CC BY
5УДК: 635.07
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОГО АНАЛИЗА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИСТЕМ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЕРНА С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ
В. В. Аксенов, А. К. Гладков, Е.Г. Порсев
В статье рассмотрено применение методов функционально-стоимостного анализа (ФСА) с целью оптимизации технологий и снижения энергозатрат переработки зернового сырья на кормовые патоки.
Ключевые слова: функционально-стоимостной анализ, зерновое сырьё, кормовые патоки, энергосбережение.
При проектировании систем переработки зерна для обоснования целесообразности строительства традиционно применяют расчёт технико-экономической эффективности. Однако, эта методика не всегда позволяет правильно оценить аспекты экономики совместно с энергосбережением. Методика ФСА позволяет оптимизировать систему по нескольким критериям.
Цель метода ФСА может быть сформулирована как выявление в объектах исследования излишней стоимости и энергопотребления и нахождение путей их уменьшения [13].
Задачами ФСА, являются: достижение наилучшего соотношения между потребительской стоимостью объекта и затратами на его разработку; снижение себестоимости выпускаемой продукции и повышение её качества; снижение эксплуатационных и транспортных расходов; снижение материалоёмкости, трудоёмкости, энергоёмкости и фондоёмкости объекта; повышение производительности труда; замена дефицитных, дорогостоящих и импортных материалов; сокращение или ликвидация брака; устранение узких мест и диспропорций.
При проведении ФСА на этапе проектирования и технологической подготовки производства решаются следующие задачи [4-7]:
- отработка конструкции на технологичность, надежность и ремонтопригодность;
- разработка оптимальных технологических процессов;
- выбор надежных средств технического оснащения;
- совершенствование технологии производства;
- совершенствование структуры и отдельных видов технического оснащения;
- организация энергосберегающего производства.
Анализируемый объект - технологическая линия по производству кормовых паток из зернового крахмалосодержащего сырья [89].
В результате проведенных исследований и анализа полученных экспериментальных данных, разработана и запатентована принципиально новая технология глубокой переработки зерновых крахмалоносов на кормовые сахаропродукты с содержанием легкоусвояемых сахаров от 16 до 31 %, основанная на гидроимпульсном воздействии на сырье [8-11] .
Предлагаемый способ биоконверсии зерновых крахмалоносов осуществляется за счет технических средств, на которых все технологические операции скоординированы и представляют единый технологический процесс: от очистки и активации используемой воды до хранения готовой продукции.
Производительность действующих технологических линий составляет до 15 т в смену (с возможностью увеличения производительности). Общая установленная на линии электрическая мощность 35 кВт, энергопотребление ~ 15 - 17кВтчас на одну тонну произведенной продукции.
Технология переработки зерновых крахмалоносов на кормовые патоки состоит из 5 этапов: подготовка зерна, подготовка воды, получение водно-зерновой суспензии, ферментативное разжижение полученной суспензии, ферментативное осахаривание зернового крахмала (рисунок 1).
Подготовка зернового сырья заключается или в измельчении зерна до фракции дроблёнки. Подготовка воды необходима с одной стороны для ее очистки от тяжелых металлов, в первую очередь от железа, свин-
ца, хрома и т.п., органических примесеи, а также для корректировки рН среды, так как оптимальные результаты для ферментативного гидролиза зерновых крахмалов наблюдаются при значениях рН от 4,0 до 5,5. Для этого водные растворы подвергают электродиализу с отбором кислой фракции электроактивированной воды, имеющей заданные значения рН.
Смешивание измельченного зерна с подготовленной водой ведут в специальном аппарате роторно-пульсационном диспергаторе (РПД). Соотношение воды и зернового сырья зависит от вида последнего и лежит в диапазоне: сырье / вода = 0,75... 1,5 / 3.
После внесения дробленого зерна смесь перемешивают в гомогенизаторе в течении 12 ч. В ходе перемешивания происходит разо-
грев массы до 60.75 °С и гомогенизация водно-зерновой суспензии. При нагревании суспензии происходит желатинизация крахмала, находящегося в зерне, в результате чего вязкость раствора значительно повышается. Для разжижения суспензии добавляют амилолитические ферменты. После разжижения вносят глюкоамилазный препарат и проводят осахаривание крахмала. Общая продолжительность процесса зависит от вида сырья и составляет 5.7 ч.
