Размещено на http://www.allbest.ru/

ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Розвиток наукових основ технологій первинної переробки волокон льону олійного

05.18.01 - зберігання і технологія переробки зерна, виготовлення зернових і хлібопекарських виробів та комбікормів

Тіхосова Ганна Анатоліївна

ХЕРСОН - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор

Кузьміна Тетяна Олегівна,

Херсонський національний технічний університет,

професор кафедри переробки, стандартизації і сертифікації сировини.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Гілязетдінов Рубіль Нуртдінович, Інститут луб'яних культур НААН України, заступник директора з наукової роботи;

доктор технічних наук, професор Дідух Володимир Федорович, Луцький національний технічний університет, завідувач кафедри сільсько-господарського машинобудування;

доктор технічних наук, професор Пугачевський Григорій Федорович, Київський національний торговельно-економічний університет, професор кафедри товарознавства та експертизи непродовольчих товарів.

Захист відбудеться 26 квітня 2011 року о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.02 в Херсонському національному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон-8, Бериславське шосе, 24, корпус 1, ауд.223.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон-8, Бериславське шосе, 24, корпус 1.

Автореферат розісланий 23 березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.П. Сумська

Загальна характеристика роботи

Протягом останнього десятиліття в усьому світі спостерігається тенденція до збільшення посівних площ, відведених під льон олійний. На даний час вони становлять 3 млн. га. У Канаді та Індії посіви цієї культури сягають 1млн. га. Не є винятком і Україна. Так, з 2002 до 2010 року посівні площі льону олійного в нашій державі зросли більш ніж у 6 разів. У 2002 році в Україні вони становили 9,35 тис. га, а у 2010 році - 60,22 тис. га.

Через відсутність технологій переробки стебел льону олійного солома даної культури зазвичай спалюється. Льон олійний у нашій країні використовується тільки для одержання насіння.

Вченими далекого та близького зарубіжжя Є.Л. Пашиним, В.В. Живетіним, Л.Н. Гінзбургом (Росія), П.Л. Каполетто (Італія), Р. Козловським (Польща) доведено, що волокно льону олійного за довжиною й товщиною придатне не тільки для виробництва змішаної пряжі, а й для виготовлення різноманітних целюлозовмісних матеріалів. Використання стебел льону олійного одночасно з його насінням дасть можливість підвищити рентабельність льоновиробництва. Волокно льону олійного може стати додатковим джерелом сировини для вітчизняних текстильних, целюлозно-паперових, фармацевтичних підприємств, що, у свою чергу, зменшить валютні витрати держави на закупівлю бавовни та целюлози за кордоном.

Актуальність теми. У зв'язку з невідповідністю анатомічної та морфологічної будови стебел льону олійного вимогам існуючих технологій переробки льону-довгунця постає необхідність у розробці наукових основ створення новітніх технологій первинної обробки стебел даної культури з метою одержання волокна, технологічні властивості якого дозволили б використовувати його в різних галузях промислового виробництва.

Для широкого впровадження технологій переробки льону олійного необхідні систематичні дослідження анатомічної та морфологічної будови стебел, фізико-хімічних властивостей волокна, що дасть можливість розробити теоретичні основи прогнозування технологій одержання трести, а також її механічної обробки. На даний час ця проблема не вирішена через відсутність систематизованих даних з технологічної оцінки властивостей стебел льону олійного різних сортів, районованих в Україні.

Враховуючи вищевикладене, важливим та актуальним завданням сьогодення є розробка теоретичних основ створення інноваційних технологій переробки трести льону олійного й визначення сфер застосування одержаного з неї волокна на основі систематизованих досліджень анатомічної, морфологічної та хімічної будови стебел цієї групи льону.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційних досліджень є складовою частиною науково-дослідних робіт, що проводяться кафедрою переробки, стандартизації і сертифікації сировини Херсонського національного технічного університету за темами: "Наукова концепція ресурсозберігаючих технологій одержання целюлозовмісних і біологічно активних матеріалів та альтернативного палива з луб'яних культур", номер державної реєстрації 0107U006784, протокол № 720 від 05.09.2007 р. і "Розроблення ресурсозберігаючих та енергозберігаючих технологій комплексної переробки луб'яних культур", номер державної реєстрації 0107U006817, протокол № 644 від 23.07.2007 р., які затверджено рішенням експертної ради Міністерства освіти і науки України № 25.4/147 від 02.08.2007р., та згідно з науково-технічною програмою на 2008-2010рр. "Олійні культури" № 11.01/001, що затверджена постановою Президії УААН, протокол № 8 від 11.02.2009 р.

Особистий внесок автора полягає в установленні механізму вологопоглинання та вологовіддачі стебел соломи льону олійного, що є вагомим внеском у теорію сушіння та зволоження лубоволокнистих матеріалів, науковому обґрунтуванні концепції механічної обробки трести льону олійного як низькосортної лубоволокнистої сировини на куделеприготувальних агрегатах та розробці теоретичних основ створення інноваційних технологій одержання волокна з льону олійного.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є одержання волокна з льону олійного на основі розробки та впровадження науково обґрунтованих інноваційних технологій приготування трести і її подальшої поглибленої механічної обробки для отримання волокна різного функціонального призначення.

Для розв'язання даної важливої науково-практичної проблеми необхідно:

- на основі вивчення анатомічної, морфологічної та хімічної будови стебел льону олійного теоретично обґрунтувати наукову гіпотезу одержання волокна із стебел з визначеними фізико-механічними параметрами, які зумовлюють різне функціональне призначення даної сировини;

- за допомогою мікробіологічних досліджень процесу перетворення лляної соломи в тресту розробити інноваційну технологію приготування трести із застосуванням штучного зволоження в процесі розстилу соломи льону олійного;

- експериментально підтвердити теоретичні залежності зміни анатомічної структури та хімічного складу лляного волокна в процесі розстилу;

- визначити оптимальні режими первинної переробки трести льону олійного на основі математичного моделювання процесу механічної обробки та визначення фізико-механічних характеристик стебел льону олійного;

- розробити технологію механічної обробки трести льону олійного, провести її апробацію у виробничих умовах і здійснити оцінку економічної ефективності запропонованої технології.

