 |
1 состояние проблемы и задачи исследования
|
|
|
|
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. 1 Требования к процессу смешивания
1. 1. 1 Характеристика кормовых смесей
Скармливаемые сельскохозяйственным животным и птицам кормовые сме- си должны не только состоять из всех необходимых ингредиентов в соответст- вующих пропорциях, но и входящие в них компоненты должны быть равномерно распределенными во всем объеме. То есть должна обеспечиваться одинаковая ценность корма (питательная, энергетическая, минеральная и т. д. ) во всех его час- тях. Связано это с тем, что при скармливании частей неоднородной смеси значи- тельно снижается продуктивность животных и, как следствие, падает рентабель- ность сельскохозяйственного производства. Поэтому очень важно равномерно распределить все компоненты в кормосмеси [38, 67, 76, 84].
В зависимости от метода выращивания животных или птицы, типа исполь- зуемого корма и его наличия в хозяйстве могут быть изготовлены кормовые смеси различной консистенции (влажности): сухие (комбикорма и кормосмеси) – 13- 15 %; влажные рассыпные – 45-70 %; жидкие или текучие – 75-85 % [14, 90].
Кормовые смеси в основном получают в результате механического переме- шивания ингредиентов до получения массы требуемой однородности. Однород- ной считается смесь, в которой содержание компонентов в любой части её объема соответствует заданному составу смеси. Минимальные значения однородности регламентируются зоотехническими требованиями для каждой группы сельскохо- зяйственных животных: для свиней – 85 %; для птицы – 90 %; для КРС – 80 % (с вводом карбамида – 90 %); для комбикормов собственного производства – 90-95
% [9, 70, 81].
Эффективность смешивания зависит не только от физических свойств ком- понентов (гранулометрический состав, форма и характер поверхности частиц, влажность, плотность и пр. ), но и от параметров самого процесса (продолжитель- ность смешивания, скорость рабочих органов смесителя, степень заполнения и
|
|
|
т. д. ). Экспериментально установлено, если какой-то компонент распределен в смеси равномерно, то и другие компоненты распределены равномерно. Об одно- родности многокомпонентной смеси можно судить по равномерности распреде- ления в ней 1…2 «ключевых» компонентов [29, 65, 81].
При оценке эффективности процесса смешивания особое внимание необхо- димо уделить внесению в кормовую смесь жидких ингредиентов и микродобавок. При этом сам процесс ввода в состав смеси жидких ингредиентов (меласса, рыб- ный экстракт, кормовой жир, соленый гидрол, кукурузный или маисовый экстракт и др. ) называется мелассированием. Если нарушить технологию введения жидких компонентов, например, если температура мелассы не регулируется должным об- разом, то получаемый комбикорм может окомковываться и тем самым вызывать сбои в производстве, а также снижать качество – однородность. При несвоевре- менном вводе микроингредиентов или их разрушении в результате процесса сме- шивания между компонентами может происходить химическая реакция, в резуль- тате чего теряется питательная ценность комбикорма [25, 125].
В то же время добавление в смесь жиросостоящих ингредиентов позволяет сделать смесь менее пыльной и сохранить целостность микродобавок. Однако жировые компоненты несколько ограничены по применению в виду следующих причин: они повышают влажность комбикорма; жиросостоящие ингредиенты и меласса сильно подвержены плесневению, брожению и самосогреванию в летний период времени [75, 125].
Немаловажным параметром является продолжительность смешивания. При смешивании частиц с сопоставимой крупностью (размером) компонентов одно- родность смеси может достигать определенного уровня и держаться на нем доста- точно продолжительный промежуток времени. Если размеры частиц смешивае- мых компонентов значительно отличаются, то смесь подвержена сегрегации в большей степени. На продолжительность процесса смешивания большое влияние оказывают условия протекания процесса, такие как: удельная плотность; коэффи- циент внутреннего трения; частота вращения рабочих органов; объем смеси и т. д. [24, 69, 125]
|
|
|
Для получения готового продукта, соответствующего заявленным требова- ниям, необходимо строго соблюдать рекомендуемое производителем количество материала в камере смешивания, так как перегрузка приводит к снижению одно- родности смеси (Wicker. and Poole, 1991) [60, 106].
Таблица 1. 1 – Влияние заполнения смесителя на однородность смеси
| Заполненный объем, % | Время смешивания, мин | Коэффициент вариации, % | |
| Лизин | Метоонин | ||
| 2, 0 | 11, 99 | 34, 61 | |
| 2, 5 | 8, 33 | 4, 99 | |
| 3, 0 | 4, 64 | 2, 59 | |
| 2, 0 | 56, 18 | 34, 88 | |
| 2, 5 | 62, 58 | 31, 37 | |
| 3, 0 | 33, 96 | 29, 80 | |
Из анализа данных, представленных в таблице 1. 1 следует, что увеличение нагрузки на смеситель по объему смешивания на 20 % от оптимального значения приводит к значительному увеличению коэффициента вариации. Поэтому в тех- нических характеристиках смесителя рекомендуется указывать вместимость не в единицах массы, а в единицах объема. Причем следует выделять рабочий и пол- ный объем камеры смешивания [107].
