ЭТУ_Куликова_2014

Если жидкостью заполнено пористое тело, вместо капилляра следует рассматривать его поры, а само тело – своеобразной мембраной. Разность

уровней h определяется перепадом давлений P P P . Пористое тело с

2 1

капиллярами малой длины носит название мембраны. Естественные мембраны присущи всем живым организмам. Это мембраны органоидов растительной клетки и сама оболочка клетки. В некоторых случаях в качестве мембраны можно рассматривать стенку стебля и эпидермис листа. Отличительной особенностью электроосмоса является перенос через поры мембраны растворителя под действием электрического поля. Скорость потока растворителя через единицу поверхности мембраны определяется выражением:

Электродиализ – это процесс, в котором ионы растворенного вещества проходят через мембраны под действием электрического поля. Электродиализ отличается от электроосмоса переносимым компонентом. В электроосмосе переносится растворитель, в электродиализе – растворенное вещество. При использовании электрического градиента оба процесса могут протекать одновременно. В электродиализе направление переноса может быть любым в зависимости от соотношения концентрации растворов по обе стороны мембраны и направленности электрического поля.

Перенос ионов выражается суммой двух скоростей потоков, обусловленных градиентом концентрации растворов и градиентом электрического потенциала:

91

Уравнение фотосинтеза:

энергия света 686ккал

6СO2 6H 2O хлорофилл С2 H 2O6 H 2O

углевод

Дыхание растений – окислительный распад сложных органических соединений, конечными продуктами которого является углекислый газ и вода с выделением энергии:

С6 H12O6 6O2 6CO2 6H2O 686 ккал

Сравнение уравнений фотосинтеза и дыхания показывает, что эти процессы энергетически противоположны, хоть и не отражают всей сложности процессов преобразования веществ. При скашивании растений (травы) процессы фотосинтеза прекращаются, а процессы дыхания, сопровождаемые распадом питательных веществ, продолжаются длительное время. Для сохранения питательных веществ и витаминов необходимо остановить или затормозить процессы дыхания. Это можно сделать различными способами: быстро высушить, заморозить, законсервировать и т.д. Наиболее часто производят сушку травы в естественных условиях. Скорость сушки зависит от климатических и погодных условий.

Солнечная радиация активизирует распад питательных веществ, ферментов и витаминов, что резко снижает качество полеченного сена. Ухудшают качество сена и осадки: роса, дожди. Значительны потери питательных веществ из-за неравномерности сушки листьев и стеблей. Для ускорения процесса сушки используются электроплазмолизаторы. Плазмолиз – это отслаивание протоплазмы растительной клетки от оболочки в результате диффундирования воды из вакуоли в более концентрированный наружный раствор. При снижении концентрации наружного раствора вода проникает сквозь протоплазму в вакуоль, давление повышается и протоплазма прижимается к оболочке, т.е. наступает состояние тypгopa. Процесс плазмолиза обратим, но до определенного предела, после которого свойства протоплазмы не восстанавливаются, клетка гибнет, а биологически связанная с ней жидкость выходит в межклеточник. Создание плазмолиза воздействием на растительную клетку электрического тока называется электроплазмолизом, а устройства – электроплазмолизаторы. Простейший электроплазмолизатор валкового типа представлен на рисунок. 4.5.

Рисунок 4.5 – Валковый электроплазмолизатор

93

Валковый электроплазмолизатор состоит из двух металлических валков – электродов, вращающихся встречно. Скошенная трава подается в зазор между валками. На валки через токосъемники подается переменное напряжение. В опытных образцах косилки – электроплазмолизатора, выполненных на базе косилки-плющилки КПВ-3,0 электроплазмолиз производится при одновременном плющении стеблей травы. Для равномерного распределения тока по ширине валков на поверхности последних располагают рифли специфической конструкции. Напряженность электрического поля в слое травы между валками равна 60…75 кВ/м. Продолжительность сушки травы уменьшается в 1.3…2 раза, а содержание каротина в сене (при влажности 18 %) на 50 % выше, чем в сене, скошенном на той же косилке, но без электроплазмолизатора. Питание валков осуществляется от генератора переменного тока и повышающего трансформатора. Частота переменного напряжения варьируется в пределах 20…150 Гц, но наиболее часто используется промышленная частота 50 Гц.

Электроплазмолиз определяется наличием эффекта электроосмоса, а в качестве мембран рассматриваются мембраны органоидов растительной клетки, плазмолемма, сама оболочка клетки. Элетроосмос наблюдается и при постоянном токе, однако плазмолизаторы обычно питаются от сети переменного тока.

В АлтГТУ проведены опыты по исследованию электроосмоса на переменном токе. В качестве мембраны использовался стебель травы. Опыт был проведен с использованием простейшей кюветы (рисунок 4.6.), заполненной дистиллированной водой.

