Установка для обработки растительного сырья

Полезная модель относится к области пищевой промышленности и к области производства кормов для животных, а именно к оборудованию, предназначенному для переработки растительного сырья при производстве пищевых продуктов и кормов для животных, а также гидролизатов пригодных для использования в бродильном производстве для получения гидролизных дрожжей, спирта. Задачей настоящей полезной модели является повышение качества и питательности получаемого продукта и расширение функциональных возможностей установки путем регулирования количества теплоносителя, прошедшего через сырье. Установка для обработки растительного сырья содержит: бункер-накопитель 1 с подогревателем 2 зернового материала, дозатор 3, герметичную камеру 4 для нагрева растительного сырья, приемную камеру 5, по крайней мере, один герметизирующий клапан 6 и трубопровод 7 для подвода теплоносителя к растительному сырью. Для обеспечения прохождения через обрабатываемое сырье большего количества теплоносителя герметичная камера 4 снабжена трубопроводом 8 для отвода теплоносителя из камеры 4, при этом трубопровод 8, расположенным с противоположной стороны от трубопровода 7 для подвода теплоносителя (фиг.1). 1 н.п.ф., 4 илл.

Полезная модель относится к области пищевой промышленности и к области производства кормов для животных, а именно к оборудованию, предназначенному для переработки растительного сырья при производстве пищевых продуктов и кормов для животных, а также гидролизатов пригодных для использования в бродильном производстве для получения гидролизных дрожжей, спирта.

Под термином «растительное сырье» подразумевается зерно злаковых и бобовых культур, семена других культур, древесные опилки, лузга подсолнечника, шелуха овса, гречихи, солома и другое подобное сырье.

Переработка целлюлозосодержащего сырья (солома, опилки, шелуха, лузга) в производстве кормов необходима ввиду его низкой питательной ценности и усвояемости. Такая переработка заключается в деструкции природных полимеров под действием термических, механических, химических, микробиологических и других процессов.

Известны устройства для обработки растительного сырья химическими реагентами, гидролизующими целлюлозу, (см. патент РФ 2311795, МПК А23К 1/12, А23К 1/22, A23N 17/00, опубл. 10.12.2007 г., патент РФ 2048118, МПК А23К 1/12, опубл. 20.11.1995 г.), состоящие в основном из емкости с загрузочным и выгрузным отверстиями, узла подачи реагента, воды и пара.

Недостатком известных устройств является их громоздкость, сложность ввиду того, что в приготовленном корме всегда имеется остаточное количество используемого реагента, требующее использование дополнительных приспособлений для удаления избытка химического реагента путем дополнительного прогревания смеси при постоянном перемешивании.

Полученный корм обладает повышенной влажностью.

Наличие в корме, полученном на известных устройствах, остаточного количества используемого реагента и его повышенная влажность ограничивает количество обработанного корма в рационе кормления животных.

Кроме того, приготовление корма на известных устройствах требует длительного времени для обработки и специального оборудования для перемешивания устойчивого к действию применяемых реагентов.

Данные недостатки снижают ценность полученного корма и эффективность работы устройства.

Известна установка для приготовления кормов, содержащая загрузочное устройство, пропарочную камеру с патрубками для подачи пара и шнек, при этом она имеет размещенную в пропарочной камере и разделяющую ее на рабочую и аварийную зоны вертикальную перегородку, тонкостенный короб, установленный внутри пропарочной камеры с образованием между его стенками и стенками пропарочной камеры зазора, горку, размещенную в нижней части пропарочной камеры и разделяющую шнек на загрузочный и разгрузочный участки, указатель уровня сырья в пропарочной камере, систему сигнализации и связанную с ней аварийную заслонку, при этом патрубки установлены с возможностью подачи пара в зазор между стенками короба и пропарочной камеры (см. патент РФ 2090117, МПК A23N 17/00, D21B 1/12, опубл. 20.09.1997 г.).

На известной установке осуществляется влаготепловая обработка, которая не позволяет осуществить полноценного расщепления клеточной структуры растительного сырья, так как требует длительного времени, а полученный кормовой продукт не подлежит хранению или требует высушивания для последующего хранения, что снижает качество и питательность получаемого корма.

