Технологічні процеси теплової обробки

Зерна і комбікормів

Технологічні процеси теплової обробки зерна застосовують для підвищення його кормової цінності, а комбікормів – для підвищен­ня кормової цінності і для підготовки комбікорму до подальшого гранулювання з метою зниження питомих витрат енергії, підви­щення продуктивності преса-гранулятора і надання гранулам відпо­відної міцності. Відомо також, що застосування попередньої тепло­вої обробки комбікорму підвищує вихід крупки, яку отримують шляхом подрібнення гранул.

Підвищення кормової цінності зерна і комбікормів під час теплової обробки досягається шляхом підвищення доступності поживних речовин, руйнування антипоживних речовин, покра­щення смакових якостей та зниження загального мікробного числа, що покращує санітарну якість зерна і комбікормів.

Теплову обробку зерна доцільно застосовувати при вироб­ництві комбікормів для молодняка сільськогосподарської птиці і тварин, травна система яких ще не здатна продукувати необхід­ну кількість ферментів, необхідних для розщеплення біополімерів поживних речовин. Використання термічно обробленого зерна у складі комбікормів забезпечує:

· для курчат – підвищення середньодобових приростів маси на

5...10% і зниження питомих витрат комбікормів на 5...7%;

· для поросят – підвищення середньодобових приростів маси на

10...15% і зниження питомих витрат комбікормів на 5...10%;

· для телят – підвищення середньодобових приростів маси на

5…10% і зниження питомих витрат комбікормів на 7...8%.

При виборі оптимальних режимів теплової обробки зерна і ком­бікормів слід пам’ятати про те, що більш жорсткі режими можуть привести до практично повного руйнування антипоживних речо­вин, максимального підвищення доступності крохмалю, проте і при­звести до зниження перетравності таких поживних речовин, як протеїн, а також до втрати деяких біологічно активних речовин. Так, наприклад, при постійних значеннях тиску (Р) і температури (t) оптимальна тривалість теплової обробки повинна забезпечити максимальний ефект при мінімальних втратах (рис.6.19.).

Рис. 6.19 Фактори впливу на вибір оптимальної тривалості технологічного процесу теплової обробки зерна і комбікормів.

 

Ефективність теплової обробки зерна або комбікормів визна­чається ступенем зниження вмісту антипоживних речовин, ступе­нем декстринізації крохмалю (для зерна злакових культур), пере­травністю білка (in vitro), а також ступенем зниження вмісту однієї з найбільш термолабільних амінокислот або вітаміну. Можливе зниження перетравності білка пов'язане з протіканням реакції Майара (рис.6.20.), суть якої полягає у виникненні міцного ковалентного зв'язку між боковими амінними групами білків і боковими гідрок­сильними групами як самих білків, так і простих вуглеводів, що утворюють практично незасвоювані ферментами комплекси.

Свідченням біохімічних перетво­рень є також зміна мікроструктури зерна в процесі теплової обробки (рис.6.21.). У більшості злакових культур крохмаль має вигляд щільно упакованих зернин (кристалічна форма), які часто покриті тонкою білковою плівкою. Це перешкоджає ферментам травної системи тварин здійснювати розщеплення біополімерів зерна. В процесі теплової об­робки білки денатурують, звільняючи поверхню крохмальних зерен, останні набрякають за умови вмісту вологи і при певних режимах

 

Рис. 6.21 Мікроструктура зрізу зерна вівса до (а) і після (б) волого-теплової обробки.

 

можуть руйнуватися, суттєво збільшуючи площу зовніш­ньої поверхні для ферментативного гідролізу. Саме тому більшість способів теплової обробки носить комбінований характер. Крім того, застосування попереднього зволожування або пропарювання зерна суттєво прискорює наступну теплову обробку. Цей факт було встановлено В.Н.Кирієвським і співавторами ще у 1982 році. Виконаний ними аналіз механізму тепловологоперенесення показав, що процеси теплової обробки зерна із застосуванням води пов’язані з переважанням дифузійного процесу перенесення воло­ги у вигляді рідини вглиб зернівки над розповсюдженням темпе­ратурного поля, що цілком узгоджується з теорією тепловологопе­ренесення А.В.Ликова. Тому на практиці використання води та водяної пари для попереднього зволоження зерна і комбікормів знайшло широке використання при здійсненні практично всіх спо­собів теплової обробки.

