рыбопереработки, падшие животные и птица и др. предварительно измельчаются.

Наполнитель, в качестве которого могут использоваться зерно, зерноотходы, лапник, древесные опилки, отходы бумажного производства и др., при необходимости измельчается.

Оба компонента загружаются в смеситель и перемешиваются. Соотношение исходных компонентов может варьироваться в широких пределах: от 10 до 80% отходов животного происхождения и соответственно от 90 до 20% отходов растительного происхождения.

Смесь подается в экструдер, предназначенный для экструдирования зерновых продуктов. За счет воздействия сил трения внутри экструдера создаются высокие давление и температура. В процессе экструдирования продукт проходит несколько стадий обработки, в том числе тепловую, стерилизацию, обеззараживание, измельчение и смешивание, обезвоживание и стабилизацию. При этом обеспечивается максимально возможное сохранение питательной ценности используемого сырья.

Полуфабрикат, выходящий из экструдера, подается в емкость, где под действием специальной пневмосистемы производится быстрый отсос пара и горячего воздуха и, как следствие, быстрое охлаждение экструдата при одновременном очень качественном высушивании экструдата.

В результате после проведения цикла «экструдирование-пневмоотсос» влажность экструдата уменьшается вдвое. Если общая влажность смеси исходных компонентов составляет 29% и более, то производится повторное экструдирование с последующим пневмоотводом пара и воздуха из экструдата. В этом случае обеспечивается необходимый для длительного хранения уровень влажности (не более 14,5%) [3].

Прототип имеет следующие недостатки:

1. Недостаточно высокая скорость обезвоживания получаемого экструдата, связанная с тем, что термовакуумная сушка осуществляется циклически: сначала в специальную емкость подается экструдат, а затем из нее производится быстрый отсос пара и горячего воздуха. При этом недостаточно развитая пористость получаемого экструдата и ограниченная площадь поверхности испарения продукта обусловливают низкую интенсивность сушки. Объясняется это тем, что образующаяся на поверхности обезвоживаемого продукта (экструдата) пленка ухудшает условия перемещения водяных паров к его поверхностному слою посредством капиллярно-пористой структуры и быстрому удалению влаги вместе с откачиваемым воздухом за пределы емкости. По существу в данном случае имеет место поверхностный тепловлагообмен вместо объемного.

2. Влажность получаемого продукта (экструдата) не регулируется, а зависит от содержания воды в обрабатываемом сырье. В описании прототипа не приводятся два важнейших параметра термовакуумной сушки - времени нахождения полученного экструдата в емкости и величины давления (вакуума) в ней, а утверждается лишь то, что влажность обрабатываемого материала снижается в 2 раза.

Для термовакуумной сушки, которая является основой прототипа и заявляемого способа, интенсивность и полнота удаления влаги из обрабатываемого материала зависит от его структуры (характера капиллярно-пористого строения), температуры нагрева, площади поверхности испарения, давления в зоне испарения, а также времени обработки [4].

Важно отметить, что в прототипе фактор, связанный с капиллярно-пористым строением высушиваемого материала, не учитывается, так как в этом способе предусмотрено получение экструдата и его перемещение в среду с атмосферным давлением воздуха, т.е. без цели интенсификации порообразования, и только затем полученный продукт подается в емкость, из которой отсасывается пар и горячий воздух.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков путем интенсификации термовакуумного воздействия на получаемый корм при одновременном упрощении технологического процесса и снижении его трудоемкости.

Для решения указанной задачи в предлагаемом способе производства кормов сырье в виде смеси отходов животного и растительного происхождения с различным содержанием влаги дозируется, измельчается, смешивается и экструдируется.

Существенным отличием заявляемого способа производства кормов от прототипа является то, что экструдат поступает в камеру с низким давлением непосредственно из фильеры экструдера с целью формирования в нем пористой структуры. Высокоразвитая пористая структура экструдата в свою очередь обеспечивает практически мгновенное адиабатическое охлаждение продукта и эффективное его обезвоживание.

