Совершенствование технологии и технических средств производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту

Животноводство в Российской Федерации всегда было одной из основных отраслей деятельности человека. Однако экономический кризис 90-х годов XX века, привел в большинстве регионов России, в том числе и Астраханской области, к разрушению крупных животноводческих ферм в колхозах, совхозах, что соответственно, отразилось на качестве поголовья скота и его продуктивности.

В настоящее время в Астраханской области проводится реализация национального проекта «Развитие АПК», одно из направлений которого — «Ускоренное развитие животноводства». Для восстановления высокопродуктивного животноводства потребуются большие капитальные вложения, внедрение современных технологий производства, переработки и хранения продукции, что в настоящих экономических и социальных условиях затруднено, в том числе и тем, что в Астраханской области нет ни одного крупного научного учреждения, которое занималось бы разработкой вопросов животноводства. Кроме того, необходимо преодолеть сдерживающие факторы развития мясного скотоводства, такие как отсутствие цивилизованного рынка, низкие закупочные цены на мясо и в то же время высокие цены на корма, которые в большинстве случаев имеют низкое качество. Вопрос кормления крупного рогатого скота стоит остро, т. к. существует высокий расход кормов на единицу продукции из-за недостатка протеина и условий содержания и кормления. Учеными доказано, что на продуктивность животных кормовой фактор влияет на 60−70%, генетический — 20−30%, условия содержания — 10% [34].

Отсутствие производства кормовых смесей в Астраханской области напрямую влияет на стоимость мясной и молочной продукции (более 60% от всех затрат на производство и разведение крупного рогатого скота составляет стоимость кормов). Еще больше усложняет ситуацию тот факт, что из 2 632,2 тыс. га пастбищ эрозионноопасные земли занимают 1 227,8 тыс. га, в том числе дефлирован-ные — 331,8 тыс. га, незакрепленные пески составляют 539,0 тыс. га [13]. В Хара-балинском, Енотаевском, Красноярском, Наримановском и Лиманском районах деградированные кормовые угодья достигают 50% из-за опустынивания земель.

Кроме того, площадь земель под кормовыми культурами на данный момент составляет около 16 тыс. га, что на порядок меньше по сравнению с годами стабильного развития животноводства в Астрахани.

Однако баланс кормовой базы может быть обеспечен за счет местных возобновляемых ресурсов. В условиях Астраханской области перспективным источником получения кормовой смеси являются дикорастущие виды растений, таких как тростник южный {Phragmites ашКаШ), рогоз {Турка) и др. Их использование в производстве кормовых смесей позволит сбалансировать и создать дешевые и полноценные рационы для крупного рогатого скота.

Одним из таких видов продукции являются пеллеты. Пеллеты (растительные гранулы) представляют собой твердую энергетическую массу, полученную в результате механизированного изменения биомассы растений без применения химических закрепителей. Тростниковая сечка, которая является основой для получения пеллет, представляет собой измельченные на мелкие фракции стебли тростника южного, химический состав которого гарантирует использование его как основы для кормовой базы крупного рогатого скота (КРС). Уровень углеводов в нем и в зерновых культурах примерно одинаков и составляет до 12%, белков — до 47%, жиров — до 5%.

Производство пеллет на корм крупному рогатому скоту требует решения проблемы повышения их качества как технологического, так и питательного.

Существующая технология производства пеллет включает ряд технологических операций с высокими энергозатратами. Кроме того, наличие в исходном сырье составных частей метелок ведет к снижению качества пеллет, как технологического, так и питательного. В существующих линиях производства пеллет отсутствуют машины для удаления, или очеса, метелок. В связи с этим в настоящее время актуально усовершенствовать технологию производства пеллет, путем ввода менее энергоемких операций и устройств для очеса метелок тростника южного перед его измельчением.

Степень разработанности темы. До настоящего времени изучены вопросы использования тростника южного в народном хозяйстве с обоснованием технологий его переработки в стройматериалы, бумагу, биотопливо. В виде пеллет он используется лишь в качестве энергоносителя.

Основные способы использования тростника южного изложены в работах А. И. Абрамова (Абрамов А.И., 1966), А. И. Кривицкого (Кривицкий А.И., 1958), Г. А. Лосева (Лосев Г. А., 1998), P. S. Adler (Adler P. S., 2007), U. Kask (Kask U., 2007), I. Isotalo (Isotalo I., 1981) и др. Однако необходимо отметить, что в работах перечисленных авторов не учитывалось сходство химического состава сена и тростника южного, что позволяет использовать последний в кормлении крупного рогатого скотаотсутствуют также научные исследования по использованию пеллетированного тростника южного в качестве корма крупному рогатому скотуне изучен вопрос о влиянии наличия метелок тростника южного на качество пеллет.

