CC BY
58
УДК 631.365.25:633.853.494
ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГИИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ (СВЧ) В ПРОИЗВОДСТВЕ ИНГРЕДИЕНТОВ КОМБИКОРМОВ
В.И. Сыроватка, академик РАН Н.В. Жданова, инженер-исследователь А.Д. Обухов, магистрант ИМЖ - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: [email protected]
Аннотация. Изложены новые технические решения по высокотемпературной обработке комбикормов и микронизации фуражного зерна с использованием СВЧ-энергии. Рабочий процесс тепловой обработки смещен от нулевой к критической точке (374°С). Это участок зоны перегретого пара с параметрами температуры 300-374°С, давления 12-21 МПа и экспозиции обработки 30-60 с. Процесс микронизации осуществляется при том же высокотемпературном режиме, но температуру внутри зерна доводят до температуры на его поверхности энергией СВЧ. Это эффективно при производстве вспученного зерна для животных и птицы. Представлен способ непрерывной сублимации крупнокусковых продуктов и кормов, в частности, рыбы. Актуальность объясняется необходимостью использования природных рыбных и энергетических ресурсов Арктики и развитием аквакультуры в естественных или искусственных водоемах и специальных морских плантациях. Технология сублимации предусматривает замораживание продуктов (рыбы) до -30°С...-50°С и сушку до 5-8% при температуре от +120°С до +230°С. В Арктике осуществляется естественное замораживание, а сушка - с помощью жирного газа, который в настоящее время не перерабатывается, а просто сжигается, нанося ущерб окружающей среде. Сублимация - важное условие успешного развития аквакультуры, ее своевременной переработки и надежного хранения. Прогнозируется, что через 30-50 лет аквакультура взамен зерновых в рецепте комбикормов будет занимать 40-50%. Предложена непрерывно действующая высокопроизводительная линия сублимации крупнокусковых продуктов, которая позволит сократить цикл сушки, значительно снизить удельные затраты энергии и повысить КПД процесса.
Ключевые слова: СВЧ-энергия, вспучивание фуражного зерна, Арктика, аквакультура, сублимация, жирный газ, комбикорма.
Где целесообразно применить СВЧ в технологиях производства комбикормов и какая малозатратная техника необходима для этого? СВЧ - нанотехнология настоящего и перспектива будущего. СВЧ генерируется нетолько магнетроном, но является системной составляющей энергетики вселенной, где-функционирует несчетное число галактик, в которой солнечная система, появившаяся недавно (4,5 млрд лет), и планета Земля с ее спутником Луной представляются микроскопической точкой. И тем не менее (возможно), случайные электромагнитные поля -ЭМП СВЧ - постоянно разогревают кремневые тугоплавкие минералы ядра земли до высоких температур, где избыток давления и магма в виде вулканов регулярно сотрясают планету Земля и привели ее к большим мно-
гообразным изменениям. Плазма заполняет 99,99% пространства вселенной. Плазма -обязательное условие протекания ядерных процессов на солнце, звездах и в ядерных реакторах. В плазме беспрепятственно распространяются электромагнитные волны, постоянно трансформируются из электрического в магнитное поле и наоборот. Полагают, что это и есть в будущем неисчерпаемый источник энергии для землян, форма существования материального мира.
Под электроникой больших мощностей следует понимать тот раздел электротехники, в котором электротехника сверхвысоких частот (СВЧ) используется для получения непосредственного энергетического эффекта, когда энергия СВЧ-колебаний трансформируется в энергию ускоренных частиц, теп-
лоту или другие виды энергии. В этом смысле СВЧ-энергетика является синонимом энергетики больших мощностей (Капица П. Энергетика больших мощностей) [1].
Однако есть причины недоверчивого отношения к разумному применению СВЧ в сельскохозяйственном производстве. СВЧ-энергетика пришла на смену в дополнение к применяемым технологиям, так как позволяет сосредоточить большую электромагнитную энергию в малых объемах и сконцентрировать ее в нужном месте; СВЧ гибко трансформируется в другие виды энергии.
Использование СВЧ-колебаний для радиолокационной техники, порошковой металлургии, разделения изотопов и нагрева плазмы, остекления отходов атомных электростанций обеспечивает ускоренное применение новых эффективных технологий. СВЧ-энергетика играет существенную роль в обработке пищевых продуктов, комбикормов, их сушке и хранении как перспективный способ энергосберегающих технологий. СВЧ -энергетика получила широкое применение на предприятиях общественного питания и в быту [2].
Обеспечение безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов - важнейшее приоритетное направление государственной политики в области здорового питания населения России. Реализация этого направления подкреплена законодательной, нормативной и методической базами. Организован мониторинг состояния питания, качества и безопасности пищевых продуктов. Госсанэпидслужбой ежегодно проводится более полутора миллионов исследований по санитарно-химическим и более двух миллионов - по санитарно-микробиологическим показателям. При анализе наличия различных контаминантов химической и микробиологической природы установлено, что наиболее часто эти показатели в зерне и продуктах его переработки не соответствуют требованиям. Пищевая продукция, не соответствующая гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям, по данным Госсанэпидемслужбы, с 1995 года находится на уровне 7-8%, сейчас эта цифра
многократно возросла. СВЧ является эффективным методом обработки [3]. Заражение зерновых компонентов патогенными организмами в той или иной мере происходит ежегодно, и хотя уровень инфицированности корректируется рядом почвенно-климатиче-ских и антропогенных факторов, недобор урожая в среднем составляет 15-20 млн т/год, а в отдельных случаях - до 50% при одновременном ухудшении технологических и хлебопекарных качеств зерна [4].