Об'єкт дослідження - процес первинної переробки волокон льону олійного.

Предмет дослідження - волокно льону олійного, одержане за інноваційними технологіями.

первинна треста переробка льон олійний

Методи дослідження. Методологічною основою дисертаційної роботи є новітні методи досліджень із застосуванням ЕОМ у галузі первинної переробки сировини, технології текстильних матеріалів, текстильного матеріалознавства, мікробіології, загальної та колоїдної хімії.

Завдання, поставлені в роботі, вирішувалися за допомогою сучасних методів теоретичних і експериментальних досліджень:

- оцінку якості лляної соломи здійснювали інструментальними методами за ГОСТ 28285-89 "Солома льняная. Требования при заготовках". Вихід лубу визначали ваговим методом. Довжину та діаметр стебел визначали на приладі ДЛ-2М і стебломірі С-2;

- ступінь вилежування трести характеризували показником відокремлюваності, який визначали за ГОСТ 24383-89 "Треста льняная. Требования при заготовках" і ДСТУ 4149: 2003 "Треста лляна. Технічні умови";

- визначення фізико-механічних характеристик волокна льону олійного проводили за ТУ. У.05495816.005 - 2000 "Котонізоване льоноволокно. Технічні умови" та ТУ 17 У 00306710.079 - 2000 "Котонин из короткого льняного волокна. Технические условия";

- міцність волокна визначали за ГОСТ 9394-76 "Волокно льняное короткое. Технические условия" та ДСТУ 5015: 2008 "Волокно лляне коротке. Технічні умови";

- вміст целюлози, лігніну, пектинових речовин у лубі, суровому й вибіленому волокні льону олійного та льону-довгунця визначали методами аналітичного кількісного хімічного аналізу;

- механізм перетворення соломи льону олійного в тресту досліджували за допомогою мікробіологічного аналізу;

- особливості анатомічної будови стебел соломи льону олійного та льону-довгунця визначали з використанням світлової мікроскопії;

- результати експериментальних досліджень обробляли із застосуванням методів математичної статистики за допомогою прикладних програм "Curve Expert 1.3", "MathCAD-2000", "Maple 6.5", "Microsoft Office Exсel 2003 (11.5612.56050)" та "Місгоsoft Оffice Word 2003 (11.5604.5606)".

Наукова новизна одержаних результатів:

розвинуто наукові основи технологій первинної переробки волокон льону олійного, зокрема теоретично обґрунтовано виробництво волокна льону олійного різного функціонального призначення, що базується на впровадженні результатів інноваційних досліджень процесів одержання трести і її механічної обробки з урахуванням особливостей анатомічної, морфологічної будови та хімічного складу стебел даної культури;

вперше запропоновано з метою інтенсифікації процесу видалення пектинових речовин і лігніну із стебел соломи льону олійного застосовувати під час розстилу операції штучного зволоження та обертання соломи, які сприяють прискоренню руйнування зв'язків елементарних волокон з інкрустами;

одержали науковий розвиток теоретичні основи сушіння та зволоження лубоволокнистих матеріалів, а саме, встановлено механізм процесів вологопоглинання й вологовіддачі стебел соломи льону олійного, що дозволяє визначити швидкість вологовіддачі та термін зволоження і є теоретичним підґрунтям створення короткострокового способу приготування трести із стебел соломи льону олійного;

теоретично обґрунтовано нову наукову концепцію механічної обробки трести льону олійного як низькосортної лубоволокнистої сировини, запропоновано модернізацію тіпальних вузлів куделеприготувальних агрегатів і застосування тонкого та грубого чесання для одержання волокна різного функціонального призначення;

розроблено методологію критеріальної оцінки структурних параметрів волокна льону олійного, які визначатимуть його функціональне призначення.

Практичне значення одержаних результатів. Поставлені в роботі наукові завдання вирішено та реалізовано в новому способі приготування трести із застосуванням штучного зволоження та обертання, що дозволяє одержати тресту з необхідними фізико-механічними показниками за скороченим терміном розстилу.

Створено науково обґрунтовану технологію механічної обробки трести льону олійного, яка базується на інтенсифікації процесу тіпання на куделеприготувальному агрегаті та грубому й тонкому чесанні волокон, що дозволяє отримати волокно різного функціонального призначення.

Розроблено технологічні схеми переробки трести льону олійного для одержання кручених виробів, нетканих, текстильних та санітарно-гігієнічних матеріалів, які апробовано у виробничих умовах на ВАТ "Льонокомбінат Старосамбірський", що підтверджено актом впровадження № 3 від 10.01.2010 р.

Теоретичні розробки автора використовують інші науковці для інтерпретації результатів досліджень процесу переробки сировини, одержаної з льону олійного, та визначення групи функціонального призначення волокон цієї культури для виготовлення конкурентоспроможної продукції.

Розроблені теоретичні основи первинної переробки волокон із стебел льону олійного використовуються в процесі підготовки магістрів за спеціальністю 8.091802 - переробка, стандартизація і сертифікація продукції легкої промисловості під час вивчення спеціальних розділів фундаментальних дисциплін: теплотехніки, теорії сушіння та прикладної механіки, основних напрямків наукових досліджень в галузі первинної обробки волокнистих матеріалів.

Розроблені технології одержання трести та волокна з льону олійного застосовуються на передових підприємствах України: Державному підприємстві Дослідного господарства (ДПДГ)"Асканійське" НААН України, с. Тавричанка Каховського району Херсонської області (акт виробничих випробувань № 1 від 20.10.2008 р.), ВАТ "Льонокомбінат Старосамбірський" Львівської області (акт впровадження № 3 від 10.01.2010 р.) і можуть бути реалізовані на інших підприємствах льонопереробної галузі. Очікуваний дохід від переробки стебел трести льону олійного за умови вирощування його в Україні на 60,22 тис. га становитиме 33,90-55,76 млн. грн., при цьому рентабельність переробки буде дорівнювати 52 %, а термін окупності витрат на вирощування та переробку - 1,9 року.

