Хранение и переработка сельхозсырья 2-2021

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Использование одношнекового экструдера, осу- обрабатываемым материалом. Аналитическое ществляющего отток жидкой фазы, характеризу- описание динамики процесса представляется по ется низкой энергоемкостью, незначительными участкам рабочего пространства на основе прове- финансовыми затратами, возможностью механи- денной декомпозиции. зации и автоматизации процесса получения мас- ла и жмыха. Технико-экономические параметры, их связь с конструктивными и реологическими параметра- Таким образом, совершенствование конструкций ми прессуемого материала осуществляется с уче- экструзионного оборудования позволит получать том граничных условий рабочего пространства. качественное рапсовое масло и жмых с высоким содержанием белка, используя высокотехнологич- Рисунок 1 показывает входные и выходные пара- ные производственные процессы в области сель- метры, которые учитывает разработанная мате- ского хозяйства (Кононенко, 2017). матическая модель одношнекового экструдера с оттоком жидкой фазы и обеспечением требова- Экструдирование растительного сырья исполь- ний к готовой продукции. зуемого в сельскохозяйственном назначении от- ражено в трудах (Албин, Майо, & Бузман, 2019; Прессующий механизм состоит из шнека, компрес- Кононенко, 2017; Бузоверов, 2019; Брагинец, сионного затвора, матрицы, загрузочного устройства, Бахчевников, & Алферов, 2018; Исмагилов & шнекового цилиндра, последний компрессион- Малютина, 2018; Никитина, 2016; Никонов & ный затвор и матрица образуют головку экструдера Бегдан, 2017; Зубкова & Колобов, 2015а; Зубко- (Рис. 2). Движением материала происходит за счет ва & Колобов, 2015б; Зубкова, Ишакова, & То- его взаимодействия с рабочими органами машины. карева, 2014). Экструдер разбит на секции для более точного Использование экструзионной техники для полу- аналитического описания технологического про- чения масел описано (Алтайулы, Шаймерденов, цесса. Секцией называется участок прессующего & Королькова, 2016; Заруба, Мустафаев, Кали- механизма с условно постоянными параметрами енко, & Андржайчак, 2015). В работах (Бессоно- процесса прессования. Математическая модель ва, Пономарева, & Якутенок, 2017; Кальницкая и движения материалов растительного происхож- др., 2013; Корякина, 2011а; Корякина, 2011б; Па- дения в экструдере представлена как течение хомов, Брагинец, Алферов, Гайдаш, & Степанова, псевдопластической жидкости и описана уравне- 2016; Пахомов, Брагинец, Бахчевников, Алферов, нием Оствальда-де Виля, связывающим напряже- & Степанова, 2017; Пономарева, Филина, & Яку- ние сдвига τхy со скоростью сдвига γ x , тенок, 2016; Василенко и др., 2018; Гукасян, Ко- P cJ n , шевой, Косачев, Схаляхов, & Меретуков, 2019; W xy x Гукасян, Сошников, Михайлов, & Яворская, 2019) отражены различные исследования экструдиро- где µ′– коэффициент консистенции материала, ваннных продуктов и технологического процесса. Па · с n; n – индекс течения, характеризующий от- клонение свойств данного материала от свойств Математическое моделирование технологическо- ньютоновской жидкости. го процесса, расчет и оптимизация рабочих орга- нов экструдера приведена в работах (Алексеев & Таким образом, задача сводится к решению си- Аксенова, 2015; Артемов и др., 2019; Бакуменко, стемы уравнений: Алексеенко, & Рубан, 2019). ­ E1 V1  V м m0 HkфV мm0 , ° Использования семян рапса для получения масла ° m1 E1 V1 V м m0 , и использования его для биотоплива отмечено в °°k1 трудах (Корякина, 2011а; Корякина, 2011б; Лиси- ª A1 V1 V2  B1 º цын, Григорьева, & Смирнова, 2000). ¬« ¼» ®°.................................................... Математическое моделирование технологическо-    ° го процесса с оттоком жидкой фазы ° Ei V 2i1  V 2i1 mi Ai1 V 2i3  V 2i1 mi1  Bi1, ° Сложность математического описания техноло-  ° °¯ki Ai V 2i1  V 2i mi  Bi Ei V 2i1  V 2i1 mi , гического процесса связана прежде всего с про- цессами взаимодействия рабочих органов с i = 2, 3, ... I ХИПС №2 – 2021 151

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ где I – число всех секций в шнековом механиз- в матрице; Аi – коэффициент, учитывающий реоло- ме; k1, ki – коэффициенты оттока жидкой фазы, m гические свойства материала, геометрические раз- = 1/n; Ei – коэффициент, учитывающий реологиче- меры канала шнека, характер движения, отклонения ские свойства материала, геометрические разме- формы канала шнека от прямоугольной, а также ге- ры компрессионного затвора и характер движения ометрические размеры полости утечек и характер материала в компрессионном затворе, а также по- движения материала в полости утечек [м3 / (c · Паm)]; тери на местные сопротивления [м3 / (c · Паm)]; Bi– коэффициент, определяющий максимально воз- σi, σ1 – напряжения в прессуемом материале со- можный расход в канале с учетом его геометриче- ответственно в матрице и в первой секции [Па]; ских размеров, отклонение формы канала шнека от H – для цилиндрических каналов фильер зависит от прямоугольной, искажение формы канала [м3 / c]; геометрических размеров и реологических свойств σ2i–1, σ2i – нормальные напряжения в прессуемом ма- материала в фильере [м3 / (c · Паm)]; kф –число фильер териале в соответствующих секциях [Па]. Рисунок 1. Формирование математической модели на основе системного подхода Рисунок 2. Схема прессующего механизма: 1 − загрузочное устройство; 2 − шнековый цилиндр; 3 − ма- трица; 4 − шнек; 5 − компрессионный затвор; 6 – головка экструдера ХИПС №2 – 2021 152

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Определенные в результате решения системы продукта, могут появляться жирные кислоты, со- уравнений напряжения в прессуемом материале держание которых оценивается кислотным чис- σi, σ1, σi позволяют рассчитать производительность лом. В рапсовом масле необходимо осуществлять экструдера по жмыху и по маслу, мощность, силу, контроль содержания воды, наличие которой спо- действующую на рабочие органы, кпд. собствует развитию микроорганизмов, и образо- ванию коррозии на металлических поверхностях. Мощность шнекового прессующего механизма N Сырые нерафинированные масла, получаемые составлена из мощностей прессования материала экструзионным способом, могут содержать ме- в каждой секции Ni, то есть ханические нежировые примеси (частицы мезги, I обрывки клеточных стенок и др.). Исследование рапсового масла проводили по ГОСТ 31759-20121. N ¦ Ni Nшi  N yi  Nкi , Исследование рапсового жмыха проводили по i1 ГОСТ 11048-952. где Nшi, Nyi, Nкi – соответственно мощности в кана- ле шнека, в зазоре утечек и в компрессионном за- Наличие фосфорсодержащих веществ в рапсо- творе i – ой секции прессующего механизма. вом масле характеризует присутствие фосфати- дов. Эти вещества обладают антиокислительной Коэффициент полезного действия вычисляется по активностью. Фосфатиды гигроскопичны, погло- формуле: щая воду, набухают с образованием коллоидных K Qм I V 2i1 V 2i2 , растворов. Последующая коагуляция их из колло- N 2 идных растворов является причиной образования ¦ в масле растительного осадка. i1 где Qi – производительность шнекового экструде- Влияние температуры в процессе экструдирова- ра, кг/ч; N – мощность, кВт. ния объединяется с эффектом резкого перепада давления во время выбрасывания продукта из экс- Методика экспериментального трудера. При нормальном уровне теплового воз- исследования действия–55-89 0С в конце процесса на протяжении 3-4 с (продолжительность всего процесса не более 30 с), происходит равномерная денатурация натив- При извлечении масла с помощью экструде- ного белка, при этом не разрушаются первичные ра механические усилия разрушают клеточную соединения аминокислот, что обеспечивает выпа- структуру, масло вытекает, не проходя через ка- ривание нежелательной воды и образование незна- пиллярно-пористую среду, что предохраняет его чительного осадка фосфатидов, а также сбережение от окисления кислородом воздуха. питательной ценности рапсового масла. Экспериментальные исследования проводились на шнеках с различными геометрическими раз- Результаты и их обсуждение мерами (Таблица 1). Результаты исследования приведены в Таблице 2. Таблица 1 По результатам исследования получения рапсово- Геометрические параметры шнека го масла методом экструдирования можно реко- № шнека hø , м sø , м pø , м мендовать полученные образцы для технических целей. Исключением является технологический 1 0,0110 0,0031 0,031 процесс при скорости вращения шнеков 23 рад/с, 2 0,0119 0,0071 0,0349 в этом случае массовая доля нежировых примесей превышает допустимые значения. Таким образом, 3 0,0129 0,0089 0,039 рапсовое масло можно использовать в качестве 4 0,0139 0,0109 0,0469 сырья для производства биодизельного топлива. Качество масла оценивается по нескольким пара- Недостаточное количество в кормах белка и ами- метрам. При распаде жира в процессе хранения нокислот зачастую обуславливает низкую продук- 1 ГОСТ 31759-2012 (2014). Масло рапсовое. Технические условия. М.: Стандартинформ. 2 ГОСТ 11048-95 (2002). Жмых рапсовый. Технические условия. М..: Стандартинформ. ХИПС №2 – 2021 153

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Таблица 2 Результаты исследования рапсового масла Наименование показателей ГОСТ Номер Скорость вращения шнека, рад/с 1. Кислотное число, мг КОН/г, не более 31759-2012 шнека 10 13 15 23 марка Т 1 1,50 1,55 1,55 1,61 2 2,37 2,46 2,23 2,78 6,0 3 2,62 2,25 2,55 2,48 4 1,94 2,08 1,98 2,35 2. Перекисное число, моль ак- не определяется 1 1,50 1,52 1,51 1,51 тивного кислорода/кг 2 1,51 1,51 1,52 1,53 3 1,51 1,51 1,51 1,51 3. Массовая доля влаги и лету- 0,25 4 1,51 1,50 1,51 1,50 чих веществ %, не более 1 0,10 0,22 0,22 0,22 2 0,15 0,31 0,18 0,10 4. Массовая доля нежиро- 0,20 3 0,20 0,20 0,46 0,16 вых примесей %, не более 4 0,10 0,24 0,23 0,21 1 0,11 0,15 0,20 0,33 5. Массовая доля фосфорсодержа- 2,0 2 0,19 0,11 0,17 0,29 щих веществ в пересчете на сте- - 3 0,13 0,16 0,18 0,23 ароолеолецитин %, не более 4 0,20 0,18 0,18 0,25 1 0,25 0,29 0,20 1,04 6. Температура масла, 0С 2 0,97 0,83 1,12 0,54 3 1,01 0,72 0,28 1,15 4 0,36 0,37 0,63 0,92 1 68,00 65,00 73,00 58,00 2 73,00 81,00 62,00 54,00 3 82,00 70,00 88,00 62,00 4 76,00 68,00 77,00 67,00 тивность сельскохозяйственных животных. Жмых веществами. Для нормальной работы кишечного является эффективным источником энергии, ами- тракта животных необходима сырая клетчатка. нокислот и минеральных веществ, и его добавле- ние при кормлении животных позволит решить Сырой жир включает все растворимые в органиче- эту проблему. ских растворителях вещества: жиры, воски, смолы, свободные жирные и смоляные кислоты, эфиры Рекомендовано, чтобы содержание влаги в рапсо- этих кислот, высокомолекулярные спирты, фосфа- вом жмыхе не превышало 10%, в противном случае тиды, альдегиды, кетоны и др. Его энергетическая это может приводить к порче продукта. В рацио- ценность выше в 2–2,5 раза углеводов. не кормления сельскохозяйственных животных не- обходимо сухое вещество, которое представляется Отличительной особенностью экструдированного белками, углеводами, жирами и минеральными продукта является высокий остаток сырого жира ХИПС №2 – 2021 154

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ в жмыхе. Рапсовое масло содержит олеиновую комбикорме понимают общее количество азоти- кислоту, которая повышает обменную энергию стых соединений корма – белков, аминокислот и корма. Это позволяет отказаться от дополнитель- амидов. Протеин хорошо усваивается организ- ного введения в рацион животных растительных мом, разлагается на необходимые аминокислоты, масел. в этом его биологическая ценность. Для полноценного питания животных необхо- Результаты исследований образцов жмыха приве- дим протеин. Под термином «сырой протеин»  в дены в Таблице 3. Таблица 3 Результаты исследования рапсового жмыха Скорость вращения шнека, рад/с Наименование ГОСТ Номер 10 13 15 23 показателей 11048-95 шнека 6,18 7,25 5,98 4,37 1. Общая влага %, не более 6,0-9,0 1 4,23 6,98 6,38 3,92 2 4,62 6,32 6,16 4,77 2. Массовая доля су- 91,0-94,0 3 5,13 5,90 7,47 3,09 хого вещества, % 16,0 4 93,82 92,75 94,02 95,63 39,0 1 95,77 93,02 93,62 96,08 3. Массовая доля сы- 37,0 2 95,38 93,68 93,84 95,23 рой клетчатки, % - 3 94,87 93,10 92,53 96,91 не более 4 13,25 12,97 13,90 13,30 1 16,50 15,61 15,36 14,45 4. Массовая доля сы- 2 12,80 13,70 14,48 16,32 рого жира, % 3 12,60 16,05 13,70 15,05 не более 4 38,50 36,41 37,35 21,29 1 36,20 25,34 28,80 38,62 5. Массовая доля сы- 2 15,79 34,80 34,20 36,41 рого протеина, % 3 24,90 25,70 27,30 38,71 4 39,30 36,50 21,15 35,00 6. Температура жмыха, 0С 1 23,14 22,69 21,90 27,00 2 40,06 36,10 35,40 26,40 3 23,50 23,60 36,30 27,70 4 64,00 67,00 82,00 63,00 1 72,30 73,00 77,00 93,00 2 61,60 66,00 68,00 88,00 3 81,00 81,00 62,00 74,00 4 Результаты анализа опытных образцов показы- показателям превышают допустимые значения вают, что жмых можно применять при кормле- при скорости вращения шнеков при 10 рад/с и нии сельскохозяйственных животных. Некоторые 23 рад/с. ХИПС №2 – 2021 155

