Технология и разработка устройства для определения протеина в кормах высокочастотным методом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Данилочкина, Елена Александровна

• Данилочкина, Елена Александровна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Данилочкина, Елена Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОТЕИНА В КОРМАХ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ И РАЗВИТИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ.

1.1 Содержание протеина в кормах и его влияние на продуктивность и развитие сельскохозяйственных животных.

1.2 Анализ методов определения протеина в воздушно-сухих смесях кормов.

1.3. Связь между влажностью и массовой долей протеина в биологических объектах сельскохозяйственного назначения.

1.4. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ МЕТОДОМ.

2.1. Влияние исследуемой среды на электромагнитное поле витка катушки индуктивности.

2.2. Активная и реактивная составляющие, в свободном пространстве.

2.3. Применение высокочастотного электромагнитного метода для измерения физических параметров дисперсных систем.

ГЛАВА 3. УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.

3.1. Топография электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля катушки индуктивности.

3.2. Принципиальные схемы для индуктивно-емкостного колебательного контура.

3.3. Логическая схема и блок-схема опытной установки для экспресс-анализа содержания массовой доли протеина в воздушно-сухих смесях кормов.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ПО ДИНАМИКЕ ПОСТУПЛЕНИЯ ВОДЫ.

4.1. Выбор оптимальной массы навески исследуемого образца на основе топографии поля.

4.2. Исследование динамики поступления воды в дисперсную систему неорганического происхождения, частицы которой не растворимы в воде.

4.3. Расчет погрешности эксперимента при исследовании дисперсной системы неорганического происхождения.

4.4. Исследование динамики поступления воды в дисперсную систему органического происхождения.

4.5. Исследование динамики поступления воды в дисперсную систему неорганического происхождения, частицы которой растворимы в воде.

4.6. Анализ полученных экспериментальных результатов по динамике поступления воды в дисперсные системы различной природы.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЯ ПРОТЕИНА В ВОЗДУШНО СУХИХ СМЕСЯХ КОРМОВ, ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННОГО УСТРОЙСТВА.

5.1. Технологические операции, проводимые перед измерениями.

5.2. Определение содержания протеина в эталонных двухкомпонентных смесях.

5.3. Определение содержания протеина в эталонных многокомпонентных смесях.

5.4. Хозяйственные испытания и экономическая эффективность от использования устройства.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология и разработка устройства для определения протеина в кормах высокочастотным методом»

Актуальность темы.

Одной из основных задач животноводства является эксплуатация породы на уровне близком к пределу генетических возможностей. В частности, при производстве любой животноводческой продукции (молоко, мясо и т.д.) необходима такая система технологических мероприятий, которая позволяла бы получать максимально возможное количество продукции, предопределяемое генетическим аппаратом данной породы при минимально возможных затратах.

Этим вопросом занимались такие ученые как И. И. Черкащенко, А.П. Калашников, В.В. Щеглова.

Известно, что при эксплуатации породы на уровне близком к её генетическим возможностям резко возрастают расходы на единицу животноводческой продукции.

Известно, что одним из важных технологических мероприятий при производстве животноводческой продукции является кормление, требующее при высоких удоях и при высоком мясном производстве экспрессного анализа кормов. Из большого количества параметров, оценивающих питательность кормов, можно выделить два основных: количество сухого вещества и количество протеина. Эти два параметра являются базовыми, на основе которых по формулам регрессии определяют остальные. Таким образом, рацион при эксплуатации породы на уровне генетических возможностей можно составлять, исходя из количества переваримого протеина и сухого вещества, которые необходимо определять экспрессными методами для более оперативного изменения кормов.

Таким образом, приведенные доводы позволяют установить необходимость поиска методов для более быстрого проведения анализа, по сравнению с существующими методами. Кроме этого, разрабатываемый метод должен позволить его эксплуатацию непосредственно в хозяйствах.

Цель. Разработка технологии и устройства экспресс-анализа содержания протеина в воздушно-сухих смесях кормов для повышения продуктивности при содержании сельскохозяйственных животных.

Объект исследования. Система дисперсных воздушно-сухих смесей кормов помещенных в высокочастотное электромагнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности.

Предмет исследования. Влияние параметров воздушно-сухих смесей кормов на высокочастотное электромагнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности.

