ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТМОКИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ШКУР СТРАУСА МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании были проведены работы по оптимизации процесса отмоки при обработке шкур страуса. Путем применения метода математического планирования эксперимента составлена матрица планирования трех факторного эксперимента и на основании проведенных экспериментальных работ составлено уравнение регрессии процесса отмоки. С целью уменьшения отрицательного воздействия сточных вод кожевенного производства на экологию применено экологически безопасное поверхностно-активное вещество и ферментный препарат. Путем определения содержания влаги в процессе отмоки была установлена зависимость эффекта смачивания от применяемых химических материалов и факторов, воздействующих на процесс отмоки. Определены оптимальные параметры процесса отмоки при обработки шкур страуса.

ABSTRACT

In this study, work was carried out to optimize the soaking process when processing ostrich skins. By applying the method of mathematical planning of the experiment, a planning matrix of a three-factor experiment was compiled and, on the basis of the experimental work carried out, a regression equation for the soaking process was compiled. In order to reduce the negative impact of tanning wastewater on the environment, an environmentally friendly surfactant and an enzyme preparation were used. By determining the moisture content during the soaking process, the dependence of the wetting effect on the chemical materials used and the factors affecting the soaking process was established. The optimal parameters of the soaking process during the processing of ostrich skins have been determined.

Ключевые слова: шкура страуса, отмока, концентрация, обработка, математическая модель, адекватность, параметр, фактор.

Keywords: ostrich skin, process, soaking , mathematical model, parameters, factors.

Введение. В последнее время экзотическая кожа из шкур страуса, как материал для кожевенно-обувной промышленности, стала востребованной дизайнерами для изготовления обуви, аксессуаров, одежды, отделки мебели. Уникальность кожи страуса придает характерный рисунок за счет крупных фолликул от перьев, проявляет высокую износостойкость и пластичность [4, с. 67]. Оригинальность текстуры кожи страуса позволила создавать эксклюзивные кожаные изделия, что обеспечило высокий спрос полуфабриката страуса в мировой индустрии моды и большую цену по сравнению с другими видами кож [2, с. 140], [5, с. 66]. Она отличается эстетичным и своеобразным внешним видом (рис.1).

Страусоводство, как отрасль птицеводства в Узбекистане, было основано с 2016 года. В настоящее время страусоводство широко распространяется по многим регионам республики, особенно в Ферганской области в городе Риштане. Первой и крупнейшей в Узбекистане специализированной фермой с полным циклом разведения черных африканских страусов стало англо-узбекская ферма «Straus farm» [14].

Рисунок 1. Кожа страуса: а) вид кожи страуса из туловища, б) вид кожи страуса из голени, в) вид фолликул на коже

Шкура страуса, получаемая из части туловища и ног, представляет ценное кожевенное сырье. Она существенно различается по толщине по отдельным топографическим участкам, обладает уникальной рельефной текстурой поверхности и поэтому требуется специальная технология выделки с учетом специфических свойств самого сырья.

Во многих исследованиях, направленных по усовершенствованию технологии обработки шкур страуса, приводятся сведения о своеобразном строении страусовой шкуры и технологии переработки шкуры страуса [8, с. 74], [15, с. 26], [3, с. 105].

Настоящие исследования были направлены на изучение одного из важного и начального процесса обработки шкур страуса, как процесса отмоки. Цель отмоки — приведение шкуры в состояние, максимально приближающееся к парному как по степени обводнения, так и по микроструктуре. В процессе отмоки из сырья удаляются консервирующие вещества, кровь, грязь и растворимые белки (альбумины и глобулины), а белки шкуры взаимодействуют с водой, что сопровождается гидратацией и набуханием. Правильное проведение отмоки должно обеспечить достаточное и равномерное обводнение сырья по всей толщине и площади при минимальных потерях гольевого вещества, максимально возможное извлечение из сырья соли и других консервирующих веществ, а также полную защиту сырья от бактериальных воздействий. С целью снижения уровня техногенного воздействия применяемых химических веществ на окружающую среду были использованы ферментный препарат микробного происхождения и экологически безопасное поверхностно-активное вещество (ПАВ), что очень важно для сохранения природных объектов и в целом для улучшения экологической обстановки в республике.

Режим отмоки обусловливается, в первую очередь, способом консервирования сырья. При мокросолении влага гидратации из шкур не удаляется, поэтому обводнение такого сырья происходит гораздо легче, чем при других способах консервирования. Максимального обводнения мокросоленое сырье достигает очень быстро, однако для достижения равномерного содержания влаги по слоям шкуры необходимо значительное время.

