Національний науковий центр

“Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”

Української академії аграрних наук

ГОЛУБ ГЕННАДІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 631.333.92:631.344.8

МЕХАНІКО-ТЕХНОЛОГІЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ

ДЛЯ АГРОПРОМИСЛОВОГО ВИРОБНИЦТВА ЇСТІВНИХ ГРИБІВ

05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Глеваха – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук.

Науковий консультант: | академік УААН, доктор сільськогосподарських наук, професор ЛІННИК Микола Кіндратович, заступник секретаря відділення механізації та електрифікації Української академії аграрних наук.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор ДУБРОВІН Валерій Олександрович, директор науково-дослідного інституту техніки і технологій Національного аграрного університету Кабінету Міністрів України;

доктор технічних наук, професор ГарЬкавий Анатолій Дмитрович, завідувач кафедри експлуатації машинно-тракторного парку і ремонту машин Вінницького державного аграрного університету Міністерства аграрної політики України;

доктор технічних наук, професор Сидорчук Олександр Васильович, завідувач кафедри управління проектами і безпеки виробництва в агропромисловому комплексі Львівського державного аграрного університету Міністерства аграрної політики України.

Провідна установа: | Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка Міністерства аграрної політики України.

Захист відбудеться “21” вересня 2005 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.27.358.01 при Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук за адресою: 08631, вул. Вокзальна, 11, смт. Глеваха, Васильківський р-н, Київська обл., ННЦ “ІМЕСГ”.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук за адресою: 08631, вул. Вокзальна, 11, смт. Глеваха, Васильківський р-н, Київська обл.

Автореферат розісланий “16” серпня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

В.В. АДАМЧУК

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Широке використання мінеральних добрив, пестицидів, гербіцидів, стимуляторів росту та збільшення інтенсивності обробітку ґрунту призводить до зменшення родючості ґрунтів, а також періодичного перегляду та збільшення значень нормативних показників, що характеризують безпечність продуктів харчування. Високоякісну та екологічно безпечну продукцію сільського господарства можна отримати без використання синтетичних речовин при одночасному збереженні родючості ґрунтів, однак у цьому випадку резерви збільшення урожайності обмежені, що входить у протиріччя з потребами у сільськогосподарській продукції. Тому проблема виробництва високоякісних та екологічно безпечних продуктів харчування в кількості, достатній для забезпечення потреб населення та з одночасним відтворенням родючості ґрунтів, є актуальною для агропромислового виробництва.

Використання екстенсивних методів біологічної конверсії наявних органічних ресурсів в агроценозах є однією з причин низької ефективності виробництва. Існуюча тенденція зниження вмісту гумусних речовин у ґрунтах поєднується з неефективним використанням органічної сировини агроценозів, відсутністю концептуального взаємозв’язку окремих елементів біологічної конверсії з наявними ресурсами органічної сировини, а також відсутністю проектних, технологічних та технічних рішень для впровадження біологічної конверсії органічної сировини при існуючих формах організації сільськогосподарського виробництва.

Положення та висновки, які одержані при проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, а також результати виробничої перевірки й впровадження дозволили вирішити наукову проблему удосконалення технічних засобів для підвищення якості компосту й субстрату та створення необхідних умов для вирощування грибів у пристосованих культиваційних приміщеннях при одночасному підтриманні родючості ґрунтів в умовах агропромислового виробництва.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що склали основу дисертаційної роботи, виконувалися в Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук (ННЦ “ІМЕСГ” УААН) в 1994-2004 рр. у відповідності до тематичних планів науково-дослідних робіт згідно розділу 01.02.02Ф “Розробити наукові основи, технологічні процеси та технічні рішення для виробництва компостів, субстратів і біогазу” проекту “Розробити технологічні процеси і комплекси машин та обладнання для виробництва і застосування різних видів органічних добрив” Науково-технічної програми Української академії аграрних наук “Механізація сільськогосподарського виробництва і технічний сервіс” (Державна реєстрація №0102U000056) та Комплексної науково-виробничої програми по збільшенню виробництва їстівних грибів в Україні до 2005 року у співдружності з Інститутом споруд штучного клімату, Інститутом ботаніки Національної академії наук України, Інститутом овочівництва і баштанництва Української академії аграрних наук, Українським науково-дослідним інститутом по прогнозуванню і випробуванню техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва ім. Л. Погорілого, Дослідним конструкторсько-технологічним бюро ННЦ “ІМЕСГ” та іншими науково-дослідними та виробничими організаціями.

Мета досліджень. Підвищення ефективності біологічної конверсії органічної сировини агроценозів у штучних умовах при одночасному підтриманні родючості ґрунтів шляхом удосконалення технічних засобів для агропромислового виробництва їстівних грибів.

Задачі досліджень, які були вирішені для досягнення поставленої мети:

1. Розробити схеми біологічної конверсії органічної сировини агроценозів у штучних умовах із виробництвом їстівних грибів.

