Механическое обезвоживание измельченного картофеля в технологии получения из него концентрированных кормов

Успешное решение задач, намеченных ХХУ1 съездом КПСС по реализации Продовольственной программы СССР, требует осуществления ряда мероприятий по интенсификации животноводческой отрасли. Определяющим при этом является всемерное укрепление кормовой базы и организация биологически полноценного кормления животных на основе внедрения в практику новых прогрессивных технологий производства, заготовки и консервирования кормов / I /.

Решение проблемы кормопроизводства предполагает не только увеличение валового сбора, но и максимального сохранения питательных веществ при заготовке, переработке и хранении.

Важным является и то, что в связи с переводом производства продуктов животноводства на промышленную основу и организацией комплексов по производству молока и мяса кормам должны придаваться такие свойства, которые способствовали бы использованию их при современных технологиях кормления.

Несмотря на все увеличивающиеся объемы производства концентрированных, сочных, грубых кормов, важная роль в кормовом балансе некоторых зон страны, в том числе и БССР, принадлежит картофелю.

Длительное хранение клубней до скармливания экономически себя не оправдывает. Картофель, пораженный различными заболеваниями и механически поврежденный при уборке, плохо хранится, потери в нем достигают 25.30%.

В настоящее время среди всех приемов консервации клубней предпочтение отдается сушке картофеля. Она позволяет повысить концентрацию сухих веществ до 88.90%, значительно уменьшить их потери при хранении, использовать этот вид корма в любое время года, механизировать раздачу его, использовать как один из компонентов комбикорма, заготавливать корм впрок, создавая тем самым переходящие кормовые фонды.

Накопленный в настоящее время мировой опыт сушки картофеля и использования его в кормлении сельскохозяйственным животным показывает, что широкое применение её зависит от снижения затрат горючего (65.80 кг жидкого топлива на тонну картофеля), совершенствования режимов сушки и степени оснащенности сушильными агрегатами.

В условиях дефицита энергетических ресурсов особого внимания заслуживает механическое обезвоживание.

Механическое обезвоживание высоковлажных растительных масс получает всё возрастающее признание, так как позволяет, наряду с уменьшением энергозатрат при заготовке кормов, сократить потери биологического урожая и выйти на более высокий уровень в интенсификации кормопроизводства. На базе механического обезвоживания растительных масс расширяются работы по решению проблемы пищевого белка. В значительной степени это относится к картофельному белку, так как картофель сам по себе является ценным пищевым продуктом.

В СССР и за рубежом проведен значительный объем научно-исследовательских работ по изучению новой технологии производства кормов из зеленых растений и картофеля, где механическое обезвоживание является одним из основных элементов её осуществления / 2−9 /. В развитии этого направления исследований и практической реализации новой технологии значительный вклад внесли наши советские ученые М. М. Севернев, Ю. Ф. Новиков, В. И. Фомин, К. Ф. Терпиловский и др.

Однако практическое внедрение механического обезвоживания измельченного картофеля и технологии переработки его в корма длительной сохранности ещё сдерживается из-за недостаточной отработки технологических режимов и инженерно-технического обеспечения для её выполнения.

В этой связи целью настоящей диссертационной работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование процесса механического обезвоживания и обоснование технологических режимов его осуществления в технологии получения концентрированных кормов из картофеля.

В ходе исследований получены и выносятся на защиту следующие новые результаты:

— расчетные зависимости продолжительности обезвоживания и количества удаляемого клеточного сока из измельченного картофеля в режиме постоянного внешнего давления в в режиме постоянной скорости ведения процесса;

— расчетная зависимость развивающихся давлений при обезвоживании с постоянной скоростью;

— оптимальные режимы механического обезвоживания;

— качественный состав фракций, получаемых при механическом обезвоживании измельченного картофеля;

— методики определения наибольшей производительности прессов периодического действия и расчета давлений в прессах непрерывного действия;

— конструкция специализированного фильтр-пресса непрерывного действия;

— технология переработки картофеля в концентрированные корма.

Работа содержит новое решение актуальной научной задачи в области производства концентрированных кормов. Она выполнена в рамках плановой тематики НИР (тема № 37) в лаборатории механизации приготовления концентрированных кормов и добавок ЦНИИМЭСХ Нечерноземной зоны СССР по научно-технической проблеме 51.04р, утвержденной Постановлением ЦК КПБ и СМ БССР № 312 от 26 августа 1980 г. под руководством академика ВАСХНИЛ, доктора технических наук, профессора М. М. Севернева, которому автор выражает благодарность.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

I.I. Современные технологии заготовки и использования кормов из картофеля, их преимущества и недостатки.

