Разработка технологии производства продуктов высокой степени готовности из отечественного полизлакового сырья

Рассматривая протекание процесса экструзии в установке, можно выделить несколько основных зон конструкции: зона питания, зона плавления и дозирования, а также - головка экструдера с фильером.

Каждая из зон характеризуется тем, что позволяет изменять физико-химические и структурно-механические свойства обрабатываемого материала. Назначение зоны питания заключается в подаче в зону сжатия холодного дисперсного материала, поступающего через загрузочное устройство. Так как производительность экструдера лимитируется зоной дозирования, то очень важно, чтобы эта зона была способна подавать количество материала, достаточное для ее постоянного заполнения. Следует отметить, что транспортирование таких материалов, как крахмалопродукты, имеющих низкую сыпучесть и насыщенную массу, представляет собой большие трудности, и для обеспечения непрерывной и равномерной подачи сырья в машину питатели оборудуются различными устройствами - вибраторами, механическими перемешивателями и т. п. Для этих целей используют также двухшнековые экструдеры, конструкция которых позволяет решить проблему транспортировки и подачи сырья [81].

В зоне дозирования происходит выпрессование, обрабатывание материала под давлением, через отверстия матрицы, и в результате за счет перепада давления и температуры в прессе по отношению к окружающей среде происходит вспучивание материала и образуется высокопористая структура. Наиболее интенсивно процесс образования биополимеров протекает под действием сил сдвига и растяжения в головке экструдера и в фильере матрицы, что обусловлено изменением реологических условий течения сырья в этих зонах [81].

В зависимости от конструкций фильеров можно получить экструдаты всех типов микроструктур - пористой, волокнистой, однородной; а также различной формы: в виде колец, снеков, палочек. Экструдаты пористой структуры получают, используя короткие неохлажденные фильеры. При выходе биополимеров через такую фильеру происходит резкий сброс давления, так называемое "взрывное" испарение воды и образование пористой микроструктуры. Волокнистую охлажденную микроструктуру получают, используя охлаждаемые фильеры [82-86].

Одним из основных достоинств экструдеров является то, что они имеют большой коэффициент теплоотдачи, то есть в течение короткого времени (30 с) в них возможен гомогенный теплообмен. Многие продукты питания чувствительны к термическому воздействию, поэтому подвергать их нагреву нужно быстро. Кроме того, в экструдере можно получить высокое давление сжатия до 25 МПа (при горячей экструзии) без применения дополнительных воздействий. Благодаря особенностям конструкций происходит быстрое перемешивание материала в экструдере, а совмещение в нем нескольких операций позволяет сократить время всего технологического процесса, а также снизить трудоемкость и энергопотребление [82-86].

Таким образом, экструзия пищевых продуктов является прогрессивным способом получения перспективных продуктов питания высокой степени готовности. К ее основным преимуществам можно отнести гибкость технологических схем, высокую производительность при малых габаритах оборудования, непрерывность процесса и сравнительно низкую себестоимость продукции.

Выводы

В целях укрепления казахстанских позиций на внутренних и внешних рынках необходимо создание развитой системы производства качественной конкурентоспособной сельхозпродукции и продовольствия для покрытия потребностей внутреннего рынка.

Проведенный анализ современного состояния зерноперерабатывающей отрасли показал, что на современном этапе развития отрасли необходимо уделить внимание разработке принципиально новых технологий и оборудования, обеспечивающих глубокую, комплексную, энерго- и ресурсосберегающую переработку сельскохозяйственного сырья на основе современных физико-химических и электрофизических способов (в том числе мембранные, экструзионно-гидролитические, гипербарические, кавитационные и биотехнологические способы) для создания экологически безопасного производства социально значимых пищевых продуктов с различными функциональными свойствами.

Инновационные разработки должны быть направлены на создание научных разработок в области современных принципов пищевой комбинаторики технологий производства качественно новых, импортозамещающих пищевых продуктов с направленным изменением состава и свойств, с использованием нано- и микрокапсул для адресной доставки биологически активных веществ в продукты массового потребления для различных возрастных групп населения, продукты лечебно-профилактического назначения.

