Переработка отходов пищевых производств: технология и оборудование

В. А. Авроров






                ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ




ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ


Учебное пособие








Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 664.123.6
ББК 36.81
     А21




Рецензенты:
доктор биологических наук, профессор кафедры экологии и техносферной безопасности Пензенского государственного технологического университета
С.  Ю. Ефремова;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой биомедицинской инженерии Пензенского государственного технологического университета
В. А. Чулков




     Авроров, В. А.
А21       Переработка отходов пищевых производств: технология и оборудование : учеб-
     ное пособие / В. А. Авроров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 204 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1253-7

           Приведено описание основных видов побочных продуктов и промышленных отходов свеклосахарной, мясной, молочной, мукомольной и крупяной, соковой, спиртовой и пивоваренной, крахмалопаточной и картофелекрахмальной отраслей промышленности, рассмотрены их характеристики и направления дальнейшей переработки. Дан анализ применяемой технологии и оборудования для переработки свекловичного жома. Отдельная тема посвящена рассмотрению вопросов переработки использованной пластиковой тары и упаковки пищевой продукции. Приведено описание характеристик и свойств пластических масс. Предложена конструктивно-технологическая схема установки для непрерывного силового измельчения упаковки. Рассмотрены возможные варианты вторичного использования измельченных пластиковых отходов для изготовления различных видов технических изделий.
           Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование», «Биотехнологии», а также специалистов предприятий, занимающихся переработкой различных видов органических и пластиковых отходов.

УДК 664.123.6
ББК 36.81










ISBN 978-5-9729-1253-7

          © Авроров В. А., 2023
          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                   © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Предисловие..................................................................5

Тема 1. Основные виды промышленных отходов пищевых производств и направления их переработки.................................................8
1.1. Характеристика побочных продуктов и отходов пищевых производств.........8
1.2. Основные направления переработки побочных продуктов и отходов..........17

Тема 2. Анализ технологии и оборудования для переработки отходов свеклосахарного производства................................................20
2.1. Характеристика отходов свеклосахарного производства....................20
2.2. Анализ технологии и оборудования для первичной обработки свекловичного жома..........................................................29
2.3. Технология и оборудование для сушки отпрессованного жома...............40
2.4. Технология и оборудование для получения готовой продукции из свекловичного жома.......................................................46

Тема 3. Разработка конструкции пресс-компактора для прессования свежего свекловичного жома..................................................63
3.1. Разработка вариантов конструктивно-технологических схем пресс-компактора.63
3.2. Разработка параметрической схемы пресс-компактора......................68
3.3. Оценка технических параметров пресс-компактора.........................72

Тема 4. Анализ процесса влагоотделения из свежего свекловичного жома в пресс-компакторе..........................................................76
4.1. Исследование условий движения свекловичного жома в зоне шнекового движителя...................................................................76
4.2. Анализ взаимодействия жома при его контакте с перфорированной вставкой пресс-компактора............................................................80
4.3. Модель процесса отделения влаги из жома в межвитковом пространстве шнека.83
4.4. Определение размеров диафрагмы и величины прогиба ее лепестков.........86
4.5. Определение степени уплотнения жома в межвитковом пространстве шнека пресс-компактора............................................................87
4.6. Оценка производительности пресс-компактора.............................89

Тема 5. Результаты исследований процесса прессования свежего жома на действующей модели пресс-компактора......................................96
5.1. Методика проведения испытаний и результаты эксперимента................96
5.2. Исследование реологических показателей свекловичного жома..............99
5.3. Оценка величины адгезии свекловичного жома............................103


3

Тема 6. Разработка вариантов машинно-аппаратурных схем и основного оборудования поточных линий для получения пищевых волокон из свекловичного жома....................................................107
6.1. Машинно-аппаратурная схема поточной линии для получения пищевых волокон из гранулированного жома..................................................107
6.2. Оборудование поточной линии по переработке гранулированного жома....113
6.3. Варианты машинно-аппаратурных схем поточных линий для производства пищевых волокон..........................................................147

