DEPENDENCE BETWEEN THE CONDITIONING TREATMENT OF SOME PLANT MATERIALS AND THE DENSITY OF RESULTING PELLETS

Transkrypt

1 Ryszard KULIG Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Katedra Eksploatacji Maszyn Przemysłu SpoŜywczeo DEPENDENCE BETWEEN THE CONDITIONING TREATMENT OF SOME PLANT MATERIALS AND THE DENSITY OF RESULTING PELLETS Summary The influence of conditionin reimes of some chosen plant materials and their mixtures upon the density of obtained pellets was presented in the paper. Hydrothermal conditionin procedures were compared to that applyin addition of water only. It was confirmed that the pellets density was sinificantly influenced by the steam treatment conditions (p<0.05), and it decreased with a rise in the temperature of steam used. At the same time, the risin steam pressure (for temperatures within o C) caused the linear increase in the analysed feature. Contrary, when water was added instead of steam treatment, for all materials used in the study, stron neative linear relations were noticed (r> 0.93), and the averae density of pellets raned from do 756 k m -3. OKREŚLENIE ZALEśNOŚCI MIĘDZY PARAMETRAMI PROCESU KONDYCJONOWANIA MATERIAŁÓW ROŚLINNYCH A GĘSTOŚCIĄ GRANULATU Streszczenie W pracy przedstawiono wpływ warunków prowadzenia procesu kondycjonowania wybranych surowców roślinnych i ich mieszanin na ęstość ranulatu. Porównano obróbkę hydrotermiczną z kondycjonowaniem z dodatkiem wody. Stwierdzono, iŝ warunki kondycjonowania wpływały istotnie na ęstość ranulatu (p<0,05), która malała wraz ze wzrostem temperatury obróbki parowej. Jednocześnie zwiększanie ciśnienia pary (w zakresie temperatur o C) powodowało liniowe przyrosty wartości teo parametru. Natomiast w przypadku kondycjonowania z dodatkiem wody dla wszystkich badanych surowców zaobserwowano istnienie silnych ujemnych zaleŝności liniowych (r > - 0,93), a średnie wartości parametru wahały się w przedziale od 438,3 do 756 k m -3. Wykaz symboli i oznaczeń G ęstość ranulatu w stanie zsypnym, [k m -3 ] m m masa naczynia pomiaroweo z badanym materiałem, [k] m n - masa naczynia pomiaroweo, [k] p obliczony poziom istotności, P p - ciśnienie pary, kpa r współczynnik korelacji liniowej Pearsona R 2 - współczynnik determinacji T k temperatura materiału po kondycjonowaniu parowym, o C W s wilotność materiału po kondycjonowaniu z dodatkiem wody, % V k - pojemność naczynia pomiaroweo, [m 3 ]. Z l zawartość lucerny w mieszaninie, [%] Z r zawartość rzepaku w mieszaninie, [%] α i przyjęty poziom istotności ρ n ęstość w stanie zsypnym śruty surowców, [k m -3 ] 1. Wprowadzenie Stosowanie ranulowania materiałów paszowych pozwala na znaczną redukcję ich objętości w stosunku do mieszanek sypkich. Wzrost ęstości materiału ułatwia jeo składowanie i transport oraz oranicza proces utleniania składników mieszanki. Z kolei wszystkie te modyfikacje przyczyniają się do wzrostu efektywności ich skarmiania, przejawiająceo się zarówno większymi przyrostami masy ciała zwierząt jak teŝ zmniejszeniem kosztów składowania i obrotu handloweo. Uzyskanie ranulatu o wymaanej ęstości uzaleŝnione jest zarówno od właściwości i udziału poszczeólnych komponentów w mieszankach paszowych [5, 8], jak teŝ czynników techniczno-technoloicznych związanych z procesem ranulowania [1, 4]. Przy ustalonych parametrach matrycy ranulatora, ęstość ranulatu wynika przede wszystkim z cech fizykochemicznych i parametrów obróbki