Согласно предлагаемому способу производства кормов обезвоживание и охлаждение экструдированной смеси выполняются как взаимосвязанный и непрерывный технологический процесс экструдера, а его интенсивность регулируется за счет давления в вакуумной камере машины, времени нахождения в ней экструдата и длины его частиц.

Экструдат смеси отходов животного и растительного происхождения на выходе из фильеры экструдера обрабатывается пониженным давлением (вакуумом), равным 0,05…0,09 МПа в течение 5-15 с, чтобы содержание влаги в нем не превышало 12-14%.

На выходе из фильеры экструдера продукт разрезается на частицы длиной, не превышающей половины диаметра фильеры.

Отходы животного и растительного происхождения могут иметь любую влажность и перерабатываться в любой пропорции с тем, чтобы влажность экструдируемой смеси не превышала 35-40%.

Предлагаемый способ производства кормов может быть реализован с помощью экструдера, дополнительно оборудованного вакуумной камерой, расположенной соосно шнеку и фильере матрицы машины и включающей в себя режущее устройство, шлюзовой затвор и вакуумную систему.

Режущее устройство выполнено в виде одного или нескольких вращающихся ножей, закрепленных на выходе экструдата из фильеры. Оно устанавливается для получения необходимого геометрического размера (длины) экструдата. Наличие режущего устройства позволяет регулировать интенсивность термовакуумной сушки за счет увеличения площади теплообмена получаемых частиц экструдата - чем меньше длина экструдата, тем больше поверхность теплообмена продукта с окружающей средой (пониженного давления в вакуумной камере).

Шлюзовой затвор, представляющий собой корпус цилиндрической формы и вращающуюся в нем многолопастную (4-12 шт. ) крыльчатку (ротор) на шариковых подшипниках, позволяет непрерывно с регулируемой производительностью выгружать обезвоженный экструдат за пределы вакуумной камеры без ее разгерметизации. Выдержка полученного экструдата в вакуумной камере может достигаться за счет более позднего включения привода шлюзового затвора при одинаковой производительности с экструдером или циклическим включением и отключением привода шлюзового затвора.

В верхней части вакуумной камеры имеется патрубок, который служит для соединения камеры с вакуумной системой, в состав которой входят вакуумный насос, вакуум-регулятор и вакуум-баллон.

Вакуум-насос служит для создания в вакуумной камере экструдера пониженного давления (давления ниже атмосферного).

Вакуум-регулятор необходим для поддержания пониженного давления в вакуумной камере экструдера в заданных пределах при требуемой производительности машины, а также влажности сырья и готового продукта.

Для предохранения насоса от попадания в него жидкости (конденсата), а также для выравнивания разрежения в вакуумной камере, между ней и насосом установлен вакуум-баллон, а для контроля величины давления в вакуумной системе - вакуумметр.

С помощью вакуумного насоса осуществляется отсос водяных паров, выделяющийся из продукта в процессе термовакуумной сушки, и перемещение их в вакуум-баллон, в котором происходит их конденсация. В нижней части вакуум-баллона имеется крышка, по периметру которой выполнено уплотнение в виде резиновой ленты. При включении вакуумного насоса крышка вручную прижимается к нижней части вакуум-баллона и под действием пониженного давления плотно к ней присасывается. По окончании технологического процесса вакуумный насос отключается, и крышка под действием собственной массы и массы конденсата отходит от корпуса вакуум-баллона, и конденсат удаляется в специальную емкость.

Заявляемый способ приготовления кормов осуществляется следующим образом. Исходное сырье дозируется, например, с помощью двух шнековых дозаторов и подается в измельчитель-смеситель, например, ножевого типа. После этого смесь поступает в бункер экструдера, где посредством загрузочной камеры направляется в шнековую часть экструдера. Захваченный шнеком продукт последовательно проходит зоны прессования и дозирования машины, а затем выводится через фильеру матрицы в вакуумную камеру.