В этой связи основной целью работы является совершенствование технологии производства продуктов высокой степени готовности на основе отечественного районированного полизлакового сырья.

В рамках реализации I-го этапа работ по проекту научно-исследовательской работы за 2012 год достигнуты следующие результаты:

– проведен международный обзор объемов производства зернового сырья. Дана оценка рынка производства зерновых культур стран Содружества Независимых Государств;

– проведен анализ производства зерна злаковых культур в Республике Казахстан;

– проведен анализ структуры производства продуктов на зерновой основе;

– проведен анализ технического оснащения крупяных предприятий;

– проведен обзор теоретических основ технологических процессов (измельчения и смешивания) и оборудования (экструдирования);

– проведен патентный поиск по направлению проекта;

– проведен анализ существующих технических и технологических решений по производству продуктов высокой степени готовности и круп быстрого приготовления;

– разработана программа и методика проведения исследований. Дана характеристика уровня научно-технологического оснащения реализации проекта, приведено краткое описание научного и экспериментального оборудования. Представлено краткое описание методик проведения экспериментальных исследований по изучению физико-механических свойств объектов исследования.

2. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ

2.1 Теоретические основы процесса измельчения зернового сырья

Измельчение - относится к тем важнейшим и наиболее энергоемким технологическим процессам в пищевой промышленности, для которых еще не разработана надежная теория, как это уже удалось сделать для других основных процессов. И если еще не разработана количественная теория измельчения, то это объясняется отнюдь не малой заинтересованностью или же недостаточным количеством проведенных исследований, а сложностью процесса измельчения [14, 69, 70-72, 90-93].

Все множество работ в области измельчения можно условно разделить на четыре основных направления [95-123].

К первому направлению относятся работы, которые выявляют взаимосвязь между дисперсностью измельчаемых тел и затратами энергии на процесс измельчения. Эта группа исследователей наиболее близко соприкасается с физикой твердого тела и пользуется ее открытиями. Представителями этого направления являются: Риттингер П., Кирпичев В.А., Кик Ф., Танака, Бонд Ф., Чарльз Р., Гарднер Р., Оспанов А.А. и др.

В работах второго направления представлены исследования закономерностей разрушения и методы исчисления характеристик гранулометрического состава измельчаемых материалов. К этому направлению относятся материалы Колмогорова A.Н., Розина П., Раммлера Е., Хусид С.Д., Шумана Р., Андреева С.Е., Мартина Ж., Гаудина А., Свенсона И., Товарова В.В., Басса Д., Седлачека К., Аустина Л., Глебова Л.А. и многих других.

К третьему направлению можно отнести исследования в области конструктивного оформления мельниц. Данному направлению посвящены работы Акунова В.И., Романдина В.П., Смирнова Н.М., Розе Г., Беренса Д., Блиничева В.Н., Мизонова В.Е., Севостьянова В.С., Барабашкина В.П., Жайлаубаева Д.Т. и других.

В работах, относящихся к четвертому направлению, представлены исследования физико-механических и физико-химических явлений, происходящих при механическом воздействии (растирание, раздавливание, измельчение) на исследуемый объект. Представителями этого направления являются: Вильям Освальд, Таманн Ж., Вонетич П., Хейнике И., Болдырев, Аваккумов, Хинт И.А., Ходаков Г.С., Спандияров Е. и многие другие.

Первые попытки по выявлению взаимосвязи между дисперсностью измельчаемых тел и затратами энергии на процесс измельчения были предприняты в конце прошлого столетия Ритинггером П., Кирпичевым В.А., Киком Ф. и Бондом Ф. Каждый из них обосновал свою теорию, подробно описанную во многих работах. Впоследствии эти три закона были объединены Чарльзом Р. и Рунквистом А.К. и описаны одним уравнением.

Нет сомнения, что в следующем столетии научно-технического прогресса вполне возможно создание большого числа теорий измельчения. С этой целью многие исследователи изучали измельчение образцов различных материалов. Основой этих опытов явились первые работы Гриффитса А., который применил разработанные Инглизом С. методы математического анализа напряжений [14, 69, 70-72, 90-93].