Потребность в тепловой обработке ингредиентов комбикормов.
1. В зависимости от вида фуражного зерна в нем содержится 50-70% крахмала, который плохо усваивается животными и птицей. При тепловой обработке крахмал переходит в усвояемые декстрины и полисахариды.
2. Нейтрализация антипитательных веществ в сое и рапсе. Соя и рапс - важные белковые и энергетические компоненты. Соевая мука является основным источником белка при производстве комбикормов, однако содержит 5-10% антипитательных веществ - ингибиторы, которые ингибируют (задерживают) ферменты, вырабатываемые поджелудочной железой. В результате поджелудочная железа вынуждена продуцировать их более интенсивно, что вызывает ее гипертрофию. Эффективным путем устранения ингибиторов в сое и эруковой кислоты в рапсе является тепловая обработка в сочетании с повышенным давлением. Наибольшую энергетическую ценность в комбикормах составляют семена рапса, поскольку содержат 40-48% жира и 21-33% сырого протеина при коэффициенте переваримости 84,4-93,4%.
3. Зерновое сырье и другие компоненты, используемые для производства комбикормов, нередко обсеменены микроорганизмами, где присутствуют токсичные для человека и животных продукты метаболизма - отходы жизнедеятельности этих грибков. Обеззараживание всех компонентов улучшает качество комбикормов.
4. Использование в комбикормах рыбной, мясокостной муки, мелассы, жиров и других незерновых компонентов невозможно без тепловой обработки.
5. Для достижения температуры обрабатываемого комбикорма 170-180°С применяются сложные технологические схемы и дорогостоящее оборудование: первый этап -нормализация смеси: рассыпной комбикорм паром прогревается до 100°С; второй - смесь пропускается через экспандер, где подогревается до 130°С; затем - через экструдер, где температура смеси достигает 150°С; и в заключение - корма подаются в гранулятор, где температура гранул достигает 180°С. Этой температуры недостаточно для более глубокой декстринизации крахмала (только 60%). Все это ведет к увеличению расхода электроэнергии. Технологическую схему следует упростить и значительно снизить удельную энергоемкость, металлоемкость и капиталоемкость, что возможно при выполнении процесса тепловой обработки в области сухого пара и поле СВЧ-энергии. Таким образом, когда происходит смена технологий, обработка сырья для этих отраслей энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) может стать приоритетной. В результате среднегодовой показатель потерь зерна только от болезней составляет около 20 млн т (от 10 до 30 млн т в зависимости от условий года). Это около 70% общего недобора урожая, вызванного всем комплексом вредных объектов, включая вредителей и сорные растения. Удельный расход комбикормов при использовании недоброкачественного зерна возрастает в 1,2-1,5 раза.
Главным фактором, обеспечивающим возникновение эпифитотий болезни, является высокий потенциальный запас почвенной инфекции возбудителя. Количество полей с высокой инфицированностью достигает в настоящее время от 60 до 70% [3,4] .
СВЧ-нагрев следует отнести к новому виду энергосберегающей электротехнологии благодаря следующим преимуществам по сравнению с обычным температурным нагревом:
1) тепловая безынерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения-выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал;
2) высокий КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую (90%);
3) возможность осуществления избирательного, равномерного, быстрого нагрева;
4) экологическая чистота нагрева, поскольку при его использовании отсутствуют какие-либо продукты сгорания;
5) высокое бактерицидное действие.
Для СВЧ-метода характерен избирательный нагрев, заключающийся в способности нагревать быстрее более влажные компоненты. Ниже представлена степень поражения грибов в зерне СВЧ-энергией (таблица).
Таблица. Влияние СВЧ-энергии на микроскопические грибы [2]
Режим Температура нагрева зерна Т, °С Зараженность грибами, шт.
Вариант Экспозиция т, с Скорость нагрева У,°С/с Asperqillus Penicillium Fusarium Altemaria
1 90 0,8 85 0 0 0 0
2 60 0,6 65 0 3 0 1
3 30 0,4 43 50 42 40 19
Контроль 50 43 39 17
Электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. СВЧ представляет собой взаимосвязанные переменные - электрическое поле и магнитное поле. Взаимная связь электрического Е и магнитного Н полей заключается в том, что всякое изменение одного из них приводит к появлению другого: переменное электрическое поле, порождаемое ускоренно движущимися зарядами (источником), возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает в прилегающих к нему областях пространства переменное электрическое поле, и т. д. Таким образом, электромагнитное поле распространяется от точки к точке пространства в виде электромагнитных волн, бегущих от источника. Благодаря конечности скорости распространения, электромагнитное поле может существовать автономно от породившего его источника и не исчезает с устранением источника (напри-
мер, радиоволны не исчезают с прекращением тока в излучившей их антенне). Электромагнитные волны широко используются в радиосвязи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, физике, астрономии и других областях науки и техники [5].