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Вычислительные эксперименты Мi = Мi (G1,G2,...,Gn), Задав определенные значения конструктивным, где G1,G2,...,Gn – геометрические, конструктивные, геометрическим и реологическим параметрам кинематические и другие параметры. при расчете с использованием разработанного программного средства, реализующего описан- Программное средство предоставляет результа- ную математическую модель, можно получить ты оптимизации с учетом ограничений выбран- технико-экономические параметры процесса. ных параметров. В качестве исходных данных использовали кон- Для проведения вычислительных эксперимен- структивные и геометрические параметры мало- тов были использованы геометрические параме- габаритного пресс-экструдера ПЭШ-30/4: диаметр тры малогабаритного пресс-экструдера ПЭШ-30/4 корпуса DC = 0,0552 м; фильеры матрицы dм =0,01 м; (описано выше), модернизированного для полу- длина фильеры матрицы zм=0,1 м; высота компрес- чения растительного масла и жмыха, исполь- сионного затвора hk =0,0041 м; ширина компрес- зовали реологические параметры рапса сорта сионного затвора xk=0,05 м; высота зазора утечек «Ратник». hy=0,0005 м; pш = 0,032; угол подъема винтовой лопасти α = 13°; скорость вращения шнека ω = 15 Вычислительные эксперименты проводились при рад/с; число заходов шнека равно 1. Использова- скоростях вращения шнека: 10, 13, 15, 20, 23 рад/с. ли реологические параметры рапса сорта «Ратник» яровой при влажности сырья 7,49 % (ГОСТ 10856- Были введены следующие ограничения – мощ- ность N < 5 кВт, производительность Q > 25 кг/ч, 963) и масличности 42,92 % (ГОСТ 10857-644). кпд > 2,5, относительная производительность по Результаты расчетов основных технико-экономиче- маслу k > 0,3. ских параметров процесса приведены на Рисунке 3. Приняли толщину лопасти шнека sш= 0,008 м, вы- При изменении геометрических параметров кон- соту лопасти hш= 0,012 м, варьировали шагом рш: струкции, а также скорости протекания техно- 0,03; 0,035; 0,04; 0,045 в м. логического процесса технико-экономические параметры меняют свои значения. Эксплуатация разработанного программного средства показана на Рисунке 4. Полученные рас- Оптимизация шнека экструдера четные значения приведены в Таблице 4. Конструктивные и геометрические размеры рабо- На Рисунках 5 и 6 показаны зависимости мощ- чих органов экструдера влияют на качество про- ности от производительности и относительной дукта, а также на энергоемкость технологического производительности по маслу от производи- процесса. тельности экструдера. Вертикальными и гори- зонтальными линиями показаны установленные Так как потребительские свойства рапсового мас- ограничения. ла и жмыха при скоростях вращения шнека 13 и 15 рад/с удовлетворяют требованиям к производ- На Рисунке 7 показана зависимость кпд от про- ству биотоплива и корма, то векторную оптими- изводительности и оптимальная область с учетом зацию рабочих органов можно провести с целью заданных ограничений (на дисплее графики изо- получения максимального значения кпд, так как бражены разными цветами 0,03 м – зеленый цвет, этот параметр характеризует энергоемкость ма- 0,035 – черный, 0,04 – розовый, 0,045 – желтый). шины. Согласно заданным ограничениям не проходит Оптимизацию провели по методу рабочих харак- конструкция с шагом рш= 0,45, остальные удов- теристик. летворяют заданному условию. Множество параметров Мi, j ∈ [I, , n] (множество Из оптимальной области видно, что максималь- качеств и свойств технологического объекта) мо- ные значения кпд принимает при рш= 0,035 м при жет быть представлено в виде: скоростях вращения шнека от 13 до 20 рад/с. 3 ГОСТ 10856-96 (2010). Семена масличные. Метод определения влажности. М.: Стандартинформ. 4 ГОСТ 10857-64 (2010). Семена масличные. Метод определения масличности. М.: Стандартинформ. ХИПС №2 – 2021 156

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Таблица 4 Расчетные технико-экономические параметры Наименование 10 13 Значения 20 23 Шаг винтовой лопасти шнека 20,67 26,08 0,03 м 39,62 43,98 Скорость вращения шнека, рад/с 2,73 2,75 15 2,78 2,80 Производительность экструдера в кг/ч 2,10 2,59 5,00 5,65 Кпд прессующего механизма в % 0,27 0,47 30,64 0,49 Мощность, кВт 2,77 0,5 Относительная производительность по маслу 21,42 27,69 3,90 47,83 Шаг винтовой лопасти шнека 2,82 2,85 0,5 42,34 2,97 Производительность экструдера в кг/ч 1,9 2,54 0,035 м 2,95 5,20 Кпд прессующего механизма в % 0,31 0,45 31,54 4,90 0,53 Мощность, кВт 2,89 0,54 Относительная производительность по маслу 21,87 28,34 3,60 46,77 Шаг винтовой лопасти шнека 2,63 2,67 0,55 43,03 2,70 Производительность экструдера в кг/ч 2,43 3,50 2,69 6,2 Кпд прессующего механизма в % 0,31 0,45 0,04 м 5,78 0,48 Мощность, кВт 32,43 0,49 Относительная производительность по маслу 21,28 27,76 2,68 43,80 Шаг винтовой лопасти шнека 2,43 2,46 4,56 41,54 2,49 Производительность экструдера в кг/ч 2,50 3,95 2,48 6,50 Кпд прессующего механизма в % 0,15 0,39 0,5 6,10 0,39 Мощность, кВт 0,045 м 0,4 Относительная производительность по маслу 32,04 2,47 4,86 0,41 Рисунок 4. Оптимизация шнека по величине шага ХИПС №2 – 2021 157

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Рисунок 5. Зависимость N = f(Q) Рисунок 7. Зависимость кпд = f(Q). Оптимальная область при изменении шага лопастей шнека рш Рисунок 6. Зависимость k = f(Q) Рисунок 8. Зависимость кпд = f(Q). Оптимальная область при изменении толщины лопасти шне- Приняв шаг равным 0,035 м, варьируем толщи- ка sш ной лопасти шнека sш: 0,003; 0,005; 0,007; 0,009 в м. Все конструкции удовлетворяют заданным огра- Проведя вычислительный эксперимент, получи- ничениям. По результатам оптимизации видно, ли технико-экономические результаты. Графи- что максимальные значения кпд принимает при ческая интерпретация результатов аналогична sш = 0,003 м. рисункам 5, 6. Приняв рш= 0,035 м и sш = 0,003 м, будем изменять На рисунке 8 показана зависимость кпд от про- высоту лопасти шнека hш: 0,01; 0,011; 0,012; 0,013 в изводительности и оптимальная область с учетом м. Проведя вычислительный эксперимент, получи- заданных ограничений. ли зависимости мощности от производительности, ХИПС №2 – 2021 158

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Поиск новых источников энергии обусловлен ря- дом причин: ограниченность запасов природ- но-ископаемых источников энергии; желание стран снизить национальную, экономическую, энергетическую зависимость, связанную с постав- ками энергоресурсов; стремление улучшить эко- логическую ситуацию. Благодаря селекции и культивированию, рапс яв- ляется ценной и перспективной культурой в об- щемировом производстве растительных масел. Рапсовый жмых является высокоэнергетической протеиновой добавкой, сбалансированной по аминокислотному составу. Экструдирование рапса обеспечивает безотход- ный технологический процесс. Использование разработанного программного обеспечения позволяет рассчитывать технико-э- Рисунок 9. Зависимость кпд = f(Q). Оптимальная кономические параметры процесса и проводить область при изменении высоты лопасти шнека hш оптимизацию рабочих органов экструдера. Таким образом, использование информационных техно- логий повышает эффективность технологического относительной производительности по маслу от оборудования и качество выпускаемой продукции. производительности экструдера (графическая ин- терпретация результатов аналогична рисункам 5, 6); кпд от производительности и оптимальную об- Литература ласть с учетом заданных ограничений (Рисунок 9). Албин, Д., Майо, К., & Бузман, Д. (2019). Экструди­ По результатам оптимизации не удовлетворяет рование кукурузы и использование ее в рацио- заданным ограничениям конструкция с высотой нах молочных коров. Комбикорма, 7-8, 28-29. лопасти шнека равной hш= 0,01. Максимальные Алексеев, В., & Аксенова, О. И. (2015). Корректи­ значения кпд принимает при hш= 0,013 м при всех рование расчетов оборудования для сниже- скоростях вращения шнека. ния его энергоемкости на базе моделирования Таким образом, по результатам оптимизации це- технологического процесса экструдирования. Техника машиностроения, 22(3), 27-37. лесообразно использовать: Алтайулы, С., Шаймерденов, Ж., & Корольков­ а, Н. В. (2016). Инновационная технология производства – шнек с размерами шага рш= 0,035 м; толщину льняного масла двукратным прессованиям семян лопасти sш = 0,003 м, высоту лопасти hш= 0,013 м; льна с экструдированием. Технологии и товарове- дение сельскохозяйственной продукции, 2, 28-30. – скорость вращения шнека устанавливать в диап­ азоне от 13 до 20 рад/с, так как эти зна- Артемов, Р. В., Арнаутов, М. В., Бочкарев, А. И., чения удовлетворяют все требования к произ- Баскакова, Ю. А., Артемов, А. В., Кокшаров, А. Е., водству рапсового масла в качестве сырья для & Биндюков, С. В. (2019). Обоснование рацио- биотоплива и жмыха для кормления сельско- нальных параметров экструдирования расти- хозяйственных животных. тельных компонентов на оборудовании малой мощности для получения комбикормов для ак- вакультуры. Труды ВНИРО, 176, 182-192. Выводы Бакуменко, О. Е., Алексеенко, Е. В., & Рубан, Н. В. (2019). Возможности использования сублими- Перспективным аспектом развития современно- рованных растительных порошков при про- го мирового топливно-энергетического производ- изводстве зерновых экструдированных про- ства является получение источников энергии из дуктов. Хранение и переработка сельхозсырья, 1, растительного сырья. 116-127. ХИПС №2 – 2021 159

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Бессонова, М. П., Пономарева, М. А., & Якутен­ визуализации процедуры многомерной опти- ок,  В.  А. (2017). Расчет течения степенной жид- мизации функциональных показателей тех- кости в одношнековом экструдере. Вестник нологического процесса. Научно-технический Томского государственного университета. вестник информационных технологий, механики Мате­матика и механика, 49, 81-104. https://doi. и оптики СПбГУ ИТМО, 3, 156-162. org/10.17223/19988621/49/8 Исмагилов, Р. Р., & Малютина, К. В. (2018). Вязкость Брагинец, С. В., Бахчевников, О. Н., & Алферов, А. С. водного экстракта и содержание питательных (2018). Экструдирование смеси зерновых и зеле- веществ в зерне озимой ржи при экструдирова- ных кормов. Сельский механизатор, 2, 28-29. нии. Известия Оренбургского государственного Бузоверов, С. Ю. (2019). Использование процесса аграрного университета, 5, 74-77. экструдирования для повышения качества зер- Кальницкая, О. И., Карелина, Е. А., Семенов, Г. В., новых продуктов. Международный журнал гума- Бабин, Ю. В., Тагиров, А. М., & Михайлов, И. В. нитарных и естественных наук, 8, 9-12. (2013). Оценка качества и безопасности белко- Василенко, В. Н., Фролова, Л. Н., Дерканосова,  А.  А., вого гидролизата как основы для получения Михайлова, Н. А., Щепкина, А. А., & экструдированных продуктов. Хранение и пере- Давыдов, А. М. (2018). Математическое обеспече- работка сельхозсырья, 1, 38-40. ние процесса экструдирования аномально-вяз- Кононенко, С. И. (2017). Экструдирование кор- ких сред методами планирования эксперимента. мов  - путь к увеличению рентабельности жи- Вестник Воронежского государственного универси- вотноводства. Эффективное животноводство, 1, тета инженерных технологий, 80(3), 37-42. https:// ­32-33. doi.org/10.20914/2310-1202-2018-3-37-42 Корякина, М. А. (2011а). Оптимизация параме- Горб, С. С. (2019). Технологический процесс экс- тров шнека экструдера для получения рапсово- трудирования и анализ современных конструк- го масла. Известия Оренбургского государствен- ций пресс-экструдеров для приготовления кон- ного аграрного университета, 3, 71-74. центрированных кормов в животноводстве. Корякина, М. А. (2011б). Повышение эффективно- Научная жизнь, 2, 98-103. сти работы одношнекового экструдера на осно- ве структурно-параметрического синтеза для Гукасян, А. В., Кошевой, Е. П., Косачев, В. С., прессования семян рапса (Дисс. канд. техн. наук). Схаляхов, А. А., & Меретуков, З. А. (2019). Моделирование реологических зависимостей Оренбург: ГОУ ВПО «Оренбургский государ- процесса экструдирования масличного мате- ственный университет». риала. Новые технологии, 3, 41-50. https://doi. Лисицын, А. Н., Быкова, С. Ф., Давиденко, Е. К., & org/10.24411/2072-0920-2019-10304 Минасян, Н. М. (2007). Биологические особен- Гукасян, А. В., Сошников, В. К., Михайлов, Е. А., & ности сортов рапса и физиологические ценно- Яворская, А. В. (2019). Модель кинетики отжима сти жмыхов и шротов. Масложировая промыш- при экструдировании масличных материалов // ленность, 6, 18-20. Известия высших учебных заведений. Пищевая Лисицын, А. Н., Григорьева, В. Н., & Смирнова, Е. Е. технология, 1, 65-69. (2000). Возможные пути использования семян рапса. Масложировая промышленность, 4, 14-15. Заруба, А. С., Мустафаев, С. К., Калиенко, Е. А., & Андржайчак, А. А. (2015). Изучение качества Мартынова, Д. В. (2016). Оптимизация процесса льняных масла и жмыха, полученных по новой экструдирования белково-клетчатко-крахма- технологии двукратного прессования семян лосодержащего сырья. Интеллект. Инновации. льна с экструдированием. Электронный сете- Инвестиции, 3, 151-156. вой политематический журнал «Научные труды Марченко, А. П., & Семенов, В. Г. Альтернативное КубГТУ», 2, 69-78. биотопливо на основе производных рапсово- Зубкова, Т. М., & Колобов, А. Н. (2015а). Влияние го масла. Химия и технология топлив и масел, 3, экструдирования семян рапса на качество го- 31-32. товой продукции. Вестник Российской академии Никитина, В. Ю. (2016). Экструдирование соевых сельскохозяйственных наук, 5, 11-14. Зубкова, Т. М., & Колобов, А. Н. (2015б). бобов. Новая наука: Проблемы и перспективы, 6-2, 209-211. Использование программного обеспечения Никонов, О. И., & Бегдан, Н. В. (2017). для определения и прогнозирования показа- Двухстадийное экстрагирование в технологи- телей качества экструдированной продукции. ческих схемах переработки масличного сырья. Программные продукты и системы, 3, 123-129. Альманах мировой науки, 1-1, 62-65. https://doi.org/10.15827/0236-235X.111.123-128 Останин, Л. М. (2014). Рапсовое масло – сырье для Зубкова, Т. М., Ишакова, Е. Н., & Токарева, М. А. производства биотоплива. Вестник Казанского технологического университета, 17(2), 227-228. (2014). Разработка программного обеспечения ХИПС №2 – 2021 160

