1. Subject:
Effective biowaste utilization at greenhouse production
Author: Iurii Zvieriev
University:
National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine
Supervisor: Володимир Михайлович Решетюк
Article
Для нормального зростання та розвитку рослин в теплицях необхідно
підтримувати особливий тепловий режим. Водночас в останні роки все більш ясним
стає неминучість енергетичної кризи, особливо в частині вуглеводневого палива.
Традиційні палива отримують з нафти, газу і вугілля. Вважається, що цих природних
ресурсів вистачить не більше ніж на 100 років, при цьому вартість їх видобутку
постійно росте.
В сучасних теплицях застосовується три види обігріву: сонячний, технічний та
біологічний, останній з яких є дуже актуальним в наш час і водночас проблематичним
для реалізації особливо в тепличних господарствах. Використанням побічних продуктів
та відходів сільськогосподарського виробництва, деревообробної промисловості і
різних дикоростучих рослин займаються в багатьох країнах. Можливості їх
застосування визначаються місцем їх одержання, якістю і кількістю.
Відомо, що в процесі вирощування а також після збирання урожаю в промислових
теплицях залишається так звана біологічна маса – в основному бадилля, стеблі, листя.
Їх зазвичай просто вивозяться на смітник чи поле, де їх потрібно спалити чи просто
залишити для перегнивання, що теж вимагає людських і матеріальних затрат. За даними
отриманими на українському тепличному господарстві («Комбінат «Тепличний»),одним
з видів виробництва якого є безпосередньо вирощування томатів у захищеному ґрунті,
на площі угідь – 48.4 га, при насадженні 2.9 – 3.75 стеблів/м2 при пасинкуванні томатів
щорічно залишається 1800 т. бадилля, а після збирання урожаю – 3500 т. Це бадилля
складається зі стеблів, діаметром 7-8 см, а в деяких випадках до 10 см і висотою до 2 м,
які є дуже громіздкими, проблематичними для зберігання чи транспортування.
Отже, перед наведенням можливих варіантів використання цих біовідходів, слід
було провести біологічні дослідження.
В анатомічній будові стебелини томатів особливих відмінностей між видами і
сортами в межах роду не знайдено, за виключенням ширини корової частини стеблини і
величини розташування перициклічних волокон. Невеликі відмінності спостерігаються
також в потужності розвитку деревини та внутрішнього лубу. Конкретним об’єктом
дослідження став саме томат штамбовий, який є достатньо розповсюдженим,
оптимальна температура для росту 22-25°С. Він має прямостоячу, округлу, соковиту,
покриту волосками, трав’янисту, деревинну, товсту стеблину, листки з гофрованою
поверхнею. При дослідженні будови кореня у окремих видів і сортів томатів дуже важко
встановити порівняльну зону, так як коренева система томатів сильно розгалужена.
Будова самої стеблини характеризується наступною структурою: центр занятий
первинною деревиною, кількість променів від двох до п’яти груп. Вторинна деревина
має великі численні судини. Механічна тканина доволі тонкостінна, оболонки середньо
одерев’янілі, а промені мають тонкі целюлозні оболонки.
За розрахунками вологості деревної біомаси - кількісної характеристики, що
показує вміст у біомасі вологи стволову рослину підрозділяють на:
1
2. - мокру (тривалий час перебувала у воді, наприклад при сплаві або сортуванні у
водному басейні, вологість Wp>50%),
- свіжозрубану (зберегла вологу зростаючої рослини, вологість Wp=33..50%);
- повітряно-суху (витримана тривалий час на відкритому повітрі. Під час
перебування на відкритому повітрі дерев’яниста рослина постійно підсихає та її
вологість поступово знижується до стійкої величини, вологість Wp=13..17%);
- кімнатно-суху (тривалий час знаходиться в опалювальному і вентильованому
приміщенні, вологість Wp=7..11%);
- абсолютно суху (висушену при температурі t = 103 ± 2 ° С до постійної маси). У
теплотехніці застосовується тільки відносна, або робоча вологість. Отже відносною або
робочою вологістю називають відношення маси вологи до маси вологої деревини:
WP m m
= - 0 ´100%
m
де, Wp - відносна, або робоча вологість.
m - маса зразка у вологому стані, кг;
m0 - маса того ж зразка, висушеного до постійного значення, кг.