Существуют следующие методы сушки. Конвективная сушка - метод обдувания продукта потоком теплого воздуха. Испарение будет иметь поверхностный характер по сравнению с СВЧ, что приведет к низкой производительности. Кондуктивная сушка -метод последовательной передачи тепла (открытый огонь - металл сковороды). Испарение одностороннее, неравномерное. На поверхности обжарки - полное нарушение молекулярной структуры продукта, что отражается на сроке хранения, а высокая температура - на сохранении полезных составляющих. ИК-метод - также последовательная передача тепла, только с использованием инфракрасного излучения (длина волны намного больше молекул воды). Сублимационный метод - удаление воды из продукта при низких температурах и давлении. Сублимация (возгонка, от лат. sublimo - возношу) - переход вещества из твердого состояния непосредственно (без плавления) в газообразное. Процесс сублимационной сушки по своей природе представляет собой обезвоживание замороженного материала в результате перехода вещества (льда) из твердого в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. В зарубежной пищевой промышленности часто употребляют термин freeze-drying (англ). Замораживание воды обеспечивает фиксацию важнейших свойств продукта, а последующая сублимация льда создает пористую структуру. При этом сублимационное обезвоживание предполагает мягкие режимы термообработки в вакууме и позволяет получить конечную влажность на уровне нескольких процентов.
В итоге качество сублимированных продуктов очень высокое, они легко регидрати-руются перед дальнейшим применением. В ряде случаев, например, при производстве сухих легкорастворимых антибиотиков, бактерийных и вирусных препаратов, заквасок и
ферментов, кисломолочных продуктов, БА-Дов (биологически активные добавки) и т.п., в медицине сублимационная сушка пока не имеет альтернативы.
Технология сублимационной сушки имеет ряд преимуществ:
- максимальная степень сохранности (до 90%) основных витаминов, белковых комплексов, вкуса, цвета, запаха, формы и размеров;
- малый удельный вес (порядка 1/5-1/10 веса свежих продуктов) и, как следствие, сокращение удельных транспортных расходов;
- возможность хранения в нерегулируемых температурных условиях;
- длительные сроки хранения в соответствующей упаковке (растительные продукты - до 3 лет, молочные и мясные продукты -до 2 лет);
- неподверженность радиационным облучениям, что обусловлено очень малым содержанием воды;
- организация полноценного питания групп населения, работающего в труднодоступных условиях (геологи, альпинисты, армейские спецконтингенты, космонавты);
- создание полноценных продуктов детского питания, продуктов для питания больных на основе высококачественных фруктовых порошков и других продуктов вакуумной (холодной) сушки;
- высококачественное консервирование биологически активных веществ (ферментов, заквасок) и готовых лекарственных форм;
- создание запасов продуктов для регионов, подверженных радиационному заражению.
При всех очевидных достоинствах сублимационной сушки недостатком ее является довольно высокая энергоемкость (2,2-2,8 кВтч/кг удаленной влаги).
Сублимационная сушка заключается в том, что из продуктов удаляется влага путем замораживания в ней воды при очень низкой температуре. Этот метод позволяет сохранять высокие оригинальные вкусовые качества и питательную ценность пищевых продуктов при нерегулярных температурах от -50°С до +50°С в течение 5 лет.
Для СВЧ-метода характерен избирательный нагрев, заключающийся в способности нагревать быстрее более влажные компоненты. Длина волны электромагнитного излучения (ЭМИ), вырабатываемого сверхвысокочастотным МАГНЕТРОНОМ (диодом) - основа любой микроволновой печи, подобрана таким образом, что ЭМИ воздействует только на молекулы воды в любом продукте. ЭМИ магнетронов, проникая внутрь продукта, заставляет молекулы воды колебаться с большой скоростью. Следовательно, возрастает сила трения между молекулами и, соответственно, повышается температура, что и приводит к процессу испарения. Таким образом, процесс испарения начинается равномерно по всему объему и при температуре кипения воды, т.е. достаточно низкой для сохранения всех первоначальных свойств продукта. Именно в этом заключено коренное отличие СВЧ-сушки от остальных. Исходя из этого, предложен способ микрониза-ции фуражного зерна [6].
Обработку тепловой энергией производят нагревом поверхности зерна паром при температуре Т=180-300°С, давлении 8-12 МПа в течение 10-60 с, энергией СВЧ при той же экспозиции доводят температуру внутри зерна до температуры, равной температуре на его поверхности.
Разогретую массу выгружают в камеру вспучивания, в которой температура воздуха 20°С и давление 0,1-0,2 МПа, охлаждают до температуры 36-40°С и увлажняют водяным душем до 30-45% влажности, а образовавшийся пар отводят для предварительной тепловой обработки зерна при температуре 120-130°С, давлении 0,1-0,2 МПа и в течение 1012 мин. обрабатывают в теплообменном устройстве загрузочного бункера. Обработку осуществляют в непрерывном потоке в псев-доожиженном слое.
Способ, реализованный в линии микро-низации фуражного зерна, представлен на рисунке 1 [7].
Линия микронизации фуражного зерна [7] работает следующим образом. По заданному времени выдержки (экспозиции) обрабатываемого в теплообменнике 2 зерна опре-
деляется производительность дозаторов 5,6, 7, закрытых коробами 8,9,10 (все дозаторы работают в одном потоке с одинаковой производительностью).