Тема 7. Технология производства кормовых добавок из отходов растительного и животного происхождения................................................151
7.1. Характеристика органических отходов и способов их обработки.........151
7.2. Совершенствование технологии производства кормовых добавок...........155

Тема 8. Отходы крахмалопаточного производства, их промышленная переработка и использование..............................................159
8.1. Характеристика побочных продуктов и отходов производства кукурузного крахмала..................................................................159
8.2. Технология производства кормов из побочных продуктов и отходов крахмалопаточного производства...........................................164

Тема 9. Отходы картофелекрахмального производства, их переработка и использование..........................................................167
9.1. Технология производства картофельного крахмала......................167
9.2. Характеристика, переработка и использование отходов крахмального производства.............................................................170

Тема 10. Технология и оборудование для переработки пластиковых отходов...173
10.1. Основные виды пластмасс для упаковки пищевой продукции.............173
10.2. Установка для непрерывного измельчения использованной пластиковой упаковки..................................................................178
10.3. Области возможного использования пластиковых отходов и получения из них вторичных технических изделий.............................................182

            ПРЕДИСЛОВИЕ



     Одной из задач пищевой промышленности по обеспечению продовольственной безопасности страны является производство необходимых объемов и широкого ассортимента высококачественных продуктов питания из различных видов животного и растительного сырья. Эта задача связана не только с разработкой ресурсосберегающих технологий и созданием современного энергосберегающего технологического оборудования, но и с решением широкого круга вопросов:
       • по рациональной организации труда на пищевых предприятиях;
       • по разработке и освоению производства новых видов продуктов питания функционального и лечебно-профилактического назначения для разных возрастных групп населения;
       • по экологическим проблемам при переработке отходов и побочных продуктов, многие из которых являются ценными вторичными материальными ресурсами;
       • по безопасной для окружающей среды утилизации ненужных отходов.
     Технический уровень многих пищевых предприятий страны пока еще не отвечает современным требованиям по ресурсо- и энергосбережению, степени автоматизации производства, организации логистики. Некоторые модели оборудования, установленного на предприятиях, нуждаются в модернизации и замене на более современное.
     Существующие технологии переработки сырья в готовую продукцию в отдельных перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса характеризуются значительной долей получаемых отходов. Одним из примеров могут служить побочные продукты и отходы, получаемые при производстве сахара из свеклы. При ее переработке получаются различные виды отходов, основную долю которых составляет свежий свекловичный жом, содержащий ряд полезных веществ, микроэлементов и витаминов, и являющийся необходимым ресурсом для производства различной продукции для ряда отраслей промышленности¹.
     В настоящее время этот вид отходов используется не в полной мере, и большие объемы его продолжают утилизироваться. Это обусловлено тем, что переработка свежего жома в готовые полуфабрикаты для дальнейшего использования требует значительных капитальных затрат свеклосахарных заводов, работающих в краткосрочном режиме после уборки урожая свеклы. Поставка потребителям свежего жома из-за его малого срока хранения нерентабельна. —
¹ Савосина О. А., Крицкая Е. Б. Отходы сахарного производства // Успехи современного естествознания. - 2008. - № 7. - С. 68.