Попередньо висушивши ботву протягом деякого періоду, проведемо розрахунки:
WP1 = 1000 - 61001 ´ 100% = 39%
100% 14%
1000
1000 860WP2 = - 02 ´ =
1000
де, Wp1 – відносна вологість пасинкованої стеблини,
Wp2 – відносна вологість стеблини, що залишилась після збирання урожаю,
m = 1000 г ,
m01 - маса абсолютно сухої пасинкованої стеблини,
m02 - маса абсолютно сухої стеблини, після збирання урожаю.
Аналіз розрахунків показує, що пасинковані стеблини відносяться до
свіжозрубаної рослини з Wp=39%, а бадилля після збирання урожаю – до повітряно-
сухої з Wp=14%
Наступні експериментальні дослідження показують, що пропустивши через
промислову м’ясорубку 1 кг стеблів, що залишилися при пасинкуванні вдалося
вичавити приблизно 85 мл соку, що має темно зелений колір. А виконавши такий самий
експеримент з 1 кг висушеного бадилля, що залишилося після збирання урожаю, було
отримано приблизно 25 мл соку такої ж самої консистенції.
За нашими дослідженнями хімічний аналіз отриманого соку показав, що до його
складу, в різних пропорціях входять такі основні речовини: ефірна олія, таніни, рутин
(вітамін Р), томатідин, фітонциди та глікоалкалоїди.
До найважливіших фізіологічних функцій цих речовин та елементів належать:
1. Ефірні олії є активними метаболітами обмінних процесів, що протікають в
рослинному організмі. На користь цього судження свідчить висока реакційна здатність
терпеноідних і ароматичних сполук, що є основними компонентами ефірних олій.
Ефірні масла при випаровуванні огортають рослина своєрідною «подушкою»,
зменшуючи теплопроніцаемость повітря, що сприяє запобіганню рослини від
надмірного нагрівання вдень і переохолодження вночі, а також регулювання
транспірації. Запахи рослин служать для залучення запилювачів-комах, що сприяє
запиленню квіток. Ефірні масла можуть перешкоджати зараженню патогенними
грибами і бактеріями, а також захищати рослини від поїдання тваринами.
2
3. Ефірні олії та ефіроолійна рослинна сировина володіють найширшим спектром
біологічної активності, причому точкою прикладання дії часто є бронхи, нирки, печінку,
через які вони виводяться з організму. До пріоритетних властивостей слід віднести
наступні ефекти: антимікробні ,протизапальні властивості, спазмолітичну активність,
відхаркувальні властивості, седативну дію,сечогінні властивості, регенеруючу дію.
Наявність ефірного масла першим вказує на те що сік зі стеблини томатів може
володіти репелентними (відлякувальними) властивостями. Репеленти (від лат. Repello -
відганяю, відштовхую) - хімічні речовіні, які відлякують комах, кліщів, гризунів, птахів,
Наприклад диметилфталат, деталі, етиловий ефір a-бромізовалеріанової кислоти.
Найчастіше застосовують репеленти проти комах-кровососів (комарів, ґедзів, мошок та
ін.). Вікорістовують під видом лосьйонів, кремів, аерозолів.Відомі позитивні результати
при лікуванні бджолосімей соком з бадилля помідорів. Сік отриманий пропусканням
бадилля рослин під час їх цвітіння через м'ясорубку наноситься на скло або папір, які
розташовані на дні вулика. Кліщ швидко гинув.