Картофель является ценным кормом всех сельскохозяйственных животных и птицы. Высокая общая питательность и биологическая ценность протеина оказывают благотворное влияние картофеля на организм животных, повышают их продуктивность.

В зависимости от почвенно-климатических условий клубни различных сортов содержат: сухого вещества от 15 до 32%, крахмала от 9 до 25%, сырого протеина от 0,7 до 3,65%, золы от 0,5 до 1,87%. При наличии в клубнях 25% сухих веществ содержится в среднем: крахмала 17,13%, Сахаров 0,9%, клетчатки 1,0%, пектиновых веществ 0,7%, органических кислот 0,2%, белка 1,2%, веществ фе-нольной природы 0,1%, свободных аминокислот 0,7%, жиров 0,1%, минеральных веществ 1,0%, прочих органических веществ 1,4% /10−12/. Сырой протеин картофеля состоит из белка (44.46%) и небелковых азотистых соединений. Он превышает по этим показателям большинство растительных и некоторые животные белки /10,11/. Картофель является важным источником витаминов, минеральных веществ и микроэлементов / 13 /. Один килограмм клубней картофеля оценивается в 0,3 кормовой единицы и содержит 16 г переваримого протеина.

Крахмал составляет около 70% сухого вещества картофеля и 95.99% всего количества углеводов. Он хорошо усваивается всеми видами сельскохозяйственных животных / 12 /.

По сбору питательных веществ с I га картофель превосходит многие сельскохозяйственные культуры. В условиях Нечерноземной полосы картофель имеет преимущество по сбору кормовых единиц и уступает лишь сахарной свекле и кукурузе / 14, 15 /.

Высокая эффективность возделывания картофеля на корм подтверждается многочисленными примерами из практики колхозов и совхозов Белоруссии, получающих высокие устойчивые урожаи / 16 /.

Высокие кормовые качества в сочетании с высокой урожайностью обусловили широкое использование этой культуры на корм скоту. В БССР на кормовые цели расходуется около 40% всего валового сбора картофеля / 16 /. Считается, что в перспективе использование картофеля на корм скоту должно возрасти / 17 /.

К способам использования приготовления и переработки картофеля на корм относятся ежедневное скармливание, силосование, химическое консервирование и высокотемпературная сушка, потери при которых характеризуются данными табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Потери питательных веществ при различных способах получения кормов из картофеля / 17 /.

Способы заготовки и хранения ! Потери, %.

Хранение в буртах в течение 7-ми месяцев до скармливания 10.30.

Силосование запаренного картофеля и хранение до 7-ми месяцев 6.17.

Силосование сырого картофеля и хранение до 7-ми месяцев 18.20.

Сушка картофеля в ломтиках и хранение до 3-х лет 3.7.

Основная часть кормового картофеля при ежедневном скармливании должна храниться длительное время, т.к. во время уборки на корм скоту можно использовать лишь незначительную часть урожая. Картофель в рационах влажных кормовых смесей используют.

200−220 дней в году, с октября по май следующего года, поэтому очень важно сохранить его с минимальными потерями.

Существующие способы хранения — бурты, не обеспечивают сохранности картофеля без больших потерь питательных веществ. Если после уборки в I ц картофеля содержится 0,3 ц кормовых единиц и 1,3.1,4 кг переваримого протеина, то к весне соответственно остается 0,24.О, 25 и 1,14.1,15 кг / 18 /. Кроме того, для хранения в буртах на каждую тонну картофеля требуется на утепление до 0,5 ц соломы.

Силосование — простой и более эффективный по сравнению со скармливанием картофеля в рационах влажных и полувлажных смесей способ сохранения питательных веществ. Преимущество силосованного картофеля заключается в меньшей потере питательных веществ, его можно хранить длительное время.

Для получения высококачественного силоса необходимо выдержать технологию его заготовки, которая заключается в следущем: убранная масса картофеля отмывается от грязи, запаривается, разминается и загружается в силосные траншеи, укрывается пленкой, соломой и землей. Запаривание картофеля приводит к частичному осахариванию крахмала, что создает условия для молочнокислого брожения. При окислении корма до рН 4,2.4,3 развитие гнилостных бактерий замедляется.