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Пахомов, В. И., Брагинец, С. В., Алферов, А. С., Курской государственной сельскохозяйственной Гайдаш, М. В., & Степанова, Ю. В. (2016). академии, 9, 45-48. Исследования процесса экструдирования сме- Пономарева, М. А., Филина, М. П., & Якутен­ си зерновых концентратов с измельченной зе- ок,  В.  А. (2016). Циркуляционное течение вы- леной массой бобовых трав. Вестник Донского соковязкой неньютоновской жидкости в ка- государственного технического университета, нале одношнекового экструдера. Вестник 16(2), 154-159. https://doi.org/10.12737/19684 Томского государственного университета. Пахомов, В. И., Брагинец, С. В., Бахчевников, О. Н., Матем­ атика и механика, 2, 97-107. https://doi. Алферов, А. С., & Степанова, Ю. В. (2017). org/10.17223/19988621/40/10 Результаты экспериментальных исследований Пристач, Н. В., & Пристач, Л. Н. (2017). Жмых процесса совместного экструдирования фураж- рапсовый в кормлении скота. Сельскох­ озяйст­ ного зерна и зеленой массы люцерны. Вестник венные вести, 1, 8-9. ХИПС №2 – 2021 161

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ The Use of The Information Technology for the Optimal Design of Extrusion Technology in the Processing of Rapeseeds Tatyana M. Zubkova Orenburg State University 13, Avenue Pobeda, Orenburg, 460018, Russian Federation E-mail: [email protected] Marina A. Tokareva Orenburg State University 13, Avenue Pobeda, Orenburg, 460018, Russian Federation E-mail: [email protected] The article describes the advantage of extrusion using for the technological process of high-quality rapeseed oil and oilcake. Mathematical modeling of the technological process with the outflow of the liquid phase has been considered. Theoretical and practical studies of extruder screws with various geometrical dimensions have been presented. The results of the study of the obtained unrefined rapeseed oil samples show the possibility of its use as a quality raw material for the production of biodiesel fuel. On the other hand, the extruded rapeseed in the diet of farm animal helps to solve the problem of low productivity of farm animals due to inadequate feeding in protein and amino acids, since oilcake is an effective source of energy, amino acids and minerals. The results of the computational experiment to obtain the technical and economical parameters of the extrusion process according to certain values of the design, geometric and rheological parameters of the small-sized press-extruder PESH-30/4 have been presented. The process of optimization of the extruder screw according to the performance method has been described. On the basis of the constructed dependences of power on productivity and relative productivity, the optimal regions were constructed when changing the pitch, thickness and height of the screw blades. These areas made it possible to reasonably select the geometrical dimensions and the range of the screw rotation speed to ensure the maximum efficiency of the single- screw extruder operation at high quality indicators of rapeseed oil for biofuel and oilcake for feeding farm animals. Thus, the extrusion is virtually an ideal waste-free process. The use of the developed software makes it possible to calculate the technical and economic parameters of the process and to optimize the working bodies of the extruder in order to increase the efficiency of the technological equipment. Keywords: extrusion, single-screw extruder, mathematical modeling, computational experiment, optimization of the geometric parameters of the screw. height, thickness, pitch of the auger blade References Altaiuly, S., Shaimerdenov, Zh., & Korol’kova, N. V. (2016). Innovatsionnaya tekhnologiya proizvod- Albin, D., Maio, K., & Buzman, D. (2019). Ekstrudiro­ stva l’nyanogo masla dvukratnym pressovaniyam vanie kukuruzy i ispol’zovanie ee v ratsionakh mo- semyan l’na s ekstrudirovaniem [Innovative tech- lochnykh korov [Extrusion of corn and its use in nology for the production of flaxseed oil by double the diets of dairy cows]. Kombikorma [Compound pressing of flax seeds with extrusion]. Tekhnologii feed], 7-8, 28-29. i tovarovedenie sel’skokhozyaistvennoi produktsii Alekseev, V., & Aksenova, O. I. (2015). Korrektirovanie [Technologies and commodity science of agricultural raschetov oborudovaniya dlya snizheniya ego en- products], 2, 28-30. ergoemkosti na baze modelirovaniya tekhnolog- Artemov, R. V., Arnautov, M. V., Bochkarev, A. I., icheskogo protsessa ekstrudirovaniya [Correction Baskakova, Yu. A., Artemov, A. V., Koksharov, A. E., of calculations of equipment to reduce its energy & Bindyukov, S. V. (2019). Obosnovanie ratsion- consumption on the basis of modeling the techno- al’nykh parametrov ekstrudirovaniya rastitel’nykh logical process of extrusion]. Tekhnika mashinos- komponentov na oborudovanii maloi moshch- troeniya [Engineering], 22(3), 27-37. nosti dlya polucheniya kombikormov dlya ak- ХИПС №2 – 2021 162

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ vakul’tury [Substantiation of rational parameters higher educational institutions. Food technology], 1, of extrusion of plant components on low-pow- 65-69. er equipment for obtaining compound feed for Ismagilov, R. R., & Malyutina, K. V. (2018). Vyazkost’ aquaculture]. Trudy VNIRO [Proceedings of the All- vodnogo ekstrakta i soderzhanie pitatel’nykh Russian Scientific Research Institute of Fisheries and Oceanography], 176, 182-192. veshchestv v zerne ozimoi rzhi pri ekstrudiro- vanii [The viscosity of the aqueous extract and Bakumenko, O. E., Alekseenko, E. V., & Ruban, N. V. the content of nutrients in the grain of winter rye (2019). Vozmozhnosti ispol’zovaniya sublimiro- during extrusion]. Izvestiya Orenburgskogo gosu- vannykh rastitel’nykh poroshkov pri proizvod- darstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the stve zernovykh ekstrudirovannykh produktov Orenburg State Agrarian University], 5, 74-77. [Possibilities of using freeze-dried plant powders Kal’nitskaya, O. I., Karelina, E. A., Semenov, G. V., in the production of grain extruded products]. Babin, Yu. V., Tagirov, A. M., & Mikhailov, I. V. Khranenie i pererabotka sel’khozsyr’ya [Storage and (2013). Otsenka kachestva i bezopasnosti belkovo- processing of Farm Products], 1, 116-127. go gidrolizata kak osnovy dlya polucheniya ek- Bessonova, M. P., Ponomareva, M. A., & Yakutenok, V. A. strudirovannykh produktov [Assessment of the (2017). Raschet techeniya stepennoi zhidkosti v quality and safety of protein hydrolyzate as a ba- odnoshnekovom ekstrudere [Calculation of the sis for extruded products]. Khranenie i pererabotka flow of a power-law fluid in a single-screw extrud- sel’khozsyr’ya [Storage and processing of agricultur- er]. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. al raw materials], 1, 38-40. Matematika i mekhanika [Bulletin of the Tomsk State Kononenko, S. I. (2017). Ekstrudirovanie kormov - put’ University. Mathematics and Mechanics], 49, 81-104. k uvelicheniyu rentabel’nosti zhivotnovodstva https://doi.org/10.17223/19988621/49/8 [Extrusion of feed - the way to increase the profit- Braginets, S. V., Bakhchevnikov, O. N., & Alferov, A. S. ability of animal husbandry]. Effektivnoe zhivotno- vodstvo [Effective animal husbandry], 1, 32-33. (2018). Ekstrudirovanie smesi zernovykh i zelenykh kormov [Extruding a mixture of grain Koryakina, M. A. (2011a). Optimizatsiya parametrov and green fodder]. Sel’skii mekhanizator [Rural me- shneka ekstrudera dlya polucheniya rapsovogo chanic], 2, 28-29. masla [Optimization of the parameters of the ex- Buzoverov, S. Yu. (2019). Ispol’zovanie protses- truder screw for rapeseed oil production]. Izvestiya sa ekstrudirovaniya dlya povysheniya kachest- Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo uni- va zernovykh produktov [Using the extrusion pro- versiteta [Bulletin of the Orenburg State Agrarian cess to improve the quality of grain products]. University], 3, 71-74. Mezhdunarodnyi zhurnal gumanitarnykh i estestven- nykh nauk [International Journal of Humanities and Koryakina, M. A. (2011b). Povyshenie effektivnosti Natural Sciences], 8, 9-12. raboty odnoshnekovogo ekstrudera na osnove struk- Gorb, S. S. (2019). Tekhnologicheskii protsess ek- turno-parametricheskogo sinteza dlya pressovaniya strudirovaniya i analiz sovremennykh konstrukt- semyan rapsa (Diss. kand. tekhn. nauk) [Improving sii press-ekstruderov dlya prigotovleniya kont- the efficiency of a single-screw extruder based on sentrirovannykh kormov v zhivotnovodstve structural-parametric synthesis for pressing rape- [Technological process of extrusion and analy- seeds (Master’s thesis)]. Orenburg: GOU VPO «Orenburgskii gosudarstvennyi universitet». sis of modern designs of press-extruders for the Lisitsyn, A. N., Bykova, S. F., Davidenko, E. K., & preparation of concentrated feed in animal hus- Minasyan, N. M. (2007). Biologicheskie osobenno- bandry]. Nauchnaya zhizn’ [Scientific life], 2, 98-103. sti sortov rapsa i fiziologicheskie tsennosti zhmyk- Gukasyan, A. V., Koshevoi, E. P., Kosachev, V. S., hov i shrotov [Biological characteristics of rape- Skhalyakhov, A. A., & Meretukov, Z. A. (2019). seed varieties and physiological values of oilcakes Modelirovanie reologicheskikh zavisimostei pro- and meal]. Maslozhirovaya promyshlennost’ [Oil tsessa ekstrudirovaniya maslichnogo materiala and fat industry], 6, 18-20. [Modeling of rheological dependencies of the pro- Lisitsyn, A. N., Grigor’eva, V. N., & Smirnova, E.  E. cess of extruding oilseed material]. Novye tekh- (2000). Vozmozhnye puti ispol’zovaniya semy- nologii [New technologies], 3, 41-50. https://doi. an rapsa [Possible ways of using rape seeds]. org/10.24411/2072-0920-2019-10304 Maslozhirovaya promyshlennost’ [Oil and fat indus- Gukasyan, A. V., Soshnikov, V. K., Mikhailov, E. A., & try], 4, 14-15. Yavorskaya, A. V. (2019). Model’ kinetiki otzhi- Marchenko, A. P., & Semenov, V. G. Al’ternativnoe bio- ma pri ekstrudirovanii maslichnykh materialov // toplivo na osnove proizvodnykh rapsovogo mas- Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii [Model la [Alternative biofuel based on rapeseed oil de- extraction kinetics by extruding oleaginous mate- rivatives]. Khimiya i tekhnologiya topliv i masel rials]. Pishchevaya tekhnologiya [Proceedings of the [Chemistry and technology of fuels and oils], 3, 31-32. ХИПС №2 – 2021 163

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Martynova, D. V. (2016). Optimizatsiya protsessa feeding]. Sel’skokhozyaistvennye vesti [Agricultural ekstrudirova­niya belkovo-kletchatko-krakhmalo- news], 1, 8-9. soderzhashchego syr’ya [Optimization of the pro- Vasilenko, V. N., Frolova, L. N., Derkanosova, A. A., Mik­ cess of extruding protein-fiber-starch-contain- hail­ova, N. A., Shchepkina, A. A., & Davydov,  A.  M. ing raw materials]. Intellekt. Innovatsii. Investitsii (2018). Matematicheskoe obespechenie protsessa [Intellect. Innovation. Investments], 3, 151-156. ekstrudirovaniya anomal’no-vyazkikh sred metoda- Nikitina, V. Yu. (2016). Ekstrudirovanie soevykh bobov mi planirovaniya eksperimenta [Mathematical sup- [Soybean extrusion]. Novaya nauka: Problemy i per- port of the process of extruding anomalously viscous spektivy [New Science: Problems and Prospects], 6-2, media by methods of experiment planning]. Vestnik 209-211. Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhen- ernykh tekhnologii [Bulletin of the Voronezh State Nikonov, O. I., & Begdan, N. V. (2017). Dvukhstadiinoe University of Engineering Technologies], 80(3), 37-42. ekstragirovanie v tekhnologicheskikh skhemakh pererabotki maslichnogo syr’ya [Two-stage ex- https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-3-37-42 traction in technological schemes for processing Zaruba, A. S., Mustafaev, S. K., Kalienko, E. A., & oilseed raw materials]. Al’manakh mirovoi nauki [Almanac of world science], 1-1, 62-65. Andrzhaichak, A. A. (2015). Izuchenie kachest- va l’nyanykh masla i zhmykha, poluchennykh Ostanin, L. M. (2014). Rapsovoe maslo – syr’e dlya po novoi tekhnologii dvukratnogo pressovani- proizvodstva biotopliva [Rapeseed oil is a raw ma- ya semyan l’na s ekstrudirovaniem [Study of the terial for biofuel production]. Vestnik Kazanskogo quality of flaxseed oil and cake obtained by the tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan new technology of double pressing of flaxseeds Technological University], 17(2), 227-228. with extrusion]. Elektronnyi setevoi politematich- Pakhomov, V. I., Braginets, S. V., Alferov, A. S., eskii zhurnal «Nauchnye trudy KubGTU» [Scientific Gaidash,  M.  V., & Stepanova, Yu. V. (2016). works of the Kuban State Technological University], Issledovaniya protsessa ekstrudirovaniya sme- 2, 69-78. si zernovykh kontsentratov s izmel’chennoi zele- Zubkova, T. M., & Kolobov, A. N. (2015a). Ispol’zo­ noi massoi bobovykh trav [Investigations of the vanie programmnogo obespecheniya dlya opre- process of extruding a mixture of grain concen- deleniya i prognozirovaniya pokazatelei kachest- trates with crushed green mass of legumes]. Vestnik va ekstrudirovannoi produktsii [Using software to Donskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo univer- determine and predict the quality indicators of ex- siteta [Bulletin of the Don State Technical University], truded products]. Programmnye produkty i siste- 16(2), 154-159. https://doi.org/10.12737/19684 my [Software products and systems], 3, 123-129. Pakhomov, V. I., Braginets, S. V., Bakhchevnikov,  O.  N., https://doi.org/10.15827/0236-235X.111.123-128 Alferov, A. S., & Stepanova, Yu. V. (2017). Rezul’taty Zubkova, T. M., & Kolobov, A. N. (2015b). Vliyanie eksperimental’nykh issledovanii protsessa sovmest- ekstrudirovaniya semyan rapsa na kachestvo nogo ekstrudirovaniya furazhnogo zerna i zelenoi gotovoi produktsii [Influence of rapeseed extru- massy lyutserny [Results of experimental studies of sion on the quality of finished products]. Vestnik the process of joint extrusion of feed grain and green Rossiiskoi akademii sel’skokhozyaistvennykh nauk mass of alfalfa]. Vestnik Kurskoi gosudarstvennoi [Bulletin of the Russian Academy of Agricultural sel’skokhozyaistvennoi akademii [Bulletin of the Kursk Sciences], 5, 11-14. State Agricultural Academy], 9, 45-48. Zubkova, T. M., Ishakova, E. N., & Tokareva, M. A. Ponomareva, M. A., Filina, M. P., & Yakutenok, V. A. (2014). Razrabotka programmnogo obespecheni- (2016). Tsirkulyatsionnoe techenie vysokovyaz- ya vizualizatsii protsedury mnogomernoi opti- koi nen’yutonovskoi zhidkosti v kanale odnosh- mizatsii funktsional’nykh pokazatelei tekhnolog- nekovogo ekstrudera [The circulating flow of a icheskogo protsessa [Development of software for high-viscosity non-Newtonian fluid in the chan- visualization of the procedure for multidimen- nel of a single-screw extruder]. Vestnik Tomskogo sional optimization of functional indicators of gosudarstvennogo universiteta. Matematika i the technological process]. Nauchno-tekhnicheskii mekhanika [Bulletin of Tomsk State University. vestnik informatsionnykh tekhnologii, mekhani- Mathematics and Mechanics], 2, 97-107. https://doi. ki i optiki SPbGU ITMO [Scientific and Technical org/10.17223/19988621/40/10 Bulletin of Information Technologies, Mechanics Pristach, N. V., & Pristach, L. N. (2017). Zhmykh and Optics, St. Petersburg State University ITMO], rapsovyi v kormlenii skota [Rapeseed cake in cattle 3, 156-162. ХИПС №2 – 2021 164