2. Таніни у промисловості використовуються для дублення шкіри та хутра,
приготування чорнила, протруювання текстильних волокон, для додавання різним
напоям терпкості і в’яжучого смаку і як харчовий барвник (E181).
У Південно-Східній Азії жінки фарбують зуби таніносодержащей рідиною.
У медицині таніни знаходять застосування як в'яжучі лікарські засоби, як антидот (при
отруєнні солями свинцю, ртуті та інших), як протидіарейні, кровозупиняючі і
протигемороїдальний засоби.
3. Вітамін Р - Рутин, гесперидин. Користь: Зміцнює стінки капілярів, запобігаючи
утворенню синців. Допомагає попереджати та лікувати кровоточивість ясен. Допомагає
в лікуванні набряків і запаморочення, що викликаються хворобами внутрішнього вуха.
Захворювання, що викликаються дефіцитом вітаміну Р: крихкість капілярів.
4. Томатідин (томатин)– джерело отримання тестостерону, томатин - речовина
складного хімічної будови, з якого синтезуються цінні ліки - кортизон, який
застосовується при лікуванні ревматизму, артриту, нейродерміту, бронхіальної астми та
інших захворювань. Завдяки цьому незаперечним фактом томат нарешті повернув собі
репутацію нешкідливого овоча.
5. Фітонциди (від грец. Φυτóν - «рослина» і лат. Caedo - «вбиваю») - утворені
рослинами біологічно активні речовини, що вбивають або пригнічують ріст і розвиток
бактерій, мікроскопічних грибів, найпростіших вдруге доводять володіння соку стеблин
томатів репелентними властивостями. Фітонциди згубно діють на деяких шкідників і
збудників хвороб овочевих культур. Відвар з пасинків або бадилля використовують у
боротьбі з шкідниками: кліщами, попелицями, клопами, а також гусеницями капустяної
білянки, міллю, луговим метеликом, а в період висаджування розсади у відкритий грунт
- також проти хрестоцвітих блішок.
Виділення ряду фітонцидів посилюється при пошкодженні рослин. Сила і спектр
антимікробної дії фітонцидів вельми різноманітні. Летючі фітонциди знищують
простих (інфузорій), багатьох комах за короткий час (години або хвилини). Фітонциди -
один з чинників природного імунітету рослин (рослини стерилізують себе продуктами
своєї життєдіяльності). Так, фітонциди ялиці вбивають паличку кашлюку (збудника
дизентерії та черевного тифу); соснові фітонциди згубні для палички Коха (збудника
туберкульозу) і для кишкової палички; береза і тополя вражають мікроб золотистого
стафілокока. Захисна роль фітонцидів виявляється не тільки в знищенні
мікроорганізмів, але і в придушенні їх розмноження , а також в стимулюванні
життєдіяльності мікроорганізмів, які є антагоністами патогенних форм для даної
рослини, в відлякуванні комах і т. п. Гектар соснового бору виділяє в атмосферу близько
5 кілограмів летючих фітонцидів на добу, ялівцевого лісу - близько 30 кг / доб,
знижуючи кількість мікрофлори в повітрі. Тому в хвойних лісах (особливо в молодому
сосновому бору) повітря практично стерильне (містить лише близько 200-300
3
4. бактерійних кліток на 1 м ³), що представляє інтерес для покращення екологічного
стану.
6. Глікоалкалоїди являють собою хімічні речовини, в основі яких лежать стероїдні
сполуки. Відома токсичність глікоалкалоїдів для людини. Вони не знищуються при
кип'ятінні, смаженні або висушуванні при високих температурах. Глікоалкалоїди
володіють фунгіцидними (томатин, соланін), моллюскоціднимі (томатин, соласонін,
соламаргін), інсектицидними (деміссін, томатин, соланін, хаконін, лептин, соламаргін,
соласонін), протипухлинними (соламаргін, соласонін, соланін, солаплюмбін),
антизапальними (соласодін, томатин) властивостями. Глікоалкалоїди можуть впливати
на проникність рослинних клітин, прискорюють проростання насіння, ріст і розвиток
рослин, а в збільшених концентраціях можуть їх гальмувати.
