Физико-механические свойства комбикормов

15.09.2015

Комбикорма, как и их компоненты, обладают определенными физическими свойствами, которые необходимо учитывать в практической работе. Показатели, характеризующие физические свойства комбикормов, имеют значение не только при организации процесса изготовления комбикормов, но также и при различных способах хранения и типах хранилищ. Особенно важными свойствами являются: сыпучесть, само-сортирование, объемная масса, скважистость, температуропроводность и гигроскопичность.
Самосортирование - явление отрицательное и характеризует нарушение однородности продукции из-за разделения смеси по величине, форме, удельному весу частиц продуктов, находящихся в движении. Так, при перевозках зерна в автомашинах или вагонах, передвижении по ленточным транспортерам в результате толчков и встряхивания компоненты с малым удельным весом (легкие примеси, семена в цветочных пленках, щуплые зерна и др.) перемещаются к поверхности насыпи, а с большим удельным весом - попадают в ее нижнюю часть.
Самосортирование может наблюдаться и в процессе загрузки продукции в хранилища. При этом ему способствуют парусность, т.е. сопротивление, оказываемое воздухом перемещению каждой отдельной частицы. Крупные тяжелые частицы с большим удельным весом и меньшей парусностью опускаются отвесно и быстро достигают основания хранилища или поверхности образовавшейся насыпи. Мелкие и более легкие частицы с небольшим удельным весом и с большей парусностью опускаются медленнее, они отбрасываются вихревыми движениями воздуха к стенкам хранилища или скатываются по поверхности конуса, образуемого массой продукции.
Хорошо приготовленные комбикорма должны представлять собой однородную смесь различных компонентов. Большая концентрация отдельных компонентов (особенно сильнодействующих) в определенных участках крайне нежелательна. Неравномерное распределение частиц в комбикормах может приводить к заболеваниям и даже отравлению животных, Неоднородность комбикормов может быть результатом нарушения технологического процесса (неправильного режима работы смесителя, неточного дозирования, неоднородности самих компонентов и т.п.) или следствием самосортирования.
Проблеме самосортирования комбикормов, как в нашей стране, так и за рубежом, придается большое значение. Единое мнение исследователей по этому вопросу отсутствует. В одних случаях, при перевозках на расстояние 50 км не наблюдается видимых признаков ухудшения однородности комбикормов. Изменений в равномерности распределения поваренной соли, кобальта хлористого и карбамида в комбикормах не отмечалось при перевозке рассыпной и гранулированной продукции в автомобиле на расстояние от 20 до 200 км и в железнодорожных вагонах на расстояние до 1500 км; имело место уплотнение комбикормов на 15-20%. Однородность комбикормов, определяемая по индикатору хлористому кобальту, не изменялась и во время загрузки в вагоны самотеком и с помощью транспортера. В других случаях, при свободном падении комбикормов в бункер и силос, а также при выпуске их из силоса содержание карбамида и поваренной соли в различных участках насыпи было различным. В Великобритании комбикорма редко хранят в закромах или в силосах, считая, что при загрузке и выгрузке в них может происходить самосортирование.
При изучении самосортирования процесс движения комбикормов разделяют на четыре фазы. Первая фаза - переход из состояния покоя в состояние движения, при котором частицы смеси приобретают определенную кинетическую энергию и в зависимости от величины своей массы проходят путь разной длины по поверхности отдельных слоев продукта. Вторая фаза - перемещение смеси по ленте транспортера, при котором нет предпосылок для объемного увеличения сыпучего продукта, так что переход от одной фазы к другой может наступить только в начале и в конце перемещения смеси по транспортеру. Третья фаза - непрерывное движение смеси, наблюдаемое при выпуске сыпучего продукта из сило-сов. Четвертая фаза - переход частиц из состояния движения в состояние покоя, которое имеет место при наполнении силоса или другой емкости, где образуется конус и возникает самосортирование. Возможность возникновения последнего тем больше, чем значительнее разница между величиной и весом самых больших частиц и самых маленьких.
Учитывая важность вопроса, были проведены опыты по изучению самосортирования комбикормов для поросят-отьемышей в производственных условиях при выпуске их из смесителя, загрузке в силос и выгрузке из него. В качестве индикаторов однородности комбикормов применяли поваренную соль, каротин, клетчатку и железо - показатели, которые характеризуют качество соответствующих компонентов, отличающихся по удельному весу от основной части компонентов комбикорма. В силосе образцы отбирали в центре и по краям (на расстоянии 15-20 см от северной и южной стен силоса) по мере его заполнения через каждый метр. Результаты определения степени однородности комбикормов представлены в табл. 126.