В результате такой обработки зернового сырья получают кормовые смеси содержащие легкоперевариваемые углеводы (ЛПУ): глюкозу и мальтозу с сохранением биологической активности остальных компонентов зерна (клетчатки, белков, жиров, витаминов, макро- и микроэлементов).
Рисунок 1 - Структурная схема линии производства кормовой патоки из зерна
В каждом из этих устройств можно выделить общие структуры, которые близки по конструктивному исполнению (емкости, транспортеры, насосы и др.). По функциональному назначению необходимо их подразделять на рабочие органы, осуществляющие воздействие на продукт, источник энергии, управление потоком энергии и среду, по которой энергия передается.
Выполнение устройствами и их механизмами своих функций может сопровождаться нежелательными эффектами (НЭ). Анализ работы линии позволил выявить и классифицировать эти нежелательные эффекты, и непосредственные их источники представлены на рисунке 2.
НЭ 1
АКСЕНОВ В.В., ГЛАДКОВ А.К., ПОРСЕВ Е.Г.
НЭ 2 НЭ 3
Рисунок 2 - Источники нежелательных эффектов
Проведенный анализ по классификации функций, выполняемых устройствами линии, позволил разделить их на основные (О) и вспомогательные (В) (рисунок 3).
Для совместного рассмотрения технологических процессов, функций (основных и вспомогательных), выполняемых устройствами линии и возникающих при этом нежелательных эффектов требуется их совмещение. Результаты совмещения отражены на рисунке 3.
Анализ полученных данных позволяет перейти к свертыванию функций. Свертывание конструкции производится с целью повышения идеальности анализируемого изделия или технологии в соответствии с объективными закономерностями развития технических систем.
Процедура свертывания конструкций заключается в последовательном рассмотрении элементов структурно-элементной схемы изделия и выяснении возможности функционирования изделия без рассматриваемого элемента. При свертывании конструкции ставит-272
ся задача ликвидировать все элементы-носители ненужных и вспомогательных, а по возможности и основных функций. При этом полезные функции свернутых элементов (основные и вспомогательные) передаются оставшимся элементам конструкций или технических средств.
При свертывании техпроцесса ставится задача ликвидировать все его составляющие - носители ненужных и вспомогательных, а по возможности и основных функций. При этом полезные функции свернутых операций (основные и вспомогательные) передаются оставшимся элементам процесса. При свертывании техпроцесса рассматриваемую технологическую операцию можно не выполнять:
- за счет предшествующих операций, включая поставку материала (вариант 1);
- за счет последующих операций, включая сборку (вариант 2).
После учета вышеизложенного, проведено свертывание функций, как показано на рисунке 3, по максимальным требованиям:
- исключить операцию электродиализа водных растворов
- не накапливать зерно, а высыпать сразу в циклон с бункером-накопителем и осуществлять дробление;
- при отсутствии приемного бункера исключается шнековый транспортер;
- емкость рециркуляции совместить со смесителем-ферментером, т.е. стадии клей-стеризации, разжижения и осахаривания проводить последовательно в одной емкости рециркуляции.
НЭ 1 нэ
То есть предлагается следующая схема свертывания:
Р-ъ Р2, Р3, Р4 заменяется на Р4° . При этом снимается ряд нежелательных эффектов: НЭ 1, НЭ 2, НЭ 3. При совмещении емкости рециркуляции со смесителем-ферментером Р8, Р9, Р10, F11, Р14 заменяется на Р14c .Снимаются нежелательные эффекты НЭ 6, НЭ 7, НЭ 10 и НЭ 11.
Емкость рециркуляции (его функцию Р8) предлагается совместить со смесителем-ферментером.
2 НЭЗ
В
¥7 В
12
В
Рисунок 3 - Совмещение функций и нежелательных эффектов
АКСЕНОВ В.В., ГЛА
Таким образом, ставятся задачи по переходу к новым системам рециркуляции, ка-витатора-гомогенизатора и смесителя-ферментера.