Глікоалкалоїди надають подразнюючу дію на слизові оболонки очей, носа,
порожнини рота. При легкому дратівливому дії відбувається посилення секреції всіх
залоз, що сприятливо позначається на бронхах - веде до розрідження мокротиння, що
полегшує і її евакуацію. Разом з тим їх надлишок призводить до подразнення слизової
шлунка і кишечника, вони можуть бути токсичними - викликають нудоту, блювоту,
пронос, запаморочення.
Застосування в техніці: завдяки здатності глікоалкалоїдів утворювати рясну піну,
вони знаходять застосування як детергентів і піноутворюючийх агентів у
вогнегасниках. Їх емульгуючі властивості широко використовуються для стабілізації
різних дисперсних систем (емульсій, суспензій). Їх використовують при приготуванні
халви, кондитерських виробів, пива і шипучих напоїв.
Медицина: Глікоалкалоїди виробляються комерційно як харчові та дієтичні
добавки. У терапевтичній практиці сапоніни використовують як відхаркувальні,
сечогінні, тонізуючі, седативні засоби.
Отже досліджені властивості соку зі стеблин томатів довели доцільність його
використання. Але питання полягає в тому, щоб ефективно утилізувати не тільки сік але
і всю ботву повністю як під час пасинкування так і після збирання урожаю. Найкращим
вирішенням цієї задачі є використання вегетативних біомас рослин як паливо.
Таблиця 1. Теплотехнічні характеристики паливних елементів
4
Паливо
Питома
теплотворність,
кДж/кг
Частка летючих
компонентів у
спалювальній
масі,%
Зольність
повітряно-сухої
маси, %
Кам'яне вугілля 22000 26,3 1,0...17
Кокс 30000 3,8 10Д..19
Буре вугілля 20000 57,6 1,3...17
Рідке паливо 42000 - -
Дерево 15000 70 0,5
Торф 15600 - -
Вегетативна біомаса рослин 14200 80 5,0...6
5. Теплотехнічні характеристики стеблин томатів дуже близькі до теплотехнічних
характеристик дерева та торфу. Але відомо, що в результаті рихлої структури рослинної
сировини (невеликої насипної щільності) швидкість її згорання значно більша, ніж па-
лива з високою щільністю. При великій швидкості згорання рихлої рослинної сировини
значна частина тепла виноситься летючими компонентами продуктів згорання і, крім
цього, при згоранні такої сировини виносяться компоненти продуктів згорання, які
забруднюють навколишнє середовище. Тому при використанні на паливо вказаної
сировини її необхідно попередньо підготувати, тобто ущільнити. Протікання горіння
показано на прикладі соломи різної щільності рис.1. Приведені дані характеризують
протікання процесу горіння двадцятитрьохкілограмової наважки соломи. Аналіз
графіків, приведених на рис.1, показує, що повне згорання солом'яної січки насипною
щільністю 50 кг/м3 протікає за 10... 12 хвилин, тюків щільністю 80 кг/м3 - за 14... 18
хвилин, а брикетів щільністю 500 кг/м3 - за 46...47 хвилин, тобто тривалість повного
згорання брикетів в 3,9... 4,6 разів більша, ніж січки і в 2,6...3,2 раза - ніж тюків, а це
означає, що при спалюванні брикетів значно менше виноситься тепла через зменшення
летючих компонентів продуктів згорання і, разом з тим, менше виноситься речовин, які
забруднюють навколишнє середовище.
Отже, рихлу рослинну сировину для паливних потреб доцільно готувати у вигляді
брикетів. Неутилізовані відходи деревообробки (стружка, опилки), переробки
сільськогосподарської продукції (лузга насіння соняшнику, гречки, проса, рису тощо),
вугільний пил, пересохший гній, торф, пропонуємо додавати до основної рослинної
сировини
Рис.1 Протікання горіння соломи різної щільності
1 - солом'яна січка насипною щільністю 50 кг/м ;
2- тюки із соломи щільністю 80 кг/м3;
3- брикети із соломи щільністю 500 кг/м3.