Особистий внесок здобувача полягає в обґрунтуванні гіпотези одержання трести з льону олійного шляхом застосування штучного зволоження й обертання під час розстилу соломи та встановленні впливу цих операцій на структурні й хімічні зміни волокна, розробці науково обґрунтованої технології механічної обробки трести льону олійного з метою одержання волокна різного функціонального призначення, постановці завдань, виборі об'єктів та методів досліджень, організації проведення експериментів, застосуванні методів математичного планування, встановленні закономірностей, формулюванні загальних висновків, розробці та впровадженні запропонованої технології одержання волокна льону олійного. Розроблено теоретичні основи впливу режимів обробки стебел соломи льону олійного, а саме, штучного зволоження на розволокнення луб'яних пучків і зміну властивостей волокна та запропоновано технологію поглибленої механічної обробки трести.

В усіх наукових працях, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належать: формулювання наукових ідей, які підтверджуються експериментальними даними, аналіз та узагальнення результатів роботи, висновки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи було представлено, обговорено й схвалено:

на науково-технічній конференції молодих вчених "Нове в селекції, генетиці, технології вирощування, збирання, переробки та стандартизації луб'яних культур", м. Глухів, 2003 р.;

на IV Всеукраїнській ювілейній науковій конференції молодих вчених та студентів "Наукові розробки на сучасному етапі", м. Київ, 2005 р.;

на IV Міжнародній науково-практичній конференції "Динаміка наукових досліджень-2005", м. Дніпропетровськ, 2005 р.;

на науково-технічній конференції молодих вчених "Актуальні питання розвитку галузей льонарства та коноплярства", м. Глухів, 2006 р.;

на Міжнародній конференції "Проблеми легкої і текстильної промисловості України", м. Херсон, 2008 р.;

на Міжнародній науково-технічній конференції молодих вчених "Інноваційні напрямки в селекції, генетиці, технології вирощування, збирання, переробки і стандартизації технічних культур", м. Глухів, 2008 р.;

на Всеукраїнській науково-практичній конференції "Проблеми якості вітчизняних товарів", м. Луцьк, 2009 р.;

на науково-практичній конференції молодих вчених "Інноваційні напрями в селекції, технології вирощування та переробки технічних культур", м. Глухів, 2009 р.;

на науково-технічній раді ВАТ "Льонокомбінат Старосамбірський", м. Старий Самбір, 2010 р.;

на науковій раді Державного підприємства Дослідного господарства "Асканійське" НААН України, с. Тавричанка, 2010 р.;

на Всеукраїнській науково-практичній конференції "Легкая и текстильная промышленность: современное состояние и перспективы", м. Херсон, 2010 р.;

на ІІ Міжнародній науково-практичній конференції за участю Франції, Польщі, Німеччини, країн Балтії, Росії, Білорусі "Шляхи відродження галузей льонарства і коноплярства та підвищення ефективності їх наукового забезпечення", м. Глухів, 2011 р.;

на міжкафедральних наукових семінарах Херсонського національного технічного університету, м. Херсон, 2005-2010 рр.

Публікації за темою дисертації. Основні положення дисертаційної роботи викладено в 55 публікаціях, у тому числі монографій - 1, статей у провідних фахових наукових виданнях України - 36, навчальних посібників - 3, патентів України - 4, тез доповідей на конференціях - 11.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із загальної характеристики роботи, 6 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Дисертацію викладено на 283 сторінках машинописного тексту, вона містить 77 рисунків, 91 таблицю та 6 додатків на 61 сторінці. Список використаних джерел охоплює 252 найменування.

Основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та завдання досліджень, розкрито наукову новизну й практичне значення одержаних результатів, охарактеризовано об'єкт і методи досліджень.

У першому розділі проведено критичний аналіз літературних джерел за темою дисертації та вибрано напрямки теоретичних досліджень з обґрунтування технологічних процесів й обладнання для переробки стебел льону олійного.

Огляд літературних джерел свідчить, що в Україні з кожним роком збільшуються посіви льону олійного, який майже не культивувався протягом багатьох років у зв'язку з соціально-політичними процесами, які відбувалися в державі. Поширенню цієї культури сприяє великий асортимент сортів, різноманітність властивостей та висока рентабельність.

На даний час посіви льону олійного у світі становлять 3 млн. га. З 2002 до 2010 року посівні площі льону олійного в Україні збільшилися в 6 разів. У 2002 році в нашій державі вони становили 9,35 тис. га, а у 2010 році - 60,22 тис. га.

На рис. 1 наведено динаміку зміни посівних площ, відведених під льон олійний в Україні у 2002-2010 роках.

З наведеної діаграми видно, що останнім часом спостерігається тенденція до стрімкого збільшення посівних площ, відведених під льон олійний, але, на превеликий жаль, ця цінна культура не повною мірою використовується промисловістю. В основному всі наукові дослідження спрямовані на створення нових селекційних сортів льону олійного з метою підвищення якості насіння та на вивчення впливу різних способів сівби на врожайність насіння.

Найбільше зростання посівних площ льону олійного відбувається на півдні України з використанням штучного зрошення. Тому вченими також проводяться дослідження з визначення схеми поливів посівів льону олійного та впливу зрошення на ріст, строки дозрівання цієї культури й урожайність насіння.

Рис. 1. Динаміка зміни посівних площ, відведених під льон олійний в Україні у 2002-2010 рр.

Через відсутність технологій переробки волокна стебла льону олійного зазвичай спалюються. Дана культура в нашій країні використовується тільки для одержання насіння.

Систематизовані наукові дослідження з вирощування, збирання та переробки льону олійного проводяться в ДПДГ "Асканійське", в Інституті землеробства південного регіону Національної академії аграрних наук України, в Одеській національній академії харчових технологій, у Херсонському національному технічному університеті, а також у Костромському державному технологічному університеті разом із Всеросійським науково-дослідним інститутом з переробки луб'яних культур (Росія).

В останні роки тематика наукових досліджень льону олійного розширилася, тому що виникла проблема переробки та використання не тільки насіння, а й соломи цієї культури. Починаючи з 2004 року здійснюються спільні роботи ДПДГ "Асканійське" і Херсонського національного технічного університету з розробки технології комплексної переробки соломи льону олійного. За результатами цих досліджень у 2008 році було отримано патент на спосіб одержання трести із соломи льону олійного в умовах півдня України.