В результате решения дифференциальных уравнений для напряжений деформации Инглиз С. показал, что наличие дефектов в находящемся в напряженном состоянии теле может вызвать концентрацию напряжений. Таким образом, предполагается, что начало трещин обусловлено дефектами частиц.

Теория дефектов Гриффитса А. безусловно верна лишь в случае, когда рассматривается развитие процесса раскалывания малых дефектов. Однако математический анализ является неполным, поскольку при составлении энергетического баланса не учитывалась, например, кинетическая энергия волн напряжения, распространяющихся одновременно с раскалыванием, пластической деформацией материала и многое другое. Со времени появления работ Гриффитса А. был предпринят ряд исследований изменения внутренних напряжений и энергетических условий распространения трещин.

Из этих работ видно, что при наличии трещин, рассматриваемых Гриффитсом А., разрушение материала наступает при напряжениях в 100 и даже в 1000 раз меньше, чем при максимальных, определяемых теоретически.

Перечисленные выше законы измельчения преследуют цель - установить связь между затратами энергии на процесс измельчения и средней степенью измельчения материала. Однако главной задачей этого направления является определение, на какие процессы при разрушении затрачивается механическая энергия.

Согласно закона Ребиндера П.А., подведенная к телу энергия затрачивается на образование новой поверхности и на деформацию измельчаемого материала.

Кафаров В.В. с сотрудниками предложил выделить три составляющие затрат подведенной к измельчаемому телу энергии. Первая составляющая связана с чисто процессом измельчения. Вторая составляющая затрачивается на сопутствующие процессы и третья составляющая, не связанная с процессом измельчения.

Ходаков Г.С. считает, что при тонком измельчении энергия затрачивается (кроме упругой энергии) на образование новой поверхности и пластическую деформацию. При этом работа разрушения частицы (ДАр) может быть записана в следующем виде:

ДАp = b, i, x3+ [a(в ? l+у)]x2 (11)

где i - степень измельчения; в - средняя объемная плотность энергии, затраченной на пластические деформации; х - размер частиц; a, b - постоянные; у - предел прочности частиц.

При грубом измельчении величины энергий пластического деформирования и поверхностной энергии малы по сравнению с величиной упругой деформации, и поэтому ими можно пренебречь.

Разрушающие силы, возникающие в большинстве промышленных машин для измельчения, в значительной мере являются комплексными и сочетают в себе ударные воздействия, давление, а также трение и сдвиг, вследствие чего они не поддаются четкому математическому анализу.

В постсоветском пространстве сформировалась целая плеяда ученых, которые занимались исследованием и совершенствованием процессов измельчения и оборудования для их механизации, а именно, доктора технических наук, профессора Хусид С.Д. (измельчение зерна), Храпач Е.И. (измельчение кормовых материалов), Злачевский В.Л (измельчение зернового материала), Демидов А.Р. (измельчение комбикормов), Глебов Л.А. (измельчение комбикормов), Голиков В.А. (измельчение сено-соломистых материалов), Дулаев В.Г. (измельчение в мукомольной промышленности), Оспанов А.А. (измельчение кормовых и пищевых материалов), Спандияров Е. (измельчение кормовых средств при производстве комбикормов), Жайлаубаев Д. (измельчение мясокостного сырья), Абилжанов Т. (измельчение сено-соломистых материалов), А.И. Смирнов (измельчение в химической промышленности), Севостьянов Н.В. (измельчение строительных материалов) и др.

Нестандартный подход к изучению хрупкого разрушения твердых тел осуществил в своих работах профессор Родин Р.А. Впервые процесс разрушения предложено оценивать не по необходимым энергозатрататам, как главному критерию, определяющему конечный результат разрушения, а на основе силового воздействия в течение последовательно протекающих стадий, составляющих физическую сущность процесса разрушения. Согласно проведенных исследований Родин Р.А. установил, что процесс разрушения твердого изотропного тела можно представить в виде последовательных стадий: контактного взаимодействия и упругих деформаций в материале; создания зоны всестороннего сжатия до момента появления эффективной трещины; появления эффективной трещины и ее увеличения до критических разборов; полной реализации потенциального запаса упругой энергии путем скоростного развития эффективной трещины и окончательного разрушения куска материала.