Известны устройства для баротермической обработки растительного сырья, (см. патент РФ 2246225, МПК A23L 1/20, A23J 3/16, опубл. 20.02.2005 г., патент РФ 2150851, МПК A23L 1/201, A23L 1/20, опубл. 20.06.2000 г.), рабочий узел в которых выполнен в виде автоклава, а необходимое давление пара обеспечивается паровым котлом, что приводит к высоким энергозатратам на тепловую обработку.

Известные устройства предназначены в основном для обработки соевого сырья, тепловая обработка которых производится в основном с целью инактивации антипитательных факторов присутствующих в них. При этом при тепловой обработке происходит денатурация белка, в результате которой снижается его растворимость и переваримость в организме животных, что снижает качество и питательность корма.

Известна конструкция аппарата для производства взорванного зерна, представляющая собой закрепленную на корпусе вращающуюся герметично закрытую камеру с расположенной под ней газовой горелкой, на торце камеры закреплена поворотная крышка с уплотнительной прокладкой и фиксатор со стопорным механизмом (см. Установка для производства взорванных зерен УВЗ.0.00.000, http://www.ukrstroydom.com).

Недостатки известной конструкции заключаются в низкой производительности и высоких энергозатратах эксплуатации установки, которые обусловлены длительностью времени прогрева зернового материала и ручной загрузкой и выгрузкой зернового материала и готовой продукции.

Кроме того, известная конструкция не обеспечивает обработку целлюлозосодержащего сырья (солома, опилки, шелуха, лузга), что ограничивает возможность получения на одной установке как пищевых продуктов из зернового материала, так и кормов из разнообразного растительного сырья.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому решению является конструкция установки для производства взорванного зерна, содержащая герметичную камеру для нагрева зернового материала, камеру вспучивания и бункер приема готовой продукции, бункер-накопитель с подогревателем зерна и дозатором, при этом герметичная камера для нагрева зернового материала выполнена в виде расположенной вертикально трубы и снабжена, по крайней мере, одним герметизирующим клапаном и трубопроводом для подвода под давлением газообразного теплоносителя (см. патент РФ 100882, МПК A23L 1/18, опубл. 10.01.2011 г.).

В конструкции известной установки камера герметична и количество поступающего в нее теплоносителя (пара) ограничено объемом этой камеры, что обуславливало снижение скорости реакции гидролиза при выравнивании давления в трубопроводе для подвода теплоносителя и в самой камере. В результате продукт, полученный на установке с герметичной камерой, претерпевает большей частью физическое разрушение своей структуры под действием перепада давление при его выбросе из герметичной камеры и в меньшей степени - химическое, что не позволяет осуществить процесс автогидролиза, необходимый для превращения целлюлозосодержащего сырья (солома, опилки, шелуха, лузга) в полноценный корм.

Это приводит к снижению производительности установки и ее функциональных возможностей вследствие невозможности обработки на одной установке широкого ассортимента исходного сырья.

Задачей настоящей полезной модели является повышение качества и питательности получаемого продукта и расширение функциональных возможностей установки.

Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является обеспечение химического превращения веществ, входящих в состав клеточных оболочек за счет увеличения интенсивности процесса разрушения сырья, путем регулирования количества теплоносителя, прошедшего через сырье.

Поставленная задача достигается тем, что в установке для обработки растительного сырья под давлением, содержащей камеру для нагрева растительного материала, снабженную, по крайней мере, одним герметизирующим клапаном и трубопроводом для подвода под давлением газообразного теплоносителя и приемную камеру, согласно полезной модели, камера для нагрева растительного материала дополнительно снабжена трубопроводом для отвода газообразного теплоносителя из камеры, расположенным с противоположной стороны от трубопровода для подвода теплоносителя, а трубопровод для подвода под давлением газообразного теплоносителя снабжен запорным устройством.