2. Дослідити основні параметри процесу замочування соломи та компостування суміші в буртах, визначити кінетику ферментації органічної сировини при виробництві компостів та субстратів.

3. Обґрунтувати основні параметри барабанно-пальцевого розпушувача компосту та субстрату.

4. Дослідити основні параметри процесу розігріву органічної сировини під час ферментації при виробництві компостів та субстратів.

5. Обґрунтувати основні параметри поршневого та стрічково-вальцевого ущільнювачів субстрату.

6. Обґрунтувати основні параметри технічних засобів для виробництва їстівних грибів та енергозберігаючого вентиляційно-опалювального обладнання для культиваційних приміщень.

7. Дослідити динаміку перехідного процесу при зміні температури субстрату та повітря в культиваційному приміщенні для вирощування грибів.

8. Розробити технологічні процеси виробництва компосту й субстрату та алгоритми управління мікрокліматом культиваційних приміщень для вирощування грибів.

9. Провести економічну оцінку біологічної конверсії органічної сировини агроценозів у штучних умовах із виробництвом їстівних грибів, засобів механізації виробництва компосту й субстрату, технічних засобів для підтримання параметрів мікроклімату в культиваційних приміщеннях.

Об'єкти дослідження. Технологічні процеси та засоби механізації виробництва компосту, субстрату та їстівних грибів, конструктивно-технологічні параметри робочих органів, засобів для створення мікроклімату, системи біологічної конверсії органічної сировини агроценозів у штучних умовах із виробництвом їстівних грибів.

Предмет дослідження. Удосконалення механіко-технологічних основ створення технічних засобів для біологічної конверсії органічної сировини агроценозів у штучних умовах із виробництвом їстівних грибів.

Методи дослідження. Структурні схеми біологічної конверсії органічної сировини агроценозів із виробництвом їстівних грибів розроблялися на основі типових сівозмін для інтенсивного землеробства зон Лісостепу та Степу з використанням розрахунку балансу гумусу та рецептури компостної суміші методами агрохімічних балансів. Основні параметри процесу компостування суміші в буртах та кінетика ферментації органічної сировини визначалися шляхом складання та рішення диференційних рівнянь із визначенням експериментальних значень коефіцієнтів, що характеризують інтенсивність проходження процесу. Параметри барабанно-пальцевого розпушувача компосту та субстрату визначалися шляхом розробки імітаційної моделі на основі рішень диференційних рівнянь руху матеріальної точки та елемента маси компосту по шорсткій поверхні. Траєкторія польоту частинок компосту визначалася на основі наближеного рішення диференційних рівнянь руху частинок компосту в повітряному просторі. Основні параметри розігріву компосту визначалися на основі складання та рішення диференційного рівняння, що зв’язує температуру та сумарний потік тепла у ферментаційній та пастеризаційній камерах. Параметри поршневого ущільнювача визначалися на основі експериментальної залежності тиску від відносної деформації субстрату, а стрічково-вальцевого ущільнювача – на основі складання аналітичного виразу, що характеризує умови затягування субстрату в простір між вальцями та стрічкою у залежності від геометричних розмірів вальців. Параметри стелажних систем для вирощування грибів визначалися згідно методики вибору перерізу защемленої балки та визначення запасу стійкості. Основні параметри вентиляційно-опалювального обладнання для культиваційних приміщень визначалися на основі рівнянь теплового балансу для зимового та літнього періодів. Варіанти установки теплоутилізаторів аналізувалися на основі забезпечення максимального температурного перепаду повітря, що нагрівається. Параметри теплоутилізаторів визначалися на основі рівнянь для розрахунку коефіцієнтів утилізації тепла. Динаміка зміни температури субстрату та повітря визначалася на основі складання та рішення системи диференційних рівнянь, які зв’язують температуру субстрату та повітря із сумарним потоком тепла у культиваційному приміщенні для вирощування грибів. Економічна оцінка проводилася згідно існуючих нормативів шляхом визначення собівартості, рентабельності та терміну окупності обладнання та засобів механізації.

При проведенні експериментальних досліджень використовувались методи статистичної обробки даних, кореляційний та регресійний аналіз. Параметри обладнання під час виробничої перевірки визначалися за стандартними методиками випробування сільськогосподарської техніки.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Уперше розроблено наукову концепцію технічного забезпечення та запропоновано схеми біологічної конверсії органічної сировини агроценозів у штучних умовах із виробництвом їстівних грибів для типових сівозмін зон Степу та Лісостепу, які дозволяють забезпечити підтримання рівня родючості ґрунту та збільшити виробництво сільськогосподарської продукції.

2. Удосконалено кінетичну модель розкладу органічної речовини під час ферментації у буртах та закритих камерах, що базується на пропорційній залежності між швидкістю розкладу та кількістю органічної речовини, яка може бути задіяна в процесі ферментації.