10 4 7 17 16 20
Рис. 1. Линия микронизации фуражного зерна
Первая партия обрабатываемого зерна поступает уже запаренной в загрузочный бункер 1 и вращающимся шнеком 12, расположенным в конической его части, перемещается вдоль загрузочного бункера 1, предотвращая заторы, а в дальнейшем обеспечивая надежное пропаривание и увлажнение каждого зерна. Далее обрабатываемый продукт самотеком через дозатор 5, закрытый коробом 8, непрерывно подается в теплообменник 2, куда по системе подачи пара 13 подается пар температурой 180-300°С и давлением 8-12 МПа, пропаривается при заданной экспозиции до температуры пара, и дозатором 6, закрытым коробом 9, загружается в СВЧ-камеру 3, которая через волновод 15 постоянно питается СВЧ-энергией от СВЧ-генератора 14, в которой температура внутри
зерна сравнивается с температурой на его поверхности или превышает ее. Обработанное таким образом фуражное зерно посредством дозатора 7, закрытого коробом 10, выгружается в камеру вспучивания 4, в которой поддерживаются атмосферное давление и температура окружающей среды. При перепаде давления влага, находящаяся внутри зерна в виде воды, мгновенно превращается в пар, резко возрастает давление, и зерно взрывается-вспучивается. Под действием собственного веса зерно перемещается вниз, попадает на транспортер 19 продуктопрово-да, охлаждается и увлажняется водяным душем с форсунок 20, регулируемых краном 21. Высвободившийся пар отсасывается вентилятором 27 через тканую сетку 18, не позволяющую мелким частицам готового продукта попасть в паросборник 22, соединенный с газгольдером 24 посредством тканой сетки 23, также фильтрующей пар, поступает в паропровод 25 и затем нагнетается в нижнюю часть змеевика 11, соединенного с ним, расположенного в конической части загрузочного бункера 1, имеющего по всей длине трубы отверстия диаметром 3-4 мм, расположенные по образующей спирали на расстоянии 15-20 мм друг от друга, проходит через эти отверстия, одновременно подогревая и увлажняя вновь поступающее на обработку зерно, а отработанный пар отводится через вытяжную трубу 28 из загрузочного бункера 1. Подсасывается атмосферный воздух через тканую сетку 17 путем открывания заслонки 16. Образовавшийся конденсат в паропроводе 25 собирается в устройстве для сбора и слива 26 и удаляется при неработающей линии. Работа линии производится в непрерывном режиме и замкнутом цикле.
В свиноводстве возможна замена комбикормов вспученным зерном. Творческий научный коллектив Красноярского ГАУ (руководитель - чл.-кор. РАСХН Н.В. Цугленок) выполнил много исследований по применению СВЧ в сельскохозяйственном производстве, получил более 100 патентов и, в частности, установил, что наиболее эффективна обработка фуражного зерна, пораженного микробами и грибками: их влажность 32% и
выше, поэтому они нагреваются СВЧ избирательно в первую очередь. «Грибы и бактерии обладают большой влагопоглотительной способностью и при наличии свободной влаги увлажняются до 30-40%, а вирусы в любом состоянии имеют минимальную влажность 30%. В энергонасыщенном электромагнитном поле радиочастотного диапазона при частотах 1106-91010 основная часть энергии электромагнитного потока одинаковой плотности Робщ поглощается в большей мере паразитирующей микрофлорой, которая в результате скоростного избирательного нагрева в течение 10-60 с нагревается до более высокой температуры и гибнет» (Патент RU, № 2033054, А23К 3/00, авт. Цугленок Н.В. бюл. № 11, 1995 г.).
В городе Таганроге Ростовской области существует предприятие ООО «Аграрные сверхвысокочастотные технологии» (ООО «АСТ»), коллектив которого работает над реализацией СВЧ-сушки сельскохозяйственных материалов. На основании проведенных исследований был разработан, экспериментально проверен и запатентован (патент РФ № 2085088) новый способ тепловой обработки фуражного зерна с использованием СВЧ-энергии. Он заключается в комбинированной обработке зернового продукта последовательно в два этапа.
На первом этапе обрабатываемый продукт нагревается до температуры 95-105°С наиболее экономичным тепловым способом без существенного изменения его влагосо-держания. На втором - температуру продукта доводят до 120-180°С с помощью обработки в электромагнитном поле СВЧ с удельной мощностью не менее 5 кДж/кг с, что обеспечивает требуемую для «взрыва» зерна высокую интенсивность нагрева. Вместе с тем, по результатам исследований В.И. Пахомова (СКНИИМЭСХ, г. Зерноград), удельный расход энергии на СВЧ-обработку фуражного зерна пшеницы и ячменя составляет 230-270 кВтч/т, что в 2-3 раза превышает затраты энергии на все процессы по производству комбикормов.
Проблемы Арктики. 16 декабря 2014 года научная сессия собрания РАН рассмотре-
ла «Научно-технические проблемы освоения Арктики» и предложила сосредоточить усилия ученых по реализации научных результатов в этом регионе РФ [8].
Российская Арктика - морская экономическая зона и континентальный шельф - превышает 30% территории Российской Федерации. Здесь производится более 10% ВВП России и свыше 20% объема общероссийского экспорта. Этот регион играет важную геополитическую и военно-стратегическую роль. Через Арктику проходит Северный морской путь. Он может приобрести исключительную роль в свете возможных изменений климата. В Стратегии развития Арктической зоны РФ до 2020 года, утвержденной Президентом РФ В.В. Путиным 20 февраля 2013 года, изложен комплекс мер по укреплению позиций России в Арктике. Одним из важных условий масштабного ввода в эксплуатацию месторождений углеводородов российского шельфа в Арктике является ускоренное развитие на новой технической основе транспортной системы, в особенности, трубопроводного транспорта и Северного морского пути [9].