Заявляемая совокупность признаков позволяет повысить производительность процесса и расширить функциональные возможности установки за счет прохождения через обрабатываемое сырье большего количества теплоносителя. Это обусловлено тем, что наличие трубопровода для отвода теплоносителя дает возможность пропустить через камеру дополнительное количество теплоносителя до достижения внутри камеры необходимой температуры, что позволяет обрабатывать сырье в потоке теплоносителя, увеличивая скорость реакции гидролиза клеточных структур.

Увеличение скорость реакции гидролиза клеточных структур позволяет осуществить химические превращения веществ входящих в состав клеточных оболочек, поддерживая параметры теплоносителя внутри камеры равными тем, что в трубе подводящей теплоноситель.

Это дает возможность на одной и той же установке производить обработку:

- древесных опилок, лузги подсолнечника, шелухи овса, гречихи и другого подобного сырья, а так же зерна с целью получения гидролизатов, пригодных для использования в качестве корма или в бродильном производстве для получения гидролизных дрожжей, спирта;

- зернового сырья с целью получения взорванного зерна пригодного на кормовые и пищевые цели;

- для обработки зерна (без вспучивания) с целью инактивации антипитательных веществ, содержащихся в них и применения обработанного зерна на кормовые и пищевые цели, например, получение полножирной сои.

Кроме того, продукты распада выводятся, вымываются из зоны реакции и процесс не замедляется, а продолжается с высокой скоростью до почти полного растворения сырья, если не прекратить подачу пара.

Заявленная полезная модель позволяет также повысить переваримость и питательность кормов, полученных из растительных отходов, содержащих много клетчатки, которая имеет в своем составе 30-70% полисахаридов

Заявленная полезная модель позволяет не только разрушить структуру клетчатки для повышения доступности внутриклеточных структур для пищеварительных ферментов, но и дает возможность осуществить автогидролиз сырья с целью превращения полисахаридов в более доступные для переваривания формы, а также и использовать для гидролиза химические реагенты.

Заявляемая конструкция установки для обработки растительного сырья под давлением поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена общая схема установки для обработки растительного сырья; на фиг.2-4 примеры выполнения установки.

Позиции на чертежах означают следующее: 1 - бункер-накопитель; 2 - подогреватель зернового материала; 3 - дозатор; 4 - герметичная камера для нагрева растительного сырья; 5 - приемная камера; 6 - герметизирующий клапан; 7 - трубопровод для подвода теплоносителя к растительному сырью; 8 - трубопровод для отвода теплоносителя из камеры 4; 9 - запорное устройство трубопровода 7; 10 - боковой отвод камеры 4; 11 - заслонка дозатора 3; 12 - перекидной клапан.

Установка для обработки растительного сырья содержит: бункер-накопитель 1 с подогревателем 2 зернового материала, дозатор 3, герметичную камеру 4 для нагрева растительного сырья, приемную камеру 5, по крайней мере, один герметизирующий клапан 6 и трубопровод 7 для подвода теплоносителя к растительному сырью.

Для обеспечения прохождения через обрабатываемое сырье большего количества теплоносителя герметичная камера 4 снабжена трубопроводом 8 для отвода теплоносителя из камеры 4, при этом трубопровод 8, расположенным с противоположной стороны от трубопровода 7 для подвода теплоносителя (фиг.1).

Для возможности перекрытия подачи теплоносителя при загрузке сырья в камеру 4 тубопровод 7 для подвода теплоносителя снабжен запорным устройством 9.

При этом в качестве запорного устройства 9 трубопровода 7 для подвода под давлением газообразного теплоносителя может быть использован, например, быстродействующий соленоидный запорный клапан.

Герметичная камера 4 может быть снабжена боковым отводом 10 в верхней части, при этом один из герметизирующих клапанов 6 расположен в верхней части камеры 4, а другой герметизирующий клапан 6 - в верхней части бокового отвода 10 камеры 4, трубопровод 7 для подвода теплоносителя расположен в нижнем торце камеры 4, а трубопровод 8 для выпуска теплоносителя расположен в верхней части камеры ближе к загрузочному герметизирующему клапану 6 (фиг.1).

При этом герметичная камера 4 на нижнем конце может иметь сужение в форме конуса, соединенное с трубопроводом 7 для подвода теплоносителя снизу, а загрузка сырья производится чрез один из клапанов 6, выгрузка - через другой клапан 6.