5

    Поэтому создание энергосберегающих способов и оборудования для переработки свекловичного жома в полуфабрикаты и готовую продукцию является актуальной проблемой не только для сахарной отрасли промышленности.
    Во многом аналогичная картина наблюдается и в других отраслях пищевой промышленности.
    В первой теме учебного пособия приводятся характеристики побочных продуктов и промышленных отходов, их физико-механические показатели и рассматриваются основные направления их дальнейшей переработки.
    Вторая, тема посвящена анализу используемой технологии и оборудования для первичной обработки отходов свеклосахарного производства и получению из него готовой продукции. Рассмотрено конструктивное устройство и принцип действия прессового и сушильного оборудования поточных линий. Приведены машинно-аппаратурные схемы линий для сушки свекловичного жома, получения из него пектина, пектинового клея, продуктов из мелассы и пищевых волокон.
    В третьей теме рассматриваются варианты исполнения конструктивнотехнологических схем прессового оборудования. Дано обоснование разработанной конструктивно-технологической схемы вертикального пресс-компак-тора с коническим шнеком и упругой многолепестковой диафрагмой, позволяющей увеличить степень отжима влаги из свежего свекловичного жома. Приведена оценка технических параметров пресс-компактора и эскизные решения его основных элементов.
    Четвертая тема посвящена аналитическому исследованию условий движения свекловичного жома в рабочих зонах пресс-компактора: в межвитковом пространстве шнекового движителя, в зоне шнек - перфорированная вставка, в зоне упругой многолепестковой диафрагмы. Определена ожидаемая величина прогиба лепестков диафрагмы в зависимости от сил осевого давления, оказываемого выходящим из шнека жомом и определяющим степень его обезвоживания.
    В пятой теме приводятся результаты экспериментальных исследований действующей модели пресс-компактора при прессовании влагосодержащего жома. Рассмотрены реологические показатели жома при его прессовании в пресс-компакторе.
    Шестая тема посвящена разработке вариантов исполнений машинно-аппаратурных схем поточных линий для получения пищевых волокон из гранулированного, высушенного и свежего жома. Предложены технические решения по основному оборудованию линий, приведены расчетные параметры и дана характеристика серийных технических средств и устройств для оснащения линий.
    В седьмой теме рассматривается технология производства кормовых добавок из отходов растительного и животного происхождения. Дано описание предложенного способа получения добавок с повышенным содержанием кор

6

мовых единиц. Приводится описание вариантов исполнения поточной линии для производства кормовых добавок, содержащей энергосберегающий нагреватель-стерилизатор с направленным и регулируемым подводом инфракрасного излучения.
    В восьмой теме приводятся описание отходов крахмалопаточного производства, их промышленной переработки и областей использования.
    Девятая, тема посвящена рассмотрению отходов картофелекрахмального производства. Рассмотрена промышленная технология производства картофельного крахмала, получаемые при этом отходы, их характеристика и способы переработки.
    В десятой теме рассматриваются вопросы переработки использованной пластиковой упаковки пищевых продуктов. Дано описание основных видов, характеристик и свойств пластмасс, используемых для изготовления различной упаковочной тары. Рассмотрены области возможного использования пластиковых отходов для изготовления из них вторичных технических изделий. Приводятся варианты линий для переработки пластиковых отходов.
    Данное учебное пособие позволит студентам повысить уровень своих компетенций при решении задач по совершенствованию технологических процессов и оборудования для переработки отходов, получаемых при производстве продукции питания различного назначения и будет способствовать поиску более совершенных малоотходных ресурсосберегающих способов обработки пищевого сырья.
    В результате изучения и освоения материалов тем учебного пособия студенты будут:
      • знать:
         о технологии переработки пищевого сырья и получаемых при этом побочных продуктов и промышленных отходов, их особенности и основные закономерности обработки;
         о устройство и принцип действия машин и аппаратов поточных линий для переработки отходов;
      • уметь:
         о разрабатывать меры по совершенствованию процессов в части рационального использования сырья и снижения объема получаемых побочных продуктов и отходов производства;
         о использовать полученные знания при решении профессиональных задач совершенствования технологических процессов и эксплуатации оборудования;
      • владеть:
         о методами совершенствования процессов и технических объектов.

            Тема 1. Основные виды промышленных отходов пищевых производств и направления их переработки


    1.1. Характеристика побочных продуктов и отходов пищевых производств
    1.2. Основные направления переработки побочных продуктов и отходов Контрольные вопросы