Несмотря на относительно малые размеры Северного Ледовитого океана (площадь его составляет 5% от площади Мирового океана, а объем вод - 1,5% от объема вод Тихого океана и прилегающих морей), они оказывают сильное влияние на состояние климата Земли. Арктические моря контролируют глобальный цикл углерода, будучи зимой и весной важным источником двуокиси углерода, а летом - резервом ее стока. Осадки арктического шельфа содержат значительные объемы метана, которые могут способствовать усилению парникового эффекта. Проблемой является возможность выхода большого количества метана в зоне вечной мерзлоты. Площадь Северного Ледовитого океана - 15 млн км2. Современная структура Северного Ледовитого океана хорошо отражается в естественных физических полях -магнитном и гравитационном.
В настоящее время месторождения арктических районов обеспечивают добычу более 90% газа и свыше 50 млн т нефти в год.
Россия обладает неоптимальными по добытому сырью нефтегазохимическими производствами, малыми мощностями и ограниченным набором нефтехимических производств, и по этой причине значительную часть сырья сжигает, нанося вред окружающей среде, и несет огромные экономические потери; при этом продукты нефтехимии импортирует. Поскольку в Ямало-Ненецком автономном округе (ЯНАО) добывается огромное количество жирного газа, а мощность для его переработки и системы транспорта не созданы, то ценнейшее сырье (этан, пропаны, бутаны) сжигаются. За последние 10-15 лет сожжено ценнейшее сырье, цена которого на мировых рынках составляет многие сотни миллиардов долларов США. Опыт США, Канады, Катар, Саудовской Аравии и др. показывает целесообразность приближения предприятий по переработке газа и нефтегазохимических производств к местам добычи сырья. Точно также целесообразно на месте организовать переработку тяжелых и вязких видов нефти. Китай, импортируя упомянутое сырье, по производству продукции нефтегазохимии вышел на второе место в мире [8].
В районах с развитой экономикой - Архангельская область, Республика Коми, ЯНАО, северо-запад Красноярского края -следует развивать автодорожное и железнодорожное строительство. Главной транспортной системой Арктики должен стать Северный морской путь с системой портов и причалов. Кроме громадных запасов нефтегазового сырья, в арктических регионах России находится около 10% активных мировых запасов никеля, около 19% металлов платиновой группы, 10% титана, более 3% цинка, кобальта, золота и серебра, а также редкоземельных металлов. В Арктической зоне известно 107 месторождений стратегических металлов, в том числе Российских - 42, США (Аляска) -19, Канадских - 22, Гренландских -6, Норвежских - 6, Шведских - 9, Финских -3. Из россыпей в Арктике добывается ежегодно около 8 тонн золота. Доля российского золота в арктических запасах и добыче составляет 23,3 %.
Биологические ресурсы. Баренцево море - ключевой регион по вылову рыбы (2,8 млн т в год): мойва, треска, пикша, сайра, сельдь, палтус, морские окуни, креветки, крабы. Масштабный рыбный промысел на акваториях морей Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского отсутствует, и наибольшие промысловые ресурсы сосредоточены в устьях рек и прибрежной зоне. Рыба: сиг, муксун, нельма, омуль, голец, пелядь. Берингово море относится к Арктике, принадлежит к числу богатейших рыбных ресурсов. Виды рыб: минтай, сельдь, лососевые, камбала, палтус, крабы, треска. Биомасса мезопланктона в Беринговом море достигла 200-300 г/м3.
Арктическая зона РФ - это не только богатейшая кладовая полезных ископаемых, но и место проживания 2,5 млн чел., обитания коренных малочисленных народов севера (82 тыс. чел.) и около 10 млн переселенцев и приезжающих для работы вахтовым методом на промышленных предприятиях, что резко обострило проблему продовольственного обеспечения населения региона [8, с. 59-64].
История российского приполярного земледелия берет свое начало с XVI века, когда начались попытки сельскохозяйственного освоения территории низовьев реки Оби на уровне 64-66° северной широты. Здесь большая продолжительность светового дня, прозрачная атмосфера - это необходимые условия фотосинтеза. Кроме того, здесь тепловой баланс пополняется за счет конвекционной теплоты вод, поступающих в реки из южных регионов.
Более 90 лет назад ученые ВИР приступили к созданию местной продовольственной базы для обеспечения населения Заполярья свежими молочными и овощными продуктами питания. Здесь производят картофель, капусту, овощи и ягодные культуры, около двухсот видов растений. Развиваются тепличные хозяйства. В условиях вечной мерзлоты создан мировой депозитарий семенных коллекций, где ВИР заложил на безопасное хранение 6405 образцов зерновых, крупяных, зернобобовых культур.