Найбільш широко застосовують теплову обробку зерна шля­хом підсмажування при виробництві комбікормів для поросят. Екструдування знайшло широке запровадження при виробництві комбікормів для молоді риби, для дорослої хижої риби, для до­машніх тварин (собак і кішок), для хутрових звірів, а також при виробництві передстартових і стартових комбікормів для поросят і телят.

Мікронізація зерна широко застосовується при виробництві комбікормів для відгодівлі бичків, для молочних корів і биків-плідників і часто поєднується з подальшим плющенням до отри­мання пластівців. Цей процес отримав назву «флакування» (від англ.flake – пластівці).

Процес волого-теплової обробки шляхом пропарювання віднайшов широке застосування при виробництві комбікормів з використанням зерна сої та гороху, як один з найефективніших способів зменшення вмісту антипоживних речовин.

Процес експандування широко застосовують для обробки всього комбікорму з метою підвищення його санітарної якості, підготовки до гранулювання, а також з метою отримання комб­ікормової крупки для молодняка сільськогосподарської птиці.

В комбікормовій промисловості застосовують технологічні способи теплової обробки, які можна розділити на три групи: термічні, гідротермічні і термомеханічні, більшість з яких носить комплексний характер (рис.6.22.).

Наприклад, пропарювання може застосовуватися як при гра­нулюванні, при експандуванні, так і при мікронізації.

В залежності від особливостей розвитку комбікормової про­мисловості кожному етапу були характерні ті чи інші способи теплової обробки зерна. Так, в 60-х...70-х роках минулого сто­ліття найбільшого поширення набуло підсмажування зерна на ком­бікормових заводах при свинарських відгодівельних комплексах. В 70-х...80-х роках минулого століття найбільшого поширення набуло екструдування зерна при виробництві комбікормів для молодняка сільськогосподарських тварин і в фермерських госпо­дарствах.

Рис. 6.22 Класифікація технологічних способів теплової обробки зерна і комбікормів (за В.А.Афанасьевим, Всеросійський НДІ комбікормів, 2002).

 

На початку 90-х років запровадження експандування поклало початок виробництву гігієнічних комбікормів. На почат­ку третього тисячоліття на комбікормових заводах світу продов­жують застосовувати як підсмажування, так і екструдування, ек­спандування та інші способи теплової обробки зерна і комбікормів (рис.6.23.).

Рис. 6.23 Порівняння масштабів застосування різних способів теплової обробки зерна і комбікормів.

Як видно, найбільше використовують екструдування зерна і комбікормів, що час­тково пов’язано і з ростом виробництва комбікормів для риб, молюсків і ракоподіб­них. Проте порівняльний аналіз ефективності різних способів теплової обробки свідчить про перспективність експандування і волого-теп­лової обробки (рис.6.24.).

Так, підсмажування має найнижчу продуктивність (0,5 т/год), екструпування має практично таку ж саму продуктивність, як і волого-теплова обробка (при порівнянні па­раметричних рядів обладнання, яке виробляється), проте по­ступається високими питоми­ми витратами електроенергії. Найбільшу продуктивність має експандування і при цьому по­требує менше питомих витрат електроенергії, ніж екструдування. Хоча виробництво дея­ких видів комбікормів без зас­тосування екструдування неможливе.

Рис. 6.24 Порівняльна характеристика способів теплової обробки: 1 – експандування; 2 – екструдування; 3 – волого-теплова обробка парою; 4 – підсмажування; 5 – мікронізація; 6 – НВЧ-обробка.