        1.1. Характеристика побочных продуктов и отходов пищевых производств

    Применяемые сегодня в пищевых и перерабатывающих отраслях технологии и оборудование, как бы совершенны они ни были, не могут обеспечить полной и безотходной переработки органического сырья, и всегда, помимо основной продукции, будут иметь место побочные продукты и отходы производства.
    Например, при переработке сахарной свеклы, подсолнечника и других видов сырья образуются ежегодно 28-36 млн т свекловичного жома, около 2 млн т мелассы, более 800 тыс. т жмыха и шрота, до 200 тыс. т подсолнечной лузги, примерно 5,5 млн дал дрожжевых осадков, 40 тыс. т яблочных и 150 тыс. т виноградных выжимок и др.
    Объемы повторной переработки получаемых отходов пока еще незначительны. Так, яблочные выжимки используются для производства пектина лишь на 30 %, дефекат в качестве удобрения для кислых почв всего на 15 %, по-следрожжевая барда на 11 %, подсолнечная лузга лишь на 25-30 % и т. д. [66].
    Поэтому важнейшей проблемой является совершенствование существующих и разработка новых интенсивных технологий и оборудования для того, чтобы существенно увеличить объемы переработки получаемых в отраслях промышленности побочных продуктов и отходов и предупредить тем самым их накопление и утилизацию в отвалах и полях фильтрации.
    Отходы и побочные продукты молочной отрасли промышленности. К вторичным молочным продуктам относятся обезжиренное молоко, пахта и молочная сыворотка. Эти продукты содержат целый комплекс полезных веществ: белки, липиды (молочный жир), углеводы (лактозу), минеральные соли, азотистые соединения, витамины, ферменты, гормоны и органические кислоты.
    Обезжиренное молоко отличается от цельного молока большим содержанием сухого обезжиренного молочного осадка (СОМО) и меньшим количес

8

твом жира. Плотность обезжиренного молока составляет 1000 кг/м³, вязкость 1,71-1,75-10 3 Па-с; теплоемкость 3,978 кДж/(кг-К).
    Пахта получается после сбивания сливок или их непосредственного преобразования в сливочное масло, как побочный продукт. Вязкость пахты составляет 1,65-1,70-10 ³ Па-с; теплоемкость 3,936 кДж/(кг-К).
    Молочная сыворотка является побочным продуктом при производстве сыров, творога и казеина. В сыворотке содержатся 6-6,5 % сухих веществ (СВ); 0,4-0,5 % белка; 4-4,8 % молочного сахара; 0,05-0,4 % жира. Калорийность 1 кг сыворотки составляет 217-233 кал. Объем получаемой сыворотки при производстве сыров составляет 71-81 %.
    Основными продуктами при переработке сыворотки являются молочный сахар, лактоза, сгущенная сыворотка и высушенный порошок.
    Для производства сгущенной и высушенной сыворотки используются выпарные аппараты, пленочные двухвальцовые сушилки и мельницы для размола.
    При производстве комбикормов в сухую сыворотку добавляют отруби, свекловичный жом, барду и другие органические отходы. Для повышения питательной ценности в сыворотку добавляют также дрожжи. Сбраживание осуществляется в вакуум-котлах с последующей сушкой в вальцовой сушилке.
    Сухой порошок сыворотки содержит 39 % белка, 19 % жира, 30 % золы и 12 % безазотистых экстрактивных веществ.
    Отходы и побочные продукты мясной отрасли промышленности. Ежегодно в мясной отрасли РФ образуется около 1 млн т вторичных ресурсов, из которых перерабатывается примерно 20 %.
    К основным видам отходов мясопереработки относятся обрезь, кости, копыта и рога, черепа, шкуры, кровь, шквара, сычуг, ветеринарные конфискаты, отходы консервного и колбасного производств. На боенские отходы приходится примерно 25 % общей массы туш.
    Из отходов животного происхождения получают:
       • мясокостную муку;
       • белковый и белково-жировой концентрат;
       • сухой белково-растительный корм;
       • костный и кормовой полуфабрикат.
    Основной объем перерабатываемых отходов приходится на мясокостную муку (МКМ), идущую на кормовые добавки при производстве комбикормов. Ежегодный объем производства МКМ составляет около 500 тыс. т.
    Виды кормовой муки:
       • мясокостная;
       • костная;
       • кровяная;
       • мясная;
       • перьевая.