Методика исследований. На основании теоретических и экспериментальных исследований построены физическая и математическая модель взаимодействия воздушно-сухих смесей кормов с высокочастотным электромагнитным полем. Оценка точности измерений проводилась на основании среднеквадратичного метода. Результаты определения содержания протеина в воздушно-сухих смесях кормов, полученные с использованием устройства для экспресс-анализа содержания протеина в кормах, сравнивались с результатами, полученными химическим методом (метод Кьельдаля).

Научная гипотеза. Влияние содержания протеина и связанной с ним воды с протеином на высокочастотное электромагнитное поле создаваемое катушкой индуктивности.

Рабочая гипотеза. Измеряя резонансную частоту генератора с пустой капсулой и с помещенным в капсулу образцом, определяем параметр, несущий информацию о свойствах молекул воды в дисперсной системе (параметр О).

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлено влияние динамики поступления воды в дисперсные системы органического и неорганического происхождения на высокочастотное электромагнитное поле; определена связь между отношением разности частот электромагнитного поля к массе исследуемого образца воздушно-сухой смеси кормов и влажностью исследуемого образца. получена зависимость между параметрами высокочастотного электромагнитного поля и содержанием протеина в исследуемом образце воздушно-сухой смеси кормов.

Промышленная ценность. Данный метод позволяет экспрессивно определять содержание протеина в воздушно-сухих смесях кормов, что позволяет быстро решать технологические режимы кормления животных.

На защиту выносятся следующие положения:

- технология и устройство для экспресс-анализа содержания протеина в кормах;

- связь между отношением разности частот электромагнитного поля к массе исследуемого образца воздушно-сухой смеси кормов и влажностью исследуемого образца;

- зависимость между параметрами высокочастотного электромагнитного поля и содержанием протеина в исследуемом образце воздушно-сухой смеси кормов.

Практическая значимость заключается:

- разработана технология и устройство для экспресс-анализа содержания протеина в кормах;

- определена масса навески, высота засыпки, величина размола исследуемого образца для определения протеина в воздушно-сухих смесях кормов.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на внутривузовских конференциях Рязанского государственного агротехнологического университета имени П. А. Костычева и на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Минсельхоза России в номинации «Агроинжерия» в 2008 году и в 2009 году.

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложения, библиографического списка. Работа содержит 122 страницы основного текста, 46 рисунков и 25 таблиц. Библиографический список включает в себя 77 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Данилочкина, Елена Александровна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ и систематизация известных технических решений для определения содержания протеина в воздушно-сухих смесях кормов сельскохозяйственных животных, показал, что использование химических и ядерных методов в лабораторных условиях, позволяет определять содержание протеина со стопроцентной точностью.

2. Исследование высокочастотного электромагнитного поля, создаваемого витком катушки индуктивности, при внесении воздушной среды и диэлектрической среды показали, что изменяется только индуктивная составляющая колебательного контура.

3. Экспериментальными исследованиями было установлено, что разработанное устройство позволяет обеспечивать устойчивую генерацию в диапазоне от 1,5 МГц до 10 МГц с нестабильностью частоты 10"6.

4. На основе топографии поля установили необходимую для исследования массу навески образца 2,5 г. до 4,5 г. И глубину заполнения ампулы в пределах от 5 мм до 9 мм.

5. Исследования динамики поступления воды в дисперсные системы позволили определить параметр С, как параметр, несущий информацию о свойствах молекул воды в дисперсной системе.

Параметр в, как параметр, несущий информацию о свойствах молекул воды в дисперсной системе для органических соединений (комбикорм) с размером фракции 0,215 мм и при влажности от 0% до 40% составляет величину от 17,9-10"5 1/г до 46-10"5 1/г.

Для неорганических соединений (речной песок) с размером фракции 0,215 мм и при влажности от 0% до 17,5% составляет величину от 5,8-10"5 1/г до 39,3-10"5 1/г.

6. По результатам исследования разработана технология для определения протеина в кормах, устройство для экспресс-анализа содержания протеина в воздушно-сухих смесях кормов с погрешностью менее 1 % для фракции с размером частиц менее 0,315 мм.