Цель исследования — повышение эффективности технологии производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту за счет введения новых технологических операций и устройств подготовки растений к измельчению.

Задачи исследования:

1. Изучить размерно-массовые свойства тростника южного и его химический состав.

2. Выбрать частные показатели и разработать комплексный критерий оценки эффективности технологии производства пеллет из тростника южного на корм КРС.

3. Усовершенствовать технологию производства пеллет из тростника южного на корм КРС.

4. Разработать устройство очеса метелок тростника южного к измельчителю грубых кормов и оптимизировать его геометрические и кинематические параметры.

5. Исследовать прирост живой массы молодняка КРС при откорме его на мясо пеллетами, изготовленными по усовершенствованной технологии, и их кро-шимость.

6. Оценить эффективность применения рекомендуемой технологии по комплексному критерию эффективности.

7. Разработать рекомендации предприятиям по совершенствованию технологии изготовления пеллет из тростника южного на корм КРС.

Объекты исследования — технологический процесс производства пеллет из тростника южного.

Предмет исследования — технология производства пеллет из тростника южноговзаимосвязи и зависимости кинематических и геометрических параметров устройства удаления метелок.

Научная новизна работы:

— предложен комплексный критерий эффективности технологии производства пеллет, основанный на дифференцированной оценке выбранных частных показателей с учетом их значимости;

— обосновано введение в технологию производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту, выращиваемому на мясо, технологических операций по очесу метелок растений устройством с оптимизированными кинематическими и геометрическими параметрами и смешиванию тростниковой сечки с дополнительными ингредиентами.

Теоретическая и практическая значимость работы. Доказаны закономерности влияния кинематических и геометрических параметров устройства по очесу метелок тростника южного на качество подготовки исходного сырья для изготовления пеллет. Предложена методика расчета комплексного критерия эффективности применения предлагаемой технологии производства пеллет. Даны рекомендации по вводу в технологию изготовления пеллет технологической операции по очесу метелок перед измельчением растений и устройства для ее реализации.

Практическая значимость — на основании проведенных исследований предложено производству ввести в технологию изготовления пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту технологическую операцию по очесу метелок перед измельчением растений и устройство для ее реализации. Результаты исследований внедрены в ООО НПП «БиоТоп» (г. Астрахань) и КФХ «Светлана» Приволжского района Астраханской области. При проведении учебного процесса и дипломного проектирования студентов аграрного факультета Астраханского государственного университета используются отдельные элементы диссертации.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе общеизвестных законов и методов теории эффективности и математического анализа, методов оптимизации, теории вероятностей, теории планирования эксперимента. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими методическими требованиями и стандартами. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики с применением компьютерных технологий.

Положения, выносимые на защиту:

— размерно-массовые характеристики и результаты химического анализа состава тростника южного (Phragmites australis);

— теоретические предпосылки оценки эффективности технологии производства пеллет из тростника южного на корм КРС по комплексному критерию;

— усовершенствованная технология производства пеллет их тростника южного для кормления КРС;

— схема, конструктивные особенности и результаты оптимизации геометрических и кинематических параметров устройства по очесу метелок тростника южного;

— результаты исследований прироста живой массы молодняка КРС при откорме его пеллетами, основой которых является тростник южный;

— результаты исследования крошимости пеллет из тростника южного;

— оценка эффективности рекомендуемой технологии производства пеллет из тростника южного на корм КРС по комплексному критерию;

— технико-экономические показатели предлагаемой технологии производства пеллет из тростника южного на корм КРС.

Степень достоверности и апробация результатов.

Для экспериментальных работ достоверность полученных результатов подтверждается достаточным объемом и высокой степенью точности эмпирических данных, корректностью примененных методик, статистической обработкой материалов исследований на основе типовых компьютерных программтеория построена на основе известных зависимостей для оценки эффективности технических системидея базируется на анализе экспериментальных данных и теоретических положений по оценке эффективности, разработанных ранее А. И. Рядновым, В. Е. Бердышевым, O.A. Федоровой, Р. В. Шариповым, с учетом современных достижений науки в данной областиприменены современные методики обработки результатов экспериментовпри сборе и обработке экспериментальных данных использованы ГОСТы, общепринятые методики и рекомендации.