P1 P2

Рисунок 4.6 – Схема кюветы для исследования электрофореза на растительной мембране

При расположении анода со стороны паренхимы стебля давление и пузырек воздуха в капилляре перемещается с определенной скоростью в направлении стрелки (см. рисунок 4.6).

При изменении полярности электродов пузырек не перемещается. При переменном напряжении на электродах пузырек перемещается в том же направлении, но со скоростью в два раза меньше. Таким образом, для потока растворителя стебель травы обладает вентильным эффектом, что, в конечном итоге, и позволяет осуществлять электроплазмолиз на переменном токе. В электрической цепи также наблюдается вентильный

94

эффект, т.е. стебель является плохим диодом.

Для приготовления витаминной муки и гранул из нее широко используются высокотемпературные агрегаты типа АВМ, в которых свежескошенная и измельченная трава подается во вращающийся барабан и обдувается топочными газами. Сушка травы с первоначальной влажности 75…80 % до влажности 14…16 % осуществляется в течение нескольких минут, что обеспечивает сохранность питательных веществ и витаминов в готовом продукте. Главным недостатком этого способа сушки является высокая энергоемкость. Установленная мощность электрооборудования – 250 кВт и расход дизельного топлива до 850 кг на тонну готового продукта. Снизить затраты позволяет фракционирование зеленой массы перед сушкой (рисунок 4.7.) с помощью установки электроосмотического обезвоживания.

В установке электроосмотического обезвоживания часть влаги и сока травы отделяются и оставшаяся зеленая масса с влажностью 55…60 % загружается в сушильный барабан, где высыхает, и поступает в дробилку.

Травяная мука поступает в гранулятор. Выделенный в установке электроосматического обезвоживания сок подается в гранулятор. Снижение влажности зеленой массы с 80 до 60 % соответствует удалению 500 кг влаги из тонны исходного сырья, что приводит к снижению расхода дизельного топлива на 40…50 %.

влага

сушка

фракционирование

дробление

Сырая

гранулирование

Рисунок 4.7 – Технологическая схема фракционирования зеленой массы травы

Установка электроосмического обезвоживания (рисунок.4.8) легко встраивается в технологическую линию АВМ – 1,5 и состоит из цилиндра 1 с внутренним диаметром 400 мм, поршня 2, кривошипно-шатунного механизма 3, редуктора 4, маховика 5 и асинхронного электродвигателя 6. Зеленая масса загружается в бункер 7 и упаковщиком 8 подается в цилиндр в момент, когда поршень находится в левом положении.

95

Во время рабочего хода поршень уплотняет зеленую массу в камере 9 и перемещает ее в рабочий орган установки 10. Рабочий орган установки представляет собой систему трубчатых электродов длиной 2,5 метра.

5 4 3

Рисунок 4.8 – Общий вид установки обезвоживания травы

Система электродов питается от трехфазного трансформатора, вторичная обмотка которого развязана с целью создания вращающегося электрического поля (рисунок 4.9).

Вращающееся электрическое поле (направление тока через зеленую массу поворачивается вокруг центра окружности, по которой расположены электроды) создается за счет сдвига на 1200 в пространстве пар электродов и временного сдвига на 1200 направления тока. Использование кругового вращающегося электрического поля обусловлено анизотропностью отдельных отрезков стеблей травы, т.е. различной проводимостью вдоль и поперек стебля. Во вращающемся поле все частицы зеленой массы находятся в одинаковых условиях, что обеспечивает полноту обработки. Выделенный в процессе обработки сок удаляется с помощью вакуумной системы через отверстия в трубчатых электродах. Мощность установки – 60 кВт, производительность – 5000 кг в час по зеленой массе. Напряженность на электродах – 600 В. Затраты дизельного топлива на производство одной тонны сухой травы снижается на 40…50 %.

Рисунок 4.9 – Электрическая схема рабочего органа

96

Мембранная установка для обезвоживания травы с использованием переменного и постоянного электрических полей изготовлена в АлтГТУ.

Как было показано выше, использование постоянного тока при электроосматической обработке травы исключено. В связи с этим прилагается следующая схема.

Свежескошенная трава помещается между двумя электродами, которые включаются в сеть переменного тока. Перераспределение влаги в растительной ткани происходит в связи с наблюдаемым вентильным эффектом влагопереносом. При этом изменяются виды связи воды, и значительное количество ее переходит в свободное состояние. Проводимость слоя травы при этом резко повышается, увеличивается составляющая тока проводимости, затраты энергии на нагрев возрастают, а технологическое действие тока снижается. Для устранения этого эффекта необходимо отвести выделенную в зеленую массу травы влагу. Отвод влаги может быть осуществлен с помощью вакуумной установки, центрифуги. В этой установке отвод влаги производится с помощью искусственной мембраны и дополнительного электрода. Электрическая схема установки представлена на рисунке 4.10.