Использование ТРИЗ [5-7] и полученные экспериментальные данные позволили предложить усовершенствование установки, заключающееся в следующем.
1. Воду перед приготовлением суспензии подвергают активации в роторно-пульсационном аппарате в особых режимах в течение 15 минут, что позволяет проводить ферментативный гидролиз зернового крахмала при более высоких значениях рН. Таким образом, исключается энергозатратная стадия водоподготовки электродиализом водных растворов, что приводит к снижению энергозатрат на 28% и повышает безопасность ведения процесса, ввиду исключения выделения хлора и водорода при электродиализе.
2. Получение водно-зерновой суспензии, ее клейстеризацию, разжижение и осахари-вание крахмала проводят в одном аппарате -ёмкости рециркуляции, при этом процесс клейстеризации и разжижения осуществляют при температуре 50 - 75°С, а стадию осаха-ривания проводят при температуре 55 - 67°С до заданного углеводного состава с получением готового продукта. Предложенная гидродинамическая обработка водно-зерновых суспензий в роторно-пульсационном аппарате позволила снизить температуру стадии клейстеризации на 30-50 °С, что снижает энергозатраты на эту операцию на 15-20%.
Таким образом, цель ФСА достигнута: общие энергозатраты на проведение технологического процесса ферментативной биоконверсии зерновых крахмалоносов снижена в 3,7 раза, материалоёмкость в 1,5 раза.
Анализ перечисленных преимуществ позволил запатентовать технологии, полученные с помощью ФСА [10,11].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Справочник по функционально - стоимостному анализу / А.П. Ковалев, Н.К. Моисеева, В.В. Сысун и др.; Под ред. М.Г. Карпунина, Б.И. Май-данчика. - М.: Финансы и статистика, 1988. - 431 с.
В А.К., ПОРСЕВ Е.Г.
2. Моисеева, Н.К. Основы теории и практики функционально - стоимостного анализа// Н.К. Моисеева, М. Карпунин - М.: Высшая школа, 1988.
- 192 с.
3. Попов, В.Л. Функционально-стоимостный анализ в тракторном и сельскохозяйственном ма-широстроении: Метод. рекоменд. // В.Л. Попов, И.Д. Чистяков, Ф.И. Яловенко// Под ред. Макофее-ва Г. Д. - Ростов на Дону, 1986. - С. 65.
4. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. Часть 1. - М., 1998. - 210 с.
5. Функционально - стоимостный анализ в новых разработках электротехнических изделий: Рекомендации. - Составили: Градов А.П., Филли-пов Ю.А. - Информэлектро, 1987. - 33 с.
6. РД 16020-83. Основные положения функционально - стоимостного анализа электротехнических изделий. - М.: Информэлектро, 1983. - 64 с.
7. Яловенко, Ф.И. Методические указания и типовые примеры применения ФСА при проектировании и совершенствовании технологии и организации производства в отрасли/ Ф.И. Яловенко -М.:-НПО НАТИ,-1989. - 72 с.
8. Аксенов, В.В. Биотехнологические основы глубокой переработки зернового крахмалосодер-жащего сырья/ В. В. Аксенов. - Новосибирск, 2010.
- 168 с.
9. Аксёнов, В.В. Энергосберегающие технологии глубокой переработки зернового сырья в России // Ползуновский Вестник. - 2011. - № 2/1. - С. 40-44.
10. Способ получения сахаристых продуктов из зернового сырья: Патент РФ № 2285725. / Аксенов В.В., Порсев Е.К., Незамутдинов В.М., Мото-вилов К.Я.
11. Способ получения сахаристых продуктов из ржаной и пшеничной муки: Патент РФ № 2340681. / Аксенов В.В., Порсев Е.К., Мотовилов К.Я.
Аксенов В.В., к.х.н., доцент, зав. лабораторией, Сибирский научно-исследовательский институт переработки (СибНИИП), Сибирское отделение Россельхозакадемии, E-mail: [email protected]:
Порсев Е.Г., д.т.н., проф. кафедры электротехнических комплексов, Новосибирский государственный технический университет:
Гладков А.К., к.т.н., доцент кафедры общетехнических дисциплин, Новосибирский государственный педагогический университет.