Для приготування брикетів із рослинної сировини названих додаткових
компонентів підвищить їх теплотехнічні характеристики. Так, наприклад, включення в
склад брикетів 5% пилу кам'яного вугілля дає можливість збільшити питому
теплотворність на 8%. Крім цього, додаткові компоненти сприяють меншому
розширенню брикетів (релаксації) при охолодженні, отже, і більш повному збереженню
вихідної щільності.
В основі технології виробництва паливних біобрикетів лежить процес пресування
шнеком біовідходів під високим тиском при нагріванні від 250 до 350 °С. Отримувані
біобрикети не включають в себе ніяких зв'язуючих речовин, крім одного натурального -
лігніну, що міститься в клітинах рослинних відходів. Але якщо під час брикетування
зціджувати сік, то до подрібненої дерев’янистої суміші необхідно додавати склеювальні
5
6. речовини, які описані вище. Температура, присутня при пресуванні, сприяє оплавленню
поверхні брикетів, яка завдяки цьому стає міцнішою, що важливо для транспортування
брикету. Теплотворність паливного біобрикету вище, ніж у вугілля, а по зольності в
кілька разів нижче його.
Крім того, викиди сірки при спалюванні біобрикетів майже відсутні, що виключає
неприємний запах при горінні і робить його екологічно чистим паливом. Паливні
біобрикети мають широке застосування і можуть використовуватися для всіх видів
топок, промислових котлів, печей, відмінно горять в камінах, печах, грилях та інше.
Великою перевагою брикету є сталість температури при згорянні на протязі до 2-х
годин. Таблиця 2. Порівняння класичного палива з біобрикетами по виділенню СО2
(емісія в повітряний простір при згорянні)
Для виробництва паливних брикетів із біологічних відходів тепличних
виробництв пропонуємо установку для брикетування (рис.2)
Рис.2 Технологічна схема виробництва установки для брикетування біовідходів:
1 - Контейнер 2 - Транспортер 3 - Подрібнювальна машина (місце віджиму та
зберігання соку)
4 - Автоматизований склад 5 - Транспортер 6 - Дробарка 7 - Вентилятор
пневмотранспорту
8 - Матеріалопровід 9 - Циклон 10 - Паливний бункер теплогенератора 11 - Топкове
пристрій теплогенератора
12 - Камера повного спалювання теплогенератора 13 - Змішувальна камера
теплогенератора 14 - Бункер-накопичувач сушильного агрегату 15 - Сушильний агрегат
6
газ вміст СО2 в 15 разів вище
мазут вміст СО2 в 20 разів вище
кокс вміст СО2 в 30 разів вище
вугілля вміст СО2 в 50 разів вище
7. 16 - Матеріалопровід 17 - Бункер-дозатор пресу для брикетування 18 - Прес для
брикетування 19 - Лінія охолодження готової продукції 20 - Пристрій фасування готової
продукції
21 - Мішок 10 - 30 кг 22 - Шафа управління
До складу модульної установки для виробництва паливних брикетів входять
наступні секції (модулі):
I. Модуль підготовки сировини та віджиму соку - тут сировина у вигляді кускових
деревних відходів, не містячи сторонніх включень (таких як камені, метал),
переробляється в подрібнювальній машині, де відбувається віджим соку який стікає в
спеціальній резервуар, далі сировина подається на тимчасовий склад сировини, а потім
подрібнюється в дробарці. Після дробарки подрібнена сировина за допомогою
пневмотранспорту переміщається в наступний модуль.