3. Удосконалено математичну модель барабанно-пальцевого розпушувача компосту, створену на основі рішення диференційного рівняння руху частинки по шорсткій поверхні, отримано рівняння для розрахунку траєкторії польоту частинок компосту в повітряному просторі шляхом наближеного рішення диференційних рівнянь руху.

4. Удосконалено розрахунок динаміки процесу розігріву органічної сировини під час ферментації у закритих камерах при виробництві компостів й субстратів, на основі якого отримані рівняння для визначення основних конструктивно-технологічних параметрів допоміжного обладнання пастеризаційних та ферментаційних камер.

5. Уперше експериментально визначено залежність зовнішнього тиску при ущільненні субстрату від його відносної деформації, а також удосконалено аналітичний вираз, що характеризує умови затягування субстрату в простір між вальцем та стрічкою в залежності від геометричних розмірів стрічково-вальцевого апарату.

6. Удосконалено імітаційну модель культиваційного приміщення для вирощування печериць, використання якої дозволяє вибрати основні параметри енергетичного обладнання, визначити основні напрямки енергозбереження та розрахувати витрати енергії на виробництво грибів у залежності від величини та часу стояння температур зовнішнього повітря.

7. Удосконалено динамічну модель перехідного процесу зміни температури субстрату та повітря в культиваційному приміщенні для вирощування грибів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в комплексному розв’язанні проблеми механіко-технологічного забезпечення створення технічних засобів та технологічних процесів для біологічної конверсії органічної сировини агроценозів у штучних умовах із виробництвом їстівних грибів, що дозволяє підтримати в необхідних межах рівень родючості ґрунтів, одержати додаткову білкову продукцію, забезпечити зайнятість сільського населення в зимовий період, а також вирішити завдання по механізації виробництва компостів, субстратів та їстівних грибів, зокрема:

–

–

–

–

–

–

–

–

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні наукової концепції механіко-технологічного забезпечення біологічної конверсії органічної сировини агроценозів у штучних умовах із виробництвом їстівних грибів, мети й задач досліджень, доведенні можливості вирішення поставлених задач у сучасних умовах за допомогою розроблених технологічних процесів та набору технічних засобів, обґрунтуванні методів і засобів теоретичних та експериментальних досліджень. Усі теоретичні, методологічні та концептуальні розробки виконані автором самостійно й опубліковані в персональних роботах. Особистий внесок у наукових працях, опублікованих у співавторстві, наведений у списку публікацій, що приводиться в авторефераті.

Апробація результатів роботи. Результати досліджень, викладені у дисертації, доповідалися щорічно протягом 1994-2004 рр. на засіданнях вченої ради та методичної комісії ННЦ “ІМЕСГ” УААН. Дисертаційну роботу обговорено й схвалено на розширеному засіданні відділу механізації вирощування польових культур ННЦ “ІМЕСГ” УААН. Окремі положення дисертації доповідалися на координаційних нарадах по розробці та виконанню “Комплексної науково-виробничої програми по збільшенню виробництва їстівних грибів в Україні до 2005 року”; на Міжнародній науково-технічній конференції з питань розвитку механізації, електрифікації, автоматизації та технічного сервісу АПК в умовах ринкових відносин (Глеваха, 1995, ННЦ “ІМЕСГ” УААН), Міжнародній науково-технічній конференції “Перспективи розвитку механізації, електрифікації, автоматизації та технічного сервісу сільськогосподарського виробництва” (Глеваха, 1996, ННЦ “ІМЕСГ” УААН), Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха, 2001, ННЦ “ІМЕСГ” УААН), Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха, 2002, ННЦ “ІМЕСГ” УААН), IV-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Механізація і енергетика сільського господарства” MOTOROL 2003 (Київ, 2003, Національний аграрний університет), Всеукраїнській науковій конференції “Шляхи підвищення ефективності використання на удобрення побічної продукції рослинництва” (Чабани, 2003, Інститут землеробства), XI Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха, 2003, ННЦ “ІМЕСГ” УААН), IV Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (Харків, 2003, ХДТУСГ), Міжнародній науково-технічній конференції “Біоекотехнології та біопалива в агропромисловому виробництві” (Київ, 2004, НАУ), Міжнародній науково-технічній конференції “Технологічне та технічне забезпечення сільськогосподарського виробництва” (Мелітополь, 2004, ТДАТА), Міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 70-річчю від дня народження академіка Л.В. Погорілого (Дослідницьке, 2004, УкрНДІПВТ), Міжнародній науково-практичній конференції “АГРОМЕХ-2004” (Дубляни, 2004, ЛДАУ), Міжнародній науково-технічній конференції до 75-річчя факультету механізації сільського господарства НАУ “Ресурсозбереження та енергозбереження в АПК” (Київ, 2004, НАУ).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 31 роботі, із них – 2 індивідуальні брошури. В наукових фахових виданнях надруковано 28 статей. По темі дисертації одержано 3 авторських свідоцтва на винаходи та 4 патенти України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку використаних джерел і 4 додатків. Повний обсяг роботи складає 422 сторінок. Основна частина дисертації викладена на 310 сторінках тексту і включає 90 рисунків та 25 таблиць. Список використаних джерел становить 250 посилань на 24 сторінках. Обсяг додатків складає 83 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Стан біологічної конверсії органічної сировини в агроценозах України” наведено розрахунок балансу гумусу в ґрунтах, які використовуються для сільськогосподарського виробництва при існуючій структурі сівозміни. Аналіз зміни мінералізації та поповнення гумусу за рахунок рослинних залишків, а також дефіциту гумусу показав, що з 1990 по 2002 роки дефіцит гумусу збільшився з 500 до 700 кг/га. В той же час поповнення гумусу за цей період при використанні всього наявного гною, посліду та соломи зменшилося з 800 кг/га до 500 кг/га. Таким чином, розрахункова зміна балансу гумусу змінювалася від позитивної в 1990 році в кількості 300 кг/га до нульової в 1995-1997 роках та негативної у кількості від 200 до 300 кг/га в 2002 році.