 

Таким чином, при виборі способу теплової обробки зер­на і комбікормів слід вихо­дити не тільки з рівня ефективності способу, але й з його цільо­вого призначення, що може стати вирішальним фактором засто­сування процесу.

 

Сухе нагрівання повітрям

Сухе нагрівання повітрям застосовується для теплової об­робки зерна і являє собою один із різновидів конвективного спо­собу теплової обробки. Очищене зерно направляють в спеціальні повітряно-жарові печі (roaster). Вентилятор нагнітає повітря в зону горіння, в якій встановлено газовий пальник (рис.6.25.). Температура суміші повітря і продуктів горіння становить понад 300 °С. Зерно просувається по сітчастій поверхні, через яку його пронизує перегріте повітря. Тривалість обробки становить до 60 с. Для видалення пилу відпрацьована суміш повітря і продуктів горіння надходить у циклон, на виході з якого її температура становить 100-120 °С. Цю суміш направляють на повторне на­гнітання, або використовують з іншою метою, наприклад, для кондуктометричного підігріву теплоносіїв системи опалення промислових будівель.

Рис. 6.25 Схема установки для обробки зерна перегрітим повітрям.

 

Обробка зерна злакових культур перегрітим повітрям забезпечує зростання кількості декстринів до 30...35%, а обробка зерна бобових культур забезпечує повне руйнуван­ня таких антипоживних речовин, як інгібітор трипсину, уреаза та ін.

 

Підсмажування

Підсмажування зерна застосовують, як правило, при вироб­ництві комбікормів для поросят. Найчастіше підсмажують луще­не зерно ячменю, яке після теплової обробки має смакові якості, що найкраще відповідають уподобанням поросят.

Підсмажування зерна здійснюють в різних установках шля­хом його перемішування на гріючій поверхні, яка розігрівається шляхом подачі в «сорочку» спеціального технічного масла, розіг­рітого до температури 220...250 °С і більше. Процес підсмажу­вання триває 3600...5400 с. Кількість декстринів в зерні ячменю і кукурудзі зростає до 15...17%. Одним із суттєвих недоліків підсма­жування є високі втрати термолабільних амінокислот, вітамінів і значне зниження перетравності білка – з 70...75% у вихідному зерні до 40...3 % в обробленому.

 

Мікронізація

Сутність цього способу теплової обробки полягає в інтенсив­ному розігріві зерна інфрачервоними (ІЧ) променями, які утво­рюються при спалюванні природного газу в середині керамічних трубок. Вони нагріваються до пурпурно-червоного свічення при температурі понад 600 °С і випромінюють ІЧ-промені з довжи­ною хвилі 2...6 мкм. Зерно обробляють ІЧ-променями протягом 35…180 с, при цьому воно розігрівається до температури 150...190 °С. Зв’язана вода переходить у псевдопароподібний стан, різко зро­стає внутрішній тиск в зерні, внаслідок чого воно спучується і пластифікується. У такому стані доцільно направляти зерно на подальше плющення на гладких валках діаметром не менше 600 мм. Оптимальна температура нагрівання зерна різних культур складає:

- лущений ячмінь 175 °С

- кукурудза і горох 150 °С

- соя 170 °С

- лущений овес 185 °С

Зерно обробляють ІЧ-променями на металевій поверхні або самопливу, або стрічкового конвеєра.

 

 

Волого-теплова обробка

Волого-теплова обробка здійснюється або шляхом зволожен­ня зерна та комбікормів і подальшого нагрівання одним із спо­собів теплової обробки, або шляхом пропарювання зерна або ком­бікорму водяною парою протягом певного часу.

Волого-теплова обробка за своєю дією на зерно і комбікорм є найбільш сприятливим способом теплової обробки, оскільки при досягненні ефекту призводить до найменших втрат біологіч­но активних речовин і забезпечує максимальне підвищення пе­ретравності білка. Тому цей спосіб знаходить все більше розпов­сюдження, особливо при кондиціонуванні комбікормів перед на­ступним гранулюванням, екструдуванням або експандуванням.