7. Для воздушно-сухих смесей с высоким содержанием протеина (21%) относительная случайная ошибка а = 0,7%, с низким содержанием протеина ошибка составляет 0,8%, т. е. относительная ошибка метода не превышает 1%.

8. Технико-экономический анализ показал дополнительную прибыль от применения устройства для экспресс-анализа содержания протеина на примере ООО «Заря» Рязанского района, которая составляет 645,3 рублей на одну голову, в целом по хозяйству прибыль от применения устройства составляет 193 590 рублей, срок окупаемости прибора составляет 0,04 года. ООО «Энергоспецоборудование» г. Рязань использует результаты проведенных исследований при разработке серийного образца устройства для экспресс-анализа содержания протеина в воздушно-сухих смесях кормов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Данилочкина, Елена Александровна, 2012 год

1. Аксенов С. И. Магнитный резонанс в биологии и медицине Текст. / С. И. Аксенов-М.: Наука, 1977, с. 11-12.

2. Аксенов С. И. Физиология растений Текст. / С. И. Аксенов, Н. А. Аскоченская, Е. А. Головина, 1977, т. 24.

3. Алесковский В. Б. Физико-химические методы анализа Текст. / В. Б. Алесковский Л.: Химия, 1971.

4. Аликаев В. А. Справочник по контролю кормления и содержания животных Текст. / В. А. Аликаев М.: Колос, 1982.-436 с.

5. Антонченко В. Я. Основы физики воды Текст. / В. Я. Антонченко, А. С. Давыдов, В. В. Ильин Киев. 1991.

6. Аскоченская Н. А. Водные режимы семян, сб. Физиология семян Текст. / Н. А. Аскоченская М.: Наука, 1982, стр. 184-222.

7. Беллами Л., Инфракрасные спектры молекул Текст. / Л. Беллами, пер. с англ. М., 1957;

8. Беляев Ю. К. Надежность технических систем. Справочник Текст. / Ю.К. Беляев, В. А. Богатырев, В. В. Болотин и др. М.: «Радио и связь», 1985.

9. Большой практикум по физиологии растений. Текст. // Под ред. проф. Б. А. Рубина. М.: Высшая школа, 1978, с. 293.

10. Ю.Ботаки А. А. Физика: учебное пособие Текст. / А. А. Ботаки, В. В.

11. Ларионов, Э. В. Поздеева Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - 120 с. 11 .Браславский Д.А. Точность измерительных устройств Текст. / Д. А.

12. Вилков JI. В. Физические методы исследования в химии Текст. / Л. В. Вилков, Ю. А. Пентин -М., 1987

13. Владимиров Н.И. Кормление сельскохозяйственных животных: учебное пособие Текст. / Н.И. Владимиров, Л.Н. Черемнякова, В. Г. Луницин, А.П. Косарев, A.C. Попеляев. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2008. 211 с.

14. Влажность семян и методы ее определения (обзорная информация) Текст. // М.: ВАСХНИЛ, 1977.

15. Горбатов А. А. Установка для измерения малых перемещений и дифференциальной магнитной восприимчивости в сильных магнитных полях Текст. / А. А. Горбатов, С. В. Миронов, А. С. Прохоров, Е. Г. Рудашевский М.:Наука, 1973, с. 53.

16. Грибов Л.А. Введение в молекулярную спектроскопию. М. 1976.

17. Гришин И. И., Клейменов Э. В., Данилочкина Е. А. Измерение массовой доли протеина в воздушно-сухих смесях с помощью электромагнитного поля Текст. // Техника в сельском хозяйстве 2009. - № 6.

18. Гришин И. И., Клейменов Э. В., Данилочкина Е. Исследование массовой доли протеина в многокомпонентных воздушно-сухих смесях кормов с помощью электромагнитного поля Текст. // Техника в сельском хозяйстве -2010.-№5.

19. Гродзинский Д. М. Вестник сельскохозяйственной науки Текст. / Д. М. Гродзинский, О. Ф. Немец, А. Э. Меленевский, В. И. Тихий // № 7, 1983, с. 47.

20. Доссон Р. Справочник биохимика Текст. / Р. Доссон и др М.: Мир, 1991.

21. Достоевский П. П. Справочник ветеринарного врача Текст. / П. П. Достоевский, Н. А. Судаков Киев: Урожай, 1990. - 284с.