Существенным недостатком технологии силосования запаренного картофеля является повышенная кислотность корма (рН 4,0.3,8).

На практике применяют также силосование сырого картофеля. Эффективность силосования сырого картофеля в значительной степени зависит от его измельчения в результате чего процесс заквашивания происходит активнее, однако ввиду низкого сахарного минимума (0,2.1,6 $) и высокой влажности (84.85%) качество продукта весьма невысокое.

Условиями, улучшающими доброкачественность силосованного корма из картофеля являются совместное силосование его с сахарной и кормовой свеклой (10% по весу), зеленой массой бобовых трав и шротом. С целью повышения качества силоса могут так же применяться различные добавки, обладающие не только консервирующими свойствами, но и обогащающие корм дефицитными компонентами, такими как азот, фосфор, кальций и др.

Одним из наиболее перспективных способов приготовления кормов из картофеля является сушка его на высокотемпературных сушилках. Сушка картофеля обеспечивает повышение концентрации питательных веществ, снижение потерь при хранении, увеличение транспортабельности и продолжительности хранения. Она облегчает использование картофеля в кормовых смесях и комбикормах, дает возможность создавать переходящие запасы кормов. Основным преимуществом этой технологии является снижение потерь питательных веществ до 3.756 /6, 15, 17, 19, 21 /.

В I кг сушеного картофеля содержится до 90% сухих веществ и его можно использовать в качестве корма всем видам сельскохозяйственных животных / 15 /.

Производство сушеного картофеля в европейских странах за последние годы резко возросло. Этоиду способствовало упрощение технологии кормления на фермах промышленного типа концентрированными кормами / 20 /.

Опыт заготовки и использования сушеного картофеля имеется и в нашей стране, в частности в Белоруссии / 17, 19 /.

Применяется сушка запаренного или сырого картофеля. Затраты тепла с учетом запаривания при сушке запаренного картофеля доходят до 1300 ккал на I кг испаренной влаги. Ввиду высокой стоимости сушки запаренного картофеля более широкое распространение получила сушка сырого картофеля.

Технология сушки сырого картофеля заключается в следующем. Картофель, доставленный из хранилищ или поля, очищается от примесей и моется, затем измельчается в ломтики и сушится на барабанных высокотемпературных сушилках, получивших наибольшее распространение в странах СЭВ и на Западе. На испарение I кг воды в этих сушилках требуется 800.1000 ккал тепла.

Для получения картофельной муки высушенный продукт размалывается. Наряду с уменьшением потерь от внедрения высокотемпературной сушки картофеля эффект достигается также при скармливании картофельной муки / 18 /. Приведенные данные показывают, что в рационе свиней на откорме сушеным картофелем можно заменить до 30% зерновых кормов. При этом среднесуточные привесы составляют 600.630 г при расходе 5,1 корм.ед. на I кг привеса, что на 12% меньше в сравнении с чисто зерновым рационом. Включение сушеного картофеля в рацион свиней при сбалансированности по протеину способствует повышению переваримости органического вещества на 7,5%, протеина на 4,5%, углеводов на 8,4%, улучшению использования азота корма на 7,0% и энергии рациона в целом на 10,4%.

Наряду с преимуществами сушка картофеля имеет ряд недостатков.

При нормальном протекании технологического процесса сушки картофеля получаются минимальные, не превышающие 3%, потери питательных веществ и витаминов. Однако на практике нарушение температурного режима и частоты вращения барабана приводит к прилипанию ломтиков на стенках сушильного барабана, обугливанию или сгоранию отдельных частиц, т. е. потере питательных веществ.

Съем до 750 кг воды на I т сырого картофеля требует длительного пребывания частиц картофеля в зоне высокой температуры, что может приводить к перегреву материала и денатурации белков. Имеется опасность загрязнения картофельной муки вредными химическими соединениями от сушильного агента, состоящего из смеси продуктов сгорания топлива с воздухом. Все это оказывает влияние на качество муки.