Трава размещается между электродами 1 и 2, к которым подводится переменное напряжение. Напряженность при толщине слоя травы 0,03 м и напряжении 300 В составила 100 В/см. Электроды сетчатые, что позволяет влаге свободно проникать через электроды. Между электродами 2 и 3, к которым подводится напряжение от выпрямителя, расположена мембрана 4 с пористой прокладкой 5. Влага накапливается на верхней поверхности мембраны, под действием электроосмотического давления перемещается через мембрану в пористую прокладку.

TV1

~ U

~

+

VD -

TV2

~ U

Рисунок 4.10 – Схема питания электродов

Установка, работающая по этому принципу, представляет собой два конвейера из металлической сетки. Сетка верхнего конвейера – электрод 1. На нижнем конвейере лента состоит из двух сеток (электроды 2 и 3), между которыми находится мембрана и пористая подложка (рисунок. 4.11).

97

1 – электродвигатель постоянного тока; 2 – шарнирный подвес; 3 – ротор; 4 – токосъемное устройство; 5 – сокосборник; 6 – кожух

Ротор 3 состоит из внешнего конического ротора с перфорированной поверхностью и внутреннего конического ротора, имеющего возможность перемещаться вдоль вертикальной оси. Такая конструкция позволяет регулировать зазор между внутренним и внешним ротором, заполненным обрабатываемым материалом. Обрабатываемый материал (резка лекарственных трав) должен иметь хороший контакт с внешним роторомэлектродом, что обеспечивается при вращении ротора за счет центробежных сил. Внутренний ротор-электрод состоит из нескольких подпружиненных секторов. Под действием центробежных сил сектора растягивают пружины и прижимаются к кольцевому слою материала, обеспечивая контакт с обрабатываемым материалом.

Установка периодического действия, т.е. загрузка и выгрузка производится при остановленном роторе. Конический ротор позволяет осуществить непрерывный режим работы установки (рисунок 4.13.).

Рисунок 4.13 – Ротор центрифуги непрерывного действия Направление движения резки лекарственных трав и направление

движения извлеченного сока показано стрелками. Внутренний ротор совершает колебания в вертикальном направлении. Скорость перемещения резки травы определяется видом травы, углом наклона стенки ротора и частотой его вращения, т.е. для текущего вида травы следует выбирать оптимальный режим обработки. Наиболее просто регулируется частота вращения ротора. С этой целью в качестве приводного двигателя используется двигатель постоянного тока с тиристорным преобразователем. Питание электродов осуществляется от сети переменного тока через токосъемное устройство.

4.3. Установки обработки соломы электрическим током

Существует два вида электрической обработки соломы: обработка соломы в щелочных средах в смеси с влажными кормами – силосом, корнеплодами и т.д. Основной целью обработки соломы являются

99

повышение переваримости и кормовой ценности. Обработка соломы электрическим током в щелочных средах называется электрохимической обработкой. В измельченную солому вводят активные гидроксиды химически активных реагентов (например NaOH), вступающие в химическую реакцию с целлюлозно - лигниновым комплексом. В результате нарушаются химические связи лигнина с клетчаткой, образуются соли лигнина, а клетчатка становится доступной перевариванию микроорганизмами рубца жвачных животных. Скорости химических реакций повышаются при повышении температуры. Объемный ввод электрической энергии оказывает тепловое, биологическое, физико-химическое и химическое воздействие на протекание химических реакций. Химическая реакция делигнификации растительной ткани в значительной степени ускоряется под действием электрического тока. Влияние электрического тока на скорость химических реакций определяют как технологическое действие тока. При протекании тока через массу увлажненной и спрессованной соломы происходит ее нагрев, что приводит к повышенным затратам энергии. Следовательно, обработка должна вестись в режиме, при котором технологическая составляющая тока была бы наибольшей, а активная составляющая, определяющая нагрев, по возможности наименьшей. Такой режим определяется степенью увлажнения, плотностью тока, величиной электрической напряженности, формой кривой тока и напряжения, временем обработки и т.д.

Расчет параметров режима производится на базе схемы замещения элемента электрической схемы, состоящего из двух электродов и межэлектродного пространства, заполненного соломенной тканью с определенной степенью увлажнения химическим реагентом (рис. 4.14, а).

Ток, подводимый к обрабатываемой массе с помощью электрода, протекает по ее составляющим, распределяясь в соответствии с электрическими свойствами компонентов. Часть тока протекает между частицами по сплошным жидкостным мостикам и поверхностным пленкам

– ток сквозной проводимости iS. Другая часть тока – iF протекает через границу раздела фаз и по растительной ткани. Этот ток оказывает технологическое действие. Третья составляющая тока – iC участвует в перезарядке двойных электрических слоев.

Рисунок 4.14 – Составляющие тока (а) и электрическая схема замещения (б) Полная электрическая модель системы представлена на рисунке 4.14, б.

100