Поэтому получение однородных и сбалансированных кормовых смесей яв- ляется задачей, зависящей от множества факторов, связанных как с физико- механическими свойствами смешиваемых компонентов, технологией смешивания и используемыми для этого средствами.
1. 1. 2 Критерии оценки качества смешивания
Так как процесс смешивания, а именно распределение компонентов в еди- нице объема смеси является случайным процессом из-за бесконечного числа ва- риаций их взаимного расположения в контрольных точках, то оценка процесса смешивания основывается на методе статистического анализа. Но статистический анализ достаточно многогранен и обширен, поэтому для оценки качества смеши- вания предложены множество критериев, отличающихся только входными пара- метрами. Все они связаны с результатами отбора проб смеси: размах значений
|
|
|
концентрации компонентов, дисперсии значений концентрации ключевого ком- понента, вероятность отклонения значений концентрации от среднего значения и др. Наиболее часто в качестве критерия оценки качества смеси применяется ко- эффициент вариации (неоднородности) 𝑉 𝑐 [94], вычисляемый по формуле (1. 1).
| 100 ∑ 𝑛 (𝑥 𝑖 − 𝑚 � )2 𝑉 𝑐 = � 𝑖 =1 , 𝑚 � 𝑛 − 1 | (1. 1) |
где 𝑥 𝑖 - значение случайной величины 𝑥 в i-том опыте; 𝑚 � - среднее арифме- тическое содержание ключевого компонента во всех пробах; 𝑛 - общее число проб.
Однородность смеси 𝜈 можно рассчитать по формуле
| 𝜈 = 1 − 𝑉 𝑐. | (1. 2) |
Смесь принимается двухкомпонентной, вне зависимости от числа входящих в ее состав ингредиентов. При этом первый компонент двухкомпонентный смеси, представляющий собой один из ингредиентов смеси, называют ключевым или контрольным, а во второй компонент объединяют все остальные ингредиенты и называют основной массой (основой) или базой. В качестве ключевого или кон- трольного компонента выбирается такой ингредиент содержание, которого в сме- си наиболее важно по предъявляемым требованиям [21, 39, 68].
1. 1. 3 Методики оценки качества смешивания
Все методики оценки качества процесса смешивания позволяют получать информацию о смеси по характеризующему состав пробы признаку, принятому в качестве определяющего, например, размеру, цвету или форме. В дальнейшем по- лученные результаты обрабатываются методами математической статистики [41, 56, 80].
На практике выделяются следующие методики:
· ручного разбора проб;
· разбора проб на ситовом классификаторе;
· оптического анализа.
Первые две методики отличаются достаточной простой и доступностью применения. К их же недостаткам относят высокую трудоемкость и большое ко- личество времени необходимое для анализа качества смеси.
|
|
|
Методика оптического анализа заключается в определении концентраций ключевого компонента на основе сравнительного анализа способности компонен- тов смеси поглощать, отражать и преломлять свет [55]. Эта методика отличается быстротой, возможностью автоматизации процесса, а также анализа многокомпо- нентных и трудноразделимых смесей. Однако для его применения требуется спе- циальное программное обеспечение и оборудование. Пример работы подобной программы показан на рисунке 1. 1.
| а) | б) |
| в) | г) |
Рисунок 1. 1 - Пример работы программы: а) исходное изображение; б) исходное изображение после вычисления границ оператором Canny; в) маска M сумм гра- ниц, помеченных единицей; г) разделение фракций на группы
При этом сам процесс оптического анализа может выполняться, например, по следующим алгоритмам.
1. Отобранную пробу смеси равномерным слоем распределяют на ровной поверхности, а затем ее фотографируют или сканируют. Полученные изображе- ния подвергают компьютерной обработке, где каждый элемент полученного мас- сива данных выражен пикселем, значение которого соответствует цвету кон- трольного или основного компонента. Далее выбирается диапазон значений пик- селей (присваивают все пиксели, находящиеся в этом диапазоне, ключевому (кон- трольному) компоненту, а все остальные пиксели - базовому или основному ком- поненту) и определяют соотношение компонентов.
2. Так же получают изображение смеси, но оно делится на зоны, и концен- трация компонента рассчитывается по площади, занимаемой этим компонентом в выделенной зоне. Однако коэффициент неоднородности корректируется с учетом случайных колебаний числа частиц ключевого компонента на поверхности на- блюдения [55].
К недостаткам этой методики относят то, что процесс получения информа- ции с изображения может быть связан с некорректной кластеризацией смесей из- за недостаточного освещения при фотографировании и, как следствие, присутст- вия на изображении смеси различных артефактов - тени, границы, значительное изменение оттенков смесей и т. д.
|
|
|