wstępnej materiału poddawaneo ranulowaniu. Szczeólneo znaczenia w tym kontekście nabiera temperatura i wilotność materiału przed prasowaniem. Przykładowo, z badań Laskowskieo i Skoneckieo [6, 7] wynika, Ŝe wzrost temperatury materiału (w zakresie od 20 do 80 o C) poddawaneo alomeracji ciśnieniowej z jednej strony wpływa na spadek ciśnienia zaęszczania, a z druiej powoduje wzrost ęstości otoweo produktu. Z przelądu literatury przedmiotu wynika, iŝ brak jest szczeółowych badań dotyczących wyŝej przedstawioneo zaadnienia. Stąd teŝ celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu warunków kondycjonowania surowców paszowych i ich mieszanin na ęstość otrzymywaneo ranulatu. 2. Metodyka i przebie badań Materiał badawczy stanowiły śruty z jęczmienia, kukurydzy, pszenicy, owsa, rochu, łubinu oraz mączka z lucerny. Badaniom poddano równieŝ mieszaniny pszenicy z lucerną o zawartości lucerny od 25 do 75% (co 25%) oraz mieszaniny pszenicy z rzepakiem (odmiana Lirajet) o zawartości rzepaku od 10 do 50% (co 10%). Takie zestawienie mieszanin pozwoliło na dodatkową ocenę wpływu zawartości włókna oraz tłuszczu w materiale poddawanym ranulowaniu na ęstość uzyskiwaneo ranulatu. Udział włókna zawarteo w mieszaninach wynosił odpowiednio: 7,93; 13,14 i 18,34%; natomiast tłuszczu: 5,48; 9,31; 13,13; 16,97 i 20,8%. Surowce rozdrabniano na rozdrabniaczu bi- 156

2 jakowym H-950 wyposaŝonym w sito o wymiarach otworów φ 3mm. Po rozdrobnieniu materiał badawczy doprowadzano do stałej wilotności 14%. Dla tak przyotowaneo materiału wyznaczono wartość ęstości w stanie zsypnym (tab. 1) oraz skład chemiczny (tab. 2). Proces ranulowania prowadzono z zastosowaniem kondycjonowania paroweo i kondycjonowania z dodatkiem wody (ranulowanie na zimno ). W pierwszym przypadku badane surowce przed prasowaniem doprowadzano do pięciu poziomów temperatury: 50, 60, 70, 80 i 90 o C z dokładnością do ±0,5 o C. Wymaaną temperaturę materiału uzyskiwano poprzez obróbkę parą wodną o pięciu wartościach ciśnienia; 200, 250, 300, 350, i kpa. W druiej metodzie przed prasowaniem stosowano dowil- Ŝanie materiału zimną wodą do wilotności 14, 16, 18, 20 i 22% z dokładnością do ± 0,25%. Całość badań przeprowadzono na stanowisku pomiarowym wyposaŝonym w wytwornicę pary typ LW 69, kondycjoner łopatkowy, ranulator firmy Amandus Kahl typ L-175 (matryca o średnicy otworów 4mm i rubości 20mm) oraz komputerowe układy pomiaru zuŝycia pary, ciepła i enerii elektrycznej [2, 3]. Gęstość ranulatu oraz śruty określono jako ęstość w stanie zsypnym zodnie z PN-ISO :1998 [9]. Dokonano pomiaru masy badaneo materiału (na wadze typu WPE 2000 z dokładnością do ±10-1 ) zsypywaneo swobodnie do cylindryczneo pojemnika o stałej objętości 1 dm 3. Na podstawie tak przeprowadzonych pomiarów ęstość ranulatu w stanie zsypnym obliczano z wzoru: G = mm mn [k m -3 ] (1) VK Analizę zaleŝności pomiędzy parametrami procesu kondycjonowania a ęstością ranulatu wykonano przy wykorzystaniu procedur statystycznych zawartych w proramie STATISICA, przyjmując za kaŝdym razem poziom istotności α i = 0,05. Przy wyborze postaci równań stosowano metodę reresji krokowej wstecznej. Istotność współczynników równania reresji badano testem t-studenta. Natomiast adekwatność modelu sprawdzano stosując test Fishera. Na wybranych rysunkach przedstawiono wyniki analizy istotności róŝnic pomiędzy średnimi wartościami badaneo parametru w odniesieniu do poszczeólnych surowców (test Tukeya, α i = 0,01). Surowce, które róŝnią się istotnie między sobą średnią wartością daneo parametru, oznaczono róŝnymi literami. 