Подогреватель 2 растительного сырья может быть выполнен в виде теплообменника, а в качестве теплоносителя используется пар.

Подогреватель 2 растительного сырья обеспечивает прогрев от 0° до 50°.

Дозатор 3 служит для дозированной дискретной подачи подогретого растительного сырья в герметичную камеру 4 через один из герметизирующих клапанов 6.

Дозатор 3 может быть выполнен в виде камеры с двумя заслонками 11 (например, шиберными ножевыми).

Форма выполнения герметичной камеры 4 и расположение герметизирующих клапанов 6 может быть выполнены в различных вариантах исполнения.

Герметичная камера 4 может быть снабжена двумя герметизирующими клапанами 6. При этом один из герметизирующих клапанов 6 может быть расположен в верхней части герметичной камеры 4, а другой герметизирующий клапан 6 - в нижней части камеры 4, а трубопровод 7 для подвода теплоносителя расположен на боковой части герметичной камеры 4 ближе к клапану 6 в нижней части камеры. Трубопровод 8 для выпуска теплоносителя расположен в верхней части камеры 4 ближе к герметизирующему загрузочному клапану 6. Загрузка производится через верхний клапан 6, выгрузка - через нижний клапан 6 под действием давления теплоносителя, подаваемого по трубопроводу 7 (фиг.2).

Герметичная камера 4 может быть снабжена одним герметизирующим клапаном 6, расположенным в верхней части герметичной камеры 4. При этом камера 4 дополнительно снабжена перекидным клапаном 12, установленным выше герметизирующего клапана 6, трубопровод 7 для подвода теплоносителя расположен в нижнем торце герметичной камеры 4, а трубопровод 8 для выпуска теплоносителя расположен в верхней части камеры 4 ближе к герметизирующему клапану 6 (фиг.3).

Герметичная камера 4 на нижнем торце имеет сужение в форме конуса, соединенное с трубопроводом 7 для подвода теплоносителя снизу. Для предотвращения попадания растительного материала в трубопровод 7 для подачи теплоносителя может быть выполнен изогнутым, например, в форме сифона. Выгрузка производится снизу вверх под действием давления теплоносителя. Разделение потока загружаемого сырья и выгружаемого готового продукта выше герметизирующего клапана 6 может производится, например, посредством перекидного клапана 12 (фиг.3).

Перекидной клапан 12 может быть выполнен, например, в виде заслонки, разделяющей входной и выходной потоки герметизирующего клапана 6.

Герметичная камера 4 может быть выполнена U-образной, при этом один из герметизирующих клапанов 6 расположен в верхней части одного из отводов U-образной камеры 4, а другой герметизирующий клапан 6 - в верхней части другого отвода U-образной камеры 4. Загрузка производится через один из клапанов 6, выгрузка - через другой клапан 6. Вертикальные участки камеры 4 могут быть как одинаковой, так и разной высоты. При этом трубопровод 7 для подвода теплоносителя расположен на боковой части камеры 4 ближе к загрузочному герметизирующему клапану 6, а трубопровод для выпуска теплоносителя расположен в верхней части камеры ближе к герметизирующему клапану для выгрузки 6. (фиг.4).

Установка работает следующим образом.

Из бункера-накопителя 1 растительное сыре самотеком поступает в подогреватель 2.

Растительное сырье из подогревателя 2 через верхнюю заслонку 12 дозатора 3 самотеком поступает в дозатор 3. После заполнения всего его объема верхняя (загрузочная) заслонка 12 закрывается и открывается нижняя заслонка 12 (разгрузочная) и сырье самотеком через герметизирующий клапан 6 дозированной порцией поступает в герметичную камеру 4. Дозатор 3 должен иметь объем не более 90% от объема камеры 4

Герметизирующий клапан 6 закрывается, открывается запорное устройство 9 трубопровода 7 и в камеру 4 подается под давлением не менее чем 0.05 МПа нагретый газообразный теплоноситель, например, пар.