В условиях быстрого перехода экструдата из области высоких давлений в зону пониженного давления происходит декомпрессионный взрыв: вода, находящаяся в продукте, переходит в парообразное состояние с выделением значительного количества энергии, что приводит к деструкции клеточных структур обрабатываемого сырья и вспучиванию получаемого продукта. Его линейные размеры увеличиваются в 3…4 раза, что влечет за собой формирование развитой капиллярно-пористой структуры в получаемом экструдате.

Экструдат при выходе из фильеры матрицы с помощью вращающихся ножей разрезается на частицы размером, не превышающие половины диаметра фильеры матрицы. Это требование связано с тем, что даже при недостаточно высокой пористости полученного экструдата площадь поверхности его частиц будет оптимальна для интенсивного тепловлагообмена с окружающей средой.

Диаметр фильеры матрицы экструдера влияет на температуру технологического процесса экструзии. С его увеличением температура несколько снижается; при уменьшении - повышается. Обычно в штатном исполнении экструдер, например КМ3-2У, комплектуется фильерами с диаметром 6,0; 8,5 и 10 мм. Таким образом, согласно заявляемому способу получаемые частицы корма имеют длину от 3 до 5 мм.

Длительность нахождения экструдата в вакуумной камере регулируется с помощью шлюзового затвора, и увеличение этого параметра связано, например, с высокой влажностью обрабатываемого сырья.

Основной параметр, с помощью которого регулируется влажность получаемого экструдата, - величина давления (вакуума) в вакуумной камере экструдера, которая достаточно просто регулируется с помощью вакуум-регулятора, применяемого, например, в установках для доения коров.

Таким образом, в заявляемом способе производства кормов поставленная задача решается за счет синергетического эффекта от совместного действия рабочего давления в вакуумной камере машины, выдержки в ней продукта при пониженном давлении в течение определенного времени и площади испаряемой поверхности (длины частиц продукта).

Пример реализации заявляемого способа

Исходные компоненты: - отходы от переработки рыбы (20% по массе, содержание влаги - 70%); + отходы от переработки зерна (80% по массе, 14% - влажность).

Расчет общей влажности исходного продукта: (70%×20)+(14%×90)/:100=(1400+1260):100=2660:100=26,6% (общая влажность исходной смеси).

После обработки сырья с такой влажностью в экструдере с диаметром фильеры матрицы 6,0 мм с термовакуумным воздействием на экструдат в вакуумной камере длительностью 10 с и величиной вакуума 50 кПа влажность полученного продукта составит 10%.

Экструзионная обработка смеси отходов животного и растительного происхождения влажностью 30% в экструдере с диаметром фильеры матрицы 6,0 мм с термовакуумным воздействием на экструдат величиной вакуума 60 кПа и выдержкой в вакуумной камере 10 с позволит получить готовый продукт с влажностью 10%.

Экструзионная обработка смеси отходов животного и растительного происхождения влажностью 30% величиной вакуума 60 кПа и выдержкой в вакуумной камере 5 с позволит получить готовый продукт с влажностью примерно 13%.

Экструзионная обработка смеси отходов животного и растительного происхождения влажностью 40% в экструдере с диаметром фильеры матрицы 8,5 мм с термовакуумным воздействием на экструдат величиной вакуума 70 кПа и выдержкой в вакуумной камере 15 с позволит получить продукт с влажностью 12%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить корм с требуемой влажностью путем однократной переработки в экструдере смеси отходов животного и растительного происхождения.

Использование предлагаемого способа позволяет упростить технологию производства кормов в процессе переработки отходов животного и растительного происхождения и снизить ее трудоемкость.

Литература

1. RU 2503248 С1. Опубликовано 10.01.2014.

2. RU 2460315 С1. Опубликовано 10.09.2012.

3. RU 2215427 С2. Опубликовано 10.11.2003.

4. Кутовой В.А. Системный подход к решению термовакуумных процессов сушки гетерогенных материалов / В.А. Кутовой // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2013. - №8 (66). Т. 6. - С. 40-44.