Однак на даний час в існуючих літературних джерелах і каталогах відсутні дані, які характеризували б морфологічні, анатомічні, хімічні та технологічні властивості льону олійного і могли б стати теоретичним підґрунтям прогнозування й розробки технологій одержання трести та її механічної обробки.

Тому в літературно-теоретичній частині дисертаційної роботи зроблено узагальнюючий висновок про необхідність створення наукових основ первинної переробки волокон льону олійного, які повинні базуватися на поглибленому вивченні анатомічної, хімічної й морфологічної будови стебел різних сортів цієї культури, районованих в Україні, та дослідженні їх технологічних властивостей.

Таким чином, аналіз науково-технічної літератури дав можливість сформулювати мету та завдання дисертаційної роботи, що полягають у розробці теоретичних основ створення інноваційних технологій одержання волокна льону олійного й визначення його функціонального призначення.

У другому розділі, який складається з 12 підрозділів, викладено загальну методику та основні методи досліджень. Для підтвердження наукової гіпотези та розвитку теоретичних основ одержання волокна з льону олійного, а також визначення сфер його застосування розроблено узагальнений алгоритм проведення наукових досліджень зі створення інноваційної технології переробки стебел льону олійного, який наведено на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритм проведення наукових досліджень зі створення інноваційної технології переробки стебел льону олійного.

У розділі також подано агротехнологічну характеристику сортів льону олійного, методику проведення польових дослідів, під час яких було використано принцип єдиного розходження. На кожній дослідній ділянці всі агроприйоми з підготовки ґрунту, сівби, догляду за посівами, збирання врожаю льоносоломи виконувалися в один день при дотриманні чистоти дослідів. Повторність у польових дослідах - п'ятиразова, розміщення варіантів - систематичне. Розмір ділянки-повторності - 1 га.

Дослідження анатомічної будови стебел льону здійснювали на основі світлової мікроскопії зрізів волокон за методом В.А. Архангельського з використанням металевих пластин, на яких є невеликі отвори для формування зрізів. Застосований метод кількісного аналізу стебел за площею є класичним для дослідження анатомії рослин.

Аналіз зміни хімічного складу сировини здійснювали за традиційними методиками кількісного хімічного аналізу на всіх етапах її переробки: під час одержання лляної соломи, в процесі росяного мочіння, механічної та хімічної обробки, включаючи виварювання та вибілювання волокна.

Вміст целюлози визначали методом Вільштеттера - ІІІудля, який базується на перетворенні целюлози в глюкозу шляхом гідролізу. Вміст лігніну визначали гідролітично-ваговим методом, вміст пектинових речовин - йодометричним методом.

Під час вилежування лляної соломи здійснювали ретельний контроль за процесом перетворення соломи в тресту шляхом добору проб стебел та інструментального визначення показників відокремлюваності волокна від деревини через певні проміжки часу. Визначення якості трести та волокна проводили за відповідними методиками, викладеними в ГОСТ 24383-89 "Треста льняная. Требования при заготовках", ДСТУ 4149: 2003 "Треста лляна. Технічні умови", ГОСТ 9394-76 "Волокно льняное короткое. Технические условия" та ДСТУ 5015: 2008 "Волокно лляне коротке. Технічні умови". Контроль якості волокна, одержаного після механічної обробки трести льону олійного за розробленою технологією, виконували за методиками, викладеними в ТУ 17 У 00306710.079 - 2000 "Котонин из короткого льняного волокна. Технические условия" та ТУ. У.05495816.005 - 2000 "Котонізоване льоноволокно. Технічні умови". Статистичну обробку результатів досліджень здійснювали із застосуванням методів математичної статистики з використанням персонального комп'ютера та програмних пакетів "Curve Ехрегt 1.3", "МаthCAD-2000", "Maple 6.5", "Microsoft Office Exсel 2003 (11.5612.56050)" та "Місrоsoft Оffice Word 2003 (11.5604.5606)".

У розділі подано опис методів мікробіологічних досліджень видового та кількісного складу мікрофлори лляної соломи в динаміці процесу перетворення лляної соломи в тресту. Для визначення кількісного складу целюлозоруйнівної мікрофлори користувалися методом граничних розведень. Видовий склад мікроорганізмів досліджували за допомогою чашкового методу, для чого було використано сусло-агар та картопляно-глюкозний агар. Кількісний склад мікрофлори визначали за ступенем розкладу фільтрувального паперу та підраховували кількість життєздатних клітин згідно з таблицями Мак-Креді.

У третьому розділі розглянуто теоретичні основи розробки технологічних процесів одержання трести із соломи льону олійного в умовах півдня України. Висвітлено недоліки технологічного процесу розстилання лляної соломи на льонищі. З метою розробки технології перетворення соломи льону олійного в тресту проведено порівняльні дослідження анатомічної будови стебел цієї групи льону та льону-довгунця. Виявлені основні технологічні відмінності та ознаки льону олійного дозволили внести корективи в технологію приготування лляної трести, визначити оптимальні параметри й режими росяного мочіння соломи льону олійного на льонищі порівняно з льоном-довгунцем.

Встановлено, що такі особливості анатомічної будови, як вузькі луб'яні пучки, тонкостінні волокна овальної витягнутої форми з великим каналом, різко вираженою шаруватістю та широкими, часто здерев'янілими серединними пластинками зумовлюють більш низький вихід волокна з льону олійного порівняно з льоном-довгунцем. На основі електронної мікроскопії поперечних зрізів стебел льону-довгунця та льону олійного було отримано схеми анатомічної будови цих двох груп льону, які зображено на рис.3 і подано в додатку Е дисертації для 9-ти сортів льону олійного, районованих на півдні України.

ЛЬОН-ДОВГУНЕЦЬ ЛЬОН ОЛІЙНИЙ

Рис. 3. Схема анатомічної будови стебел льону-довгунця та льону олійного:

1 - кутикула;

2 - епідерміс;

3 - корова паренхіма;

4 - елементарні волокна;

5 - серединні пластинки;

5* - здерев'янілі серединні пластинки;

5** - кути здерев'яніння;

6 - луб'яна паренхіма;

7 - камбій;

8 - деревина;

9 - серцевина.