Для волого-теплової обробки методом пропарювання засто­совують пропарювачі періодичної та безперервної дії. В пропа­рювачах періодичної дії зерно обробляють водяною парою при тискові 0,20...0,30 МПа протягом 600...1200 с. Проте такі про­парювачі мають низьку продуктивність, а зерно після обробки втрачає сипкість і не вивантажується. Обробка зерна в пропарю­вачах безперервної дії неможлива при тискові пари вище, ніж 0,15...0,20 МПа, оскільки пробкові затвори не здатні утримати вищий тиск пари. Крім того, оброблене зерно має високий вміст вологи – до 22...25 % і потребує подальшого сушіння, що веде до подорожчання обробки.

В середині 80-х років минулого століття фірмою «Вuhler AG» була розроблена унікальна технологія підготовки водяної пари, яка дозволила реалізувати безперервне пропарювання без харак­терних раніше недоліків. Основою удосконалення процесу про­парювання стало дроселювання перегрітої водяної пари до необ­хідного тиску, при цьому температура пари була вищою, ніж при застосуванні насиченої водяної пари при такому ж значенні тиску (рис.6.26).

Тобто при тискові пари 0,2 МПа температура пари може становити не

132°С, а 140...145°С, а температура 130...132°С може бути отримана при тискові 0,1...0,15 МПа, що дозволяє здійсню­вати теплову обробку в пропарювачах безперер­вної дії. Крім того, вміст вологи в такій парі знач­но нижчий, ніж в наси­ченій водяній парі, в ре­зультаті після обробки зерно практично не по­требує сушіння. Для за­безпечення рівномірно­го перерозподілу тепла і вологи в зернівці після короткочасної обробки такою парою (60...120 с) зерно витримують в термоізольованій ємкості протягом 900-1200 с. На практиці цей процес часто називають темперуванням зерна.

Рис. 6.26 Графік процесу утворення водяної пари в TS-координатах

 

Такий спосіб підготовки водяної пари потребує встановлення парових котлів високого тиску (в магістральному паропроводі тиск пари становить 0,5...0,9 МПа), обладнаних пароперегрівачами. В результаті ефективність технологічного способу теплової обробки шляхом пропарювання підвищується, зерно, як правило, не потре­бує подальшого сушіння.

Цей спосіб пропарювання знайшов широке застосування при підготовці розсипних комбікормів до подальшого гранулювання або екструдування чи експандування. У цьому разі його назива­ють паровим кондиціонуванням. Попереднє зволоження комбі­корму і його прогрівання за допомогою водяної пари зменшує питомі витрати енергії на подальшу обробку і сприяє підвищен­ню продуктивності технологічного обладнання. А деякі види комбікормової продукції неможливо виробляти без кондиціонування, наприклад, кормові гранульовані суміші для великої рогатої худо­би, які містять високий рівень клітковини і лігніну. Застосову­ють горизонтальні і вертикальні парові кондиціонери (рис.6.27.), які обов’язково мають бути об­ладнані перемішуючими пристро­ями.

Тривалість обробки розсип­них комбікормів в парових кон­диціонерах залежить від того, яку продукцію надалі виробля­тимуть. Так, при виробництві комбікормів для риб, хутрових звірів і домашніх тварин три­валість обробки становить 180…900 с. При цьому комбі­корм нагрівається до температури 70...90°С. При виробництві звичайних гранульованих комбікормів частіше застосовують кон­диціонери горизонтального типу, тривалість обробки в яких ста­новить 10...60 с. Комбікорм в таких кондиціонерах прогріваєть­ся до температури 50...95°С. Для глибокої термічної обробки з метою підвищення кормової цінності комбікорму застосовують вертикальні кондиціонери, в яких протягом 1800...7200 с комбі­корм витримується при температурі 100...105 °С. Встановлено, що пропарювання зерна і комбікормів здатне знизити загальне мікробне число в 300...500 разів.