За останні роки зменшувалися як загальний вихід гною та посліду, так і урожайність зернових культур. На сучасному етапі забезпеченість органічними добривами фермерських господарств становить менше 1 т/га, сільськогосподарських підприємств – від 2 до 3 т/га, особистих підсобних господарств – від 16 до 17 т/га.

Основним технологічним параметром, що забезпечує реалізацію технологічного процесу виробництва компосту та субстрату за рахунок розвитку термофільних бактерій у компостній суміші та актиноміцетів у компості, а також їстівних грибів, що вирощуються на отриманому субстраті, є відповідно температура суміші, компосту та субстрату. Для забезпечення утримання температури термофільного режиму ферментації компостну суміш укладають у формі куп та буртів, однак це призводить до її самоущільнення під дією власної ваги, зменшення пористості та, відповідно, насиченості киснем повітря й збільшення насиченості вуглекислим газом, що в кінцевому підсумку призводить до різкого зменшення інтенсивності аеробної ферментації та формування зон анаеробного бродіння.

Виробництво субстрату шляхом пастеризації та контрольованої ферментації компосту актиноміцетами проводиться в закритих камерах. Цей процес потребує утримання зміни температури компосту в часі та в обмеженому діапазоні при одночасній подачі свіжого повітря для підтримання заданої концентрації в компості вуглекислого газу. Вироблений субстрат має відповідну щільність, отриману під дією власної ваги, і містить у собі всі складові для росту їстівних грибів, в той же час розвиток міцелію їстівних грибів у субстраті потребує наявності його рівномірного розподілу по об’єму субстрату та послідуючого ущільнення до технологічно заданої щільності.

На протязі року існує невідповідність між параметрами зовнішнього повітря та параметрами мікроклімату культиваційних приміщень, де сконцентровано субстрат для вирощування їстівних грибів. Основою утримання технологічно заданої температури субстрату при заданому значенні концентрації вуглекислого газу в повітрі культиваційного приміщення є його селективність, в той же час змінити температуру субстрату можна лише за рахунок зміни температури повітря, що може призвести до зменшення випаровування вологи грибами та відповідного порушення режиму їх живлення.

Наукова гіпотеза: збільшення виробництва високоякісних та екологічно безпечних продуктів харчування із забезпеченням відтворення родючості ґрунтів може бути здійснено шляхом підвищення якості роботи технічних засобів, що забезпечують проведення початкових стадій біологічної конверсії органічної сировини агроценозів у штучних умовах, та створення необхідних умов для вирощування їстівних грибів у пристосованих культиваційних приміщеннях.

Другий розділ “Розробка і дослідження біологічної конверсії органічної сировини в агроценозах із вирощуванням їстівних грибів” присвячено розробці й дослідженню біологічної конверсії органічної сировини в агроценозах із вирощуванням їстівних грибів. Найбільш простим методом поповнення запасів органічної речовини в ґрунті є залишення на полі подрібненої незернової частини урожаю (НЧУ) з одночасним внесенням відповідних доз азотних добрив. При використанні такого методу необхідно вносити підвищені дози гербіцидів, а також важко витримати оптимальне співвідношення вуглецю до азоту в процесі мікробіологічної ферментації соломи. Традиційним, найбільш поширеним та ефективним є використання НЧУ, найчастіше соломи та лушпиння соняшника в якості підстилки для тварин та птиці з послідуючим використанням суміші як органічного добрива. Перша стадія біоконверсії органічної речовини суміші – гідроліз проходить у тваринницьких приміщеннях та пташниках в умовах достатнього зволоження, а в подальшому підстилковий гній та послід вносяться на поля. Послідуючі стадії біоконверсії підстилкового гною та посліду проходять із залученням ґрунтової мікрофлори. Оскільки в підстилковому гною та посліді часто відсутнє оптимальне співвідношення вуглецю та азоту (рис. 1) під впливом нерозкладеного соломистого гною та посліду, вміст засвоюваного рослинами азоту в ґрунті не тільки не збільшується, а скорочується. Принципово можливо досягти співвідношення вуглецю та азоту в межах від 1:15 до 1:20 шляхом зміни витрати соломи на підстилку для гною ВРХ та свиней. Що стосується пташиного посліду, то цього зробити практично неможливо. Тому пташиний послід, в тому числі підстилковий, необхідно перед внесенням додатково змішувати із соломою та піддавати ферментації.