3. Wyniki badań Wpływ warunków obróbki hydrotermicznej na wartość ęstości ranulatu zilustrowano na rys. 1. Średnie wartości parametru zawierają się w przedziale od 573 do 615,2 k m -3. Stwierdzono występowanie istotneo wpływu zarówno temperatury obróbki jak i ciśnienia pary na zmienność rozpatrywaneo parametru (p<0,05). Jak wynika z rys. 1 wzrost temperatury obróbki powoduje zmniejszanie się wartości ęstości. Jednocześnie zwiększanie ciśnienia pary powoduje liniowe przyrosty wartości analizowaneo parametru. Tab. 1. Średnie wartości ęstości w stanie zsypnym śruty surowców (ρ n ) dla wilotności 14% Table 1. Mean bulk density values of raw materials (ρ n ) for a moisture content of 14% Surowiec Jęczmień Kukurydza Pszenica Owies Groch Łubin Lucerna Odmiana Edar Prosna Emika Bajka Piast Emir Derby ρ n [k m -3 ] 467,2 620,3 592,1 303,2 635,4 591,1 130,34 Tab. 2. Wyniki oznaczeń składu chemiczneo badanych surowców Table 2. The results of desinations of raw materials chemical composition ZAWARTOŚĆ SKŁADNIKÓW CHEMICZNYCH W SUCHEJ MASIE [%] SUROWIEC Białko sur. Skrobia Włókno sur. Tłuszcz sur. Popiół Jęczmień 9,32 52,92 5,11 2,52 2,32 Kukurydza 9,41 61,31 2,43 4,13 1,41 Pszenica 12,23 59,52 2,74 1,92 1,84 Owies 9,91 39,43 10,09 4,33 2,91 Groch 21,74 41,81 6,02 1,32 3,21 Łubin 32,46 7,84 14,51 5,75 4,72 Rzepak 22,22-7,32 46,46 5,05 Susz z lucerny 18,05-23,55 2,81 10,81 Tab. 3. Równania reresji opisujące wpływ temperatury kondycjonowania (T k ) i ciśnienia pary (P p ) na ęstość ranulatu (G ) Table 3. Reression equations describin the effects of conditionin temperature (T k ) and steam pressure (P p ) on pellet density (G ) SUROWIEC POSTAĆ RÓWNANIA A B C D R 2 pszenica G = AT 2 k BT k + CP p + D 0,0227 4,429 0, ,9 0,939 kukurydza G = BT k + CP 2 p + D 2,851 0, ,42 0,978 jęczmień G = BT k + CP p + D 0,8048 0,173 0,786 owies G = AT 2 k BT k + CP p + D 0,0497 8,612 0, ,67 0,772 roch G = AT 2 k BT k + CP p + D 0,027 5,056 0, ,43 0,942 łubin G = AT 2 k BT k + CP p + D 0,093 15,17 0, ,5 0,97 lucerna G = BT k + CP p + D 2,564 0, ,71 0,

3 Takie oddziaływanie zachodzi najintensywniej w niŝszych temperaturach kondycjonowania. Związane jest to z nabywaniem przez materiał lepszych właściwości smarnych, ze wzlędu na większy dodatek wiloci wynikający ze stosowania pary o niŝszym ciśnieniu. Dzięki temu materiał szybciej przechodzi przez otwory matrycy i ulea mniejszemu zaęszczeniu. Natomiast wraz ze wzrostem temperatury, oddziaływanie ciśnienia pary zmniejsza się, a po przekroczeniu wartości 80 o C jeo wpływ praktycznie przestaje być istotny. Ilościową charakterystykę stwierdzonych zaleŝności przedstawiono w tab. 3. W przypadku ranulowania z wykorzystaniem kondycjonowania z dodatkiem wody, dla wszystkich badanych surowców zaobserwowano istnienie silnych ujemnych zaleŝności liniowych (r > - 0,931). W tym przypadku średnie wartości parametru wahają się w przedziale od 438,3 do 756 k m -3 (rys. 2). G [k m -3 ] P p [kpa] T k [ o C] 573,37 577,63 581,88 586,13 590,38 594,63 598,8 603,13 607,39 611,64 ponad Rys. 1. ZaleŜność ęstości ranulatu (G ) od temperatury kondycjonowania (T k ) i ciśnienia pary (P p ) (średnie wartości dla 7 badanych surowców) Fi. 1. Dependence of pellet density (G ) on conditionin temperature (T k ) and steam