При обработке шкур страуса мокросолёным способом консервирования сначала выполняется предварительная отмока-I приблизительно в течение 2 часов с целью их очистки от грязи и соли. Затем проводится процесс отмока-II, где используют ПАВ СН-22С и фермент LETAN SE 2 с целью интенсификации процесса отмоки. Параметры процессов отмоки I и II при обработки шкур страуса приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры отмочно-зольных процессов при обработки шкур страуса

С целью установления оптимальных параметров процесса отмоки при обработке шкур страуса проведены исследования методом математического планирования полнофакторного эксперимента.

Объекты и методы исследования. В экспериментальных исследованиях были обработаны 20 комплектов шкур страуса. Каждый комплект состоял из туловища и двух голени страуса. Возраст птиц при забое составлял 12-14 месяцев. Шкуры страуса поступили на экспериментальную обработку в состоянии мокросоленого способа консервирования, средняя масса комплекта части шкур составляла 4-6 кг, а площадь 140-160 дм². Съем и первичная обработка шкур была проведена на совместной англо-узбекской фирме «Straus farm» [14].

Экспериментальные исследования были проведены в Ташкентском институте текстильной и легкой промышленности на кафедре «Технология и конструирование изделий из кожи», в частных предприятиях «Улкан Лазиз» и в совместном предприятии ООО « Оzbek – Turk Test Мarkazi» [12, 16].

При исследовании процесса отмоки полученные результаты экспериментов были обработаны с применением методов математической статистики.

В настоящее время в кожевенном производстве обращают большое внимание на применение экологически безопасных химических материалов, т.к. для производственных сточных вод, содержащих биологически не разлагаемые ПАВ, усложняется их очистка, что негативно влияет на экологию. Для минимизации этого влияния на окружающую среду необходимо сократить расход вредных веществ или заменить их экологически безвредными химическими веществами, отвечающими требованиям Европейского Химического Агентства (European chemicals agency) (ECHA) [7] и Европейского Регламента REACH [6]. В процессе отмоки был применен один из смачивателей Российской компании «ШИХ» - СН-22С [10], который отвечает требованиям европейского регламента REACH и ЕСНА. В экспериментальных исследованиях по процессу отмоки также были применены ферментный препарат LETAN SE 2 и биоцид LETAN BIOSIT B-40 Турецкой компании «ODAK» [11]. Физико-химические свойства химических материалов приведены ниже в табл. 2.

Таблица 2

Физико-химические свойства ПАВ СН-22С, Letan Biosit B-40 и Letan SE2

Масса части шкур была определена на аналитических весах с точностью 5 мг, толщина шкур измерялась при помощи специального толщиномера с точностью до 0.01 мм. При анализе шкуры и голья были применены методы анализа Международного союза кожевников и химиков (IULTCS) [9].

Результаты и обсуждение. Для постановки серии опытов по процессу отмоки из шкуры туловища страуса разрезали образцы с размером 5x5 см. Кусочки шкуры страуса были подвержены процессу отмоки при определенных соотношениях к ПАВ и ферментного препарата, продолжительность процесса - согласно матрице планирования эксперимента. Остальные факторы эксперимента, как температура, значение жидкостного коэффициента (ж.к.) были постоянными: температура 30⁰С и жидкостной коэффициент (ж.к.) = 2, соответственно. Параметры оптимизации процесса Отмока-II представлены ниже в табл. 3.

Таблица 3

Параметры проведения процесса отмоки

Статистические методы планирования эксперимента применяют для изучения многофакторных систем, модели которых получаются при минимальном количестве опытов [1, c.159], [13, c.5]. Эффективность исследования статистических методов планирования эксперимента при исследовании различных технологических процессов обусловлена тем, что многие важные характеристики этих процессов являются случайными величинами, распределения которых близко следует нормальному закону.

Наиболее простой математической моделью, описываемую видом функции отклика  где  – факторы, является полином. Полином линеен относительно неизвестных коэффициентов, что упрощает обработку опытных данных.

На первом этапе планирования – определения направления движения к оптимуму и крутого восхождения по поверхности отклика – наиболее целесообразно неизвестную функцию отклика аппроксимировать полиномом первой степени. Так, полином первой степени для трех факторов (k=3) выражается уравнением вида

              (1)

На основе анализа априорной информации и предварительных исследований производят выбор области эксперимента с указанием основных (нулевых) уровней факторов, принимаемых за исходное в плане эксперимента. Выбор основных уровней и их сочетание должны отвечать значению параметра оптимизации, по возможности более близкому к оптимальному.

Для удобства записи условий эксперимента и обработки экспериментальных данных уровни факторов кодируют. Кодированное значение фактора х_i определяют по выражению

                                                    (2)

где  – натуральное значение i – го фактора;  – натуральное значение основного уровня i – го фактора; ε_i – интервал варьирования i – го фактора.

Число N всех сочетаний уровней факторов (число опытов в полном факторном эксперименте) определяется выражением

                                                      (3)

где m - число уровней; k - число факторов.