Рис. 1 – Вплив на співвідношення С/N добових витрат соломи на підстилку

Виробництво їстівних грибів тісно пов’язане з рослинництвом та птахівництвом, оскільки НЧУ зернобобових культур є основними складовими виробництва субстрату для вирощування гливи звичайної, а в комбінації з пташиним послідом – синтетичних субстратів для виробництва печериць. Крім того, для виробництва покривного ґрунту, кількість якого складає біля 20 % від маси субстрату, необхідний торф, поклади якого сконцентровані, в основному в Поліссі, та в незначній кількості в Лісостепу. Ці передумови визначають зону північного Лісостепу, а особливо ті райони, які знаходяться в приміських зонах, як найбільш сприятливу для виробництва печериць, а зону Степу – для виробництва гливи звичайної.

Структурні схеми біоконверсії органічної сировини в агроценозах розроблялися для семипільної сівозміни. У випадку біоконверсії органічної сировини з виробництвом печериць (рис. 2) та виході НЧУ від 1,0 до 1,1 тис. т виробництво компосту вологістю 72 % може становити від 3,9 до 4,0 тисяч тонн. При цьому інтенсивність виробництва грибів (відношення кількості НЧУ або компосту, яка може бути направлена на виробництво грибів без порушення балансу гумусу, до загальної кількості) із використанням відпрацьованого субстрату як органічного добрива може змінюватися від 0 до 100 %. При виході НЧУ від 2,9 до 3,1 т/га вихід компосту вологістю від 70 до 72% може становити від 11 до 12 т/га. Якщо 74 % компосту направити на виробництво грибів, то ресурси органічних добрив становитимуть: компост – від 2 до 3 т/га, відпрацьований субстрат – 5 т/га. При цьому на основі органічних ресурсів сівозміни можна отримати додатково білкової продукції 1100 кг/га.

Для зони Степу при біоконверсії органічної сировини з виробництвом гливи звичайної баланс гумусу в сівозміні може бути досягнутий лише при урожайності озимої пшениці біля 32 ц/га. Інтенсивність виробництва субстрату для реалізації може досягати 25 % при урожайності озимої пшениці в сівозміні на рівні 40 ц/га. В цих же умовах інтенсивність виробництва грибів із використанням відпрацьованого субстрату як органічного добрива може знаходитися на рівні 100 %. При збільшенні урожайності в сівозміні більше 40 ц/га буде спостерігатися позитивний баланс гумусу при рівні інтенсивності виробництва грибів 100 %. При урожайності озимої пшениці 34 ц/га та виході НЧУ від 2,6 до 2,8 т/га принципово можливо на виробництво грибів направити близько 30 % НЧУ з додержанням балансу гумусу в сівозміні. При цьому ресурси органічних добрив становитимуть: компост – 7 т/га, відпрацьований субстрат – 1,7 т/га, а на основі НЧУ сівозміни можна отримати додатково білкової продукції до 550 кг/га.

Біологічна конверсія органічної сировини агроценозів у штучних умовах із вирощуванням їстівних грибів забезпечує максимальний розклад органічної сировини у короткі строки та проведення всіх початкових її стадій без участі ґрунтової мікрофлори, дозволяє максимально інтенсифікувати процес утворення стабільного продукту – первинного гумусу в умовах наближених до оптимальних для кожного виду мікрофлори. Однак відпрацьований субстрат після вирощування грибів не забезпечує відновлення балансу гумусу в сівозміні, оскільки зменшується його кількість.

Виробництво грибів на основі ресурсів органічної сировини призводить до збільшення виробництва продукції та, відповідно, до росту прибутку.