Физико-механические свойства комбикормов

Анализ данных показывает, что отклонения в содержании каротина клетчатки и железа в комбикормах в различных участках силоса не превышали 7,8%, за исключением двух случаев по уровню поваренной соли, когда отклонения составили 12,9%. Следовательно, самосортирование комбикормов во время транспортирования от смесителя до силоса, при загрузке внутри силоса и при выгрузке из силоса было незначительным.
Кроме того, была изучена степень самосортирования рассыпных комбикормов в процессе перевозки их автомобилями и железнодорожным транспортом. Образцы отбирали до и после транспортирование: в автомашинах в трех слоях и 11 точках, а в железнодорожных вагонах — в трех слоях и 24 точках. Комбикорма на автомашине транспортировали на 260 км по асфальтированной и шоссейной дорогам, в вагоне - на 287 км.
Результаты исследований приведены в табл. 127.

Данные свидетельствуют, что остаток комбикормов на сите с отверстиями диаметром 3 мм, содержание в них каротина, сырой клетчатки, углекислого кальция, поваренной соли и железа изменялись при перевозках в незначительной степени (отклонения от среднего составили не более 7,7%).
Обобщая результаты исследований, можно сделать вывод практического значения о том, что комбикорма можно перемещать, отпускать и перевозить в незатаренном виде.
Cыпучесть характеризуют углом трения или углом естественного откоса. Угол трения - наименьший угол, при котором продукт начинает скользить по какой-нибудь поверхности. При скольжении продукта по продукту его называют углом естественного откоса.
Технологический процесс на действующих комбикормовых заводах построен в основном по вертикали, так как при выработке комбикормов используется принцип самотека, основанный на способности комбикормов и их компонентов перемещаться под влиянием силы тяжести. Сыпучесть комбикормов имеет большое значение при перемещении их нориями, пневмотранспортными установками и транспортерами, загрузке в хранилища, суда, автомашины и т. д., а также при выгрузке из них. Высокая сыпучесть облегчает, а низкая затрудняет выполнение этих операций и использование принципа самотека.
Сыпучесть комбикормов зависит от многих факторов: формы, размера, характера и состояния поверхности продукта; материала, формы и состояния поверхности, по которой перемещают комбикорм.
Приведем сравнительную характеристику величин угла естественного откоса комбикормов и важнейших видов зернового сырья (табл. 128).
Рассыпные комбикорма обладают меньшей, а гранулированные -близкой к средней сыпучестью по сравнению с сыпучестью гороха, пшеницы, кукурузы, ячменя и большей сыпучестью, чем у овса.

Угол естественного откоса комбикормов обусловлен высотой падения и способом образования насыпи (табл. 129).
При увеличении высоты падения комбикормов со 175 до 305 см угол естественного откоса рассыпных и гранулированных комбикормов снижается.
Объемная масса характеризует плотность укладки сыпучего продукта и является важным физическим показателем. Величины ее в значительной степени определяют потребность в складе и силосах, вагонах, судах и других емкостях (между величинами объемной массы продуктов и потребностью в хранилищах, таре и т.д. имеется обратная зависимость). Поэтому она применяется для расчета и проектирования хранилищ, определяется с помощью литровой пурки.

На величину объемной массы влияют структурно-механические и химические свойства комбикормов. При измельчении продукции она уменьшается (табл. 130).