Большую часть арктических земель сельскохозяйственного назначения занимают оленьи пастбища. Ученые разработали технологии биологической рекультивации нарушенных земель, используется кустарниковая растительность, низовые злаковые травы, применяются минеральные удобрения, все это должно в 7 раз повысить продуктивность зеленого ковра. Мурманская область уверенно занимает высокое место в стране по продуктивности коров. Осуществляются меры по развитию мясного скотоводства. Основное место в структуре Арктической зоны занимает рыбный комплекс. Тундра богата соболем, куницей, песцами, норкой. В Арктике выполняются важные научно-исследовательские работы. Низкочастотная акустика - «рабочий инструмент» исследований океана, который не имеет альтернативы. Акустика является эффективным средством мониторинга океана на больших расстояниях. Решение географических задач по диагностике донных пород опирается на использование низкочастотных (первые сотни герц) акустических сигналов, проникающих из водного слоя в донную толщу, что позволяет реализовать методы реконструкции донной структуры и осуществлять поиск месторождений полезных ископаемых. Богатство России прирастает Арктикой.
Развитие аквакультуры в России. Ак-вакультура (от лат. Aqua - вода и культура) -разведение и выращивание водных организмов (рыб, ракообразных, моллюсков, водорослей) в естественных или искусственных водоемах, а также на специально созданных морских плантациях.
Во всем цивилизованном мире аквакуль-тура - одно из наиболее динамично развивающихся производств, она рассматривается как способ обеспечения продовольственной безопасности и средство борьбы с бедностью. Прогнозируется, что через 30-50 лет аквакультура в рецепте комбикормов будет занимать до 50% взамен зерновых, в первую очередь, в странах южного полушария. По последним данным пресс-службы ООН (ФАО), мировое производство рыбы и рыбной продукции составляет 160 млн т в год:
мяса (для сравнения) - 297 млн т. В мире производится мяса всех видов по 42,9 кг на человека в год, а рыбы - по 20 кг, при этом продукция аквакультуры приближается к 50%. В секторе «производство рыбы» лидируют одиннадцать стран Азиатско-Тихоокеанского региона. На его долю приходится 89% мирового объема, где доля Китая составляет 62%. Первую тройку экспортеров рыбы составляют Китай (12%), Норвегия (8%) и Тайланд (7%) [10]. Доля России в мировом вылове составляет 4,7-4,8% (4,3-4,4 млн т).
Рост объемов производства животноводческой и птицеводческой продукции и повышение ее качества связаны с расширением использования аквакультуры в составе комбикормов. Российской академией наук установлены рациональные нормы потребления рыбопродуктов - 23,7 кг/чел/год, фактический объем потребления в России составляет 10 кг/чел/год, в Японии - 67. Планируется к 2020 году увеличить душевое потребление рыбы до 17-17,5 кг, в том числе аквакульту-ры - до 5-6 кг. Главное преимущество выращивания морских беспозвоночных и водорослей в том, что они сами находят корма: трепанг кормится детритом с морского дна, гребешок, мидия и устрица питаются фитопланктоном. Морская капуста растет за счет фотосинтеза и потребления минеральных веществ из морской воды, морской еж питается водорослями. Все моря России пригодны для аквакультуры, кроме Берингова моря. Рыбо-хозяйственный фонд внутренних пресноводных водоемов России включает 22,5 млн га озер, 4,3 млн га водохранилищ, 0,96 млн га сельскохозяйственных водоемов комплексного назначения, 142,9 тыс. га прудов и 523 тыс. км рек [11].
В Сахалинской области работает 35 лососевых рыборазводных заводов. Выращивается до 600 млн мальков горбуши и кеты. Сейчас в России производится 0,2% общемирового объема аквакультуры (140 тыс. т), хотя потенциал для ее развития огромный. Обеспеченность каждого жителя страны водоемами, пригодными для развития аквакультуры, составляет 0,19 га на человека. В Дальневосточном федеральном округе этот показатель
составляет 0,65 га, в Северо-Западном - 0,46 га, а в Центральном - только 0,02 га. Общий фонд прудовых площадей, находящихся на балансе рыбохозяйственных предприятий и организаций, составляет 142,9 тыс. га, а для выращивания рыбы используется не более 110 тыс. га прудов.
Площадь морских акваторий России, пригодная для размещения комплексов аква-культуры, составляет порядка 0,38 млн кв. км, в то время как современная площадь акваторий, используемых для выращивания аквакультуры, не превышает 25 тыс. га. В промышленном рыбоводстве России в настоящее время культивируется 29 пород, кроссов и типов рыб. Ремонтно-маточное поголовье племенных рыб выращивается в 25 племенных рыбоводных хозяйствах-оригина-торах. Карповые виды рыб составляет 80%. В Дальневосточном, Северном и Черноморском бассейнах получило развитие выращивание мидий, трепанги, кефали, трески и др. Использование пастбищных водоемов может обеспечить быстрый и высокий экономических эффект. При этом растительноядные рыбы будут доминировать в зонах южного и умеренного климата. Развитие пастбищного сиговодства следует рассматривать как одно из важнейших направлений аквакультуры в холодноводных внутренних водоемах нашей страны.
Из изложенного вытекает целесообразность применения сублимационной сушки рыбы с использованием естественной низкой температуры Арктики и дешевой энергии от сжигания жирного газа. Известно, что сублимационная сушка энергозатратная, но в да н ном случае компенсируется природными ресурсами. Существующие сублимационные установки работают циклично, на загрузку и разгрузку обрабатываемых продуктов уходит много времени, при этом все энергосистемы отключаются; длительность цикла сушки -8-22 часа.