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ УДК 631.3:631.361:631.361.22:633.15 https://doi.org/10.36107/spfp.2021.215 Обоснование параметров малогабаритной молотилки для обмолота початков кукурузы Хажметова Залина Лиуановна ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет» Адрес: 360030, г. Нальчик, пр. Ленина, д. 1 «в» E.mail: [email protected] Шекихачев Юрий Ахметханович ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет» Адрес: 360030, г. Нальчик, пр. Ленина, д. 1 «в» E.mail: shek-fmep.mail.ru Хажметов Лиуан Мухажевич ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет» Адрес: 360030, г. Нальчик, пр. Ленина, д. 1 «в» E.mail: [email protected] Шекихачева Людмила Зачиевна ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет» Адрес: 360030, г. Нальчик, пр. Ленина, д. 1 «в» E.mail: [email protected] Одно из ведущих мест среди зерновых и кормовых культур занимает кукуруза. Из нее производят около 3500 видов продукции. Эта культура имеет большое значение как высоко энергетический корм для всех видов животных и птиц. В процессе производства зерна кукурузы наиболее трудоемким является сбор урожая – 60...80% от общих трудозатрат. В последнее наиболее трудоемким этапом сбора кукурузы является обмолот початков, качество которого характеризуется двумя основными показателями – травмированием зерна и недомолотом початков. На данный момент разработано большое количество молотилок различных по принципам и технологическими схемами обмолота. Существующие молотилки имеют большую производительность и предназначены для обмолота значительных объемов початков кукурузы. Однако в структуре выращивания кукурузы значительное место занимают небольшие посевы в частном секторе. После сбора початков кукурузы их обмолачивают вручную или изготавливают разнообразные ручные и механические молотилки. Кроме того, в настоящее время, когда еще недостаточно изучена физическая природа процесса обмолота молотилками кукурузы и недостаточно разработана их теория, распределение молотилок по принципу обмолота ударом или перетиранием является не полным. В связи с этим в статье обоснована конструктивно-технологическая схема малогабаритной молотилки, обеспечивающей обмолот початков кукурузы в обертке при минимальном травмировании зерен. В результате теоретических исследований установлены рациональные значения конструктивно-технологических параметров разработанного молотильного устройства: влажность початков 12…22%; частота вращения молотильного барабана 300…400 мин-1; высота зубьев 12…18 мм; шаг зубьев 3…8 мм.. Ключевые слова: кукуруза, початок, молотилка, обмолот, семена, травмирование, эффективность Введение материалы свидетельствуют об отсутствии в на- стоящее время машин, обеспечивающих обмо- Обработка початков семенной кукурузы после убор- лот початков кукурузы в обертке с соблюдением ки одна из важнейших и энергетических операций. предъявляемых требований (Елизаров, 2005). В технологиях послеуборочной обработки уро- Известные на данный момент конструкции куку- жая кукурузы наиболее важные и энергоемкие – рузных молотилок характеризуются высокой энер- очистка и обмолот початков. Аналитические гоемкостью, имеют низки производительность и ХИПС №2 – 2021 165

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ эффективностью сортирования конечного про- ученых было установлено, что влияние конструк- дукта на фракции. Принцип их работы основан на ции рабочих органов молотилки на производи- сжатии зерен, что сопровождается их травмирова- тельность, затраты мощности на обмолот, а также нием. Кроме того, молотильные устройства не спо- качество обмолоченного зерна и изучения их не- собны обмолачивать початки кукурузы в обертке. достаточно. Поэтому возникла необходимость либо модернизации существующих молотилок, Как известно, травмированный семенной мате- либо разработки новых конструкций, а также оп- риал снижает урожайность сельскохозяйственных тимизации их геометрических параметров и ре- культур, вследствие чего имеет место значитель- жимов эксплуатации. ный недобор зерна1. Как следствие – существен- ные потери всего зернового производства России В связи с вышеизложенным, выдвинута научная (Apazhev, et al., 2019; Бумбар & Кувшинов, 2017; гипотеза: повышение качества обмолота кукуруз- Курасов & Погосян, 2015; Курасов, Куцеев, Самур- ных початков можно достичь путем определения ганов, 2013; Петунина, 2006; Петунина, 2007; Кув- оптимальных параметров и режимов эксплуата- шинов, Бумбар, & Лонцева, 2018). ции малогабаритного молотильного устройства, обеспечивающего выдавливание зерен кукуру- Следует отметить, что травмирование семян осо- зы из початка силами трения между початками и бо заметно влияет на урожайность в холодные и инерционными силами. влажные весенние периоды, которые характерны для Северо-кавказского региона, являющейся ос- Результаты и их обсуждение новным производителем семян кукурузы. В связи с изложенным, усовершенствование тех- Предлагаемая молотилка представлена2,3 на Рисун- нологии послеуборочной переработки кукуру- ке 1. Условно разделим процесс обмолота на три зы с разработкой инновационного молотильного фазы. Первая фаза – загрузка початков в прием- устройства, позволяющего обмолачивать початки ный бункер. Вторая фаза – початки располагают- кукурузы в обертке с минимальным травмирова- ся на поверхности диска молотильного аппарата. нием семян является актуальной. В течение этой фазы происходит обмолот початков. В конце этой фазы обмолоченный материал пода- Принцип работы известных устройств для обмолота ется на выгрузку. Третья фаза – обмолоченный ма- урожая кукурузы заключается в том, что происходит териал выгружается из молотильного устройства. затягивание в рабочее пространство между бараба- ном и декой, и одновременное ее сжатие, которое В ходе второй фазы (Рисунок 2) початки, которые сопровождается травмированием зерен, в результа- поступили на диск молотильного аппарата в ре- те чего снижается их всхожесть (Кувшинов & Бум- зультате действия центробежных сил, заполняют бар, 2018; Петунина, Короткин, Курасов, & Плешаков, полость цилиндрического барабана. 2018; Погосян, 2017; Смольников & Бумбар, 2019). В данном случае процесс обмолота не зависит от Накопленный опыт показывает, что вальцовые молотилки более целесообразно использовать в взаимного расположения початков. Допустим, что процессе селекции и первичного семеноводства. Однако эти молотилки не способны обмолачивать початок подается на диск, который не имеет на- початки кукурузы в обертке (Измайлов & Евтю- шенков, 2016; Курасов, Погосян, & Цыбулевский, чальной скорости. Тогда движение початка будет 2018; Погосян, 2015; Погосян & Курасов, 2016; По- происходить под действием сил трения F и цен- госян, 2017а; Погосян, 2017б). тробежных сил Ре: F = f1mg (1) Ре = mr0ω2 (2) Из анализа способов, устройств и рабочих органов где f1 – коэффициент трения в системе «зер- дробилок початков кукурузы и научных трудов но-диск»; m – масса початка, кг; g – ускорение 1 Федоренко, В. Ф., Буклагин, Д. С., Колчина, Л. М., Мишуров, Н. П., Гольтяпин, В. Я., & Кузьмина, Т. Н. (2009). Машины для селек- ции, сортоиспытания и первичного семеноводства полевых культур: Каталог. М.: ФГБНУ Росинформагротех. 2 Хажметов, Л. М., Шекихачев, Ю. А., Апажев, А. К., Ашибоков, Д. У., Фиапшев, А. Г., Кильчукова, О. Х., Хажметова, З. Л., Но- тов, Р. А., & Тарчокова, М. А. (2014). Патент РФ № 146606. Малогабаритная молотилка для обмолота початков кукурузы в оберт- ке. Нальчик: ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ. 3 Хажметова, З. Л., Шекихачев, Ю. А., & Хажметов, Л. М. (2016). Инновационная технология и технические средства для обмоло- та початков кукурузы. В Каталог инновационных разработок КБГАУ (с. 21-22). Нальчик: КБГАУ. ХИПС №2 – 2021 166

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Рисунок 1. Схема молотилки: 1 – стойка; 2 – основание; 3 – перемычка; 4 – привод; 5 – пульт управле- ния; 6 – вал привода; 7 – шкив ведущий; 8 – вентилятор; 9 – муфта; 10 – ременная передача; 11 – шкив ведомый; 12 – вал; 13 – подшипниковый узел; 14 – обмолачивающий барабан; 15 – цилиндрический барабан; 16, 20, 21 – зубья; 17 – стержень; 18, 19 – пазы; 22 – вырез Учитывая выражения (1) и (2) из уравнения (3) имеем: mr0ω2 – f1mg = 0 (4) Отсюда угловая скорость вращения диска будет равна: Z= f1g . (5) ro С учетом того, что Z = Snmin , (6) 30 Рисунок 2. Процесс движения початка по поверх- ности диска получим зависимость для расчета минимального числа оборотов диска: силы тяжести, м/с2; r0 – расстояние между центром nmin = 30 f1g . (7) диска и точкой контакта початка с диском, м; ω – S ro угловая скорость вращения диска, с–1. При превышении этого значения початки будут перемещаться поверхности диска по траектории, Уравнение равновесия точки M0 таково: (3) имеющей спиралевидную форму Sr. После встречи Ре – F = 0 початка с зубом возможны два варианта: или по- чаток движется вдоль зуба, или происходит упру- ХИПС №2 – 2021 167

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ гий удар. Эти варианты определяются величиной H = r Z2 − f1g − 2ZH. (14) угловой скорости диска и физико-механическими С учетом того, что (15) свойствами початка (Курасов, Погосян, Плешаков, r = ε + r0, Самурганов, 2017; Труфляк, 2007; Цримов, 2007). где ε – путь початка вдоль зубьев, м, На початок, движущийся по поверхности диска, действуют следующие силы (Рис. 3): – тяжести: можно записать: (16) G = mg; (8) mH = mZ2 (H + ro ) − f1mg − 2mZH, – центробежная: или (17) Pe = mω2; (9) H = Z2H + Z2ro − f1g − 2f1ZH, – трения: или (18) F = fmg; (10) H + 2f1ZH − Z2H = Z2ro − f1g. – Кориолиса: Характеристическое уравнение левой части ли- Fê = 2mωVr, нейного неоднородного уравнения второго по- (11) рядка (18) имеет вид: где Vr – скорость относительного движения почат- λ2 + 2f1λω – ω2 = 0. (19) ка, м/с. Корнями являются значения, рассчитываемые по Движение початка в направлении зубьев будет выражениям: описываться дифференциальным уравнением вида: ( )O1 = Z 1 + f12 − f1 , (20) mH = Pe − F − Fк, (12) ( )O2 = −Z 1 + f12 + f1 . (21) Учитывая выражения (9), (10) и (11), имеем: mH = mr Z2 − f1mg − 2mZH, (13) Таким образом, общим решением уравнения (18) таково: или H = C 1e O1t + C 2e O2t, (22) где C1 и C2 – произвольные постоянные. Частное решение дифференциального уравнения определится при ε = B с учетом того, что H = 0 и H = 0. Имеем: ω2B = r0ω2 – f1g. (23) Из (23) имеем: B = ro − f1g . (24) Z2 Тогда с учетом (24) дифференциальное уравнение (18) перепишем в виде: H = C 1e O1t + C 2e O2t + ro − f1g . (25) Z2 Рисунок 3. Схема действующих на початок сил ХИПС №2 – 2021 168

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ При t = 0, H = H = 0: Разрушение зерновой ножки произойдет при со- блюдении условия: ( )H f1g   O2 1  − 1. = Z2 − ro − O1 O2e O1t − O1e O2t (26) tg 2D 2tg I = 2f 1 − tg 22I 1−f 2 . (30) Таким образом, скорость относительного движе- Эффективность обмолота початков определяется ния початка вдоль зубьев молотильного аппара- направлением центробежной силы, причем чем та будет равна: они ближе к краю диска, тем больше ее влияние (Цримов А.З., 2007). В случае действия центробеж- ( )H = Vr  f1g   . ной силы выше центра початка, процесс обмолота = Z2 − ro O1O2 e O1t − e O2t (27) существенно интенсифицируется, что имеем ме- O2 − O1 сто при условии: При перемещении початков по секторам к краям rn ≺ a ≺ dn, (31) молотильного аппарата, они при соприкосновении с зубьями перемещаются вверх, опрокидываются, где rn и dn – соответственно, радиус и диаметр по- вследствие чего происходит заполнение простран- чатка, м. ства между защитным кожухом и аппаратом. Обмолот осуществляется в результате того, что по- Обрушенные зерна высыпаются через щель меж- чатки совершают сложное движение под воздей- ду диском и цилиндрическим барабаном и по ствием сил трения и сил, возникающих при их выгрузному желобу поступают на дальнейшую взаимном зацеплении. Кроме того, початки пово- обработку, а стержни через выгрузное окно уда- рачиваются вокруг своей оси и зубьев (Рисунок 4). ляются из аппарата (Рисунок 5). При этом стер- жень массой m движется вод действием силы В процессе обмолота возникают силы P1 и P2, рав- тяжести G и силы сопротивления воздуха R0 по ные: уравнению: P1 = F + Fк, (28) mX = −Rв (X )2. (32) P2 = Pe + G . (29) Рисунок 4. Схема действующих сил при обмолоте початков Рисунок 5. Схема к установлению дальности полета стержня ХИПС №2 – 2021 169