Скважистость и плотность комбикормов отражают плотность составляющих их частиц. Наличие в насыпях комбикорма скважин, заполненных воздухом, их структура и объем влияют на характер теплообмена с окружающей средой, а перемещающийся по скважинам воздух способствует перемещению парообразной влаги. Скважистость (S) в процентах определяют по формуле:

S = W-V/W*100,

где W - общий объем массы комбикорма, V - истинный объем твердых частиц продукции.
Под плотностью понимают как разницу между общим объемом массы комбикорма и скважистостью, выраженную в процентах, так и отношение массы твердых частиц комбикорма к их объему, выраженное в кг/м3 (г/см3).
Исследования показали, что сыпучесть, объемная масса и скважистость комбикормов зависят от их влажности (табл. 131).
Данные таблицы свидетельствуют, что повышение влажности приводит к увеличению угла естественного откоса комбикормов; при этом гранулированная продукция имеет меньший угол естественного откоса, чем рассыпная. С увеличением диаметра и длины гранул возрастает и изучаемый показатель.
С повышением содержания влаги в комбикормах понижается их объемная масса и увеличивается скважистость; объемная масса и скважистость в гранулированных комбикормах меньше по сравнению с рассыпными, что обусловлено уплотнением частиц комбикормов в процессе гранулирования. Кроме того, при увеличении количества крошки в гранулированных комбикормах на каждый 1% снижается скважистость на 0,2%.
На физические свойства комбикорма определенное влияние оказывает и их состав (табл. 132).
У комбикормов, содержащих в своем составе большой процент кормов животного происхождения, дрожжей кормовых и шротов (рецепты 51-19, 53-23), объемная масса и плотность выше, а скважистость меньше по сравнению с продукцией, включающей много растительного сырья (рецепты 61-2, 63-2).

В последние годы широко используют в комбикормах жиры животные кормовые и мелассу, которые в значительной степени определяют их физические свойства (табл. 133).
Из таблицы видно, что ввод жира в комбикорма уменьшает их влажность, объемный вес и коэффициент внутреннего трения с одновременным увеличением угла естественного откоса и улучшает сыпучесть. Такие изменения обусловлены перераспределением влаги в общей массе продукта (влажность жира не более 0,5%), что приводит к некоторому снижению равновесной влажности и повышению порозности комбикорма ввиду слипания мелких частиц.

При прибавке мелассы комбикорм увлажняется, уменьшается объемная масса и сыпучесть, а угол естественного откоса и коэффициент внутреннего трения увеличиваются. На основании исследований рекомендуется вводить в рассыпные комбикорма жир в количестве до 5% и мелассу - до 4%.
Температуропроводность определяет скорость изменения температуры в исследуемом материале, его теплоинерционные свойства. Констатируется при этом, что передача тепла от верхних слоев зерновой массы, находящихся под непосредственным воздействием температуры воздуха, к нижним слоям в силу плохой теплопроводности происходит очень медленно. Температурный минимум наружного воздуха устанавливается примерно на декаду раньше температурного минимума насыпи початков кукурузы. В условиях среднесуточной температуры наружного воздуха от -5 до 12,7 °C температура насыпи зерна кукурузы находилась в пределах от -1 до 6 °С.
Свойство зерновой массы сохранять приобретенную температуру на протяжении длительного времени может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на организацию хранения зерна.
При пониженной температуре плохая температуропроводность дает возможность консервировать зерновую массу холодом: замедлять или приостанавливать процессы, протекающие в ней, в том числе жизнедеятельность зерна, микроорганизмов, вредных насекомых и т.п. Вместе с тем вследствие плохой температуропроводности зерна, микробов и насекомых выделяемое ими тепло может накапливаться и приводить к повышению температуры зерновой массы. Кроме того, при переходе от осени к зиме и больших колебаниях температуры может происходить конденсация влаги на быстрее охлаждаемых верхних слоях насыпи - так называемое «отпотевание». Температуропроводность зерновых масс зависит от химического состава, скважистости, структуры скважины, влажности и других факторов.
В связи с отсутствием в литературе данных о температуропроводности насыпей комбикормов были проведены исследования по хранению продукции в производственных условиях насыпью высотой 2,5 м. Результаты графически отражены на рис. 11.
Анализ исследований показывает, что температура воздуха в складе за период хранения комбикормов колебалась от -8,3 до 18 °C при амплитуде колебаний 26,3 °С. Температура рассыпных комбикормов равнялась на глубине 0,5 м от -4,8 до 15,5 °C (амплитуда 20,3 °С); на глубине 1 м от -0,8 до 12,3 °C (амплитуда 13,1 °С); на глубине 1,5 м - от -1,3 до 10 °C (амплитуда 8,7 °С); на глубине 2 м - от 2,8 до 8,9 °C (амплитуда 6,1 °С).
Температура гранулированных комбикормов колебалась на глубине 0,5 м - от 1,8 до 15,2 °C (амплитуда 17 °С); на глубине 1 м - от 0 до 13 °C (амплитуда 13 °С); на глубине 1,5 м - от 1,3 до 9,9 °C (амплитуда 8,6 °С) и на глубине 2 м - от 2,8 до 9,2 °C (амплитуда 6,4 °С).