Для получения линейной модели предусмотрено варьирование факторов на двух уровнях. Факторный эксперимент осуществляем с помощью матрицы планирования, в которой используют кодированные значения факторов.

С целью оптимизации процесса отмоки при обработке шкур страуса был проведен полнофакторный эксперимент. В проведенных исследованиях функцией отклика (у) является содержание влаги (%) в кожевой ткани страуса. В качестве факторов, влияющих на параметр оптимизации, были приняты х₁ – продолжительность процесса отмока-II (время), час; х₂ – концентрация ферментного препарата (LETAN SE 2) в рабочем растворе, % и х₃ – концентрация ПАВ (СН-22С) в рабочем растворе, %. Уровни и интервалы варьирования факторов, выбранные при математическом планировании эксперимента, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Уровни и интервалы варьирования факторов

Экспериментальные исследования были проведены по составленной матрице полного факторного эксперимента, которая приведена в таблица 3. В соответствии с планом эксперимента (матрицы планирования) были реализованы 8 опытов, результаты которых показаны в табл. 5.

Таблица 5

Матрица полного факторного эксперимента типа 2³ и результаты опытов

Обработка результатов эксперимента при отсутствии дублирования опытов проведена в следующей последовательности:

1. Для вычисления дисперсии  воспроизводимости эксперимента проведены дополнительно три параллельных опыта (n₀=3) в нулевой точке (в центре плана). Ниже в приведены экспериментальные значения параметра оптимизации в центре плана и расчет дисперсии воспроизводимости опытов (табл. 6).

Таблица 6.

Экспериментальные значения параметра оптимизации в центре плана и расчет дисперсии  воспроизводимости опытов

Дисперсию  воспроизводимости эксперимента вычисляют по формуле

2. Вычисление коэффициентов модели.

Свободный член b₀ определяют по формуле:

Коэффициенты регрессии, характеризующие линейные эффекты:

                                                           (4)

b₁= 0,94; b₂= 1,84; b₃= 0,67.

Коэффициенты регрессии, характеризующие эффекты взаимодействия:

                                                       (5)

где i,l – номера факторов; j – номер строки или опыта в матрице планирования; y_j – значение параметра оптимизации в j – м опыте; x_ij, x_lj – кодированные значения (±1) факторов i и l в j – м опыте.

b₁₂= 0,0275; b₁₃=-0,0338; b₂₃=-0,0075 и b₁₂₃= - 0,0275.

3. Проверка статистической значимости коэффициентов уравнения регрессии. Проверку значимости коэффициентов можно производить двумя способами:

1) сравнением абсолютной величины коэффициента с доверительным интервалом;

2) с помощью t – критерия Стьюдента.

Проверим значимость коэффициентов первым способом. Для определения доверительного интервала вычислим дисперсию коэффициентов регрессии по выражению

                                                    (6)

т.е. дисперсии всех коэффициентов равны.

Доверительный интервал Δb_i находим по формуле:

,                             (7)

где t_T – табличное значение критерия при принятом уровне значимости и числе степеней свободы f, с которым определялась дисперсия ;

При 5% - ном уровне значимости и числе степеней свободы f=n₀ – 1=2 табличное значение критерия Стьюдента t_T=4,3 [15, с.320], [16, с.26]. Следовательно,

Ряд коэффициентов регрессии по абсолютной величине меньше доверительного интервала , поэтому их можно признать статистически не значимыми. Таким образом, получили модель в виде полинома первой степени:

У = 66,66 + 0,94х₁ + 1,84х₂ + 0,67х₃                                     (8)

4. Определим дисперсию  адекватности модели по формуле

                                 (9)

где у_j – наблюденное значение параметра оптимизации в _j – м опыте;  – значение параметра оптимизации, вычисленное по модели для условий j – го опыта; f – число степеней свободы, которое для линейной модели определяется по выражению f=N – (k+1)=8 – (3+1)=4. Для вычисления дисперсии  адекватности модели составлена вспомогательная табл. 7.

Таблица 7.

Вспомогательная таблица расчета дисперсии  адекватности

Дисперсия  адекватности по данным таблицы 7 составит:

5. Проверка гипотезы адекватности модели по F – критерию Фишера:

                                       (10)

Табличное значение F_T – критерия Фишера при 5% - ном уровне значимости и числах степеней свободы для числителя 4 и для значения 2 равно 19,3 [16, с.24]. Таким образом, выполняется условие F_P ˂ F_T, следовательно, модель адекватна.