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Сила R0 равна: V = Vce−kn X . (42) Rв = k J F (X )2, (33) Определим дальность полета стержня X. Для это- g го запишем уравнение (42) в следующей форме: где k – коэффициент сопротивления воздуха; γ – dX = Vce−kn X , удельный вес воздуха, кг/м3; F – миделево сечение dt стержня, которое равно: = Sdc2 или  (43) 4 F , (34) eknX dX = Vcdt. где dc – диаметр стержня, м. В результате интегрирования имеем: Из уравнения (32) имеем: 1 kn k JSdc2 2 = −kn (X )2, e kn X = Vct + C 4, (44) 4m g X ( )=− X (35) (36) где kn – коэффициент парусности: где C4 – произвольная постоянная. kn = − k JSd 2 . Постоянная C4 определится при t = 0 и X = 0: c 4m g Решим уравнение (35) методом понижения его C4 = 1 . (45) порядка. Для этого примем X = V . В этом слу- kn чае: dV Учитывая (45), уравнение (44) запишется в виде: dX X = V . (37) 1 1 kn kn e kn X = Vct + . (46) Подставив (37) в (35), получим: V dV = −knV 2, Осуществив некоторые преобразования, отсюда dX получим: или (38) kn X = ln(knVct + 1). dV (47) dX = −knV . Разделяем переменные: Выражение (47) позволяет получить уравнение дальности полета стержня: dV = −kndX . (39) X = ln (k nV ct + 1). (48) V kn Результат интегрирования уравнение (39): Пренебрегая сопротивлением воздуха, время па- дения стержня будет равно: lnV = −kn X + lnC 3, t= 2h g , (49) или  (40) где h – высота падения стержня, м. lnV = lne−kn X + lnC 3, С учетом этого, уравнение дальности полета где C3 – произвольная постоянная. стержня примет вид: Потенцируя (40), получим: ln k nV c 2h + 1. g V = C 3e−kn X . X = (50) (41) kn Постоянная C3 определится с учетом того, что при Зерно кукурузы можно считать не вполне упру- X = 0 скорость стержня V = Vc Таким образом, урав- гим телом (Труфляк, 2007; Цримов, 2007), поэто- нение полета стержня в окончательном виде та- му максимальную силу его удара о зубья можно рассчитать по выражению: ково: ХИПС №2 – 2021 170

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Pmax = Pyn + Pпл, (51) Литература где Pуп и Pпл – силы, соответственно, упругой и пла- Бумбар, И. В., & Кувшинов, А. А. (2017). К оценке стической деформации, Н. обмолота початков кукурузы бильным бара- баном зернового комбайна. Дальневосточный Используя полуэмпирические методы оценки аграрный вестник, 3, 183-191. силы удара и учитывая высокие упругие свойства кукурузных зерен, силой пластической деформа- Елизаров, В. П. (2005). Исходные требования на ба- ции можно пренебречь. С учетом этого, зависи- зовые машинные технологические операции в растениеводстве: Сборник. М.: Росинформ­ мость (51) перепишется в виде: агротех. Pmax = Pyn = IO1,5, Измайлов, А. Ю., & Евтюшенков, Н. Е. (2016). (52) Механизация селекционно-опытной работы. Механизация и электрификация сельского хозяй- ства, 4, 4-9. где ϕ – упруго-геометрический коэффициент, рав- ный. Кувшинов, А. А., & Бумбар, И. В. (2018). Совершенст­ I= пI , вование обмолота кукурузы в условиях Амурской K (53) области. В Материалы всероссийской научно-прак- ∑К ( ) ( )∑К тической конференции «Агропромышленный + кт1оимяп»ле(кчс.: проблемы и перспективы разви- где п I = 1 ; K = Е1 1 − P22 + Е2 1 − P12 ; ∑К = 1 1, с. 109-111). Благовещенск: Изд-во 8k 3 и Е1Е2 U11 1 1 ДU1а2льневосточного гос. аграрного ун-та. U11 U12 A1 A2 – модули упругости, соответ- Кувшинов, А. А., Бумбар, И. В., & Лонцева, И. А. = + ; (2018). Совершенствование обмолота кукуру- ственно, зерна и материала зуба, Па; µ1 и µ2 – ко- зы зерноуборочным комбайном в условиях эффициенты Пуассона, соответственно, зерна Амурской области. АгроЭкоИнфо, 1, 40. Курасов, В. С., Куцеев, В. В., & Самурганов, Е. А. Σи материала зуба; K – суммарная кривизна в (2013). Механизация работ в селекции, сортои- спытании и первичном семеноводстве кукурузы: окрестности контакта зерна и зуба, м; k – коэф- Монография. Краснодар: КубГАУ. Курасов, В. С., Погосян, В. М., & Цыбулевский, В. В. фициент, определяемый физико-механическими свойствами зерна; P11 и P12 – главные радиусы кри- визны зерна, м. Таким образом, максимальная сила удара будет (2018). Параметры кукурузной селекционной вальцовой молотилки. Политематический се- равна: 1,14п IЕ 0,4 тевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 136, ( ( ) ) ( )Руп 0,6 1-14. https://doi.org/10.21515/1990-4665-136-001 =  2 0,2 ⋅ 1,25m V 2 (54) Курасов, В. С., Погосян, В. М., Плешаков, В. Н., & , Самурганов, Е. Е. (2017). Исследование движе- D2 + J2 ния кукурузного початка в вальцовой молотил- D2 J 2В z + 1 ке. Труды Кубанского государственного аграрного r университета, 69, 315-318. Курасов, В. С., & Погосян, В. М. (2015). Основные на- где Âz – ширина зерна, м; α и γ – коэффициенты, определяемые физико-механическими свойства- ми зерна. правления совершенствования аппаратов для обмолота семенной кукурузы. В Сборник науч- ных трудов по материалам Международной на- учно-практической конференции «Инновационные Выводы направления в научной и образователь- Разработано малогабаритное молотильное устрой­ ной деятельности» (с. 83-84). Смоленск: ООО ство, позволяющее производить обмолот початков «НОВАЛЕНСО». кукурузы с оберткой и без при минимальном трав- Петунина, И. А. (2006). Обмолот початков кукуру- мировании зерен. зы: Монография. Краснодар: КубГАУ. Установлены рациональные конструктивно-техно- Петунина, И. А. (2007). Очистка и обмолот почат- ков кукурузы: Монография. Краснодар: КубГАУ. логические параметры разработанного устройства: Петунина, И. А., Короткин, А. В., Курасов, В. С., & влажность початков 12…22%; частота вращения Плешаков, В. Н. (2018). Расчет параметров уста- молотильного барабана 300…400 мин-1; высота зу- новки для очистки початков семенной кукуру- бьев 12…18 мм; шаг зубьев 3…8 мм. зы. Сельский механизатор, 10, 10-11. ХИПС №2 – 2021 171

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Погосян, В. М. (2015). Селекционная однопочатко- Смольников, Г. К., & Бумбар, И. В. (2019). вая молотилка. Инновации в сельском хозяйстве, Совершенствование обмолота кукурузы зер- 2, 145-149. ноуборочным комбайном. В Тезисы докладов всероссийской научно-практической конферен- Погосян, В. М., & Курасов, В. С. (2016). Обмолот по- ции «Агропромышленный комплекс: проблемы и чатков кукурузы трехвальцовой молотилкой перспективы развития» (с. 54). Благовещенск: на этапе селекции. International Scientific and ФГБОУ ВО Дальневосточный ГАУ. Practical Conference World Science, 5(1), 11-13. Труфляк, Е. В. (2007). Физико-механические свой- Погосян, В. М. (2017). Тенденции развития аппара- ства кукурузы: Монография. Краснодар: КубГАУ. тов для обмолота кукурузы. В Сборник статей по материалам 72-й научно-практической конфе- Цримов, А. З. (2007). Параметры и режимы работы ренции преподавателей Кубанского ГАУ по итогам кукурузной молотилки (Дисс. канд. техн. наук). НИР за 2016 г. (с. 313-314). Краснодар: КубГАУ. Нальчик: ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная акаде- Погосян, В. М. (2017а). Обмолот кукурузного початка мия. в вальцовой молотилке. В Сборник статей по ма- териалам ХI Всероссийской конференции молодых Apazhev, A. K., Shekikhachev, Y. A., Hazhmetov, L. M., ученых, посвященной 95-летию Кубанского ГАУ и Fiaphev, A. G., Shekikhacheva, L. Z., Hapov,  Y.  S., 80-летию со дня образования Краснодарского края Hazhmetova, Z. L., & Gabachiyev, D. T. (2019). (с. 436-437). Краснодар: КубГАУ. Scientific justification of power efficiency of technological process of crushing of forages. Journal Погосян, В. М. (2017б). Анализ технических средств of Physics: Conference Series, 1399(5), 055002. обмолота початков кукурузы. Наука Кубани, 3, https://doi.org/10.1088/1742-6596/1399/5/055002 4-11. ХИПС №2 – 2021 172

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Substantiation of the Parameters of a Small- Sized Thresher for Threshing Corn Cobs Zalina L. Khazhmetova FSBEI HE “Kabardino-Balkarian State Agrarian University” 1 “v”, Lenin Ave., Nalchik, 360030, KBR E-mail: [email protected] Yuri A. Shekihachev FSBEI HE “Kabardino-Balkarian State Agrarian University” 1 “v”, Lenin Ave., Nalchik, 360030, KBR E-mail: shek-fmep.mail.ru Liuan M. Khazhmetov FSBEI HE “Kabardino-Balkarian State Agrarian University” 1 “v”, Lenin Ave., Nalchik, 360030, KBR E-mail: [email protected] Lyudmila Z. Shekikhacheva FSBEI HE “Kabardino-Balkarian State Agrarian University” 1 “v”, Lenin Ave., Nalchik, 360030, KBR E-mail: [email protected] One of the leading places among grain and fodder crops is maize. About 3,500 types of products are produced from it. This crop is of great importance as a high-energy food for all species of animals and birds. In the process of corn grain production, the most labor-intensive is harvesting - 60 ... 80% of the total labor costs. In the latter, the most labor-intensive stage of corn harvesting is the threshing of the cobs, the quality of which is characterized by two main indicators - injury to the grain and under-threshing of the cobs. At the moment, a large number of threshers have been developed, different in principles and threshing technological schemes. The existing threshers have a large capacity and are designed to thresh large volumes of corn cobs. However, in the structure of maize cultivation, a significant place is occupied by small crops in the private sector. After the corn cobs are harvested, they are threshed by hand or a variety of hand and mechanical threshers are made. In addition, at the present time, when the physical nature of the process of threshing corn with threshers has not yet been sufficiently studied and their theory has not been sufficiently developed, the distribution of threshers according to the principle of threshing by blow or grinding is not complete. In this regard, the article substantiates a constructive and technological scheme of a small-sized thresher, which provides threshing of corn cobs in a wrapper with minimal injury to the grains. As a result of theoretical studies, rational values ​o​ f the design and technological parameters of the developed threshing device have been established: moisture content of the cobs 12 ... 22%; threshing drum rotation frequency 300 ... 400 min-1; the height of the teeth is 12 ... 18 mm; tooth pitch 3 ... 8 mm .. Keywords: corn, ear, thresher, threshing, seeds, injury, efficiency References chine technological operations in crop production: Collection]. Moscow: Rosinformagrotekh. Bumbar, I. V., & Kuvshinov, A. A. (2017). K otsenke Izmailov, A. Yu., & Evtyushenkov, N. E. (2016). obmolota pochatkov kukuruzy bil’nym barabanom Mekhanizatsiya selektsionno-opytnoi raboty zernovogo kombaina [To the evaluation of the [Mechanization of selection and experimen- threshing of corn cobs with the beater drum of a tal work]. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sel’sko- grain harvester]. Dal’nevostochnyi agrarnyi vestnik go khozyaistva [Mechanization and Electrification of [Far Eastern Agrarian Bulletin], 3, 183-191. Agriculture], 4, 4-9. Kuvshinov, A. A., & Bumbar, I. V. (2018). Sovershen­ Elizarov, V. P. (2005). Iskhodnye trebovaniya na bazovye stvovanie obmolota kukuruzy v usloviyakh mashinnye tekhnologicheskie operatsii v rastenievod- Amurskoi oblasti [Improving the threshing of corn stve: Sbornik [Initial requirements for basic ma- ХИПС №2 – 2021 173