Основные результаты диссертации обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и молодых ученых Астраханского государственного университета (2010;2013 гг.), Волгоградского ГАУ (2010;2013 гг.), а также на теоретическом семинаре инженерных факультетов Волгоградского ГАУ (2013 г.), и опубликованы в 16 научных работах общим объемом 5,3 п.л. (2,2 п.л. приходится на долю автора), в том числе 4 работыв изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, в одном патенте РФ на изобретение и 2-х патентах РФ на полезные модели.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Содержание работы изложено на 148 страницах машинописного текста, включает 20 рисунков, 41 таблицу, библиографический список содержит 114 наименований работ, в том числе 17 на иностранных языкахприложения представлены на 23 страницах.

4.9. Выводы по главе 4.

1. Определены размерно-массовые характеристики растений тростника южного (Ркга^тНеБ аш^аИя), произрастающих в 6 районах Астраханской области в фазах развития до выброса метелки и полного созревания. Высота растений в период полного созревания достигает 4,1 м (Лиманский район). Средняя высота тростниковых зарослей равняется 3,2−3,4 м, диаметр стеблей у поверхности земли достигает 0,012−0,013 м, число стеблей на 1 м составляет 31⁴−5 штук. Метелка тростника южного длиной до 0,40 м, что составляет около 10% размера наземной части растения, и 0,04—0,12 м шириной, колоски имеют длину 0,006−0,017 м, масса метелки в среднем составляет 15% массы наземной части растения.

2. В результате исследований химического состава тростника южного Ркга^тИе^ атКаШ установлено, что в наземных частях молодых растений (стебли, листья) содержится протеина 3,4−3,9%, клетчатки 8,6−13,6%, а в растениях, срезанных в период полного созревания, доля протеина увеличивается до 22%, а клетчатки до 29%. Но по мере созревания в растениях уменьшается содержание витаминов и минералов. Высушенный тростник южный переваривается на 62−67%, питательность 1 кг растений — 0,29−0,31 корм. ед. Установлено, что химический состав тростника южного позволяет использовать его в кормопроизводстве без дополнительных затрат на обработку или изменения технологического режима производства.

3. Дан анализ двух существующих технологий производства пеллет из тростника южного и предложена новая, отличающаяся тем, что сушка сырья осуществляется естественным, а не активным вентилированием, метелки не удаляются, а очесываются и собирают в отдельную емкость, сечка тростника южного смешивается с дополнительными ингредиентами (травяной мукой, концентратами, кормовыми фосфатами, мочевиной) в определенной пропорции. Подбор оборудования осуществлялся исходя из поточности производства.

3. Предложена схема измельчителя тростника южного, оборудованного устройством очеса метелок. Выбраны уровни и интервалы варьирования зазора между вальцами, числа лопастей на вальце, частоты вращения вальцов и угла подачи тростника южного на очес метелок.

4. Реализован план Рехтшафнера для четырехфакторного эксперимента, результаты которого позволили дать математическое описание степени очеса метелок тростника южного. Анализ уравнений регрессии выполнялся с использованием двумерных сечений.

5. Рекомендованы следующие значения факторов (при полноте очеса метелки не менее У = 97%): зазор между вальцами 32−40 мм, частота вращения вальцов 850−900 мин-1, число лопастей на вальце 3 шт. и угол подачи тростника на удаление метелок 60°-63°.

6. Определены фактические и требуемые (желаемые) значения частных показателей эффективности двух существующих и рекомендованной технологий производства пеллет из тростника южного, рассчитаны значения их коэффициентов важности для: себестоимости производства пеллет а, = 0,29, питательности пеллет а, = 0,27, производительности технологической линии а, = 0,19, крошимости пеллет а, = 0,16 и потерь сырья а, =0,09.

9. Расчет комплексного критерия эффективности технологий производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту показал, что для существующих технологий Кэ = 0,375 (схема Б), а для предлагаемой Кэ = 1,105 (схема В). По комплексному критерию эффективности предложенная технология производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту предпочтительнее существующей в 3 раза.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛОЖЕННЫХ.

РЕКОМЕНДАЦИЙ.

В целях обоснования целесообразности реализации проекта по изготовлению пеллет на корм для крупного рогатого скота были рассчитаны экономические показатели работы ООО НПП «БиоТоп», в котором нами проводились исследования технологий производства пеллет из тростника южного, и внедрены основные результаты.

5.1. Анализ финансовой реализуемости и инвестиционной эффективности.

ООО НПП «БиоТоп».

В ООО НПП «БиоТоп», как отмечено в главе 4 данной работы, работают в настоящее время 6 человек: генеральный директор, инженер, бухгалтер, водитель, 2 рабочих.

