ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СУШКИ КОКОНОВ ТУТОВОГО ШЕЛКОПРЯДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФРАКРАСНОГО И УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

АННОТАЦИЯ

Целью данного исследования являлось всестороннее изучение кинетики сушки коконов тутового шелкопряда при комбинированном воздействии инфракрасного излучения (ИК) и ультразвука (УЗ). Экспериментальные исследования проводились при мощности ИК 200, 260 и 300 Вт, а также при частотах УЗ 20, 30 и 40 кГц. Образцы с исходной влажностью около 80% подвергались сушке до достижения конечной влажности 12%. Полученные результаты показали, что во всех исследованных режимах процесс сушки протекал с выраженной начальной стадией интенсивного удаления влаги, за которой следовала стадия замедленного обезвоживания. Cушка коконов при ИК мощности 200 Вт в сочетании с ультразвуком 20, 30 и 40 кГц обеспечивает удельное потребление энергии 8,84, 8,96 и 8,35 МДж/кг воды соответственно. В то же время при инфракрасной мощности 300 Вт и ультразвуке 20, 30 и 40 кГц удельное потребление энергии составило 5,66, 5,74 и 6,26 МДж/кг воды соответственно.

ABSTRACT

The aim of this study was to comprehensively investigate the kinetics of mulberry silkworm cocoon drying under the combined influence of infrared radiation (IR) and ultrasound (US). Experimental studies were conducted at IR radiation powers of 200, 260, and 300 W, as well as at ultrasonic exposure frequencies of 20, 30, and 40 kHz. Samples with an initial moisture content of about 80% were dried until a final moisture content of 12% was reached. The results showed that in all the modes studied, the drying process proceeded with a pronounced initial stage of intensive moisture removal, followed by a stage of slow dehydration. Drying cocoons at an IR power of 200 W in combination with US at 20, 30 and 40 kHz provides a specific energy consumption of 8.84, 8.96 and 8.35 MJ/kg of water, respectively. At the same time, at an infrared power of 300 W and ultrasound of 20, 30 and 40 kHz, the specific energy consumption was 5.66, 5.74 and 6.26 MJ/kg of water, respectively.

Ключевые слова: тутовый шелкопряд, кокон, инфракрасное излучение, ультразвуковое воздействие, кинетика сушки, массообмен, энергоэффективность.

Keywords: mulberry silkworm, cocoon, infrared radiation, ultrasonic exposure, drying kinetics, mass transfer, energy efficiency.

Введение

Узбекистан сохраняет третье место в мире по объёмам производства шелка после Китая и Индии. Хотя, согласно данным 2023-2024 гг., производство шелка в стране достигло 25 900-26 000 тонн, её доля в мировом производстве сравнительно невелика – около 0,6 %, поскольку основная часть мирового шелка производится Китаем – 82-90%, а Индией – около 16%. Тем не менее, доля республики среди стран СНГ в общем объеме производства шелка составляет свыше 85%. С 2020 по 2023 год объёмы заготовки коконов в Узбекистане стабильно растут (на ~7 % в год), но мировая доля практически не меняется. В 2024–2025 гг. в отрасли проводятся реформы: повышены закупочные цены на коконы на 25%, введены налоговые льготы, а с 2026 года планируется переход к рыночным механизмам и свободной продаже коконов через контракты и биржу. Эти изменения направлены на повышение эффективности, качества продукции и расширение экспортных возможностей отрасли [1, 2].

Шелкопряды, научно известные как Bombyx mori, относятся к семейству Bombycidae. Шелкопряды – это насекомые, которые проходят полный метаморфоз, разделяя свое развитие на четыре стадии: яйцо, личинка, куколка и моль (рис. 1). Питаться могут только личинки, и их пищей являются листья тутового дерева [3].

Рисунок 1. Жизнинный цикл тутового шелкопряда

Шелковые волокна тутового шелкопряда обладают превосходными механическими свойствами, что позволяет коконам защищать куколок от хищников, грибков и сильно меняющейся окружающей среды. Баланс прочности, растяжимости, жесткости и биосовместимости делает шелковые материалы доступными для многих применений, превосходя многие искусственные материалы. Превосходные свойства обеспечиваются повторяющимися структурными мотивами, иерархическим структурным каркасом и тонким процессом прядения [4].

Применение новых технологий, таких как дополнительные источники энергии во время сушки, может преодолеть некоторые из этих ограничений. Среди прочего, для усовершенствования процесса использовались микроволновое, радиочастотное, инфракрасное излучение и ультразвук. В отличие от этих технологий, ультразвуки не приводят к значительному нагреву продукта, что позволяет избежать потери качества из-за нагрева во время сушки. Как следствие, использование ультразвука как для сушки термочувствительных материалов, так и в процессах сушки, проводимых при низких температурах, имеет большой потенциал [5].