Проведенный анализ технологий с точки зрения потерь питательных веществ и качества корма будет не полным, если не учитывать технико-экономических показателей рассмотренных технологий. Этот вопрос рассматривается отдельно в § 1.2.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Технология переработки картофеля в концентрированные корма с применением механического обезвоживания увеличивает производительность сушильных агрегатов, приводит к уменьшению затрат энергии и снижению потерь биологического урожая. В зависимости от исходной влажности картофеля (75.80%) механическим путем можно удалить от 2,4 до 3,9 кг свободной влаги на I кг сухого вещества.

2. На основании теоретических исследований выведена зависимость количества свободного клеточного сока в измельченном картофеле от степени измельчения и исходной влажности (выражение 2.24). Получены зависимости продолжительности обезвоживания при постоянном внешнем давлении для получения заданной влажности плотной фракции (выражение 2.12) и продолжительности обезвоживания от количества отпрессованного клеточного сока (выражение 2.26). Для обезвоживания с постоянной скоростью получена зависимость роста давления от количества выделенного клеточного сока (выражение 2.33).

3. В результате экспериментальных исследований получены:

— численные значения коэффициентов пористости, уплотнения и фильтрации через плотную фракцию, а так же вязкости клеточного сока;

— зависимости обезвоживания измельченного картофеля при постоянном давлении (рис. 4.8), которые подтвердили справедливость теоретической формулы 2.26 и позволили определить начальную скорость обезвоживания УНС1Ч ;

— зависимости обезвоживания измельченного картофеля при постоянной скорости ведения процесса (рис. 4.11), которые подтвердили справедливость теоретической формулы 2.33 и позволили определить начальное давление обезвоживания Дрнач;

— зависимости начальной скорости обезвоживания от давления обезвоживания и начального давления от скорости обезвоживания, которые имеют линейный характер и аппроксимированы эмпирическими формулами 4.3 и 4.7.

4. Установлено, что затраты энергии на механическое обезвоживание измельченного картофеля влажностью 78% и степени обезвоживания 75% в 100−125 раз меньше, чем при сушке. С учетом необходимости досушивать механически обезвоженную массу затраты энергии на получение картофельной муки в 3,7−6,1 раза меньше, чем при сушке в ломтиках.

5. Оптимальная влажность плотной фракции исходя из минимума энергозатрат должна находиться в пределах 44.55%.

6. Многофакторное уравнение регрессии (5.4), полученное в опытах, позволяет определить влажность плотной фракции в зависимости от давления прессования, коэффициента измельчения, продолжительности обезвоживания и массы на единицу фильтровальной поверхности. При этом с увеличением давления прессования, продолжительности обезвоживания и степени измельчения влажность плотной фракции уменьшается.

7. Обоснованы оптимальные режимы механического обезвоживания измельченного картофеля: степень измельчения 88.92%, продолжительность обезвоживания 90.150с, удельная загрузка фильтра р

25.35 кг. м, давление обезвоживания 0,5.1,0 МПа. Предложена номограмма выбора режимов механического обезвоживания (рис. 5.5) для получения заданной влажности плотной фракции.

8. Изучен химический состав получаемых фракций при механическом обезвоживании. При удалении из измельченного картофеля до 60% клеточного сока содержание сухих веществ в плотной фракции возрастает с 23.26% до 50.55%, при этом до 70% растворимых сухих веществ — азотистых соединений, Сахаров и зольных элементов переходит в жидкую фракцию.

9. Разработаны методики:

— расчета наибольшей производительности прессов периодического действия;

— расчета давлений в прессах непрерывного действия.

10. С использованием механического обезвоживания разработан способ переработки картофеля на крахмал, кормовой белок и кормовую картофельную муку, который защищен авторским свидетельством 465 426.

11. Для обеспечения высокой степени извлечения сока из картофеля в непрерывном процессе обезвоживания предложена конструкция специализированного фильтр-пресса, которая защищена авторским свидетельством № 899 080.

12. По результатам исследований разработана технологическая линия безотходной переработки картофеля. Экономический эффект переработки картофеля в концентрированные корма по сравнению с сушкой картофеля в ломтиках по варианту получения картофельной муки составляет 2,72 руб., а по варианту получения картофельной муки и сухого белкового концентрата 2,08 руб. на тонну сырого картофеля. Проектные предложения технологической линии безотходной переработки картофеля приняты ЦНИШИМЭЖ при разработке проекта цеха для завода по производству протеиновых концентратов кормо-приготовительного предприятия «Припять» Мозырского района, Гомельской области.