В конце 2011 г. предприятие закупило оборудование для линии производства пеллет производительностью 120 кг/ч фирмы MasCorp на общую сумму 2 041,93 тыс. руб. (табл. 5.1) и работало по схеме, А (рис. 4.6).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Определены размерно-массовые характеристики растений тростника южного {Phragmites ашКаШ), произрастающих в 6 районах Астраханской области в фазах развития до выброса метелки и полного созревания. Средняя высота тростниковых зарослей равняется 3,2−3,4 м, диаметр стеблей у поверхности земли достигает 0,012−0,013 м, число стеблей на 1 м составляет 31−45 штук. Размер метелки тростника южного составляет около 10% от размера, а ее масса — в среднем 15% от массы наземной части растения.

2. Анализ химического состава тростника южного показал, что в наземных частях молодых растений (стебли, листья) содержится протеина 3,4−3,9%, клетчатки — 8,6−13,6%, а в растениях, срезанных в период полного созревания, доля протеина увеличивается до 22%, а клетчатки до 29%. Установлено, что по химическому составу тростник южный можно использовать в кормопроизводстве без дополнительных затрат на обработку.

3. Дана классификация факторов, влияющих на эффективность технологии производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту, на основе которой выбраны единичные частные показатели эффективности: себестоимость производства пеллет, питательность одного килограмма пеллет, крошимость пеллет, производительность технологической линии и потери сырья, предложен комплексный критерий эффективности технологии производства пеллет, основанный на дифференцированной оценке выбранных единичных частных показателей с учетом их значимости.

4. Предложена технология производства пеллет из тростника южного, отличающаяся от существующих тем, что сушка сырья осуществляется естественным вентилированием, метелки очесываются и собираются в отдельную емкость, сечка смешивается с дополнительными ингредиентами (травяной мукой, концентратами, кормовыми фосфатами, мочевиной) в определенной пропорции. Подбор оборудования осуществлялся исходя из поточности производства.

5. Предложена конструкция устройства очеса метелок тростника южного к измельчителю грубых кормов, оптимизированы его геометрические и кинематические параметры. Наиболее выгодными (при полноте очеса метелки не менее 97%) могут быть: зазор между вальцами 32⁴⁰ мм, частота вращения вальцов 850−900 мин-1, число лопастей на вальце 3 шт. и угол подачи тростника на очес метелок 60°-63°.

6. При кормлении группы молодняка крупного рогатого скота пеллетами, изготовленными по предложенной технологии, среднесуточный прирост живой массы животных составил 820 г, масса увеличилась в среднем на 63% и составила 326 кг, что по сравнению с контрольной группой выше на 7,4%. Пеллеты, изготовленные по рекомендуемой технологии, имеют допустимую крошимость.

7. Расчет комплексного критерия эффективности технологий производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту показал, что для существующих технологий Кэ = 0,375 (схема Б), а для предлагаемой Кэ= 1,105 (схема В). По комплексному критерию эффективности предложенная технология производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту предпочтительнее существующей в 3 раза.

8. Годовой экономический эффект от применения предложенных усовершенствований технологии и машин по подготовке тростника южного к изготовлению пеллет на корм крупному рогатому скоту составил 1 444,5 тыс. руб.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ.

1. Уборку тростника южного вести полосами, параллельными берегу водоема, начиная с растений наиболее удаленных от водоема. Это позволит в начале периода заготовки поддерживать влажность растений в пределах 30−35%, а в конце до 15%.

2. Перед проведением процесса измельчения ввести процесс очеса метелок, позволяющий сократить потери массы на выходе и улучшить качество готовой продукции.

3. При подаче тростника южного на очес метелок и дальнейшее измельчение и прессование использовать растения влажностью 10−12%.

4. Подачу тростника южного на очес метелок осуществлять под углом 60°-63° к оси вальцов пучками с количеством растений в пучке не более 10 штук, что обеспечит очес только метелок.

Перспективы дальнейшей разработки темы.

— разработать систему автоматического управления подачей тростника с места складирования на очес метелок и измельчение и режимами работы машин, входящих в технологическую линию;

— разработать систему машин для уборки, погрузки, транспортировки и переработки тростника южного в пеллеты;

— установить закономерности формирования растений тростника южного в зависимости от уровня грунтовых вод антропогенных ландшафтов;

— провести исследования по кормлению крупного рогатого скота как мясных, так и мясомолочных пород и расчеты питательности пеллет в энергетических кормовых единицах (ЭКЕ);

— разработать дополнительные рецептуры кормов для КРС на основе тростника южного.