22. Дурст Л. Кормление основных видов сельскохозяйственных животных Текст. / Л. Дурст, М. Виттман; пер. с нем. Винница: Нова книга, 2003. 384 с.

23. Ермаков А. И. Методы биохимического исследования растений Текст. / А. И. Ермаков -М.-Л.: Сельхозиздат, 1952.26.3афрен С. Я. Технология приготовления кормов Текст. / С. Я. Зафрен М.: Колос, 1977

24. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. Текст. / Г. Н. Зацепина-М. 1987.28.3ырин Н. Г. Спектральный анализ почв, растений и других биологических объектов Текст. / Н. Г. Зырин, А. И. Обухов МГУ, 1977

25. Казицына Л.А. Применение УФ, ИК, ЯМР и масс-спектроскопии в органической химии Текст. / Л. А. Казицына, Н. Б. Куплетская М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979.

26. Калашников А.П. Нормы и рационы кормления сельскохозяйственных животных Текст. / Н.И. Клейменов, В. В. Щеглов и др. М.: Знание, 1993. -396 с.

27. Карасик В. Р. Физика и техника сильных магнитных полей Текст. / В. Р. Карасик М.: Наука, 1964. - 312 с.

28. Карякин А. В. Состояние воды в органических и неорганических соединениях Текст. / А. В. Карякин, Г. А. Кривенцова М.: 1973.

29. Клаассен К. Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике Текст. / К. Б. Клаассен М.: Постмаркет, 2000. 352 с.

30. Клейменов Э. В. АС №1292675 «Способ определения массовой доли белка в семенах»; Кл. А01С1/00, 1986.

31. Клейменов Э. В. Патент №1803865 «Способ определения протеина в воздушно-сухих кормах»; Кл. О0ШЗЗ/02, 1993.

32. Колебательная спектроскопия. Современные воззрения и тенденции Текст./ под ред. А. Барнса, В. Дж. Орвил-Томаса, пер. с англ., М., 1981

33. Кулешов Н. Н. Биологические основы повышения качества семян сельскохозяйственных растений Текст. / Н. Н. Кулешов -М.: Наука, 1964.

34. Легеза В. Н. Животноводство Текст. / В. Н. Легеза М.: ИРПО; ПрофОбрИздат, 2001;

35. Лундин А. Г. ЯМР-спектроскопия Текст. / А. Г. Лундин, Э. И. Федин. М.: Наука, 1986.-233 с.

36. Лыков А. В. Теория сушки Текст. / А. В. Лыков М.: Энергия, 1968. - 472 с.

37. Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. В 2-х томах Текст. / Дж. К. Максвелл М.: Наука, 1989.

38. Матвеев А. Н. Электродинамика Текст. / А. Н. Матвеев М.: Высшая школа, 1980.

39. Методические указания по отбору проб кормов в колхозах и совхозах на лабораторный анализ Текст. М.: ВИЖ, 1969

40. Мешков И.Н. Электромагнитное поле Текст. / И. Н. Мешков, Б. В. Чириков -М.: 1987, 256 с.

41. Мысик А. Т. Питательность кормов, потребности животных и нормирование кормления Текст. / А. Т. Мысик Зоотехния. - 2005. - №3, с. 17

42. Нормы и рационы кормления сельскохозяйственных животных: справочное пособие Текст. / под ред. А.П. Калашникова, В.Ф. Фисина, В.В. Щеглова, Н.И. Клейменова. 3-е изд., перераб. и доп. М., 2003. 422 с.

43. Пестис В. К. Кормление сельскохозяйственных животных: учеб. пособие для студентов высш. учеб. завед. по специальностям «Ветеринарная медицина», «Зоотехния» Текст./ В.К. Пестис [и др.]; под ред. В.К. Пестиса -Минск: ИВЦ Минфина, 2009. 540 с.

44. Плешков Б.П. Практикум по биохимии растений Текст. / Б. П. Плешков -М.: Колос, 1976, 256 с.

45. Практикум по кормлению сельскохозяйственных животных Текст. / под ред. Петуховой Е.А. М.: Колос, 1977.

46. Привалов П. Л. Вода и ее роль в биологических системах. Текст. // П. Л. Привалов Биофизика 1968. т. 13. №1.51 .Применение комплексной системы оценки кормов в растениеводстве. Текст. // Перевод с немецкого под ред. Попова В. В. М.: Колос, 1962.