Рис. 2 – Схема біологічної конверсії органічної сировини в агроценозі з виробництвом печериць

Щоб позбавитися впливу площі сівозміни на прибуток, в якості характеристичного критерію використано питомий прибуток – відношення річного прибутку, отриманого сільськогосподарським підприємством до загальної площі сівозміни. Відволікання НЧУ (в основному соломи) для виробництва субстрату та в послідуючому їстівних грибів призводить до зменшення надходження органічної сировини на поля. Максимальний рівень виробництва грибів обмежується нульовим рівнем балансу гумусу в сівозміні, оскільки збереження родючості ґрунтів є вищим пріоритетом порівняно з отриманням прибутків від сільськогосподарського виробництва. Таким чином, фактором, що обмежує максимальне значення питомого прибутку, є рівень виробництва їстівних грибів. Для утримання нульового балансу гумусу в сівозміні рівень виробництва їстівних грибів не повинен перевищувати значення, яке визначається виразом

, (1)

де рівень виробництва грибів – доля НЧУ, направленої на виробництво субстрату для вирощування грибів, відносних од.; площа сівозміни, га; коефіцієнт виходу субстрату з НЧУ, відносних од.; річний вихід НЧУ (в основному соломи), яка використовується у виробництві компосту, т; коефіцієнт виходу компосту з НЧУ, відносних од.; вологість компосту, відносних од.; коефіцієнт гуміфікації компосту, відносних од.; коефіцієнт збільшення маси субстрату за рахунок покривного ґрунту, відносних од.; коефіцієнт зменшення маси субстрату за час вирощування грибів, відносних од.; вологість субстрату, відносних од.; коефіцієнт гуміфікації субстрату, відносних од.; дефіцит гумусу в сівозміні, т/га; надлишок гумусу в сівозміні при використанні компосту, виробленого з усієї наявної НЧУ, т/га; кількість гумусу, яка може бути отримана при використанні компосту, виробленого з усієї наявної НЧУ, т/га; кількість гумусу, яка може бути отримана при використанні субстрату, виробленого з усієї наявної НЧУ, т/га.

При аналізі впливу рівня виробництва грибів на величину питомого прибутку в природнокліматичних зонах скористаємося допущенням, що вихід соломи на один гектар сівозміни в зонах Степу та Лісостепу однаковий (фактична різниця у виході соломи не перевищує 10 %). Це дає можливість визначати вплив рівня виробництва грибів на питомий прибуток незалежно від природнокліматичних зон. У графічному виді залежність балансу гумусу в сівозміні, а також питомого прибутку від рівня виробництва їстівних грибів для господарства зерно-птахівничого напрямку представлена на рисунку 3.

Установлено, що можливість збільшення питомого прибутку за рахунок виробництва їстівних грибів може досягти трикратного значення. Однак у цьому випадку дефіцит гумусу у сівозміні буде становити від 50 до 100 кг/га.

Рис. 3 – Вплив рівня інтенсивності виробництва грибів на баланс

гумусу в сівозміні та питомий прибуток

Нульовий баланс гумусу може бути досягнутий при використанні на виробництво грибів 31 % незернової частини урожаю в зоні Степу та 74 % у зоні Лісостепу. У цьому випадку виробництво печериць у зоні Лісостепу може забезпечити питомий прибуток біля 2000 гривень, а при виробництві гливи у зоні Степу – 1250.

Третій розділ “Дослідження процесів та обґрунтування основних параметрів обладнання для виробництва компосту та субстрату” присвячено визначенню основних параметрів машин та обладнання для виробництва компостів та субстратів. Установлені коефіцієнти ущільнення соломи під час замочування та гідролізу, на основі яких можна розрахувати щільність замоченої соломи та компостної суміші, що дозволяє визначити об’єми майданчика для замочування соломи, тривалість замочування соломи одного циклу, об’єм водозбірника для збору відпрацьованої води під час замочування соломи, розміри майданчика для виробництва компосту.

Під час ферментації компост ущільнюється під дією власної ваги, тому бурти періодично розпушують, одночасно насичуючи компост повітрям та, при необхідності, водою. На основі рішення диференційного рівняння, що описує зміну тиску по висоті бурта, отримано рівняння для визначення тиску компосту в бурті

, (2)

де тиск, Па; початкова щільність компосту без дії зовнішнього тиску, кг/м3; коефіцієнт пропорційності, кг/(м3 Па); висота бурта, м; відстань по висоті до заданого шару бурта, м; прискорення сили тяжіння, м/с2.

Поточне та середнє значення щільності компосту по висоті бурта при пропорційній залежності між щільністю компосту й тиском становлять:

, (3)

, (4)

де відповідно поточна та середня щільність компосту в бурті.

Вважаючи що швидкість розкладу органічної речовини під час ферментації пропорційна кількості нерозкладеної органічної речовини, яка ще може бути розкладена, на основі рішення кінетичного рівняння ферментації органічної сировини в диференційній формі отримано однопараметричне рівняння процесу ферментації, яке визначає вміст органічної речовини, що не розклалася на поточний момент часу:

, (5)

де уміст органічної речовини, що не розклалася на поточний момент часу ферментації, кг; уміст органічної речовини, яка не розкладається під час ферментації, кг; загальний уміст органічної речовини в суміші компонентів на початок ферментації, кг; параметр процесу ферментації, який характеризує її швидкість, діб-1; час ферментації, діб.