pressure (P p ) (mean values obtained for 7 raw materials examined) ] W s [%] Rys. 2. ZaleŜność ęstości ranulatu (G ) od wilotności surowca (W s ) Fi. 2. Dependence of pellet density (G ) on moisture content of raw materials (W s ) pszenica kukurydza owies jęczmień roch łubin lucerna Równania reresji liniowej opisujące otrzymane zaleŝności zestawiono w tab. 4. Tab. 4. Równania reresji opisujące wpływ wilotności surowca (W s ) na ęstość ranulatu (G ) Table 4. Reression equations describin the effect of moisture content of raw materials (W s ) on pellet density (G I ) SUROWIEC POSTAĆ RÓWNANIA A B R 2 pszenica G = -AW 2 s + B 17, ,7 0,983 kukurydza G = -AW 2 s + B 9,85 782,33 0,925 jęczmień G = -AW 2 s + B 22,33 943,67 0,99 owies G = -AW 2 s + B 15, ,99 0,986 roch G = -AW 2 s + B 14,61 868,22 0,918 łubin G = -AW 2 s + B 16,02 901,024 0,917 lucerna G = -AW 2 s + B 16,07 900,37 0,

4 Z kolei z rys. 3 wynika, iŝ w przypadku ranulowania na zimno największe średnie ęstości ranulatu uzyskano z surowców o stosunkowo niskiej zawartości tłuszczu, jak roch (734 k m -3 ) i pszenica (683,4 k m -3 ). Obok składu chemiczneo druim parametrem, który bezpośrednio wpływa na uzyskiwane rezultaty, jest ęstość śruty w stanie zsypnym (tab. 1), co potwierdza zachowanie owsa i jęczmienia (surowcom tym odpowiadają najniŝsze wartości tej cechy fizycznej). Wyjątek stanowi jednak lucerna, która ze wzlędu na duŝą zawartość włókna jest mało podatna na wytłaczanie. Stąd teŝ w czasie prasowania ulea znacznemu zaęszczeniu, a przyrost ęstości ranulatu w stosunku do śruty wynosi ponad %. Zupełnie odmienna sytuacja zachodzi w przypadku zastosowania w procesie ranulowania obróbki hydrotermicznej. Na skutek znacznej redukcji wartości współczynnika tarcia pomiędzy wytłaczanym materiałem a ściankami otworów matrycy dla większości surowców następuje spadek wartości ęstości. Dla lucerny redukcja ta jest najwyŝsza i wynosi ponad 48%. W kontekście wcześniej przedstawionych analiz, ciekawe wyniki uzyskano dla mieszaniny lucerny z pszenicą (rys. 4). W tym przypadku, mimo teo, iŝ dodatek lucerny powoduje wzrost oporów wytłaczania, ęstość ranulatu maleje wraz ze zwiększaniem się jeo udziału w mieszaninie. Potwierdza to spostrzeŝenia odnoszące się do pojedynczych surowców, dyŝ obok warunków prowadzenia procesu, dominującą rolę w kształtowaniu wartości ęstości alomeratu odrywa ęstość materiału sypkieo F E G [k m -3 ] D D C b C c d e e B B A A f 450 a 350 lucerna łubin kukurydza roch jęczmień owies pszenica Rys. 3. ZaleŜność ęstości ranulatu (G ) od rodzaju surowca i metody kondycjonowania (średnie wartości dla kondycjonowania paroweo oraz z dodatkiem wody) Fi. 3. Dependence of pellet density (G ) on the type of raw material and conditionin method (mean values for steam and water conditionin) ] Z l [%] Rys. 4. ZaleŜność ęstości ranulatu (G ) od zawartości lucerny w mieszaninie z pszenicą (Z l ) (średnie wartości dla kondycjonowania paroweo oraz wodneo) Fi. 4. Dependence of pellet density (G ) on the contents of lucerne in mixture with wheat (Z l ) (mean values for steam and water conditionin) 159