47. Разумов В. А. Унификация и стандартизация методов анализа Текст. / В. А. Разумов -М.: МДНТП, 1976, с. 160

48. Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов Текст. / И. А. Рогов. М.: Агропромиздат, 1988. - 272 с.

49. Рядчиков В. Г. Улучшение зерновых белков и их оценка. Текст. / В. Г. Рядчиков М.: Колос, 1978, с. 95.

50. Секанов Ю. П. Влагометрия сельскохозяйственных материалов. Текст. / Ю. П. Секанов-М.: Агропромиздат, 1985.

51. Сергеев Н. М. Спектроскопия ЯМР Текст. / Н. М. Сергеев. М.: Изд-во МГУ,1981.-256 с.

52. Слейчер Р. Водный режим растений Текст. / Р. Слейчер М.: Мир, 1970, 365 с.

53. Соловьев В. А. Элементарные методы обработки результатов измерений Текст. / В. А. Соловьев, В. Е. Яхонтова Д.: ЛГУ, 1977. - 72 с.

54. Спектроскопический способ определения суммарных белков. Практикум по физиологии растений Текст. / Под. ред. Н. Н. Третьякова. М.: Колос,1982, с. 184.

55. Срапенянц Р. А. Электрификация и механизация социалистического сельского хозяйства Текст. / Р. А. Срапенянц // 1976, №4, с. 21-28.

56. Стась И. Е. Электродные процессы в высокочастотном электромагнитном поле // Известия вузов. Химия и химическая технология Текст. / И. Е. Стась, Б. П. Шипунов, Т. С. Ивонина 2003.

57. Тарушкин В. И. Исследование напряженности ориентации семян в селекционной работе Текст. / В. И. Тарушкин Труды МИИСП, вып. 3, ч. 1, т. 9, 1972, с. 91.

58. Тарушкин В. И. Способ разделения семян в электрическом поле. Авторское свидетельство №325749, М., Кл. AOI CI/00, 1972.

59. Тихонов А. Н. Вводные лекции по прикладной математике Текст. / А. Н. Тихонов, Д. П. Костомаров М.: Наука, 1984. 192 с.

60. Тихонов А. Н. Уравнения математической физики Текст. / А. Н. Тихонов,

61. A. А. Самарский М.: Наука, 1972. - 735 с

62. Трубачева Т. В. Результаты селекционной работы при выращивании животных герефордской породы разных внутрипородных типов Текст. / Т.

63. B. Трубачева Зоотехния. 2008-№11.

64. Хохрин С.Н. Кормление сельскохозяйственных животных Текст. / С.Н. Хохрин. М.: Колос, 2004. 692 с.

65. Шкарлет Ю. М. Теоретические и экспериментальные исследования накладных датчиков для контроля изделий методом вихревых токов Текст. // Ю. М. Шкарлет Автореф. дис. канд. техн. наук: 05. 250. М., 1964. 24 с.

66. Шнайдер В. Спектры ЯМР высокого разрешения Текст. / В. Шнайдер, Г. Бернстайн М.: Издательство АН ССССР, 1962, с. 321.

67. Щеглов В. В. Белковое и аминокислотное питание животных Текст. / В. В. Щеглов Минск: Урожай, 1974.

68. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды Текст. / Д. Эйзенберг, В.Кауцман JL: Гидрометиздат, 1975.

69. Эндрю Э. Ядерный магнитный резонанс Текст. / Э. Эндрю М.: Издательство иностранной литературы, 1957, с. 365.

70. Юхневич Г. В. Инфракрасная спектроскопия воды. Текст. / Г. В. Юхневич -М., 1973.

71. Яковчик Н. С., Лопатко А. М. Кормление и содержание высокопродуктивных коров Текст. / Н. С. Яковчик, А. М. Лопатко; под ред. С. И. Плященко. Молодечно: «Тип «Победа», 2005. - 287 с.

72. Hahn Н. L. Phyl. Rev Text. / Н. L. Hahn, 1950, vol. 80, № 4, p. 580-594.

73. Niemann E., Atomic Energy Rev Text. / E. Niemann, 1980, v. 18, p. 125-170.