В той же час кількість органічної речовини, яка розклалася на поточний момент часу, становить:

. (6)

Привівши кількість органічної речовини, що розклалася на поточний момент часу, до загального вмісту органічної речовини на початок ферментації одержимо формулу для визначення рівня розкладу органічної речовини на поточний момент часу:

, (7)

де максимальний рівень розкладу органічної речовини в процесі ферментації, відносних од.

Враховуючи те, що розрахунковий рівень розкладу органічної сировини під час ферментації згідно розрахункового матеріального балансу становить 63,6 кг на 100 кг органічної речовини вихідної суміші, тобто 63,6 %, кінетичне рівняння процесу ферментації буде мати вигляд:

. (8)

Фактичний рівень розкладу органічної сировини під час ферментації, як правило, не перевищує 55%. Параметр процесу ферментації, який характеризує її швидкість, визначений на основі експериментальних даних для процесу спонтанної ферментації у буртах, становить, а для процесу керованої ферментації у закритих камерах –.

Таким чином, кінетичне рівняння процесу спонтанної ферментації органічної сировини в буртах буде мати вигляд:

, (9)

де час спонтанної ферментації органічної сировини в буртах, діб.

Як правило, у виробництві грибів при підготовці субстрату спочатку проводиться спонтанна ферментація в буртах, а потім – керована ферментація в закритих пастеризаційних камерах. В цьому випадку кінетичне рівняння процесу ферментації матиме вигляд:

. (10)

Коли ж попередня спонтанна ферментація відсутня, а весь процес ферментації проводиться в закритій пастеризаційній камері в керованих умовах, кінетичне рівняння (10) перетворюється у кінетичне рівняння процесу керованої ферментації у закритій пастеризаційній камері і має вигляд:

, (11)

де час керованої ферментації у закритій пастеризаційній камері, діб.

Коли ферментація спочатку проводиться у закритій камері з подальшим проведенням ферментації у буртах, кінетичне рівняння процесу буде мати вигляд:

. (12)

Знайшли подальший розвиток рішення рівнянь, що визначають відносну швидкість руху частинки компосту по поверхні пальця під час розпушування компосту, в тому числі з урахуванням опору повітря, пропорційного квадрату швидкості руху. Встановлено, що з урахуванням початкових умов при роботі барабанно-пальцевого розпушувача компосту та без урахування опору повітря переміщення, відносна швидкість, прискорення та постійні диференційного рівняння становить:

(13)

(14)

(15)

(16)

де відстань від точки перетину перпендикуляра, проведеного з центра обертання з продовженням скошеної частини пальця до поточного положення частинки компосту, м; відносна швидкість частинки компосту, м/с; відносне прискорення руху частинки компосту по пальцю розпушувача, м/с2; постійні диференційного рівняння, м; корені характеристичного рівняння, с-1; час руху частинки по пальцю, с; кутова швидкість барабанно-пальцевого розпушувача, с-1; кут повороту пальця верхнього барабану від горизонтальної осі до виходу з компосту, рад.; кут нахилу пальця відносно радіусу, рад.; коефіцієнт тертя компосту по пальцю, відносних од.; довжина радіальної частини пальця, м.

На торцеві площини шару компосту на пальці розпушувача діють різні за величиною сили, сумарна дія яких забезпечує переміщення компосту по пальцю. Це спричиняє виникнення в шарі компосту розривних зусиль, що за величиною дорівнюють різниці величин сил, діючих на торцеві площини шару компосту. Очевидно, що при цьому в компості у площині, перпендикулярній пальцю, виникнуть внутрішні напруження величиною

, (17)

де внутрішні напруження в шарі компосту на пальці розпушувача, Н/м2; ширина елементарного шару компосту на пальці (подача компосту), м; щільність компосту на пальці, кг/м3.

При відомих значеннях напружень внутрішнього зчеплення компосту, що обумовлюються його фізико-механічними властивостями, можна визначити еквівалентний діаметр частинок компосту, які сходять з пальця, за виразом

, (18)

де площа перетину шару компосту на пальці в площині, перпендикулярній пальцю, м2; мінімальні внутрішні напруження розриву компосту, Н/м2.

Якщо напруження в компості не перевищують опору розриву компосту, то частинка компосту сходить з пальця без розриву, одним цілим. В цьому випадку визначення фактичного значення частоти обертання залежить від технологічно заданого еквівалентного діаметра частинок компосту, що сходять із барабана. Пов’язавши об’єм, що захоплюється пальцем при проходженні через шар компосту, з технологічно заданим еквівалентним діаметром частинок компосту, одержимо вираз для визначення оптимального значення частоти обертання барабана в залежності від конструктивних та технологічних параметрів

, (19)

де частота обертання барабанно-пальцевого розпушувача, хв.-1; швидкість подачі компосту ланцюгово-планчастим транспортером кузовного розкидача, м/с; кількість пальців на одній пластині барабана, шт.; радіус барабана, м; технологічно заданий еквівалентний діаметр частинок розпушеного компосту, м; кут повороту пальця барабана від входу до виходу з компосту, рад.; ширина пальця барабана, м.