9

    Типовая технология получения муки включает ряд операций, основными из которых являются операции измельчения, жироотделения путем шнекового выдавливания или вибрационного воздействия, тепловая обработка, выделение твердой фракции, сушка и дробление.
    Мясокостная мука изготавливается из мясного и костного непищевого сырья. Она содержит протеин 30-50 % по весу и жир до 20 %. Питательность 1 кг мясокостной муки составляет 9,5-11,5 МДж обменной энергии. В состав комбикормов МКМ вводится в объеме от 3 до 10 %.
    Мясная мука содержит 65 % протеина.
    Костная мука содержит 60 % золы, богатой кальцием и фосфором, 1520 % протеина, 10-15 % жира². Белки в муке представлены трудно перевариваемыми коллагенами, поэтому костная мука используется преимущественно как минеральная добавка.
    Кровяную муку получают из крови путем обработки ее паром, прессования, высушивания и размола. Эта мука содержит 73-81 % протеина. Питательность 1 кг кровяной муки составляет 12,4-14,1 МДж.
    Муку из шквары получают из отходов вытопки жиров. Она содержит 55 % протеина, 30-35 % жира, 8 % золы. Служит в качестве добавки в комбикорма в объеме 5-8 %.
    Сырьем для перьевой и мясоперьевой муки служит куриное перо и тушки выбракованной птицы. Сырье подвергают гидролизу в автоклавах при 132 °С в течение трех часов и давлении 0,2 МПа, сушке и размолу. Мука содержит 6080 % протеина.
    Жир животный кормовой получают из непищевого сырья и боенских отходов. В 1 кг жира содержится 3,3-3,5 энергетических кормовых единиц (ЭКЕ).
    Для переработки мясных отходов в отечественной промышленности применяется линия модели Я8-ФОБ-МА20 (ООО «Асконд-промоборудование», Москва). В состав линии входит измельчитель, шнековый пресс, насосы, вибрационный жироотделитель, транспортеры, трехсекционные сушильные блоки, молотковые дробилки, отстойная центрифуга, жировые сепараторы грубой и тонкой очистки, накопительные емкости.
    Технические данные линии:
      •  производительность по сырью, кг/ч: 1000;
      •  давление пара, МПа: 0,4-0,5;
      •  расход пара, кг/ч на 1 т: до 700;
      •  установленная мощность, кВт: 150;
      •  занимаемая площадь, м²: 180.
    Для малых предприятий выпускаются минилинии моделей МЛ-А1 и МЛ-А16-01 производительностью 800 кг сырья в смену.

² Богатырев А. Н. и др. Способ извлечения жира из кости и получение кормовой муки. Патент РФ № 2063419. С11В1/14.1996.

10

    Для получения кормовой костной муки высокой биологической ценности в ВНИИ мясной промышленности имени В. М. Горбатова разработана безотходная технология, позволяющая перерабатывать кости при умеренных температурах сухим способом (без контакта с водой), реализованная в поточной линии модели Я8-ФЛК.
    В линии процесс идет в два этапа: сначала в течение 10-11 мин осуществляется кондуктивный нагрев до 85-90 °C с непрерывным отводом вытопленного жира и соковых паров, затем выполняется фильтрационное центрифуго-вание в течение 3-4 мин при 70-80 °C. Далее обезжиренные кости подвергаются сушке 30-35 мин, измельчению и просеиванию. Эта линия обеспечивает повышенное содержание протеина в среднем на 70 % больше, чем при традиционной технологии.
    К перспективным способам переработки биоотходов относятся экструзионные технологии, обеспечивающие одновременно перемешивание, сжатие, нагревание, стерилизацию и формование продукта при давлении 4-5 МПа, температуре до 200 °C и очень малом времени процесса 20-30 с.
    К отходам мукомольного и крупяного производства относятся пшеничные и ржаные отруби, кормовые мучки, зерновые отходы, мучные сметки, лузга, ячменная полова, кукурузные початки, дробленка от производства круп, сечка гороховая и др.³, ⁴ ⁴
    Пшеничные и ржаные отруби - это побочный продукт при размоле зерна. Состав и питательность отрубей зависит от степени их измельчения и содержания мучнистой части. По степени измельчения отруби делятся на грубые и тонкие, первые содержат больше оболочек и меньше муки, поэтому менее питательны.
    В отрубях содержится 15 % сырого протеина, 3,5-4 % жира, 7,5-10 % клетчатки, кроме того, они богаты фосфором, калием, но бедны кальцием и каротином. 1 кг отрубей соответствует 0,79-0,89 энергетических кормовых единиц (ЭКЕ).
    Отруби вводят в состав комбикормов до 40-50 % (для птицы до 10 % из-за высокого содержания клетчатки). Норма ввода ржаных отрубей в 2 раза ниже, чем пшеничных.
    Кормовые мучки получают при переработке зерна в крупу. В состав му-чек входят плодовые и семенные оболочки, частицы зародышей и эндосперма. Выпускается пшеничная, ячменная, овсяная, просяная, кукурузная и другие мучки. Питательность мучек составляет 0,85-1,12 ЭКЕ. Овсяная и просяная мучки содержат 14-17 % клетчатки.