Растительное сырье под действием собственного веса перемещается вниз по камере 4, теплоноситель под давлением, перемещаясь вверх навстречу сырью, перемешивает и равномерно прогревает его, при этом температура и давление в камере 4 постепенно поднимается до величины давления теплоносителя.

Одновременно теплоноситель, отдавший свою энергию на разогрев сырья, удаляется по трубопроводу 8, вытесняясь новыми порциями не остывшего теплоносителя.

Вещества, входящие в состав клеточных оболочек претерпевают химические превращения, а продукты распада выводятся, вымываются из зоны реакции и процесс не замедляется, а продолжается с высокой скоростью до полного растворения сырья.

По истечении заданного времени, например 30 сек., необходимого для прогрева сырья, герметизирующий клапан 6 открывается, камера 4 мгновенно разгерметизируется и обработанный материал под давлением перемещается вместе с теплоносителем в приемную камеру 5.

Давление в приемной камере 5 перед разгерметизацией поддерживают равным или ниже атмосферного - не более 0,1 МПа.

Объем приемной камеры 5 должен обеспечивать необходимый для вспучивания материала перепад давления. Например, при объеме в 20 л герметичной камеры 4, объем приемной камеры 5 может быть 2000 л.

При этом вода, содержащаяся внутри клеточных структур растительного материала, разогретая в герметичной камере 4 до температуры выше, чем температура кипения при давлении приемной камеры 5 не более 0,1 МПа моментально вскипает и разрушает структуру растительного материала.

Снижение давления ниже атмосферного в приемной камере 5 позволяет осуществлять разрушение структуры растительного материала (вспучивание зерна) при пониженных показателях давления и температуры обработки с целью более мягкого температурного воздействия на зерно и сохранения его полезных свойств, но с разрушением клеточных структур.

В результате растительные материалы приобретают микро пористую структуру, внешние слои растрескиваются, увеличивается их способность впитывать воду, природная структура клетчатки разрушается, полисахариды частично гидролизуются.

Изменяя параметры обработки можно изменять степень деструкции исходного материала.

Обработка зернового сырья с целью получения взорванного зерна.

Пример 1.

Обработке подвергалось зерно пшеницы с влажностью до обработки 14% и с объемной массой 0,74 кг/л.

В камеру 4 подают пар под давлением 0,75 МПа и с температурой 166°С, по истечении 12 сек. камеру 4 мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно пшеницы с избыточным давлением перемещают в приемную камеру 5.

За счет избыточного давления, вода внутри зерна вскипает и разрушает структуру зернистого продукта.

Зерно после обработки имело влажность 17%, а его объемная масса составляла 0,680-0,700 кг/л.

Пример 2.

Обработке подвергалось зерно пшеницы с влажностью до обработки 14% и с объемной массой 0,74 кг/л.

В камеру подают пар под давлением 0,75 МПа и с температурой 166°С, по истечении 22 сек. камеру 4 мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно пшеницы с избыточным давлением перемещают в приемную камеру 5.

За счет избыточного давления, вода внутри зерна вскипает и разрушает структуру зернистого продукта.

Зерно после обработки имело влажность 11%, а его объемная масса составляла 0,50-0,530 кг/л.

Пример 3

Обработке подвергалось зерно пшеницы с влажностью до обработки 14% и с объемной массой 0,74 кг/л.

В камеру 4 подают пар под давлением 0,75 МПа и с температурой 160°С, по истечении 17 сек. камеру 4 мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно пшеницы с избыточным давлением перемещают в приемную камеру 5.

За счет избыточного давления, вода внутри зерна вскипает и разрушает структуру зернистого продукта.

Зерно после обработки имело влажность 13%, а его объемная масса составляла 0,620-0,640 кг/л.

Как видно из примеров 1-3 большее время обработки сырья в потоке теплоносителя позволило уменьшить влажность получаемого продукта и его объемную массу, и, соответственно, увеличить производительность установки при получении вспученного зерна.

Обработка сырья с высоким содержанием клетчатки с целью получения гидролизатов.

Пример 4.

