Техніка та енергетика

ШНЕКОВИЙ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИЙ ГІДРОЛІЗЕР ДЛЯ ПЕРЕРОБКИ ПОБІЧНИХ ПРОДУКТІВ ПТАХІВНИЦТВА

Микола Заблодський, Станіслав Ігорович Ковальчук, Володимир Грицюк, Періасамі Субраманіан
Завантажити статтю
Анотація

Використання продуктів переробки кератин-вмісних речовин в різних галузях, включаючи, зокрема, сільське господарство, косметику та біомедицину, потребує вирішення актуальної задачі удосконалення способів і засобів гідротермічного гідролізу кератинових відходів. Метою даної роботи було дослідження шнекового електромеханічного гідролізера для забезпечення режимів ефективного перетворення кератинових відходів у корисний продукт з доданою вартістю. Дослідження ґрунтуються на основних положеннях електродинаміки, тепломасообміну, математичного моделювання методом скінченних елементів і експериментальній перевірці мультифізичних параметрів електромеханічного гідролізера. На експериментальному зразку електромеханічного гідролізера здійснено визначення оптимальних умов гідротермічного гідролізу кератинових відходів щодо забезпечення теплового режиму, транспортування сировини, тиску та впливу магнітного  поля. Як результат переробки було отримано сипуче, гідролізоване пір’яне борошно коричневого кольору, що володіє специфічним запахом. Згідно розмірів електромагнітної системи експериментального зразка побудована математична модель для досліджень теплових і електромагнітних процесів. Визначено закономірності просторового розподілу магнітної індукції для поперечного перерізу, осьового розподілу на поверхні шнеку та верхніх гранях шнекової навивки електромеханічного гідролізера. Отримані тривимірні зображення нагріву шнеку та безпосередньо самого шнекового електромеханічного гідролізера. Порівнянням результатів математичного моделювання та емпіричних досліджень підтверджена адекватність математичної моделі. Результати дослідження можуть знайти застосування в галузі тваринництва при виготовленні кормових добавок підвищеної засвоюваності на потреби годівлі сільськогосподарських тварин та птиці

Ключові слова

кератинова сировина, пір’яне борошно, кінцево-елементний метод, рівняння Максвелла, енергозбереження

ЦИТУВАТИ
Zablodskiy, M., Kovalchuk, S., Gritsyuk, V., & Subramanian, P. (2023). Screw electromechanical hydrolyzer for processing poultry by-products. Machinery & Energetics, 14(1), 36-45. https://doi.org/10.31548/machinery/1.2023.36
Використані джерела

[1] Aliiev, E., Dudin, V., & Linko, M. (2022). Physico-mathematical apparatus for numerical modelling of feed expander. Machinery & Energetics, 13(3), 9-16. doi: 10.31548/machenergy.13(3).2022.9-16.

[2] Arshad, M., Khosa, M.A., Siddique, T., & Ullah, A. (2016). Modified biopolymers as sorbents for the removal of naphthenic acids from oil sands process affected water (OSPW). Chemosphere, 163, 334-341. doi: 10.1016/j.chemosphere.2016.08.015.

[3] Bhari, R., Kaur, M., & Singh, R.S. (2021). Chicken feather waste hydrolysate as a superior biofertilizer in agroindustry. Current Microbiology, 78, 2212-2230. doi: 10.1007/s00284-021-02491-z.

[4] Brassard, P., Godbout, S., & Raghavan, V. (2017). Pyrolysis in auger reactors for biochar and bio-oil production: A review. Biosystems Engineering, 161, 80-92. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2017.06.020.

[5] Campuzano, F., Brown, C.R., & Martínez, J.D. (2019). Auger reactors for pyrolysis of biomass and wastes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 102, 372-409. doi: 10.1016/j.rser.2018.12.014.

[6] Feng, C., Li, Z., Wang, Z., Wang, B., & Wang, Z. (2019). Optimizing torque rheometry parameters for assessing the rheological characteristics and extrusion processability of wood plastic composites. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 32, 123-140. doi: 10.1177/0892705717744828.

[7] Fülöp, G., Domokos, A., Galata, D., Szabó, E., Gyürkés, M., Szabó, B., Farkas, A., Madarász, L., Démuth, B., Lendér, T., Nagy, T., Kovács-Kiss, D., Van der Gucht, F., Marosi, G., & Nagy, Z.K. (2021). Integrated twin-screw wet granulation, continuous vibrational fluid drying and milling: A fully continuous powder to granule line. International Journal of Pharmaceutics, 594, article number 120126. doi: 10.1016/j.ijpharm.2020.120126.

[8] Funke, A., Grandl, R., Ernst, & M., Dahmen, N. (2018). Modelling and improvement of heat transfer coefficient in auger type reactors for fast pyrolysis application. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification, 130, 67-75. doi: 10.1016/j.cep.2018.05.023.

[9] Jalalifar, S., Abbassi, R., Garaniya, V., Salehi, F., Papari, S., Hawboldt, K., & Strezov., V. (2020). CFD analysis of fast pyrolysis process in a pilot-scale auger reactor. Fuel, 273, article number 117782. doi: 10.1016/j.fuel.2020.117782.