Амплитуда колебаний температуры воздуха была значительно большей, чем в насыпи комбикормов. В глубоких слоях насыпи комбикормов колебания температуры были менее значительными, чем в более близких к ее поверхности. Разница и изменения температуры рассыпных и гранулированных комбикормов были несущественными.
В зимний период хранения температура комбикормов снижалась почти равномерно, в весенний — температура повышалась медленно и отставала от температуры наружного воздуха, в летний (при дальнейшем повышении температуры наружного воздуха) - температура продукции, постепенно повышаясь, оставалась до определенного времени ниже температуры наружного воздуха. Выравнивание ее с температурой воздуха по слоям происходило неодновременно. В насыпи рассыпных комбикормов на глубине 1 м оно происходило с опозданием на 3,5 мес., а гранулированных комбикормов - с опозданием на 3 мес. Некоторую разницу в отставании выравнивания температуры рассыпных комбикормов по сравнению с гранулированными можно объяснить тем, что в гранулированной продукции скважины между отдельными гранулами крупнее, чем в рассыпных, что облегчает циркуляцию воздуха.
Следовательно, комбикорма обладают плохой температуропроводностью и это имеет большое значение при их хранении. Заложенная на хранение продукция с низкой температурой или охлажденная до низкой температуры может длительное время храниться без ухудшения качества.
Сорбционные свойства отражают способность комбикормов поглощать из окружающей среды пары различных веществ и газы (сорбция) и при известных условиях выделять их в окружающую среду (десорбция); зависят они от скважистости массы продукции и ее капиллярно-пористой коллоидной структуры.
В практике большое значение имеют явления сорбции и десорбции паров воды, что связано с изменением влажности и веса, хранимых или транспортируемых комбикормов, находящихся на материальной ответственности работников (заведующих складами, кладовщиков и т. а). Поэтому при хранении комбикормов необходимо знание процессов влагообмена.
Равновесная влажность. Влагообмен между хранящейся продукцией и соприкасающимся с ней воздухом идет непрерывно и в двух противоположных направлениях: передачи влаги от продукта к воздуху (десорбция) вследствие большего парциального давления водяных паров у поверхности продукции, по сравнению с парциальным давлением водяных паров в воздухе, и увлажнения продукции вследствие поглощения (сорбции) влаги из окружающего воздуха, происходящего при низком парциальном давлении водяных паров у поверхности продукции и высоком - в воздухе. При одинаковом парциальном давлении водяного пара в воздухе и над продукцией влагообмен между ними прекращается, наступает состояние динамического равновесия.
Влажность продукции, соответствующая этому состоянию, т. е. установившаяся при определенных параметрах воздуха — его влагонасыщенности, температуре и давлении, называется равновесной. При хранении влажной продукции в условиях низкой относительной влажности воздуха происходит постепенное снижение ее влажности, и наоборот, сухая продукция в более насыщенном водяными парами воздухе увлажняется и ее вес увеличивается. Такие изменения носят чаще всего сезонный характер.
Продолжительное хранение продукции в условиях воздушной среды, насыщенной водяными парами (при относительной влажности воздуха, близкой в 100%), приводит к впитыванию уже капельно-жидкой влаги, что влечет за собой активное развитие микроорганизмов (плесеней).
Равновесная влажность продукции зависит и от температуры воздуха: с понижением ее величина равновесной влажности возрастает. По многочисленным данным, при снижении температуры с 30 до 0 °C равновесная влажность увеличивается на 1,4%.
Следует заметить, что равновесная влажность компонентов с составе комбикормов неодинакова вследствие различия их размеров, выполненности, химических и физических свойств. Для достижения равновесной влажности продукции с крупными частицами требуется более длительное время по сравнению с мелкоизмельченной. Наибольшей гигроскопичностью отличается минеральное сырье (соль поваренная, мел, соли микроэлементов, особенно сернокислые), часть биологически активных веществ (холинхлорид, коламинхлорид, кормовой концентрат лизина), карбамид, зародыш пшеничный и кукурузный и т. д. Меньшая гигроскопичность характерна для компонентов с высоким содержанием клетчатки. Процессы сорбции и десорбции протекают в комбикорме и в связи с различной исходной влажностью входящих в них компонентов.
При изучении изотерм сорбции и десорбции было замечено, что равновесная влажность продукции, характеризуемая изотермой сорбции, всегда меньше, чем характеризуемая изотермой десорбции, при одной и той же относительной влажности воздуха. Это явление получило название сорбционного гистерезиса. Наибольшее расхождение между изотермами сорбции и десорбции наблюдается, как правило, в интервале относительной влажности воздуха от 20 до 80%. В результате сорбционного гистерезиса разница в равновесной влажности по изотермам достигает в среднем 1,2-1,3%.
Как показали исследования, равновесная влажность комбикормов устанавливается на третьи сутки. При относительной влажности воздуха 80% она равна 16,4%, а при относительной влажности 60 и 75% - соответственно, 12,6 и 14,8%. Влажность гранулированных комбикормов после 3 мес. хранения при температуре 18-25 °C и относительной влажности воздуха 70-75% уменьшалась с 12,8 до 11,9%, т. е. на 0,9%.
Результаты определения влажности комбикормов при температуре 0 и 10 °C и различной относительной влажности воздуха показаны в табл. 134.