Согласно полученной модели, описываемой уравнением регрессии (8), параметр оптимизации (содержание влаги, %) должен стремиться к максимальному значению. Увеличение параметра оптимизации происходит при увеличении факторов х₁, х₂ и х₃. Наибольшее влияние оказывает фактор х₂ – концентрация ферментного препарата LETAN SE 2 в рабочем растворе. Таким образом, на данном этапе исследования процесса отмоки II при обработке шкур страуса получены следующие значения параметров: продолжительность – 8 час.; концентрация ферментного препарата LETAN SE 2 – 0,30%; концентрация ПАВ СН-22С – 0,30%, которые обеспечивает высокое качество процесса отмоки с максимальным содержанием влаги 70,10%. При сокращении продолжительности процесса до 4 часа для тех же значений реагентов содержание влаги составляет 68,26%. Как следует из данных таблица 5, эти значения содержания влаги значительно больше (на 7,0-9,8%) по сравнению с другими вариантами сочетаний факторов эксперимента. Для подтверждения полученных данных были проведены экспериментальные исследования процесса отмоки II на 10 шкурах страуса. Процессу отмоки были подвержены только части туловища шкуры страуса. При продолжительности – 8 час.; концентрация ферментного препарата LETAN SE 2 – 0,30%; концентрация ПАВ СН-22С – 0,30% содержание влаги в кожевой ткани страуса составляло 69,80±0,15%, что является вполне приемлемым показателем для последующих процессов обработки шкур страуса.

Заключение. Проведенные работы по математическому планированию эксперимента процесса отмоки при обработке шкур страуса позволили получить уравнение регрессии и оптимальные параметры процесса отмоки с применением экологически безопасных химических веществ ферментного препарата и ПАВ. Предложенный способ отмоки обеспечивает снижение уровня техногенного воздействия химических веществ на окружающую среду и способствует эффективной отмоки кожевой ткани страуса, что очень важно для получения кожи высокого качества. Полученные результаты исследований по процессу отмоки являются основой для разработки и усовершенствования конкурентоспособной, экологически безопасной технологии переработки шкур страуса.

Список литературы:

1. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии: Учеб. Пособие для хим.-технол. спец. вузов.-2-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк.,1983. -327 с.
2. Afşar, A., Gülümser, G., Özgünay, H. ve Akyüz, F. (2002). Devekuşu derilerinin işlentisi ve mamul deri özelliklerinin belirlenmesi üzerine bir araştırma// Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Deri Mühendisliği Dergisi, 39 (3): 137–144.
3. Беденко В.Г., Зулин Б.Д., Бакулин Л.А., Исматуллаев И.Н., Мирзаев Н.Б., Бегалиев Х.Х. Разработка экологически безопасного способа проведения отмоки шкур страуса // Кожа и мех в XXI веке: технология, качество, экология, образование. – 2020, - с. 103-108.
4. Belleau B.D., Summers T.A., Von Hoven T. Marketing exotic leather: American alligator, ostrich and emu. // Journal of The American Leather Chemists Association. 2002, Vol.97, No.2. P.65-73.
5. Горбачева М.В., Сухинина Т.В., Сапожникова А.И. Ассортимент и свойства продукции страусоводства: промышленное использование // Дизайн и технологии. 2016. № 55 (97). С. 64–74.
6. Европейский Регламент REACH http//www.cirs-reach.com/news-and-articles/REACH-Registration.html .
7. European chemicals agency (ECHA) http s:// echa. europe. eu/
8. Ж.Ф.Улугмуратов, И.Н.Исматуллаев, Х.Х.Бегалиев, Б.Б.Ахмедов, Т.Ж.Кодиров. Исследование технологии получения кожи из шкур страуса // Проблемы текстиля. 2019. №2. С. 71-77.
9. The IULTCS Official Methods of Analysis., 2005 Society of Leather and Chemists, Northampton, U.K.
10. OOO «Шебекинская Индустриальная Химия» / [Elektronnyy resurs]. –Elektron.dan.-M., sor. 2018. – Rejim dostupa: http://www.shebkoghim.ru.
11. ODAK kimyevi maddeler http://www. odakkimya.net.
12. Ozbek-Turk Test Markazi 2020 Интернет-ресурсы Ozbek-Turk Test Markazi, доступ 24 апреля 2020 г. URL: www.ottm.uz, info@uzttm.uz.
13. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. – М.: Машиностроение, 1981. – 184 с.
14. Straus Farm / [Elektronniyresurs]. –Elektron.dan. –M., sor. 2017. – Rejimdostupa: https://web.facebook.com/strausfarm/?rc=p&_rdc=1&_rdr, www.straus.uz.
15. Улуғмуратов Ж.Ф., Кенжаев А.С., Бегалиев Х.Х., Шин И.Г. Математическая модель процесса обезжиривания при обработке шкур страуса // Известия вузов. Технология легкой промышленности. Санк-Петербург – 2022, Выпуск № 1/55, с.24-29.
16. Ulkan-Laziz 2020 Интернет-ресурсы компании «Улкан-Лазиз» по состоянию на 6 февраля 2020 г. URL: www.ulkanlaziz.uz, ulkan Laziz@mail.ru.