У результаті проведених досліджень анатомічної будови льону олійного та льону-довгунця визначено різницю між двома групами льону й зроблено важливі теоретичні припущення щодо факторів, які впливають на характер перебігу технологічного процесу росяного мочіння льону олійного.

Показано, що в стеблах льону олійного здерев'яніння серединних пластинок виражено сильніше, ніж у стеблах льону-довгунця, що пов'язано зі збиранням цієї культури у фазі повної стиглості насіння. Міцність паренхіматичного шару від окоренка до верхівкової частини стебла у льону олійного збільшується, що ускладнює відокремлювання волокна від деревини у верхівковій частині порівняно з прикореневою. У льону-довгунця ця закономірність виражена значно меншою мірою.

Під час розробки технології одержання трести із соломи льону олійного досліджувався хімічний склад лубу, волокна, виділеного з трести, та вибіленого волокна. Аналіз хімічного складу дозволив зробити висновок, що значні відмінності спостерігаються не лише в анатомічній будові, а й у вмісті целюлози, лігніну та пектинових речовин у льоні олійному й льоні-довгунці.

Порівняльний аналіз вмісту хімічних компонентів здійснювався для трьох сортів льону олійного: Південна ніч, Айсберг і Дебют селекції Інституту олійних культур НААНУ (м. Запоріжжя) та льону-довгунця сорту Чарівний селекції Інституту луб'яних культур НААНУ (м. Глухів). У табл.1-3 сорт льону-довгунця виділено.

У результаті хімічного аналізу лубу (табл.1) встановлено, що вміст целюлози в стеблах льону обох груп приблизно однаковий і становить для льону-довгунця 64,99 %, а для льону олійного - у середньому 61,90 %. Вміст лігніну в льоні-довгунці дорівнює 4,59 %, тоді як для досліджуваних сортів льону олійного цей показник у середньому становить 1,96 %, тобто в 2,34 рази менше. За вмістом пектинових речовин також помітні суттєві відмінності між двома групами льону. У льоні олійному в середньому міститься приблизно 9,83% пектинових речовин, а у льоні-довгунці - 6,90 %, тобто в 1,42 рази менше.

Таблиця 1

Хімічний склад лубу, виділеного з лляної соломи

Селекційний сорт льону	Вміст, %
	целюлоза	лігнін	пектинові речовини
Чарівний (льон-довгунець)	64,99	4,59	6,90
Південна ніч	54,58	1,89	8,85
Айсберг	67,33	2,09	12,18
Дебют	63,79	1,90	8,47

Аналізуючи результати визначення хімічного складу лубу, можна зробити важливе теоретичне припущення: оскільки вміст пектинових речовин у стеблах льону олійного значно вище, ніж у стеблах льону-довгунця, то технологія приготування трести із соломи льону олійного потребує застосування більш жорстких режимів обробки.

Під час хімічного аналізу волокна, виділеного з трести (табл. 2), встановлено, що вміст целюлози в льоні олійному становить 67,61 %, а в льоні-довгунці - 69,81 %, тобто значення цього показника збільшилося порівняно з лубом на 5,71 % для льону олійного та на 4,82 % для льону-довгунця. Кількість лігніну та пектинових речовин, навпаки, зменшилася для льону олійного на 0,30 % і 2,74 %, а для льону-довгунця - на 0,50 % і 1,76 % відповідно.

Аналіз хімічного складу вибіленого волокна (табл. 3) показав, що вміст целюлози в льоні олійному збільшився на 27,60 %, тоді як у льоні-довгунці, навпаки, відбулося зменшення вмісту цього компонента на 27,42 % порівняно з волокном, одержаним з трести (табл. 2).

Кількість лігніну в льоні олійному зменшилася порівняно з льоном-довгунцем у 1,56 рази. Крім того, волокно льону-довгунця після вибілювання характеризується повною відсутністю пектинових речовин.

Таблиця 2

Хімічний склад волокна, виділеного з лляної трести

Селекційний сорт льону	Вміст, %
	целюлоза	лігнін	пектинові речовини
Чарівний (льон-довгунець)	69,81	4,09	5,14
Південна ніч	61,28	1,24	7,65
Айсберг	73,17	1,54	6,26
Дебют	68,38	2,21	7,37

Таблиця 3

Хімічний склад вибіленого лляного волокна

Селекційний сорт льону	Вміст, %
	целюлоза	лігнін	пектинові речовини
Чарівний (льон-довгунець)	42,39	1,09	відсутні
Південна ніч	98,45	0,84	залишки
Айсберг	92,40	0,67	залишки
Дебют	94,79	0,59	залишки

Таким чином, встановлені основні відмінні характеристики анатомічної будови й хімічного складу льону олійного та льону-довгунця стали теоретичним підґрунтям для розробки нового способу одержання трести в кліматичних умовах півдня України.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень, спрямованих на розробку технологічного процесу приготування трести із соломи льону олійного. У результаті проведених попередніх досліджень виявлено, що одержати волокно льону олійного, придатне для використання в різних галузях промисловості, можливо тільки з трести.

Єдиним способом одержання трести із соломи льону в нашій країні є розстил. При цьому розстил льону-довгунця проводиться в західних областях, чому сприяють відповідні для цієї території погодні умови. Так, у серпні-вересні, коли здійснюється розстил льону-довгунця, середньодобова температура повітря в даному регіоні коливається в межах 16-21°С, а вологість становить приблизно 40-60 %, що є оптимальними умовами для розвитку пектиноруйнівної мікрофлори, а отже і для проходження технологічного процесу росяного мочіння. Крім того, технологію приготування трести льону-довгунця в західних областях вивчено достатньо, здійснено ґрунтовні теоретичні й практичні дослідження з інтенсифікації та вдосконалення даного процесу.