При 20, 30 и 40%-ной относительной влажности воздуха равновесная влажность комбикорма установилась на 3-4 сут., а при 80-100% — только на 14 сут. (рис. 12). Разница в величинах равновесной влажности комбикормов при температуре 0 и 10 °C показана на рис. 13.

По величинам равновесной влажности комбикорма для поросят-отъемышей заметно отличаются от зерна важнейших культур, что видно из данных табл. 135.

Как показывает таблица, комбикорма обладают более высокой гигроскопичностью, чем зерно, что объясняется относительно высоким содержанием в комбикормах белков и минеральных соединений. На изменение стойкости комбикорма при хранении большое влияние также оказывает скорость процесса влагообмена между комбикормом и окружающим воздухом. Об этом свидетельствуют результаты исследований, представленные на рис. 14.
Анализ кривых показывает, что наибольшей скоростью сорбции и десорбции комбикорма обладают в течение первых 48 ч, В течение первых 12 ч продукция сорбировала 21,8%, вторых - 15,8%, третьих - 11,3 и четвертых - 10% всей поглощенной влаги. Несколько меньшей была скорость десорбции влаги. В последующее время скорость сорбции и десорбции парообразной влаги комбикормами постепенно уменьшалась и в конце была небольшой и равномерно снижалась вплоть до установления равновесной влажности.

Равновесную влажность следует учитывать в практической работе при хранении комбикормов, особенно в районах с избыточным увлажнением (районы Прибалтики, Дальнего Востока и др.).
Методы определения физико-механических свойств сыпучих материалов — влажности, гранулометрического состава (крупности размола), натурального веса, сыпучести (угла естественного откоса, коэффициента внутреннего трения), гигроскопичности (равновесной влажности динамическими и графическими методами), крошимости гранул и водостойкости гранулированной продукции изложены в книге «Оценка качества сырья и комбикормов».