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ in the conditions of the Amur region]. In Materialy novki dlya ochistki pochatkov semennoi kukuruzy vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferen- [Calculation of plant parameters for cleaning seed tsii «Agropromyshlennyi kompleks: problemy i per- corn cobs]. Sel’skii mekhanizator [Rural Machine spektivy razvitiya» [Proceedings of the All-Russian Operator], 10, 10-11. Scientific and Practical Conference “Agroindustrial Pogosyan, V. M. (2015). Selektsionnaya odnopochat- Complex: Problems and Development Prospects”] kovaya molotilka [Selection single cob thresher]. (Part. 1, pp. 109-111). Blagoveshchensk: Izd-vo Innovatsii v sel’skom khozyaistve [Agricultural inno- Dal’nevostochnogo gos. agrarnogo un-ta. vation], 2, 145-149. Kuvshinov, A. A., Bumbar, I. V., & Lontseva, I. A. Pogosyan, V. M., & Kurasov, V. S. (2016). Obmolot (2018). Sovershenstvovanie obmolota kuku- pochatkov kukuruzy trekhval’tsovoi molo- ruzy zernouborochnym kombainom v usloviyakh tilkoi na etape selektsii [Threshing of corn cobs Amurskoi oblasti [Improving the threshing of corn with a three-roll thresher at the breeding stage]. with a combine harvester in the conditions of the International Scientific and Practical Conference Amur Region]. AgroEkoInfo [AgroEcoInfo], 1, 40. World Science, 5(1), 11-13. Kurasov, V. S., Kutseev, V. V., & Samurganov, E.  A. Pogosyan, V. M. (2017a). Tendentsii razvitiya appa- (2013). Mekhanizatsiya rabot v selektsii, sor- ratov dlya obmolota kukuruzy [Maize Threshing toispytanii i pervichnom semenovodstve kukuruzy: Machine Development Trends]. In Sbornik statei po Monografiya [Mechanization of work in breeding, va- materialam 72-i nauchno-prakticheskoi konferentsii riety testing and primary seed production of corn: prepodavatelei Kubanskogo GAU po itogam NIR za Monograph]. Krasnodar: KubGAU. 2016 g. [Collection of articles based on the materials Kurasov, V. S., Pogosyan, V. M., & Tsybulevskii, V. V. of the 72nd scientific-practical conference of teachers (2018). Parametry kukuruznoi selektsionnoi of the Kuban GAU following the results of research val’tsovoi molotilki [Parameters of corn selec- for 2016] (pp. 313-314). Krasnodar: KubGAU. tion roller thresher]. Politematicheskii setevoi elek- Pogosyan, V. M. (2017b). Obmolot kukuruznogo po- tronnyi nauchnyi zhurnal Kubanskogo gosudarst- chatka v val’tsovoi molotilke [Threshing a corn cob vennogo agrarnogo universiteta [Polythematic in a roller thresher]. In Sbornik statei po materialam Network Electronic Scientific Journal of the Kuban KhI Vserossiiskoi konferentsii molodykh uchenykh, State Agrarian University], 136, 1-14. https://doi. posvyashchennoi 95-letiyu Kubanskogo GAU i 80-le- org/10.21515/1990-4665-136-001 tiyu so dnya obrazovaniya Krasnodarskogo kraya Kurasov, V. S., Pogosyan, V. M., Pleshakov, V. N., & [Collection of articles based on the materials of the Samurganov, E. E. (2017). Issledovanie dvizheni- XI All-Russian Conference of Young Scientists ded- ya kukuruznogo pochatka v val’tsovoi molotilke icated to the 95th anniversary of the Kuban State [Investigation of the movement of an ear of corn Agrarian University and the 80th anniversary of the in a roller thresher]. Trudy Kubanskogo gosudarst- founding of the Krasnodar Territory] (pp. 436-437). vennogo agrarnogo universiteta [Proceedings of the Krasnodar: KubGAU. Kuban State Agrarian University], 69, 315-318. Pogosyan, V. M. (2017). Analiz tekhnicheskikh sredstv Kurasov, V. S., & Pogosyan, V. M. (2015). Osnovnye obmolota pochatkov kukuruzy [Analysis of techni- napravleniya sovershenstvovaniya apparatov dlya cal means for threshing corn cobs]. Nauka Kubani obmolota semennoi kukuruzy [The main direc- [Science of the Kuban], 3, 4-11. tions of improvement of devices for threshing Smol’nikov, G. K., & Bumbar, I. V. (2019). Sovershen­ seed corn]. In Sbornik nauchnykh trudov po materi- stvovanie obmolota kukuruzy zernouborochnym alam Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi kon- kombainom [Improving the threshing of corn ferentsii «Innovatsionnye napravleniya v nauchnoi i with a combine harvester]. In Tezisy dokladov vse- obrazovatel’noi deyatel’nosti» [Collection of scientif- rossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii ic papers based on the materials of the International «Agropromyshlennyi kompleks: problemy i perspek- Scientific and Practical Conference “Innovative di- tivy razvitiya» [Abstracts of the All-Russian Scientific rections in scientific and educational activities”] (pp. and Practical Conference “Agroindustrial Complex: 83-84). Smolensk: OOO “NOVALENSO”. Problems and Development Prospects”] (p. 54). Petunina, I. A. (2006). Obmolot pochatkov kukuruzy: Blagoveshchensk: FGBOU VO Dal’nevostochnyi GAU. Monografiya [Threshing corn cobs: Monograph]. Truflyak, E. V. (2007). Fiziko-mekhanicheskie svoist- Krasnodar: KubGAU. va kukuruzy: Monografiya [Physical and mechan- Petunina, I. A. (2007). Ochistka i obmolot pochatkov ical properties of corn: Monograph]. Krasnodar: kukuruzy: Monografiya [Cleaning and Threshing KubGAU. Corn Cobs: Monograph]. Krasnodar: KubGAU. Tsrimov, A. Z. (2007). Parametry i rezhimy raboty Petunina, I. A., Korotkin, A. V., Kurasov, V. S., & kukuruznoi molotilki (Diss. kand. tekhn. nauk) Pleshakov, V. N. (2018). Raschet parametrov usta- [Parameters and operating modes of the corn thresher ХИПС №2 – 2021 174

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ (Master’s thesis)]. Nal’chik: FGOU VPO «Kabardino- Hazhmetova, Z. L., & Gabachiyev, D. T. (2019). Balkarskaya gosudarstvennaya sel’skokhozyaist- Scientific justification of power efficiency of tech- vennaya akademiya. nological process of crushing of forages. Journal of Apazhev, A. K., Shekikhachev, Y. A., Hazhmetov, L. M., Physics: Conference Series, 1399(5), 055002. https:// Fiaphev, A. G., Shekikhacheva, L. Z., Hapov, Y. S., doi.org/10.1088/1742-6596/1399/5/055002 ХИПС №2 – 2021 175

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ УДК 664.8:502.174.1 https://doi.org/10.36107/spfp.2021.217 Исследование процесса замораживания вторичного сырья предприятий пищевой промышленности Панченко Сергей Леонидович ФГКВОУ ВО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Адрес: 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 «А» Е-mail: [email protected] Ященко Сергей Михайлович ФГКВОУ ВО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Адрес: 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 «А» Е-mail: [email protected] В статье поднимается актуальный вопрос, связанный с переработкой вторичных ресурсов предприятий пищевой промышленности. Основной целью является разработка методики исследования процессов охлаждения и замораживания. Проведен анализ источников загрязнения и состав стоков. Приведены виды современной очистки сточных вод. Рассмотрены характеристики процессов переработки – концентрирования экстрактов плодово-ягодного сырья вымораживанием c целью извлечения полезного для человека вещества – пектина, а также вымораживания жиросодержащего сырья предприятий переработки мяса, молока и растительных масел из сточных вод. Изготовление полезных продуктов из отходов производства не только решает проблему неполного использования входящих в сырье веществ, но и позволяет улучшить экологическую ситуацию, так как утилизация отработанного материала наносит огромный вред окружающей среде. Приведен экологический мониторинг отраслей пищевой промышленности с прогнозом использования вторичных ресурсов. Проведен эксперимент кинетики процесса замораживания настоев плодово-ягодного сырья с целью проведения процесса коагуляции и осаждения пектиновых веществ в виде осадка, после чего они легко удаляются фильтрованием. Получены температуры кристаллизации и начала образования кристаллов. Отмечено влияние параметра температуры на механическую очистку. Проведены исследования вымораживания жиров методом криогенного барботирования инертных газов. Приведена методика расчета энергетических показателей. Указаны характеристики фазового перехода экзотермического процесса охлаждения. Для получения кривых охлаждения и замораживания использовали хромель-копелевые термопары, связанные с потенциометром. Данная методика позволяет изучить широкий спектр других пищевых продуктов. Экспериментальные исследования направлены на создание новых видов оборудования холодильной техники, их расчета и конструирования. Ключевые слова: вторичные ресурсы, плодово-ягодное сырье, жиры, пектиновые вещества, замораживание, кривые охлаждения Введение и других видов народного хозяйства. Степень загрязнения воздуха, воды, почвы зависит, как Проблема загрязнения природной среды обита- правило, от степени урбанизированности и про- ния вредными веществами, образующимися во мышленного развития территории (специфика время различного рода деятельности человече- предприятий, их мощность, размещение, при- ства, в современном мире возросла до катастро- меняемые технологии) (Панченко, Горшков, & фических масштабов. Экологическая ситуация и Бочаров, 2017). Анализ производственной дея- возникающие проблемы обусловлены местны- тельности предприятий показал, что происхо- ми природными условиями и характером воз- дит загрязнение окружающей среды сточными действия на них промышленности, транспорта водами (Харитонова, Лисицкая, Мокшина, & Гончаров, 2017). Также на загрязнение окружа- ХИПС №2 – 2021 176

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ющей среды существенно влияют очистные со- непригодной к использованию, а также загрязня- оружения городских и промышленных сточных ют грунтовые воды. При этом выделяющиеся газы вод (Щуклин, Ромахина, & Ручкинова, 2012). За- загрязняют атмосферный воздух. В соответствии траты на обработку осадков сточных вод, с уче- с современными требованиями природоохранно- том потребляемой энергии и заработной платы го законодательства очистка вод заводов позво- персонала, составляют до 50 % эксплуатацион- лит значительно сократить объем свежей воды за ных затрат станций очистки городских сточных счет удаления механических примесей фильтра- вод (Bolzonella, Cavinato, Fatone, Pavan, & Cecchi, цией и микробиологической обработки в целях их 2012). Жиры в сточных водах могут находиться использования в системе оборотного водоснаб- агрегатных состояниях – твердом, жидком и кол- жения. (Степанова, Хомутов, & Печерица, 2020). лоидном. В зависимости от условий образования Очистка сточных вод от маслопродуктов в зависи- и состава сточных вод жиры могут быть в виде мости от их состава и концентрации осуществля- жировой фазы, образующей на поверхности жид- ется: отстаиванием, обработкой в гидроциклонах, кости пленку, диспергированных частиц в воде флотацией, фильтрованием. (эмульсия) и находиться в растворенном состоя- нии (Быстранова, Теплых, & Теплых, 2018). Теоретическое обоснование Не является исключением проблема загрязнения Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, окружающей среды при работе пищевых предпри- что утилизация отходов крайне нежелательна и ятий. Огромная часть отходов, образующихся при их необходимо перерабатывать. Кроме экологи- работе предприятий мясной, молочной, масложи- ческой составляющей, неоспоримым фактором ровой, спиртовой, ликероводочной, плодоовощ- вторичного использования пищевых отходов яв- ной и других отраслей пищевой промышленности ляется то, что при производстве в них из перво- утилизируются простейшим образом – сбрасыва- начального сырья переходят полезные вещества. ются в канализацию или вывозится на полигон Они безвозвратно теряются при утилизации, поэ- хранения в зависимости от агрегатного состояния. тому помимо загрязнения окружающей среды до- Данные явления приводят к тяжелым последстви- бавляется еще и безвозвратная потеря полезных ям для всех оболочек биосферы. При попадании белков, углеводов, витаминов и т.д. Переработка в водоем пищевые отходы перекрывают доступ вторичных материальных ресурсов, приобретает кислорода, что приводит к гибели водных орга- большую проблему (Гаджиева, Абасова, & Мур- низмов и изменению экосистемы. Также вслед- тазалиева, 2020), так как составная часть прин- ствие загрязнения вода становится непригодной ципиальных направлений создания и развития для хозяйственных и бытовых целей. Практически малоотходной технологии, основана на использо- никаким образом выделяемые осадки городских вании методов рекуперации – возвращения части сточных вод не используются агропромышлен- материала, расходуемумого в том или ином тех- ными комплексами (Брындина, Полянский, & нологическом процессе, на повторное использова- Бакланова, 2018). Предприятия, перерабатываю- ние в том же процессе. Например, пивная дробина щие продукцию сельского хозяйства ( консервные, состоит, в основном из дробленых зернопродук- спиртовые, молокозаводы, мясокомбинаты и др.), тов, оставшихся после фильтрования затора. Она оборудованные примитивными очистными соо- имеет высокую усвояемость: белковых веществ – ружениями, а во многих случаях не имеющих ни- 71-76 %, жира – 80-82 %, безазотистых экстрак- каких сооружений, вносят значительный вклад в тивных веществ – 60-65 %, клетчатки – 40-45 % загрязнение окружающей среды (Баутин & Мычка, (Волотка & Богданов, 2013) и поэтому представ- 2015). Сточная вода мясокомбината представля- ляет собой ценный корм для животных. Бар- ет собой сложную систему, состоящую из различ- да, образующаяся при производстве спиртов на ных компонентов; основные загрязнения – это, в спиртзаводах, содержит практически все пита- основном, жиры (Акулов, 2013). Источниками за- тельные вещества, присущие исходному сырью: грязнения гидросферы спиртзаводами является протеины, жиры, клетчатку и т.д., в количестве 30 барда, ее фильтрат и промывные воды заторных до 40 % сухого вещества исходного сырья и тоже и бродильных чанов. В производствах раститель- полезна как кормовой материал (Антипов & Жу- ного масла и жирных кислот в зависимости от равлев, 2006). В молочной промышленности при технологической схемы и способов выделения ос- производстве творога и сыров образуется вторич- новных продуктов образуется множество вторич- ное сырье – молочная сыворотка. Она обладает ных продуктов и отходов (Адилов, Джиянбаев, & высокой пищевой и биологической ценностью, Каршибаев, 2015). Продукты распада твердых от- содержит около 50 % сухих веществ молока (По- ходов уходят в почву, делая ее неплодородной и ХИПС №2 – 2021 177