II. Модуль сушіння сировини - тут попередньо подрібнене в 1-му модулі сировина
потрапляє в бункер-накопичувач сушильного агрегату, а також в паливний бункер
теплогенератора (в якості палива для процесу сушіння) і сушиться в сушильній
установці роторного (барабанного) типу до досягнення заданої вологості, потім за
допомогою пневмотранспорту переміщається в наступний модуль.
III. Модуль брикетування та фасування - тут висушений матеріал потрапляє в
бункер-дозатор пресів для брикетування, а потім подається на преси для брикетування.
Після пресів готові брикети охолоджуються і фасуються в мішки.
Для автоматизації процесу брикетування біовідходів нами розроблено структурну
схему контролю за ходом технологічного процесу (рис. 3)
Індикація і виведення на ПК
поточних значень параметрів
Обробка даних, контроль їх
відхилення від заданих
значень та коректування
оператором або АСУ
Рис.3 Структурна схема вимірювання параметрів процесу брикетування
7
Завдання значень контрольованих
технологічних параметрів
брикетування та роботи пресового
обладнання
підсилення пресування
момент пресування
струм електродвигуна
частота обертання шнеків
положення заслінки завантажувального
пристрою
температура та вологість
рівень засипки в над пресовому бункері
кількість та якість соку
Зміна фактичних значень
контрольованих параметрів
Підсилення і перетворення
сигналів
В АСУТП підприємства
Прес
Комплекс датчиків
Підсилювачі-
нормалізатори сигналів
Виконавчі механізми пресу
Контролер з модулями АЦП
Канал зв’язку
Промисловий комп’ютер
Робоче місце
ОРС сервер SCADA СУБД оператора
8. Рис.4 Структурна схема автоматизованої системи моніторингу і управління
роботою обладнання та технологічного процесу
Автоматизована система повинна включати наступні основні компоненти:
- комплекс датчиків, що встановлюються на прес та інше обладнання
технологічної лінії, а також нормалізатори сигналів;
- контролери для первинної обробки сигналів і перетворення їх в протокол
Ethernet, що є стандартом для передачі даних в комп'ютерних мережах;
- промисловий комп'ютер (сервер), встановлений поблизу робочого місця
оператора, на який встановлюється операційна система, SCADA-система, сервер баз
даних (БД), з нього також здійснюється управління роботою пресу;
- дротову або бездротову комп'ютерну мережу, яка пов'язує між собою датчики,
контролери, сервер і робочі місця.
Економічну доцільність утилізації біовідходів тепличних виробництв можна
обґрунтувати таким чином:
1) Утилізація відходів тепличних виробництв на прикладі «Комбінату
«Тепличний» ≈ 100 € і включає в себе: 7 годин праці транспорту (включаючи вартість
дизельного пального ≈ на 5 км), заробітна платня двох працівників 7 годин та додаткові
витрати.
2) Кількість соку, що може бути отриманий при віджиманні ≈ 87 л зі 3500 т
стеблин після збирання і ≈153 л зі 1800 т стеблин при пасинкуванні.
3) Вартість встановлення лінії для виробництва паливних брикетів
продуктивністю до 700 кг / год (включаючи удосконалення модулем віджимання соку)
≈ 50000€
4) Отже річний обсяг виробництва паливних брикетів складе:
757,14
3500 +1800 =
700
т./рік
5) Собівартість вироблення 1 тони паливних брикетів ≈ 30 € і включає в себе:
електроенергію до 60 кВт, зарплата обслуговуючого персоналу, вартість упаковки тонни
(піддон + плівка), додаткові витрати.
6) Вартість паливних брикетів ≈130…170 €/тону
7) Використання паливних брикетів для продажу ≈ 750 т/рік×130 € ≈ 97500 €
Отже в будь-якому випадку утилізація біовідходів тепличних виробництв, а саме
віджимання соку зі стеблин та виробництво паливних брикетів з них не тільки менше
ніж за рік окупить лінію брикетування але й принесе чималий прибуток, при цьому
майже не забруднюючи навколишнє середовище.
8