Однак для півдня України, де вирощують льон олійний, не розроблено екологічні технологічні прийоми розстилу соломи даної групи льону, не досліджено мікробіологічні процеси, які відбуваються під час росяного мочіння, не визначено фізичні та хімічні фактори, за допомогою яких можна пригнічувати або інтенсифікувати розвиток тих чи інших мікроорганізмів. Слід зазначити, що головною перешкодою для нормального перебігу процесу розстилу є несприятливі кліматичні умови півдня України. Метеорологічні умови на півдні України в липні-серпні 2005-2008 рр. свідчать про те, що при достатньо високій денній температурі повітря 31,5-35,0°С та низькій відносній вологості повітря 28,5-31,0 % біологічний процес перетворення лляної соломи в тресту проходити не буде, оскільки він відбувається під дією анаеробних та аеробних бактерій і грибів. Ці мікроорганізми розвиваються на поверхні стебел при відносній вологості повітря 60 % і температурі 15-20°С. На основі теоретичних досліджень, враховуючи особливості анатомічної будови та хімічного складу льону олійного, у роботі було зроблено висновок, що одним із шляхів створення цих умов є застосування штучного зволоження.

З метою визначення оптимальних параметрів зволоження розісланих на льонищі стрічок льону олійного було досліджено динаміку вологопоглинання стебел протягом 90 хвилин з інтервалом у 10 хвилин. Через кожні 10 хвилин зволоження за методикою Б.А. Доспєхова відбиралися по п'ять проб стебел масою 10 г з різних ділянок льонища. Зважування здійснювалося окремо для кожної проби до зволоження і її початкова маса вважалася масою абсолютно сухого матеріалу, оскільки всі проби підсушувалися до досягнення постійної маси. Через певні проміжки часу проби зважувались і ця маса вважалася масою мокрого матеріалу.

Результати проведених досліджень було математично оброблено за допомогою програмних пакетів "MathCAD-2000" та "Curve Expert 1.3". На основі одержаних даних було здійснено математичні розрахунки для вибору найкращої функції, яка з найбільшою ймовірністю відображала б залежність відносної вологості стебел від терміну зволоження.

У результаті математичної обробки експериментальних даних, отриманих під час дослідження процесу вологопоглинання стеблами льону олійного сорту Південна ніч, було одержано 17 математичних моделей, 9 з яких мали доволі високий коефіцієнт кореляції (r>0,95) та мінімальне середнє квадратичне відхилення (S), що є достатніми для проведення технологічних розрахунків (табл.4). Аналогічним чином було отримано математичні моделі процесу вологопоглинання для льону олійного сортів Айсберг - 9 моделей, Дебют - 8 моделей та льону-довгунця сорту Чарівний - 8 моделей.

Для використання одержаних залежностей як трендової моделі з метою прогнозування динаміки технологічного процесу було вибрано найкращу з вищезазначених моделей. Для всіх досліджуваних сортів льону як математичну модель використано раціональну функцію (1), що має найкращі показники коефіцієнтів кореляції та середнє квадратичне відхилення, які наведено в табл. 5.

(1)

Таблиця 4. Математичні моделі процесу вологопоглинання для стебел соломи льону олійного сорту Південна ніч

№	Математична модель вологопоглинання	Коефіцієнт кореляції, r	Середнє квадратичне відхилення, S
1.		0,999	2,096
2.		0,994	4,691
3.		0,991	5,708
4.		0,984	8,686
5.		0,964	10,362
6.		0,967	10,562
7.		0,964	11,099
8.		0,963	11,299
9.		0,964	11,995

Таблиця 5. Математичні моделі процесу вологопоглинання для стебел соломи досліджуваних сортів льону

№	Сорт льону	Математична модель вологопоглинання	Коефіцієнт кореляції, r	Середнє квадратичне відхилення, S
1.	Південна ніч		0,999	2,096
2.	Айсберг		0,999	1,951
3.	Дебют		0,999	1,805
4.	Чарівний (льон-довгунець)		0,999	2,254

Аналізуючи залежність відносної вологості стебел соломи льону від терміну зволоження (рис. 4), можна зробити висновок, що процес вологопоглинання в обох групах льону відбувається майже однаково й не залежить від групи льону та від сорту. Результати дослідження процесу вологопоглинання стеблами льону олійного свідчать, що вологість 98,5-101,1 % досягається за 10 хвилин зволоження.

За цей проміжок часу простежується перша критична точка, де крива вологості має перший перегин. Це свідчить, що після 10 хвилин зволоження закінчується адсорбція вільної вологи й починається поглинання зв'язаної вологи.

Рис. 4. Залежність відносної вологості стебел соломи льону від терміну зволоження: 1 - льон олійний сорту Південна ніч; 2 - льон олійний сорту Айсберг; 3 - льон олійний сорту Дебют; 4 - льон-довгунець сорту Чарівний.

Для більш точного визначення оптимального терміну вологопоглинання адсорбційної вологи було проведено математичні розрахунки швидкості вологопоглинання й визначено найкращі моделі, які описують даний процес.

Під час математичної обробки результатів дослідження було одержано близько 20 моделей для кожного досліджуваного сорту. Виключивши залежності, що мають точки розривів у технологічному інтервалі та проаналізувавши математичні моделі, які залишилися, за важливими показниками було обрано моделі, що найкраще описують динаміку зміни швидкості вологопоглинання. Як виявилося, найкраще описують динаміку зміни швидкості вологопоглинання функціональні залежності Ехроnential Fit (2) та Modified Power (3):

(2), (3)

Залежності швидкості вологопоглинання від терміну зволоження наведено на рис. 5 та описано рівняннями (4-7).

Рис. 5. Залежність швидкості вологопоглинання від терміну зволоження стебел льону:

1 - льон олійний сорту Південна ніч; 2 - льон олійний сорту Айсберг; 3 - льон олійний сорту Дебют; 4 - льон-довгунець сорту Чарівний.

Для льону олійного сорту Південна ніч:

(4)

Коефіцієнт кореляції r = 0,985, середнє квадратичне відхилення S =0,493.

Для льону олійного сорту Айсберг:

(5)

Коефіцієнт кореляції r = 0,986, середнє квадратичне відхилення S =0,469.

Для льону олійного сорту Дебют:

(6)

Коефіцієнт кореляції r = 0, 979, середнє квадратичне відхилення S=0,553.