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ пов, 2015). И это далеко не полный список вто- раживанием. Таким образом, можно сохранить ричных ресурсов, получаемых при производстве полезные свойства продукта и получить пектин, пищевых продуктов и содержащих полезные ве- а заодно и решить экологическую проблему ути- щества, поэтому их необходимо перерабатывать, лизации твердых отходов плодовоовощной про- и работы в данном направлении ведутся по всему мышленности. миру. Известно, что для получения стабильной ли- кероводочной продукции, соков и питьевой воды Цель исследования необходимо поддержание в очищенной воде, ко- торая является сырьем, не только заданного со- Выбор рациональных технологических параме- левого состава, прежде всего жесткости, но и тров вымораживания исследуемых настоев дол- определенной щелочности (Рябчиков, 2004). жен базироваться на изучении изменений их свойств при температурном воздействии на про- Предприятия плодовоовощной отрасли также дукт при кристаллизации влаги в рабочем объёме образуют вторичные ресурсы, которые нередко аппарата (Антипов, Добромиров, & Овсянников, утилизируются. Одним из них являются твердые 2004). отходы плодов и овощей (выжимки). В высушен- ном виде они могут использоваться как корма для Целью исследований является исследование по- животноводства, но они очень быстро загнивают, ведения спиртованных настоев плодово-ягодного плесневеют и забраживают, после чего становят- сырья, а также растительных масел при их охлаж- ся непригодными к переработке (Сатыбалдиева, дении и замораживании. Результаты эксперимен- Калманбетова, Шаршеева, & Егембердиева, 2014). тов и расчётов позволят назначить рациональные Поэтому многие предприятия не успевают их пе- технологические параметры процесса выморажи- рерабатывать и утилизируют, в то время как дан- вания спиртовых растворов плодово-ягодного сы- ный вторичный ресурс можно использовать более рья и растительных масел. рационально, например, получая пектин, содер- жание которого в плодово-ягодном сырье велико. Сведения об охлаждении спиртованных настоев Пектин – это полисахарид, образованный глав- плодово-ягодного сырья крайне скудны, отсут- ным образом остатками галактуроновой кисло- ствуют также их некоторые физико-химические ты, очень полезный для организма человека, так характеристики. В связи с этим были проведены как выводит токсические вещества из организма эксперименты с целью получения данных о свой- и нормализует обмен веществ (Донченко & Фир- ствах и поведении спиртованных настоев при их сов, 2007). Производство пектина, в том числе из охлаждении, замораживании и вымораживании. вторичного сырья плодово-ягодной промышлен- ности, в настоящее время развивается, но перера- Охлаждение и замораживание экстрактов пло- батываются очень малые объемы. дово-ягодного сырья изучены мало, отсутствуют также их некоторые физико-химические характе- Поскольку, как говорилось выше, выжимки пло- ристики. В связи с этим были проведены экспери- дово-ягодного сырья являются скорпортящими- менты с целью получения данных о свойствах и ся, их необходимо быстро перерабатывать, что поведении спиртованных настоев, а также расти- является главным сдерживающим фактором для тельных масел при их охлаждении и заморажи- повсеместной переработки. Немногочисленные вании предприятия, которые используют выжимки, оставшиеся после выработки сока, для произ- Основным параметром вымораживания является водства пектинов, сразу же после удаления сока кристаллизация. Воздействием процесса замора- дробят на молотковой дробилке и сушат при тем- живания на качество продуктов в размороженном пературе около 90 °С, после чего их охлаждают и состоянии объясняются с позиций кристаллиза- просеивают (Сатыбалдиева, Калманбетова, Шар- ции воды (Голубева, Пожидаева, Болотова, & Илю- шеева, & Егембердиева, 2014). Извлечение пекти- шина, 2016). на производится 90…95 %-м этиловым спиртом, который превращает его в коллоидную взвесь, Основным видом энергетического воздействия на легко удаляемую из настоя. Поскольку переработ- исследуемый продукт при вымораживании явля- ка производится при высоких температурах вы- ется охлаждение, сопровождающееся различного зывающих разрушение полезных веществ, в том рода фазовыми превращениями. Наиболее широ- числе потерю пектина, целесообразно удалять его ко используемый метод термического анализа по- из выжимок сразу же с помощью этилового спир- зволяет с достаточной степенью точности изучить та, а полученный настой концентрировать вымо- ХИПС №2 – 2021 178

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ фазовые превращения, совершающиеся в систе- зом измерялась и фиксировалась температура мах или индивидуальных веществах веществах, продукта. по сопровождающим эти превращения тепловым эффектам1. Результаты и их обсуждение Процессы, сопровождающиеся поглощением или Термический анализ всегда сопровождается более выделением теплоты, исследуют путём измерения или менее значительным изменением внутренне- температур объекта при равномерном изменении го теплосодержания системы. Превращение ведёт температуры окружающей среды. Происходящие в за собой поглощение теплоты (эндотермическое системе фазовые превращения, в зависимости от превращение) или выделение теплоты (экзотер- характера, регистрируются на кривых в виде соот- мическое превращение) (Панченко, 2010). ветствующих отклонений и образований наклон- ных или горизонтальных участков, параллельных На Рисунке 2. приведены кривые охлаждения оси времени2. спиртованного настоя слив и яблок. Они показы- вают, как происходит изменение температуры при Методом термического анализа обнаруживается охлаждении спиртованных настоев. факт протекания процесса, температурный интер- вал и его экзо- или эндотермический характер (Гу- Анализируя кривые охлаждения исследуемых байдуллина, 2010). спиртованных настоев слив и яблок, следует от- метить их схожесть, что указывает на идентич- Методика исследования ность фазовых изменений, происходящих в них при охлаждении. На кривых явно видны характер- Исследование охлаждения спиртованных настоев ные изломы, соответствующие переохлаждению, проводилось в интервале температур 288...253 K, последующему образованию зародышей кристал- соответствующих превращениям при охлаждении лов льда и их росту. водных растворов. Для записи кривых охлаждения использовали двенадцатиточечный потенциометр На первом участке кривой охлаждения возмож- КСП-4 (класс точности 0,5) с хромель-копелевой ность кристаллизации определяется соотноше- термопарой (диаметр спая 0,5 мм). Схема для за- нием между температурой объекта и величиной писи кривых охлаждения показана на Рисунке 1. ориентирующих сил, действующих в жидкости. При малой величине ориентирующих сил можно Для проведения экспериментальных исследо- достигнуть температур ниже криоскопической, не ваний с целью построения кривых охлаждения вызвав образования кристаллов. Чем меньше ори- приготавливали два образца настоев плодово-я- ентирующие силы и действие увеличивающих их годного сырья, причём использовались такие пло- дополнительных факторов (чистота, неподвиж- ды, в которых содержится наибольшее количество пектиновых веществ: сливы (содержание пекти- новых веществ 0,8…1,5 % масс.) и яблоки (содер- жанием пектиновых веществ 0,8…1,8 % масс.) (Овсянников, 2010, с. 24). Термический анализ проводили следующим об- Рисунок 1. Схема для записи термографических разом. В холодильную камеру 1 низкотемпе- кривых: 1 – холодильная камера; 2 – медный блок; ратурного стола Frigera НС 280/70.1 помещали 3 – стакан с исследуемым продуктом; 4 – термо-� медный блок 2 с крышкой, в углублении кото- пара; 5 – потенциометр КСП-4. рого располагали стакан 3 с исследуемым ве- ществом что обеспечивало равномерный отвод теплоты, избежание местных переохлаждений и влияния конвекционных токов воздуха в каме- ре. В геометрический центр исследуемого веще- ства помещали хромель-копелевую термопару 4, подключённую к потенциометру 5. Таким обра- 1 Берг, Л. Г. (1969). Введение в термографию. М.: Наука. 2 Там же. ХИПС №2 – 2021 179

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ а) б) Рисунок 2. Кривые охлаждения спиртованного настоя слив (а) и яблок (б): τ – время, с; Т – темпера- тура, K ность жидкости и др.), тем ниже достигаемая тем- понижение криоскопической температуры. Поэ- пература переохлаждения. тому начальной криоскопической температурой принято считать ту, при которой начинается вы- На втором участке кривой выражен процесс пере- деление кристаллов льда из раствора без переох- охлаждения жидкости, причём температура пере- лаждения (Овсянников, Кондратьева, Бостынец, & охлаждения тем ниже, чем медленнее протекает Денежная, 2014; Овсянников & Панченко, 2010). процесс снижения температуры. Следовательно, жидкость начинает кристаллизоваться при боль- На четвёртом участке наблюдается дальнейшее шей скорости охлаждения. охлаждение замороженного продукта. Как и на первом участке охлаждения жидкости, характер Фазовое превращение воды в лёд начинается при поведения кривых идентичен, различима лишь отводе теплоты в момент нарушения состояния скорость изменения температуры. переохлаждения. Поскольку спиртованные настои слив и яблок содержат различные растворённые На разрыв связей в гидратированных молеку- минеральные и органические вещества, то пони- лах спиртованного настоя и выделение их в виде жение температуры сопровождается соответствую- твёрдой фазы и воды, как и следовало ожидать, щим изменением концентрации жидкого раствора затрачивается энергия, количество которой про- и выделением некоторого количества теплоты кри- порционально площади экзотермического пика сталлизации. Наблюдаемые экзотермические эф- дифференциальной кривой (Ященко 2001). Из- фекты с началом для спиртованного настоя слив мерив площадь пика, можно посчитать значение при 260,5 K и настоя яблок при 259 K характеризу- искомой энергии. ют начало образования кристаллов льда. На Рисунке 3 показаны термограммы охлаждения На третьем участке кривой явно выражена кри- жиросодержащих жидкостей в различных фик- оскопическая температура, причём она не за- сированных точках слоя. Характер протекания висит от скорости охлаждения и температуры процесса охлаждения и фазовые переходы ана- окружающей среды. Криоскопическая темпера- логичны с термограммами охлаждения спирто- тура, или температура начала образования кри- ванных настоев. сталлов льда, зависит от концентрации раствора, молекулярной массы, диссоциации растворённых В производственных условиях проведена экспе- веществ и свойств растворителя. Поскольку кри- риментально-статистическая оценка процесса оскопическая температура раствора зависит от вымораживания растительных масел для опре- его концентрации, а последняя в описываемом деления комплексной переработки сырья и про- процессе возрастает с понижением температуры, мышленной реализации вторичных ресурсов то процесс можно представить как непрерывное (Ященко, 2017). ХИПС №2 – 2021 180

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Рисунок 3. Термограммы охлаждения жиросо- барды с закрученным потоком теплоносителя: держащего сырья в различных фиксированных Монография. Воронеж: ВГТА. точках слоя от поверхности продукта: 1 – 70 мм; Баутин, В. М., & Мычка, С. Ю. (2015). Направления 2 – 100 мм; 3 – 190 мм; при скорости барботиро- развития системы переработки отходов про- вания:  – wх=1,2 м/с; О – wх=2,2 м/с ∆ – wх=2,5 м/с мышленно- производственных подсистем АПК. Теория науки, 6, 91-95. Выводы Брындина, Л. В., Полянский, К. К., & Бакланов­ а, О. В. (2018). Перспективное использование осад- Предложенная методика исследования охлажде- ков сточных вод в экологическом земледелии. В ния и замораживания спиртованных настоев вто- Материалы V Международной научно-практиче- ричного сырья плодовоовощного производства ской конференции «Продовольств­ ен­ная безопас- позволяет определить их термические свойства, ность: научное, кадровое и информационное обе- а также выявить характерные точки фазовых пре- спечение» (с. 337-341). Воронеж: ВГУИТ. вращений. Приведены перспективы использова- Быстранова, А. О., Теплых, С. Ю., & Теплых, Е. А. ния жиров и методика их извлечения. Результаты (2018). Очистка сточных вод масложировой исследования будут полезны при расчётах и кон- промышленности. Градостроительство и ар- струировании аппаратов для низкотемпературно- хитектура, 8(4), 24-28. https://doi.org/10.17673/ го концентрирования настоев, которое является Vestnik.2018.04.5 наиболее рациональным методом переработки Волотка, Ф. Б., & Богданов, В. Д. (2013). Техно­ плодово-ягодных выжимок для извлечения из них логическая и химическая характеристика пив- полезного вещества – пектина. Данная переработ- ной дробины. Вестник ТГЭУ, 1, 114-124. ка позволяет наиболее полно использовать отходы Гаджиева, А. М., Абасова, З. У., & Муртазалиев­ а, З. А. одного из пищевых производств, не утилизируя (2020). Ресурсосберегающие техноло­гии ком- их, что, несомненно, вносит огромный вклад в плексной переработки плодоовощного сырья для предотвращение загрязнения окружающей сре- перерабатывающей пром­ ышл­­ енности Дагестана. ды и обеспечения экологической безопасности. В Материалы Международной научно-практиче- ской конференции «Биотехнологические, экологиче- Литература ские и экономические аспекты создания безопасных продуктов питания специализированного назначе- Адилов, О. К., Джиянбаев, С. В., & Каршибаев, Ш. Э. ния» (с. 359-365). Краснодар: Изд. КубГТУ. (2015). Вторичные продукты масложирового Голубева, Л. В., Пожидаева, Е. А., Болотова, Н.  В., производства. Молодой ученый, 2, 118-121. & Илюшина, А. В. (2016). Изучение влияния условий замораживания на микрострукту- Акулов, П. (2013). Современные технологии очист- ру творожных полуфабрикатов. В Материалы ки сточных вод мясоперерабатывающих пред- Международной научно-практической конферен- приятий. Все о мясе, 1, 30-31. ции «Явления переноса в процессах и аппаратах химических и пищевых производств» (с. 207-210). Антипов, С. Т., Добромиров, В. Е., & Овсян­ Воронеж: ВГУИТ. ников,  В.  Ю. (2004). Тепло- и массообмен при Губайдуллина, А. М. (2010). Теоретические и при- концентрировании жидких сред вымораживани- кладные аспекты применения методов тер- ем: Монография. Воронеж: ВГТА. мического анализа при изучении природных неорганических систем. Вестник Казанского Антипов, С. Т., & Журавлев, А. В. (2006). Тепло- и технологического университета, 8, 250-256. массообмен при сушке послеспиртовой зерновой Донченко, Л. В., & Фирсов, Г. Г. (2007). Пектин: Основные свойства, производство и применение: Монография. М.: ДеЛи принт. Овсянников, В. Ю., Кондратьева, Я. И., Босты­ нец,  Н.  И., & Денежная, А. Н. (2014). Исследо­ вание криоскопических температур и вымора- живания влаги из плодовых соков. Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК – продукты здорового питания, 4, 34-40. Овсянников, В. Ю., & Панченко, С. Л. (2010). Замораживание и размораживание спиртован- ных настоев. Хранение и переработка сельхозсы- рья, 1, 23-26. ХИПС №2 – 2021 181