Обрабатываемый материал должен быть измельчен до размеров 5-10 мм; размеры противней ограничены (высота 20-30 мм). Под каждым противнем установлены водяные, паровые или электрические нагревате-
ли, которые занимают половину сублимационной камеры и не обеспечивают равномерность сушки, есть и другие недостатки [12].
Цель - предложить способ сушки крупнокусковых продуктов (разделанную рыбу и аквакультуру, куски мяса, моркови, свеклы, фруктов и др.) с тем, чтобы такие продукты в вакуумных упаковках можно было бы перевозить на большие расстояния или хранить длительное время при плюсовых температурах [13]. Сущность предлагаемого способа реализована в линии сублимации крупнокусковых продуктов и кормов и поясняется на схеме линии сублимации крупнокусковых продуктов и кормов (рис. 2, разрез А-А) [14].
Линия сублимации крупнокусковых продуктов и кормов включает сублимационную установку 1, содержащую две автономно работающие сублимационные камеры 2,25, соединенные посредством вакуум-проводов 4,23, имеющих вакуумные затворы 3,24 с двумя секциями 8,20 двухсекционного десублиматора 7. Сублимационные камеры 2,25 в нижней своей части также сообщаются через емкости для сбора конденсата и отработанного пара 5,22 и системы отвода, снабженные кранами 6,21 с секциями 8, 20, двухсекционного де-сублиматора 7. Секция 8 двухсекционного десублиматора 7 имеет вакуум-провод 10 с вакуум-затвором 9, затвор для подачи аммиака 11 и желоб для отвода талой воды 13. Секция 20 двухсекционного десублиматора 7 имеет вакуум-провод 18 с вакуум-затвором 19, затвор для подачи аммиака 20 и желоб для отвода талой воды 16. Сами секции 8,20 в нижней части посредством кранов 14,15 и водяного насоса 12 сообщены с канализационной системой для удаления талой воды.
Работает линия сублимации крупнокусковых продуктов и кормов следующим образом. Предварительно подготавливают к ра-
боте сублимационные камеры 2, 25 сублимационной установки 1 (загружают обрабатываемые продукты и герметизируют). Открывается затвор 11, и включается подача жидкого аммиака в секцию 8 двухсекционного десублиматора 7. Далее открываются вакуумные затворы 3,9, включаются в работу вакуум-провода 4, 10, подается пар в сублимационную камеру 2, и установка запускается в работу. Аналогично вводят в работу сублимационную камеру 25. Открывается затвор 17, и включается подача жидкого аммиака в секцию 20 двухсекционного десублиматора.
Разрез А-А
Рис. 2. Схема линии
сублимации крупнокусковых продуктов и кормов
Далее открываются вакуумные затворы 24, 19, включаются в работу вакуум-провода 23, 18, подается пар в сублимационную камеру 25, и линия начинает функционировать в заданном режиме. По мере накопления льда на секции 8 двухсекционного десубли-матора 7 в сублимационной камере 2 открывается кран, и конденсат с отработанным паром поступает в емкость 5 для сбора конденсата и отработанного пара, а при открытии крана 6 они омывают лед с секции 8, и талая вода стекает по желобу 13, предохраняющему вакуумный провод 10 от ее попадания, через открытый кран 14 поступает в водяной насос 12 и далее в канализационную систему. Также, по мере накопления льда на секции 20 двухсекционного десублиматора 7, в сублимационной камере 25 открывается кран, и конденсат с отработанным паром поступает в емкость 22 для сбора конденсата и отработанного пара, а при открытии крана 21 они омывают лед с секции 20, и талая вода стекает по желобу 16, предохраняющему вакуумный провод 18 от ее попадания, через открытый кран 15 поступает в водяной насос 12 и далее в канализационную систему.
Таким образом, обеспечиваются непрерывная работа всех систем установки, возможность сушки крупнокусковых продуктов и кормов, регулировка температуры теплоносителя, а использование конденсата и отработанного пара, применяемых для размораживания льда на секциях двухсекционного десублиматора, позволяет сократить цикл сушки, снизить удельные затраты энергии и повысить КПД процесса.
Выводы.
1. Обработка комбикормов и отдельных ингредиентов электромагнитным полем сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) вызвана необходимостью:
- перевода крахмала в усвояемые декстрины и полисахариды;
- нейтрализации антипитательных веществ ингибиторов в сое и эруковой кислоты в рапсе;
- обеззараживания токсичных для людей и животных бактерий, грибков и микробов в зерновых компонентах комбикормов;
- тепловой обработки рыбной, мясокостной муки, мелассы и жиров.
Применение СВЧ-обработки позволяет упростить технологию производства комбикормов, значительно снизить удельную энерго- и материалоемкость.
2. Сублимационная сушка - обезвоживание замороженного материала в результате перехода вещества (льда) из твердого в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Технология сублимационной сушки обеспечивает:
- высокую степень сохранности (до 90%) витаминов, белка, вкуса, цвета и запаха;
- малый удельный вес (1/5-1/10) всех свежих продуктов;
- срок хранения в нерегулируемых температурных условиях в вакуумной упаковке растительных, молочных и мясных продуктов при температуре от - 50°С до + 50°С - в течение 5 лет.
При производстве сухих легкорастворимых антибиотиков, бактерийных и вирусных препаратов, ферментов, сублимационная сушка не имеет альтернативы.