Серия эффектов, связанных с акустической энергией, отвечает за увеличение скорости сушки без существенного нагрева материала. Ультразвук вызывает изменения давления на границах раздела твердое/пористое тело и, следовательно, увеличивает скорость испарения поверхностной влаги. Акустическая энергия также вызывает колебательные скорости и микропотоки на границах раздела, которые могут влиять на диффузионный пограничный слой [6].

В промышленном шелководстве сушка коконов тутового шелкопряда является критическим этапом, напрямую влияющим на сохранность сырья и качество шелка. Основной проблемой традиционных методов сушки (солнечной, конвективной и электрической) является длительная продолжительность процесса, сопровождающаяся неравномерным распределением температуры и влаги внутри кокона. Комбинированная сушка, основанная на совместном применении инфракрасного излучения и ультразвука, позволяет интенсифицировать процесс обезвоживания за счёт объёмного нагрева и усиления массопереноса влаги [7].

Материалы и методы

Сырьё. Для данного исследования использовались образцы свежевыращенных коконов, полученных из шелкопряда вида Bombyx mori, выращенного в условиях Узбекистана. Начальная влажность образцов коконов определялась гравиметрическим методом и до начала сушки составляла 80%. В эксперименте отбирались коконы одинакового размера, хорошего качества и без повреждений внешней оболочки. Все образцы до проведения экспериментов хранились в холодильнике в течение 24 часов. Для каждой группы сушки использовалось по 100 свежих коконов; масса материала составляла 240-250 г, расстояние между материалом и инфракрасным излучателем - 10 см.

Экспериментальная установка. В лаборатории «Процессы и аппараты переработки сельскохозяйственной и пищевой продукции» Ташкентского государственного технического университета имеется комбинированная ультразвуковая инфракрасная сушильная установка, которая была использована в данном исследовании. Схематический вид данной установки приведён на рис. 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема установки: 1 - свежий урожай кокона; 2 - бункер для загрузки коконов; 3 - рабочая камера; 4 - пьезоэлектрические ультразвуковые излучатели; 5 - система вентиляции с вентилятором для удаления влаги; 6 - окно наблюдения за процессом; 7 - керамические инфракрасные излучатели; 8 - блок управления; 9 - ведомый вал ленточного конвейера; 10 - емкость для сбора коконов; 11 - ножки устройства; 12 ленточный конвейер; 13 - инфракрасные отражатели; 14 - термопара; 15 - ведущий вал ленточного конвейера.

Параметры процесса. Мощность инфракрасного составляла 220, 260 и 300 Вт, а мощнсоть ультразвукового воздействия составляла 20, 30 и 40 кГц, соответственно. Во время сушки изменение веса регистрировалось с помощью цифровых весов с разрешением 0,01 г. Вес коконов регистрировался каждые 10 минут в процессе сушки, до тех пор, пока содержание влаги в коконах шелкопряда не достигнет 12% от сухого вещества.

Метод сушки. Свежий урожай коконов загружается в загрузочный бункер 1 и размещается в бункере 2. С помощью блока управления 8 активируются инфракрасные излучатели установки, после чего коконы подаются на ленточный конвейер 12 и нагреваются до заданной температуры 70 °C. После достижения температуры сушки конвейер приводится в действие, и коконы поступают в рабочую камеру 3 для первичной обработки. Через блок управления 8 включается ультразвуковой генератор. Скорость движения ленточного конвейера регулируется с помощью блока управления 8. Инфракрасные отражатели 13 служат для направления излучения на сырьё по всей внутренней поверхности камеры. Температура в камере контролируется с помощью термопар 14. Пьезоэлектрические ультразвуковые излучатели, применяемые в установке, воздействуют на сырьё периодически, при этом интервал между каждым воздействием составляет 10 секунд. Инфракрасное излучение обеспечивает передачу тепла непосредственно внутрь материала, интенсифицируя процесс испарения влаги, тогда как ультразвуковые волны способствуют равномерному распределению тепла и увеличению скорости испарения влаги. За счёт комбинации этих двух методов процессы обездвиживания и сушки осуществляются эффективно, при этом достигается существенное снижение энергозатрат.

Результаты и обсуждение.

Мощность, подаваемая на инфракрасные излучатели, составляла 200, 260 и 300 Вт, а мощности ультразвука - 20, 30 и 40 кГц соответственно. Расстояние между инфракрасными излучателями и сушимыми объектами составляло 10 см.

На рис. 3 представлена средняя скорость сушки. Было установлено, что увеличение мощности инфракрасного излучения и температуры воздуха способствует росту скорости сушки. Сушка с использованием инфракрасного излучения мощностью 300 Вт в сочетании с ультразвуком 40 кГц обеспечила максимальную скорость сушки - 0,911 кг воды/ч.