³ Гайнетдинов М. Ф. Рациональное использование отходов пищевой промышленности в животноводстве. - М: Россельхозиздат, 1979. - 198 с.

⁴ Клименко Л. Т и др. Рациональное использование сырья и отходов пищевой промышленности. - Киев: УкрНИИНТИ, 1980. - 62 с.

11

    Питательность 1 кг мельничной пыли составляет 0,45-0,6 ЭКЕ. Используется при добавлении в объеме 5-10 % в комбикормах.
    Отходы крупяного производства делятся на три категории:
       • к отходам первой категории относятся зерновые отходы с содержанием зерна от 10 до 30 %, мучные сметки;
       • к отходам второй категории относятся отходы с содержанием зерна от 2 до 10 %; лузга гороховая, овсяная и ячменная; полова, стержни початков кукурузы;
       • к отходам третьей категории относятся сход приемного и проход нижнего сита в сепараторах; отходы с содержанием менее 2 % зерна, лузга рисовая, просяная и гречневая.
    Дробленка кормовая - это побочный продукт производства крупы из овса и проса. Представляет собой дробленые ядра в виде прохода через сито № 15 тип 1 и схода с металлотканевого сита № 056 для просяной крупы и прохода через сито № 20 тип 1 и схода с сита № 063 - для овсяной крупы.
    Сечка гороховая является побочным продуктом при производстве лущеного гороха, представляет собой дробленые семядоли гороха, получаемые проходом через сито № 1 тип 1 и сходом с сита № 10.
    Лузга, зерновые отходы измельчаются в вальцовом станке или дробилке.
    Из отходов свеклосахарного производства к наиболее массовым относится свекловичный жом, являющийся ценным вторичным материальным ресурсом для производства различных видов биоматериалов и продуктов (от пищевого пектина и пищевых волокон до биоэтанола и биотоплива).
    Отходы паточного производства. Патока - это продукт неполного гидролиза картофельного или зернового крахмала кислотами или ферментами.
    В результате гидролиза крахмала кислотой получается эмульсия кислого паточного сиропа, содержащая белковые вещества и жир. После нейтрализации раствором кальцинированной соды белки коагулируют, и эмульсия разрушается. Смесь жира и белка называется жиробелковым осадком и подлежит удалению из сиропа с помощью сепараторов или жироотделителей.
    Жиробелковый осадок является отходом производства, содержащим 4560 % влаги, 41,5-42,5 % углеводов, протеина, жира и золы и используется при приготовлении комбикормов.
    Отходы глюкозного производства. При производстве кристаллической глюкозы крахмальная суспензия подвергается гидролизу, нейтрализации и фильтрованию с использованием диатомита. Получаемые при этом диатомитовые отходы содержат жиры, протеины, углеводы, минеральные соли и используются в качестве компонентов при производстве комбикорма.
    Отфильтрованный глюкозный сироп уваривается и далее кристаллизуется. Кристаллы глюкозы отделяются центрифугированием. Из межкристального оттека получают утфель II кристаллизации и при его повторном центри

12