Обработке подвергалась шелуха овса с содержанием клетчатки 26%. В камеру 4 подают пар под давлением 2 МПа и с температурой 205°С, по истечении 240 сек. камеру 4 мгновенно разгерметизируют и обработанный материал с избыточным давлением, перемещают в приемную камеру 5. За счет избыточного давления, вода внутри растительных структур вскипает и разрушает их.

После обработки содержание клетчатки уменьшилось до 22%.

Уменьшение количества клетчатки в материале свидетельствует о ее химическом превращении и переходе ее составляющих в растворимое состояние (появление гидролизатов).

Пример 5.

Обработке подвергалась шелуха овса с содержанием клетчатки 26%. В камеру 4 подают пар под давлением 2 МПа и с температурой 205°С, по истечении 325 сек. камеру 4 мгновенно разгерметизируют и обработанный материал с избыточным давлением, перемещают в приемную камеру 5. За счет избыточного давления, вода внутри растительных структур вскипает и разрушает их.

После обработки содержание клетчатки уменьшилось до 11%.

Большее время обработки сырья в потоке теплоносителя на примерах 4 и 5 приводит к уменьшению количества клетчатки в обработанном материале, что свидетельствует о большей степени гидролиза.

Это приводит к увеличиваю питательной ценности корма при использовании в корм, или приводит к увеличению выхода гидролизных сахаров для использования в бродильном производстве.

Обработка зернового материала с целью устранения антипитательных факторов.

Пример 6.

Обработке подвергалось зерно сои с активностью уреазы 2,35 ед. рН.

В камеру 4 подают пар под давлением 0,1 МПа и с температурой 105°С, по истечении 10 сек. камеру 4 мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно с избыточным давлением перемещают в приемную камеру 5.

Зерно после обработки имело активность уреазы 0.55 ед. рН

Пример 7.

Обработке подвергалось зерно сои с активностью уреазы 2,35 ед. рН.

В камеру 4 подают пар под давлением 0,1 МПа и с температурой 105°С, и по истечении 20 сек, камеру мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно сои с избыточным давлением перемещают в приемную камеру 5.

Зерно после обработки имело активность уреазы 0.15 ед. рН

Показатель активности уреазы применяется для оценки уровня антипитательных факторов в соевых кормах. Отклонение этого показателя от оптимального значения, как в большую, так и в меньшую сторону имеет отрицательные последствия при использовании такой сои в кормлении животных и птицы.

Считается, что оптимальный уровень активности уреазы в сое и соевых кормах должен быть в пределах 0,1-0,2 ед. рН. В сырой сое активность уреазы бывает разная и может достигать 4-5 ед. рН, поэтому режим обработки подбирается для каждой партии зерна с учетом начального уровня этого показателя.

В примере 6 активность уреазы в обработанном за 10 сек. зерне была недопустимо высокая - 0,55 ед. рН, что свидетельствует о том, что количество теплоносителя (т.е. его энергии) было явно не достаточно для снижения показателя активности уреазы до нормы.

В примере 7 активность уреазы за время обработки 20 сек. снизилась до оптимального уровня 0,15 ед. рН, который достигнут благодаря пропусканию теплоносителя через зерно и поддержанию температурного режима в течение всего заданного времени обработки.

Подбирая режимы обработки, время, температуру и давление теплоносителя, для любой партии зерна сои, можно в готовом продукте снизить активность уреазы до пределов ее оптимального значения.

Осуществление непосредственного контакта большего количества теплоносителя с растительным сырьем обеспечивает увеличение производительности процесса и снижение энергозатрат, за счет сокращения времени на нагрев сырья и возможности использования мягких режимов обработки для зернового материала.

Установка для обработки растительного сырья под давлением, содержащая камеру для нагрева растительного материала, снабженную, по крайней мере, одним герметизирующим клапаном и трубопроводом для подвода под давлением газообразного теплоносителя и приемную камеру, отличающаяся тем, что камера для нагрева растительного материала дополнительно снабжена трубопроводом для отвода газообразного теплоносителя из камеры, расположенным с противоположной стороны от трубопровода для подвода теплоносителя, а трубопровод для подвода под давлением газообразного теплоносителя снабжен запорным устройством.