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Панченко, С. Л. (2010). Исследование процесса кон- ции «Инновационные технологии в пищевой про- центрирования творожной сыворотки мето- мышленности: Наука, образование и производ- дом вымораживания (Дисс. канд. техн. наук). ство» (с. 316-319). Воронеж: ВГУИТ. Воронеж: ГОУВПО «ВГТА». Харитонова, Л. А., Лисицкая, Р. П., Мокшина, Н. Я., & Гончаров, Д. В. (2017). Получение адсорбен- Панченко, С. Л., Горшков, А. Г., & Бочаров, А. И. та на основе отходов хлебопекарного про- (2017). Пути решения проблемы загрязнения изводства. В Материалы VI Международной сточных вод на примере переработки отхо- научно-технической конференции «Новое в тех- дов молочной промышленности. В Материалы нологии и технике функциональных продуктов V Всероссийская научно-практическая конфе- питания на основе медико-биологических воззре- ренция с международным участием «Проблемы ний» (с. 98-99). Воронеж: ВГУИТ. обеспечения безопасности при ликвидации по- Щуклин, П. В., Ромахина, Е. Ю., & Ручкинова, О. И. следствий чрезвычайных ситуаций» (с. 226-227). (2012). Анализ основных направлений обра- Воронеж: ФГБОУ ВО Воронежский институт ботки осадков городских сточных вод. Вестник ГПС МЧС России. ПНИПУ. Урбанистика, 4, 119-133. Ященко, С. М. (2001). Исследование и разработ- Попов, А. М., Турова, Н. Н., Стабровская, Е. И., ка процесса криогенного вымораживания рас- Васильченко, Н. В., & Коняев, А. В. (2015). тительных масел (Дисс. канд. техн. наук). Особенности использования прямого на- Воронеж: ВГТА. грева при концентрировании сыворотки. Ященко, С. М. (2017). Комплексная переработ- Фундаментальные исследования, 2, 2124-2128. ка сырья и вторичных ресурсов при произ- водстве растительных масел. В Материалы III Рябчиков, Б. Е. (2004). Современные методы подго- Международной научно-практической конферен- товки воды для промышленного и бытового ис- ции «Инновационные решения при производстве пользования. М.: ДеЛи принт. продуктов питания из растительного сырья» (с. 333-336). Воронеж: ВГУИТ. Сатыбалдиева, Д. К., Калманбетова, Г. К., Bolzonella, D., Cavinato, C., Fatone, F., Pavan,  P., Шаршеева, Э. Б., & Егембердиева, Г. А. (2014). & Cecchi, F. (2012). High rate mesophilic, Очистка сточных вод консервного производ- thermophilic, and temperature phased anaerobic ства. Вестник Кыргызского государственного digestion of waste activated sludge: A pilot scale университета строительства, транспорта и study. Waste Management, 32(6), 1196-1201. архитектуры им. Н. И. Исанова, 4, 73-77. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2012.01.006 Степанова, Е. Г., Хомутов, М. П., & Печерица, М. А. (2020). Применение электрокавитации для очистки сточных вод. В Материалы VII Международной научно-технической конферен- ХИПС №2 – 2021 182

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Study of the Process of Freezing Secondary Raw Materials of Food Industry Enterprises Sergey L. Panchenko FSOE HE «Military Educational and Scientific Centre of the Air Force N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» 54 «А», Starykh Bolshevikov Street, Voronezh, 394064, Russian Federation Е-mail: [email protected] Sergey M. Yashchenko FSOE HE «Military Educational and Scientific Centre of the Air Force N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» 54 «А», Starykh Bolshevikov Street, Voronezh, 394064, Russian Federation Е-mail: [email protected] The article raises an urgent issue related to the processing of secondary resources of food industry enterprises. The main goal is to develop a methodology for investigating cooling and freezing processes. Analysis of sources of pollution and composition of effluents was carried out. The types of modern waste water treatment are given. The characteristics of processes of processing - concentration of extracts of fruit and berry raw materials by frosting in order to extract useful substance for humans - pectin, as well as frosting of fat-containing raw materials of enterprises for processing meat, milk and vegetable oils from waste water are considered. The production of useful products from production waste not only solves the problem of incomplete use of raw materials, but also allows to improve the environmental situation, since the disposal of spent material causes great damage to the environment. Environmental monitoring of food industries with forecast of use of secondary resources is presented. The kinetics experiment of the process of freezing infusions of fruit and berry raw materials was carried out in order to carry out the process of coagulation and precipitation of pectin substances in the form of a precipitate, after which they are easily removed by filtration. Crystallization temperatures and the onset of crystal formation were obtained. Influence of temperature parameter on mechanical cleaning is noted. Studies of fat freezing by cryogenic bubbling of inert gases have been carried out. The method of calculation of energy indicators is given. Characteristics of phase transition of exothermic cooling process are indicated. Chromel copel thermocouples associated with the potentiometer were used to obtain cooling and freezing curves. This technique allows you to study a wide range of other food products. Experimental research is aimed at creating new types of refrigeration equipment, their calculation and design. Keywords: secondary resources, fruit-berry raw materials, fats, pectin substances, freezing, cooling curves References uid substances by freezing: Monograph]. Voronezh: VGTA. Adilov, O. K., Dzhiyanbaev, S. V., & Karshibaev, Sh. E. Antipov, S. T., & Zhuravlev, A. V. (2006). Teplo- i mas- (2015). Vtorichnye produkty maslozhirovogo soobmen pri sushke poslespirtovoi zernovoi bardy s proizvodstva [Secondary productions of oil and fat zakruchennym potokom teplonositelya: Monografiya production]. Molodoi uchenyi [Young Scientist], 2, [Heat and mass exchange during drying of the dis- 118-121. tilled grain stillage wizh twisting coolant flow: Monograph]. Voronezh: VGTA. Akulov, P. (2013). Sovremennye tekhnologii ochist- Bautin, V. M., & Mychka, S. Yu. (2015). Napravleniya ki stochnykh vod myasopererabatyvayushchikh razvitiya sistemy pererabotki otkhodov pro- predpriyatii [Modern technologies of meat pro- myshlenno- proizvodstvennykh podsistem APK cessing enterprises waste water treatment]. Vse o [Directions for the development of the waste pro- myase [All about Meat], 1, 30-31. cessing system of industrial production subsystems of AIC ]. Teoriya nauki [Theory of Science], 6, 91-95. Antipov, S. T., Dobromirov, V. E., & Ovsyan­nikov, V. Yu. Bryndina, L. V., Polyanskii, K. K., & Baklanova,  O.  V. (2004). Teplo- i massoobmen pri kontsentrirovanii (2018). Perspektivnoe ispol’zovanie osadkov zhidkikh sred vymorazhivaniem: Monografiya [Heat and mass exchange during concentration of the liq- ХИПС №2 – 2021 183

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ stochnykh vod v ekologicheskom zemled­ elii Donchenko, L. V., & Firsov, G. G. (2007). Pektin: [Prospective use of sediments of waste water in Osnovnye svoistva, proizvodstvo i primenenie: ecological agriculture]. In Materialy V Mezhdu­ Monografiya [Pektin: The main properties, pro- narodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii duction and appluing: monograph]. Moscow: DeLi “Prodovol’stvennaya bezopasnost’: nauchnoe, kadro- print. voe i informatsionnoe obespechenie” [Proceedings of 5th International scientific and practical conf. “Food Ovsyannikov, V. Yu., Kondrat’eva, Ya. I., Bostynets, N. I., safety: scientific, personnel and informational pro- & Denezhnaya, A. N. (2014). Issledovanie krioskop- curing”] (pp. 337-341). Voronezh: VGUIT. icheskikh temperatur i vymorazhivaniya vlagi iz Bystranova, A. O., Teplykh, S. Yu., & Teplykh, E. A. plodovykh sokov [Research of cryoscopic tempera- (2018). Ochistka stochnykh vod maslozhirovoi tures and freezing of moisture from fruit juices]. promyshlennosti [Oil and fat industry waste water Tekhnologii pishchevoi i pererabatyvayushchei pro- treatment]. Gradostroitel’stvo i arkhitektura [Urban myshlennosti APK – produkty zdorovogo pitaniya Planning and Architecture], 8(4), 24-28. https://doi. [Technologies of Food and Processing Industry AIC – org/10.17673/Vestnik.2018.04.5 Healthy Food Products], 4, 34-40. Volotka, F. B., & Bogdanov, V. D. (2013). Tekhnolo­ gicheskaya i khimicheskaya kharakteristika pivnoi Ovsyannikov, V. Yu., & Panchenko, S. L. (2010). drobiny [Brewer’s grain technological and chemi- Zamorazhivanie i razmorazhivanie spirtovanny- cal characteristic]. Vestnik TGEU [Bulletin of Pacific kh nastoev [Freezing and thawing alcoholic in- State Economical University], 1, 114-124. fusions]. Khranenie i pererabotka sel’khozsyr’ya Gadzhieva, A. M., Abasova, Z. U., & Murtazalieva, Z. A. [Storage and Processing of Farm Products], 1, 23-26. (2020). Resursosberegayushchie tekhnologii kom- pleksnoi pererabotki plodoovoshchnogo syr’ya Panchenko, S. L. (2010). Issledovanie protsessa kont- dlya pererabatyvayushchei promyshlennosti sentrirovaniya tvorozhnoi syvorotki metodom vy- Dagestana [Resource-saving technologies for com- morazhivaniya (Diss. kand. tekhn. nauk) [Research plex processing of fruit and vegetable raw materi- of the process of concentration of curd whey by freez- als for Dagestan processing industry]. In Materialy ing (Master’s thesis)]. Voronezh: GOUVPO “VGTA”. Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferen- tsii “Biotekhnologicheskie, ekologicheskie i ekono- Panchenko, S. L., Gorshkov, A. G., & Bocharov, A. I. micheskie aspekty sozdaniya bezopasnykh produk- (2017). Puti resheniya problemy zagryazneniya tov pitaniya spetsializirovannogo naznacheniya” stochnykh vod na primere pererabotki otkhodov [Proceedings of International scientific and practi- molochnoi promyshlennosti [Ways of decision of cal conference “Biotechnological, ecological and eco- problem pollution of waste water on the example nomical aspects of specialized purpose safety food of processing dairy industry waste]. In Materialy products creation”] (pp. 359-365). Krasnodar: Izd. V Vserossiiskaya nauchno-prakticheskaya konferen- KubGTU. tsiya s mezhdunarodnym uchastiem “Problemy obe- Golubeva, L. V., Pozhidaeva, E. A., Bolotova, N. V., & specheniya bezopasnosti pri likvidatsii posledstvii Ilyushina, A. V. (2016). Izuchenie vliyaniya uslovii chrezvychainykh situatsii” [Proceedings of All-Russ. zamorazhivaniya na mikrostrukturu tvorozhnykh scientific and practical conference with internation- polufabrikatov [Study of effect of freezing con- al part. “Problems of ensuring safety in liquidation ditions on microstructure of curd semi-finished of the consequences of emergency”] (pp. 226-227). products]. In Materialy Mezhdunarodnoi nauch- Voronezh: FGBOU VO Voronezhskii institut GPS no-prakticheskoi konferentsii “Yavleniya pereno- MChS Rossii. sa v protsessakh i apparatakh khimicheskikh i pish- chevykh proizvodstv” [Proceedings of International Popov, A. M., Turova, N. N., Stabrovskaya, E. I., scientific and practical conference “Transfer phe- Vasil’chenko, N. V., & Konyaev, A. V. (2015). nomena in processes and apparatus of chemical and Osobennosti ispol’zovaniya pryamogo nagre- food industries”] (pp. 207-210). Voronezh: VGUIT. va pri kontsentrirovanii syvorotki [Features of Gubaidullina, A. M. (2010). Teoreticheskie i priklad- use direct heating when concentration whey]. nye aspekty primeneniya metodov termichesko- Fundamental’nye issledovaniya [Fundamental go analiza pri izuchenii prirodnykh neorganich- Recearching], 2, 2124-2128. eskikh system [Theoretical and applied aspects of use of thermal analysis methods when studying Ryabchikov, B. E. (2004). Sovremennye metody podgot- of natural inorganic systems]. Vestnik Kazanskogo ovki vody dlya promyshlennogo i bytovogo ispol’zo- tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan vaniya [Modern methods of water preparation for in- Technological University], 8, 250-256. dustrial and domestic use]. Moscow: DeLi print. Satybaldieva, D. K., Kalmanbetova, G. K., Shar­ sheeva,  E.  B., & Egemberdieva, G. A. (2014). Ochistka stochnykh vod konservnogo proizvodst- va [Canning production waste water treatment]. Vestnik Kyrgyzskogo gosudarstvennogo universite- ta stroitel’stva, transporta i arkhitektury im.  N.  I. ХИПС №2 – 2021 184

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Isanova [Bulletin of the Kyrgyz State University ki osadkov gorodskikh stochnykh vod [Analysis of of Construction, Transport and Architecture. N.I. the main directions of urban waste water sludge Isanova], 4, 73-77. treatment]. Vestnik PNIPU. Urbanistika [Bulletin of Stepanova, E. G., Khomutov, M. P., & Pecheritsa,  M. A. the Perm National Research Polytechnic University. (2020). Primenenie elektrokavitatsii dlya ochistki Urbanism], 4, 119-133. stochnykh vod [Electrocavitation using for treatment Yashchenko, S. M. (2001). Issledovanie i razrabotka of waste water]. In Materialy VII Mezhdunarodnoi protsessa kriogennogo vymorazhivaniya rastitel’nykh nauchno-tekhnicheskoi konferentsii “Innovatsionnye masel (Diss. kand. tekhn. nauk) [Research and de- tekhnologii v pishchevoi promyshlennosti: Nauka, obra- sign of process of cryogen freezing of vegetable oils zovanie i proizvodstvo” [Proceedings of International (Master’s thesis)]. Voronezh: VGTA. scientific and technical conference “Innovation technol- Yashchenko, S. M. (2017). Kompleksnaya pererabotka ogies in food industry: Science, education and produc- syr’ya i vtorichnykh resursov pri proizvodstve ras- tion”] (pp. 316-319). Voronezh: VGUIT. titel’nykh masel [Complex processing of raw ma- Kharitonova, L. A., Lisitskaya, R. P., Mokshina, N. Ya., terials and secondary resources in the production & Goncharov, D. V. (2017). Poluchenie adsorben- of vegetable oils]. In Materialy III Mezhdunarodnoi ta na osnove otkhodov khlebopekarnogo proiz- nauchno-prakticheskoi konferentsii “Innovatsionnye vodstva [Obtaining an adsorbent based on bakery resheniya pri proizvodstve produktov pitaniya iz ras- waste]. In Materialy VI Mezhdunarodnoi nauch- titel’nogo syr’ya” [Proceedings of International sci- no-tekhnicheskoi konferentsii “Novoe v tekhnologii i entific and practical conference “Innovative decisions tekhnike funktsional’nykh produktov pitaniya na os- in the production of plant-based foods”] (pp. 333- nove mediko-biologicheskikh vozzrenii” [Proceedings 336). Voronezh: VGUIT. of International scientific and technical conference Bolzonella, D., Cavinato, C., Fatone, F., Pavan, P., & “New in technology and technique of functional food Cecchi, F. (2012). High rate mesophilic, thermo- products based on biomedical views”] (pp. 98-99). philic, and temperature phased anaerobic diges- Voronezh: VGUIT. tion of waste activated sludge: A pilot scale study. Shchuklin, P. V., Romakhina, E. Yu., & Ruchkinova, O. I. Waste Management, 32(6), 1196-1201. https://doi. (2012). Analiz osnovnykh napravlenii obrabot- org/10.1016/j.wasman.2012.01.006 ХИПС №2 – 2021 185