Для льону-довгунця сорту Чарівний:

(7)

Коефіцієнт кореляції r = 0, 976, середнє квадратичне відхилення S=0,594.

Аналіз кривих швидкості вологопоглинання свідчить, що на початку зволоження швидкість накопичення вологи стеблами стрімко зростає, потім вона зменшується і починаючи з 10 до 90 хвилин накопичення вологи відбувається дуже повільно. З наукової точки зору це пояснюється тим, що на початку процесу поглинається адсорбційна волога. Саме ця волога на поверхні стебел льону буде мати вирішальне значення для перебігу біологічного процесу розвитку пектиноруйнівних мікроорганізмів. Подальше зволоження стебел льону показало, що процес вологопоглинання поступово уповільнюється у зв'язку з тим, що волога дифундує всередину мікрокапілярів. На нашу думку, ця волога не буде брати участі в мікробіологічних процесах, тому подальше зволоження є недоцільним.

Враховуючи особливості кліматичних умов півдня України, паралельно з дослідженням процесу вологопоглинання в роботі було досліджено зворотний процес - вологовіддачу адсорбційної вологи - з метою з'ясування того, як довго буде утримуватися волога на стеблах соломи і чи достатньо здійснювати одноразове зволоження на початку процесу одержання трести із соломи льону олійного.

У результаті математичної обробки експериментальних даних було отримано математичні моделі процесу вологовіддачі. Виключивши моделі з недостатнім значенням коефіцієнта кореляції, для льону олійного сорту Південна ніч одержали 6 моделей, сорту Айсберг - 9 моделей, сорту Дебют - 12 моделей, а для льону-довгунця сорту Чарівний - 3 моделі. Зазначені моделі мають високий ступінь кореляції та мінімальне середнє квадратичне відхилення, які є достатніми для проведення інженерних розрахунків, що найбільш достовірно описують характер перебігу даного процесу (табл.6). Графічне зображення цих моделей в одному масштабі наведено на рис.6.

Таблиця 6. Математичні моделі процесу вологовіддачі для стебел досліджуваних сортів льону

Сорт льону	Математична модель вологовіддачі	Коефіцієнт кореляції, r	Середнє квадратичне відхилення, S
Південна ніч		0,998	1,697
Айсберг		0,972	5,526
Дебют		0,974	5,164
Чарівний (льон-довгунець)		0,978	4,764

Рис. 6. Залежність вологовіддачі стебел льону від терміну розстилу:

1 - льон олійний сорту Південна ніч; 2 - льон олійний сорту Айсберг;

3 - льон олійний сорту Дебют; 4 - льон-довгунець сорту Чарівний.

Аналіз даних табл.6 та рис.6 свідчить, що через 12 годин після зволоження вологість розісланих стебел льону досліджуваних сортів у середньому становить 30 %. З плином часу вологість розісланих стебел льону поступово зменшується і через 24 години дорівнює їх початковій вологості. Тому додаткове зволоження, як показують результати проведених досліджень, потрібно здійснювати не пізніше ніж через 12 годин після першого зволоження.

Виходячи з цього, можна зробити висновок, що в умовах півдня України одноразове зволоження на початку технологічного процесу перетворення соломи в тресту є недостатнім.

Таким чином, аналіз кривих швидкості вологовіддачі дає можливість визначити оптимальні терміни та режими зволоження соломи льону в динаміці процесу розстилу в умовах півдня України і необхідну кількість операцій зволоження. Однак для того, щоб дати об'єктивну оцінку ефективності застосування операцій штучного зволоження, необхідно виявити їх вплив на перебіг мікробіологічних процесів, які відбуваються на стеблах льону під час перетворення соломи в тресту.

Для підтвердження позитивного впливу штучного зволоження на процес приготування трести із соломи льону олійного паралельно з дослідженнями процесів сорбції та десорбції вологи було проведено дослідження з вивчення видового складу мікроорганізмів, які розвиваються на стеблах льону при застосуванні операцій штучного зволоження.

Результати цих досліджень свідчать, що за відсутності зволоження в кліматичних умовах півдня України мікрофлора в процесі розстилу не розвивається (табл.7).

Таблиця 7. Зміна видового складу мікрофлори в процесі розстилу соломи льону олійного

Видовий склад мікрофлори	Термін розстилу, годин
	контрольний варіант	одноразове зволоження
	12	24	12	24
Alternaria linicola	-	р/з	р/з	ч/з
Ascochuta linicola	-	-	р/з	-
Bipolaris gorokiniana	-	-	-	-
Cladosporium herbarum	-	р/з	р/з	ч/з
Colletotrichum lini	-	р/з	р/з	ч/з
Dothiorela gregaria	-	-	-	ч/з
Fusarium gibosum	-	-	-	р/з
Fusarium graminear	-	-	-	р/з
Gonatobotrys flava	-	-	р/з	р/з
Septoria linicola	-	-	р/з	ч/з

Примітка:

р/з - рідко зустрічаються, частота менше 30 %;

ч/з - часто зустрічаються, частота 30-50 %.

Дослідження видового та кількісного складу мікроорганізмів при застосуванні операції штучного зволоження показали, що зволоження має позитивний вплив на розвиток пектиноруйнівної мікрофлори, а отже й на технологічний процес перетворення лляної соломи в тресту. Однак, як свідчать результати дослідження процесу вологовіддачі, одного зволоження на добу недостатньо для забезпечення нормального перебігу процесу розвитку мікроорганізмів на стеблах льону. Тільки застосування дворазового зволоження на добу сприяє створенню оптимальних умов для розвитку пектиноруйнівної та зменшення кількості целюлозоруйнівної мікрофлори, тобто забезпечує підвищення якості трести й одержаного з неї волокна.

У контрольному варіанті без застосування операції штучного зволоження технологічний процес приготування трести не відбувався через відсутність необхідної вологості. Результати дослідження процесу розстилу соломи льону олійного сорту Південна ніч без застосування операції штучного зволоження наведено на рис. 7.

Рис. 7. Залежність якісних показників трести та волокна льону олійного від терміну розстилу без застосування операції штучного зволоження.