[10] Ji, Y., Chen, J., Lv, J., Li, Z., Xing, L., & Ding, S. (2014). Extraction of keratin with ionic liquids from poultry feather. Separation and Purification Technology, 132, 577-583. doi: 10.1016/j.seppur.2014.05.049.

[11] Lee, S.Y., Lai-Yee, P., Aqlima, A., & Peck-Toung, O. (2016). Microwave-alkali treatment of chicken feathers for protein hydrolysate production. Waste and Biomass Valorization, 7, 1147-1157. doi: 10.1007/s12649-016-9483-7.

[12] Luo, T., Hao, S., Chen, X., Wang, J., Yang, Q., Wang, Y., Weng, Y., Wei, H., Zhou, J., & Wang, B. (2016). Development and assessment of kerateine nanoparticles for use as a hemostatic agent. Materials Science & Engineering C-Materials for Biological Applications, 63, 352-358. doi: 10.1016/j.msec.2016.03.007.

[13] Mazlan, M.M., Talib, R.A., Mail, N.F., Taip, F.S., Chin. N.L., Sulaiman, R., Shukri, R., & Mohd Nor, M.Z. (2019). Effects of extrusion variables on corn-mango peel extrudates properties, torque and moisture loss. International Journal of Food Properties, 22, 54-70. doi: 10.1080/10942912.2019.1568458.

[14] Mushtruk, M., Gudzenko, M., Palamarchuk, I., Vasyliv, V., Slobodyanyuk, N., Kuts, A., Nychyk, O., Salavor, O., & Bober, A. (2020). Mathematical modeling of the oil extrusion process with pre-grinding of raw materials in a twin-screw extruder. Potravinarstvo Slovak Journal of Food Sciences, 14, 937-944. doi: 10.5219/1436.

[15] Nadda, A.K., & Sharma, S. (2019). Keratin as a protein biopolymer: Extraction from waste biomass and applications. Berlin: Springer. doi: 10.1007/978-3-030-02901-2.

[16] Nurdiawati, A., Nakhshiniev, B., Zaini, I.N., Saidov, N., Takahashi, F., & Yoshikawa, K. (2018). Characterization of potential liquid fertilizers obtained by hydrothermal treatment of chicken feathers. Environmental Progress & Sustainable Energy, 37(1), 375-382. doi: 10.1002/ep.12688.

[17] Pedrosa, N.D.A., de Andrade, C.J., Petrus, J.C.C., & Monteiro, A.R. (2022). Sequential hydrolysis of chicken feathers composed of ultrasound and enzymatic steps: An enhanced protein source with bioactive peptides. Biomass, 2(4), 237-249. doi: 10.3390/biomass2040016.

[18] Qi, F., & Wright, M.M. (2020). A DEM modeling of biomass fast pyrolysis in a double auger reactor. International Journal of Heat and Mass Transfer, 150(2), article number 119308. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119308.

[19] Saha, S., Arshad, M., Zubair, M., & Ullah, A. (2019). Keratin as a Biopolymer. In: S. Sharma, A. Kumar (Eds.), Keratin as a protein biopolymer (pp. 163-185). Berlin: Springer. doi: 10.1007/978-3-030-02901-2_6.

[20] Shi, X., Ronsse, F., Roegiers, J., & Pieters, J.G. (2019). 3D Eulerian-Eulerian modeling of a screw reactor for biomass thermochemical conversion. Part 1: Solids flow dynamics and back-mixing. Renewable Energy, 143, 1465-1476. doi: 10.1016/j.renene.2019.05.098.

[21] Singha, P., & Muthukumarappan, K. (2016). Effects of processing conditions on the system parameters during single screw extrusion of blend containing apple pomace. The Journal of Food Process Engineering, 40(4), article number e12513. doi: 10.1002/fsn3.534.

[22] Sinkiewicz, I., Śliwińska, A., Staroszczyk, H., & Kołodziejska, I. (2017). Alternative methods of preparation of soluble keratin from chicken feathers. Waste and Biomass Valorization, 8, 1043-1048. doi: 10.1007/s12649-016-9678-y.

[23] Vavrova, K., Wimmerova, L., Knapek, J., Weger, J., Keken, Z., Kastanek, F., & Solcova, O. (2022). Waste feathers processing to liquid fertilizers for sustainable agriculture – LCA. Economic evaluation, and case study. Processes, 10(12), article number 2478. doi: 10.3390/pr10122478.

[24] Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers M. A. (2016). Keratin: Structure, mechanical properties, occurrence in biological organisms, and efforts at bioinspiration. Progress in Materials Science, 76, 229-318. doi: 10.1016/j.pmatsci.2015.06.001.

[25] Zablodskiy, N., Kovalchuk, S., Chuenko, R., Romanenko, O., & Gritsyuk, V. (2021a). The nanofluids application in a twin-screw electromechanical hydrolyser. In 2021 IEEE 21st International Conference on Nanotechnology (NANO) (pp. 108-111). Montreal: IEEE. doi: 10.1109/NANO51122.2021.9514326.

[26] Zablodsky, N., Chuenko, R., Gritsyuk, V., Kovalchuk, S., & Romanenko, O. (2021b). The numerical analysis of electromechanical characteristics of twin-screw electromechanical hydrolyzer. 2021 11th International Conference on Advanced Computer Information Technologies (ACIT) (pp. 130-135). Deggendorf, IEEE. doi: 10.1109/ACIT52158.2021.9548392.