5 ] Z r [%] Rys. 5. ZaleŜność ęstości ranulatu (G ) od zawartości rzepaku w mieszaninie z pszenicą (Z r ) (średnie wartości dla kondycjonowania paroweo oraz z dodatkiem wody) Fi. 5. Dependence of pellet density (G ) on the content of cole in mixture with wheat (Z l ) (mean values for steam and water conditionin) WyŜej podane uwai dotyczą równieŝ mieszaniny rzepaku z pszenicą (rys. 5). Jednak w tym przypadku właściwości smarne rzepaku powodują, iŝ po jeo dodaniu róŝnice w ęstości wynikające ze sposobu kondycjonowania wyraźnie się zmniejszają. W wyniku analizy reresji wielokrotnej otrzymano następujące postacie równań opisujących wyŝej analizowane przypadki (mieszaniny pszenicy z lucerną i rzepakiem): dla mieszaniny lucerna-pszenica G = - 0,0077Z l 2 1,633Z l + 0,0388T k 2 7,75T k + 0,2096P p + 911,6; R 2 = 0,962 (2) G = 0,0074Z l 2 1,4169Z l - 0,9938W s ,99W s + 671,18; R 2 = 0,975 (3) dla mieszaniny rzepak-pszenica G = 0,0616Z r 2 5,425Z r - 0,332W s ,97; R 2 = 0,875 (4) G = - 0,0138Z r 2 1,563Z r + 0,0088T k 2 2,41T k + 0,0386P p + 740,6; R 2 = 0,956 (5) 4. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań moŝna wyprowadzić następujące wnioski: 1. Gęstość ranulatu zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury materiału po kondycjonowaniu parowym. Natomiast zwiększanie ciśnienia pary (w zakresie temperatur obróbki od 50 do 80 o C) powoduje wprost proporcjonalne przyrosty wartości analizowaneo parametru. 2. Stwierdzono, iŝ w przyjętym zakresie badawczym, podwyŝszanie wilotności materiału podczas kondycjonowania z dodatkiem wody skutkuje zmniejszaniem się ęstości ranulatu średnio o 20% dla wszystkich badanych materiałów. 3. Granulowanie z wykorzystaniem kondycjonowania z dodatkiem wody pozwala na uzyskanie ranulatu o wyŝszej ęstości niŝ w przypadku stosowania kondycjonowania paroweo. Natomiast wartość otrzymanych róŝnic, w odniesieniu do poszczeólnych surowców, wynika bezpośrednio z ich właściwości fizykochemicznych. 4. Wykazano, Ŝe niezaleŝnie od metody kondycjonowania zarówno mieszanin pszenicy z lucerną, jak teŝ z rzepakiem, wzrost udziału zawarteo w nich włókna czy teŝ tłuszczu wpływa ujemnie na wartość ęstości ranulatu. Przy czym róŝnice w ęstości ranulatu - wynikające z zastosowanej metody kondycjonowania - uwidaczniają się najdobitniej w przypadku mieszanin z wzrastającym udziałem włókna, a zanikają w przypadku wzrostu udziału tłuszczu w mieszaninie. 5. Literatura [1] Hejft R.: Ciśnieniowa alomeracja i podstawy konstrukcji urządzeń ranulująco-brykietujących. Rozprawy Naukowe Politechniki Białostockiej, nr 11/1991, Białystok [2] Kuli R., Laskowski J., Skonecki S: Wykorzystanie komputera w badaniach procesu ranulowania na prasie firmy Kahl typ VI Krajowa Konferencja KOWBAN 99, s. 397-, Polanica Zdrój [3] Kuli R., Laskowski J.: Pomiary zuŝycia pary wodnej w procesie kondycjonowania surowców i mieszanek paszowych. InŜynieria Rolnicza, 2002, 4 (24), s [4] Laskowski J.: Studia nad procesem ranulowania mieszanek paszowych. Praca habilitacyjna. Wydawnictwo AR, Lublin [5] Wood J.F.: The functional properties of feed raw materials and their effect on the production and quality of feed pellets. Anim. Feed Sci. Tech., 1987, vol.18, s [6] Laskowski J., Skonecki S.: Wpływ temperatury na parametry zaęszczania nasion roślin strączkowych. InŜynieria Rolnicza, 2000, 5 (16), s [7] Laskowski J., Skonecki S.: Influence of material s temperature on compression parameters of round barley rains. Int. Arophysics, 2001, 15 (3), s [8] Thomas M., van Vliet T., van der Poel A.F.B.: Physical quality of pelleted animal feed. 3. Contribution of feedstuff components. Anim. Feed Sci. Tech., 1998, vol. 70, s [9] PN-ISO : Oznaczanie ęstości w stanie zsypnym. 160