3. Для выведения антипитательных веществ из семян сои и эруковой кислоты из семян рапса целесообразно применять СВЧ-обработку в тепловом режиме от 150°С до 400°С. При частоте СВЧ-тока в интервале 2820-2850 МГц и его удельной мощности 1820 кВт/кг инактивация антипитательных веществ соевых бобов происходит за 5-10 с обработки.
Литература:
1. Капица П. Электроника больших мощностей. М., 1962.
2. Диденко А.Н. СВЧ-энергетика. М., 2003. 442 с.
3. Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Юсупова Г.Г. Методы и математические модели процесса обеззараживания продовольственного зерна. Красноярск, 2004.
4. Цугленок Н.В. Ученые Красноярского ГАУ. Красноярск, 2011.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М., 1959. 532 с.
6. Пат. 2537541 РФ. Способ микронизации фуражного зерна / Сыроватка В.И. и др. Опубл. 10.01.15
7. Пат. 2480132 РФ. Линия тепловой обработки комбикормов / Сыроватка В.И. и др. Опубл. 27.04.13
8. Научно-технические проблемы освоения Арктики. М.: Наука, 2014.
9. Сыроватка В.И. Сублимация рыбопродуктов в условиях Арктики // Вестник российской с.-х. науки. 2016. № 5. С. 3-5.
10. Проблемы рыбной отрасли в России. URL: http:// www. moidiabet. ru
11. Стратегия развития аквакультуры в РФ на период до 2020 года. URL: http://www.mex.ru
12. Камовников Б.П. Вакуум-сублимационная установка ССУ-5. М., 1985. 237 с.
13. Пат. 2583699 РФ. Способ сублимации крупнокусковых продуктов и кормов / Сыроватка В.И. и др. Опубл. 13.04.16
14. Пат. 2600007 РФ. Линия сублимации крупнокусковых продуктов и кормов / Сыроватка В.И. и др. Опубл. 22.09.16
Literatura:
1. Kapica P. Elektronika bol'shih moshchnostej. M., 1962.
2. Didenko A.N. SVCH-energetika. M., 2003. 442 s.
3. Cuglenok N.V., Cuglenok G.I., YUsupova G.G. Meto-dy i matematicheskie modeli processa obezzarazhivaniya prodovol'stvennogo zerna. Krasnoyarsk, 2004.
4. Cuglenok N.V. Uchenye Krasnoyarskogo GAU. Krasnoyarsk, 2011.
5. Landau L.D., Lifshic E.M. Elektrodinamika sploshnyh sred. M., 1959. 532 s.
6. Pat. 2537541 RF. Sposob mikronizacii furazhnogo zerna / Syrovatka V.I. i dr. Opubl. 10.01.15
7. Pat. 2480132 RF. Liniya teplovoj obrabotki kombikor-mov / Syrovatka V.I. i dr. Opubl. 27.04.13
8. Nauchno-tekhnicheskie problemy osvoeniya Arktiki. M.: Nauka, 2014.
9. Syrovatka V.I. Sublimaciya ryboproduktov v usloviyah Arktiki // Vestnik rossijskoj s.-h. nauki. 2016. № 5. S. 3.
10. Problemy rybnoj otrasli v Rossii. URL: http:// www. moidiabet.ru
11. Strategiya razvitiya akvakul'tury v RF na period do 2020 goda. URL: http://www.mex.ru
12. Kamovnikov B.P. Vakuum-sublimacionnaya ustanov-ka SSU-5. M., 1985. 237 s.
13. Pat. 2583699 RF. Sposob sublimacii krupnokuskovyh produktov i kormov / Syrovatka V.I. i dr. Opubl. 13.04.16
14. Pat. 2600007 RF. Liniya sublimacii krupnokuskovyh produktov i kormov / Syrovatka V.I. i dr. Opubl. 22.09.16
THE ULTRAHIGH-FREQUENCY (SWCh) ENERGY AT ANIMAL COMBINED FEED INGREDIENTS' PRODUCING USE
V.I. Syrovatka, RAS academician N.V. Zhdaunova, research engineer A.D. Obuhov, master's student
Abstract. New technical solutions for feed high-temperature processing and micro-reduction of feed grain at SWCh energy using are presented. The working process of heat treatment is shifted from zero point to a critical (374°C) one. This is part of the superheated steam zone with 300-374°C temperature, 12-21 MPa pressure and 30-60 s exposure of processing. Process of substance micronized is materialized at the same high temperature regime, but the grain's inside temperature is driven to surface temperature due to SWCh energy. This is effective at the animals and poultry swollen grain producing. The large-grained products and feed in particular fish method of continuous sublimation is presented. The relevance is explained by the need for Arctic natural fish and energy resources using and aquaculture development in natural and artificial waters or on special marine plantations. The sublimation technology includes the products (fish) freezing till -30°C...-50°C and drying till 5-8% at the temperature from +120 to +230°C. In the Arctic the natural freezing is carried out, and drying is carried out with fatty gas helping, that currently isn't processing, but is simply burned, environment damage causing. Sublimation is an important condition for the aquaculture successful development, its timely process and reliable storage. It is predicted that in 30-50 years aquaculture will take 40-50% instead of grain in the combined feed recipe. A large-lump products' high-performance sublimation line that operating continuously is proposed, that let the drying cycle to reduce, specific energy costs' to reduce significantly and the KPD of process to increase.
Keywords: SWCh-energy, forage grain' swollen, Arctic, aquaculture, sublimation, fatty gas, combined feed.