При використанні кузовного розкидача органічних добрив в якості базової машини для барабанно-пальцевого розпушувача компосту та кількості пальців на пластинах барабана 4 штуки частота обертання повинна мати значення 217 хв.-1, а при кількості пальців 6 штук – 156 хв.-1.

Дослідження, проведені за допомогою імітаційної моделі, показали, що при збільшенні швидкості обертання барабана швидкість вильоту частинок компосту зростає, що обумовлено збільшенням відцентрової сили інерції. Еквівалентний діаметр частинок компосту при збільшенні швидкості обертання барабана навпаки зменшується, що обумовлено зменшенням об’єму компосту, який поступає на палець при постійній подачі.

Збільшення кількості барабанів при однакових умовах розпушування компосту дозволяє підвищити продуктивність розпушування. Одночасно збільшується і потужність, необхідна для приводу барабанів. В той же час питома енергомісткість при переході від однобарабанного до двохбарабанного розпушувача суттєво зменшується. Використання трьохбарабанного розпушувача порівняно з двохбарабанним у незначній мірі зменшує питому енергомісткість але, в той же час, ускладнює конструкцію розпушувача компосту та збільшує його вартість (рис. 4).

Траєкторія руху частинок компосту в повітряному просторі після сходу з барабанно-пальцевого розпушувача може бути визначена двома методами: або шляхом складання рівняння руху з допущеннями, що дають можливість знайти точне рішення приблизного рівняння руху, або приблизним рішенням рівняння руху. Розвиток та доступність обчислювальної техніки дозволяє скористатися перевагами методу приблизного рішення рівняння руху частинок з урахуванням опору повітря. Для визначення траєкторії руху частинок використано метод послідовного диференціювання, який дає наближене рішення системи рівнянь, що описують рух частинок компосту в повітряному просторі у вигляді степеневого ряду Тейлора, який після перетворень має вигляд:

Рис. 4 – Вплив кількості барабанів на енергомісткість розпушування

(20)

де координати положення частинки компосту, м; абсолютна швидкість сходу частинок компосту з барабанно-пальцевого розпушувача, м/с; початковий кут сходу, рад.; коефіцієнт пропорційності, м-1; час руху частинки по пальцю, с; сума залишкових членів ряду Тейлора, які визначають похибку розрахунку траєкторії польоту частинок компосту, м.

Межі використання рівняння (20) визначаються слідкуючою залежністю:

, (21)

де еквівалентний діаметр частинок компосту, мм.

При початковій швидкості вильоту частинок компосту, більшій ніж визначена за виразом (21), спостерігається коливання та зрив аналітично визначеної траєкторії (рис. 5). В цьому випадку необхідно враховувати в ряді Тейлора при рішенні системи диференційних рівнянь похідні більш високого порядку.

Рис. 5 - Вплив початкової швидкості та еквівалентного діаметра частинок компосту на відхилення траєкторії від параболи

Суттєвою перевагою аналітичного методу послідовного диференціювання є можливість подальшого збільшення точності розрахунку траєкторії при збільшенні кількості членів ряду Тейлора. Система параметричних рівнянь у вигляді степеневих рядів для розрахунку траєкторії польоту частинок з урахуванням опору повітря дозволяє легко моделювати траєкторію за допомогою засобів обчислювальної техніки.

Функціональна залежність між температурою та сумою потоків тепла у часі для умов розігріву субстрату у пастеризаційній камері визначається диференційним рівнянням, яке має вигляд:

, (22)

де температура субстрату, 0С; питома тепломісткість органічної сировини, МДж/кг 0С; час ферментації, діб; максимальна питома теплопродуктивність біохімічних реакцій розкладу глюкози, МДж/кг добу; питома теплота пароутворення, МДж/кг; питома подача водяної пари в камеру, кг/кг добу; питомі втрати тепла через огорожу камери, МДж/кг добу 0С; температура навколишнього повітря, 0С.

Загальне рішення диференційного рівняння (22) при початкових умовах: має вигляд:

, (23)

де початкова температура субстрату, оС.

Питома подача водяної пари в пастеризаційну камеру для розігріву суміші визначається з рівняння динаміки розігріву:

. (24)

Тривалість ферментації органічної суміші у буртах, по закінченні якої іще можливий саморозігрів її у пастеризаційній камері без подачі водяної пари, визначається з умови і становить:

. (25)

Із рівняння динаміки розігріву можна також визначити граничну початкову температуру суміші, нижче якої неможливий саморозігрів до заданої температури без подачі водяної пари в пастеризаційну камеру:

. (26)

Проведені аналітичні та експериментальні дослідження дозволили встановити наступне:

–

–