Аналізуючи результати досліджень зміни фізико-механічних характеристик лляної трести та волокна під час розстилу без штучного зволоження, можна зробити висновок, що біологічний процес перетворення лляної соломи в тресту в кліматичних умовах півдня України без зволоження не відбувається. Так, міцність і гнучкість волокна в процесі вилежування майже не змінилися, а середній показник відокремлюваності волокна від деревини на 21-у добу розстилу становив для досліджуваних сортів льону олійного 2,0 од., що лише на 0,8 од. більше порівняно з першою добою і свідчить про низький ступінь вилежування трести, а отже її непридатність для одержання якісного волокна.

При застосуванні одноразового штучного зволоження на добу значення показника відокремлюваності на 21-у добу розстилу для сорту Південна ніч збільшилося від 1,4 до 3,3 од., для сорту Айсберг - від 1,2 до 2,4 од., а для сорту Дебют - від 1,1 до 2,4 од., що свідчить про недостатній ступінь вилежування трести. Разом з тим, значення показника гнучкості на 21-у добу розстилу для сорту Південна ніч збільшилося на 6,2 мм, для сорту Айсберг - на 10,2 мм, для сорту Дебют - на 6,7 мм, а показник міцності волокна для досліджуваних сортів зменшився в середньому на 8,9 даН.

Водночас аналіз результатів експериментальних досліджень з вивчення впливу терміну розстилання та кратності штучного зволоження на фізико-механічні характеристики трести й волокна показав, що застосування дворазового штучного зволоження стебел льону олійного на добу в кліматичних умовах півдня України дозволяє одержати високоякісну тресту за п'ять діб розстилу. Так, середній показник відокремлюваності для трьох досліджуваних сортів льону олійного після п'ятої доби розстилу становить 6,8 од., міцність волокна дорівнює 17,8 даН, а гнучкість - 34 мм. Слід також зазначити, що збільшення тривалості процесу розстилу є недоцільним через негативний вплив на фізико-механічні характеристики трести та волокна.

У п'ятому розділі розроблено теоретичні основи створення інноваційних технологій одержання волокна з трести льону олійного.

Аналіз науково-технічної літератури та патентний пошук, проведений під час виконання даної роботи, показав, що стебла соломи льону олійного є джерелом високоякісної сировини для виробництва багатьох нових целюлозовмісних матеріалів. Так, в Європі волокно льону олійного використовується в автомобілебудуванні для виготовлення композиційних матеріалів, паперу та нетканих виробів, а з костриці одержують палети, камінні дрова, брикети, які в розпиленому вигляді використовують для опалення. Однак, на превеликий жаль, в Україні відсутні технології механічної переробки стебел льону олійного.

З метою створення інноваційних технологій одержання волокна з трести льону олійного та визначення його придатності для застосування в різних сферах промислового виробництва в даній роботі проведено систематичні дослідження з вивчення технологічних властивостей волокна, результати яких викладено в підрозділі 5.1.

Для вирішення основного завдання роботи в ДПДГ "Асканійське" за методикою Б.А. Доспєхова було відібрано проби стебел соломи льону олійного на 9-ти ділянках сортів Айсберг, Віра, ВНІІМК, Золотистий, Дебют, Ківіка, Південна ніч, Орфей, Ручеек.

Аналіз технологічних характеристик льоносировини проводили за ГОСТ 28285-89 "Солома льняная. Требования при заготовках".

Під час досліджень визначали довжину жмені, діаметр стебел та вміст лубу. Повторність дослідів була п'ятиразовою, отримані експериментальні дані та результати їх математичної обробки відображено на рис.8-10.

Узагальнюючи результати визначення технологічних характеристик льоносировини, слід зазначити, що висота стебел соломи льону олійного різних сортів знаходиться в межах 44,2-55,4 см для рослин, вирощених без зрошення, і в межах 48,7-65,8 см для рослин, вирощених на ділянках зі зрошенням, що на 31,6-45,4 % менше висоти стебел льону-довгунця. Таким чином, зрошення сприяє збільшенню висоти стебел льону олійного на 10,2-18,8 %.

Рис. 8. Діаграма довжини жмені стебел соломи різних сортів льону олійного:

1 - Ручеек; 2 - ВНІІМК; 3 - Віра; 4 - Золотистий; 5 - Ківіка;

6 - Дебют; 7 - Орфей; 8 - Айсберг; 9 - Південна ніч.

б/з - без зрошення; з - зі зрошенням.

Рис. 9. Діаграма діаметра стебел соломи льону олійного різних сортів.

Рис. 10. Діаграма вмісту лубу в соломі льону олійного різних сортів.

У льону олійного, вирощеного без зрошення, діаметр стебел соломи різних сортів коливається в межах від 1,27 мм у сортів Ківіка та Ручеек до 1,72 мм у сортів ВНІІМК і Південна ніч. Рослини, вирощені на ділянках зі зрошенням, мають більший діаметр стебел, який становить 1,41-1,95 мм.

Вміст лубу в стеблах соломи різних сортів льону олійного, вирощеного без зрошення, знаходиться в межах 16,6-18,2 %, а в стеблах соломи рослин, вирощених зі зрошенням, - 14,0-18,6 %. Отже, можна зробити висновок, що зрошення майже не впливає на вміст лубу в стеблах льону олійного.

Найвищий показник вмісту лубу в стеблах - 21,4-23,4 % - має льон олійний сорту Дебют, тому його можна вважати найбільш придатним для двостороннього застосування: на волокно та насіння, однак спочатку необхідно проаналізувати якість одержаного з нього насіння.

Таким чином, технологічні характеристики стебел льону олійного, вирощеного без зрошення та зі зрошенням, значною мірою відрізняються від технологічних характеристик стебел льону-довгунця. У зв'язку з цим механічна технологія одержання волокна із стебел льону-довгунця непридатна для переробки стебел льону олійного.

Для розробки технології й вибору параметрів механічної обробки стебел льону олійного було проведено дослідження з визначення довжини волокон, виділених із стебел льону олійного різних сортів. Отримані результати наведено в підрозділі 5.2 даної дисертаційної роботи.