Рисунок 3. Скорость сушки коконов тутового шелкопряда при различных мощностях инфракрасного излучения и ультразвукового воздействия

Анализ энергопотребления показал, что увеличение мощности инфракрасного излучения приводит к снижению общего и удельного энергопотребления в процессе сушки коконов (рис. 4 и 5). При одинаковой мощности инфракрасного излучения повышение мощности ультразвука оказывает заметное влияние на энергопотребление. Так, сушка коконов при инфракрасной мощности 200 Вт в сочетании с ультразвуком 20, 30 и 40 кГц обеспечивает удельное потребление энергии 8,84, 8,96 и 8,35 МДж/кг воды соответственно. В то же время при инфракрасной мощности 300 Вт и ультразвуке 20, 30 и 40 кГц удельное потребление энергии составило 5,66, 5,74 и 6,26 МДж/кг воды соответственно.

В рамках данного исследования была изучена кинетика сушки коконов тутового шелкопряда с использованием инфракрасного излучения в сочетании с ультразвуком. На рис. 6 представлена изменения влагосодержания шелковых коконов в процессе сушки при мощности инфракрасного излучения 200, 260 и 300 Вт в сочетании с ультразвуком мощностью 20, 30 и 40 кГц. Анализ показал, что при увеличении мощности инфракрасного излучения частота ультразвука оставалась постоянной. При этом время сушки сокращалось, что наглядно демонстрируют данные на рис. 6.

Рисунок 6. Зависимость влагосодержания коконов тутового шелкопряда от времени сушки при различных мощностях инфракрасного излучения и ультразвукового воздействия

В ходе исследования сушки коконов тутового шелкопряда с использованием инфракрасного излучения в сочетании с ультразвука при различных уровнях мощности было установлено, что после сушки цвет большинства коконов оставался неизменным по сравнению с исходным состоянием. При увеличении мощности инфракрасного излучения до 400 Вт и выше наблюдалось изменение окраски некоторых коконов на светло-желтый, в то время как другие сохраняли белый цвет. Оценка работы сушильной установки показала, что мощность инфракрасного излучения существенно влияет на скорость сушки и энергопотребление. При постоянной мощности инфракрасного излучения температура сушильного воздуха также оказывала влияние на скорость сушки, при этом наибольшие значения скорости были зафиксированы при частоте ультразвука 40 кГц. Однако потребление энергии оставалось практически неизменным при различных уровнях мощности ультразвука [8].

Результаты экспериментов подтверждают, что использование ультразвука в сочетании с инфракрасным излучением ускоряет первичную обработку коконов шелкопряда. В ходе исследования были определены оптимальные параметры первичной обработки коконов. Кратковременное воздействие улучшает качество конечного продукта при одновременном снижении энергопотребления.

Выводы

Оценка производительности сушильной установки показала, что увеличение мощности инфракрасного излучения снижает удельное энергопотребление и одновременно повышает скорость сушки. При мощности ИК-излучения 300 Вт было зафиксировано минимальное энергопотребление - 5,66, 5,74 и 6,26 МДж/кг удалённой влаги. Повышение мощности ультразвукового воздействия также способствовало росту скорости сушки и изменению энергозатрат. Анализ кинетики процесса выявил две характерные стадии: начальную фазу интенсивного удаления влаги и последующую фазу замедленной сушки. Теплопередача в коконе показала, что около 49% сопротивления приходится на перенос тепла от воздуха к куколке, в связи с чем применение инфракрасного излучения обеспечивает более эффективную подачу энергии и интенсификацию процесса сушки. С учётом энергетической эффективности и качества шелка оптимальным признан режим сушки при мощности инфракрасного излучения 300 Вт и ультразвуковой частоте 40 кГц.

Список литературы:

1. Самандаров Д.И., Усенов А.Б., Султанова Ш.А., Сафаров Ж.Э. История и современное состояние переработки коконов в Азии // Development of science. – 2025. – Т. 2, № 9. – С. 429–435.
2. Wang Z., Chen H., Yang J., Li Q., Liu Y., Zhang L. Engineering silk-based biomaterials: extraction, modification, and reprocessing strategies in biomedical applications // Materials & Design. – 2025. – Vol. 254. 114026.
3. Chen F. et al. Morphology and structure of silkworm cocoons // Materials Science and Engineering C. – 2012. – Vol. 32. pp. 772–778.
4. Wang X. Modeling the 3-dimensional structure of the silkworm’s spinning apparatus in silk production // Acta Biomaterialia. – 2024. – Vol. 174. pp. 217–227.
5. Самандаров Д.И. Экспериментальные исследования инфракрасно-ультразвуковой сушки коконов тутового шелкопряда // Universum: технические науки. – Москва, 2024. – № 5(122). – С. 56–58.
6. Mulet A. et al. Application of ultrasound to drying of food materials // Journal of Food Engineering. – 2003. – Vol. 59. pp. 89–95.
7. Guo C., Li C., Mu X., Kaplan D.L. Engineering silk materials: from natural spinning to artificial processing // Applied Physics Reviews. – 2020. – Vol. 7. 011313.
8. Сафаров Ж.Э., Султанова Ш.А., Fu Y., Самандаров Д.И., Усенов А.Б. Предварительные результаты теоретического исследования процесса сушки коконов шелкопряда комбинированным (ИК+УЗ) способом // Journal of Food Science. – 2025. – Vol. 3, Iss. 9. – P. 52–61.