По данным Клушанцева Б.В., расход энергии на первой стадии разрушения тела не превышает 10 % общего расхода энергии. Если всю полезную работу дробления принять за 100 %, то на образование зоны всестороннего сжатия расходуется 73,4 %, на развитие эффективной трещины до критического размера - 22,5 % и на скоростное развитие трещин - 4,4 %. Поверхность частиц, находящихся в зоне всестороннего сжатия, составляет около 97 % вновь образованной поверхности. Частицы подвергаются огромному напряжению (до нескольких тысяч мегапаскалей) и интенсивному трению между собой, до момента появления первой трещины, на что расходуется 95 % всех энергозатрат.

Из приведенных данных можно сделать важный вывод для теории и практики измельчения в свете современных представлений о механизме разрушения хрупких тел. Учитывая доминирующие энергозатраты, расходуемые на создание напряженного состояния деформируемого тела до появления в нем первой трещины, поиск неиспользуемых резервов (снижения энергозатрат) следует вести в области совершенствования механизма силового воздействия на измельчаемый материал.

В реальных условиях мы вряд ли сможем реализовать в чистом виде энергетически выгодный способ разрушения материалов разрывом, то при создании дробильно-помольного оборудования целесообразно стремиться к рациональному сочетанию в них нормальных (S) и касательных () напряжений, воздействующих на разрушаемый материал. Кроме того, учитывая утвердившееся в настоящее время теоретическое положение о разрушении твердых тел под воздействием локальных пиков напряжений, концентрирующихся по краям дефектных трещин, развитое в трудах Гриффитса А. и его последователей, то при обеспечении раздавливающе- сдвигового силового воздействия на деформируемое тело следует ожидать появление трещин критических размеров при меньших энергозатратах. При этом создаются наиболее благоприятные условия для проявления разрывающих моментов (по Родину Р.А.), обеспечивающих напряжения растяжения, возникающих в устье микротрещин.

Касаясь теоретических воззрений ученых-сторонников теории трещинообразования (Гриффитса А.) следует отметить, что, соглашаясь с основополагающими положениями теории, каждый из авторов привнес в нее некоторые отличительные особенности.

Таким образом, проведенный нами анализ научных работ в области теории разрушения хрупких тел и связанных с ней процессов позволяет сделать вывод о жизнеспособности и перспективности развития теории трещинообразования (теории Гриффитса А.), дополненной и развитой в трудах отечественных и зарубежных ученых. Подтверждена целесообразность рационального сочетания нормальных и касательных напряжений на всех стадиях измельчения материала. Для достижения критической прочности разрушаемых частиц при минимальных энергозатратах и повышения эффективности свешенных с разрушением процессов целесообразно обеспечить непрерывное сдвиговое силовое воздействие на деформируемые частицы при постоянном их внутреннем рецикле [14, 69, 70-72, 90-93].

Как уже отмечалось, что одна из проблем состоит в изучении и определении в общем виде связи между затратами энергии и характеристиками измельчаемых продуктов по крупности до и после размола. Предложенные гипотезы для частных случаев (например, для процессов измельчения в пищевой, мукомольной и комбикормовой промышленностей) не позволяют достаточно точно определять расчетным путем необходимые затраты энергии на дробление в зависимости от степени измельчения и физико-механических свойств исходного продукта.

Известно, что при измельчении рабочие органы машины преодолевают силы молекулярного сцепления частиц, в результате чего образуются новые поверхности, величина которых в процессе измельчения зависит от прочности измельчаемого материала, характера воздействия окружающей среды, а также от вида и схемы приложения механической нагрузки. Существующие основные гипотезы теории Кирпичева-Кика, Афанасьева-Риттингера, Бонда, Ребиндера, Танака и др. имеют преимущественно качественный характер, не учитывающий такого многообразия явлений, протекающих в измельчаемых материалах и не могут быть использованы для количественного описания конкретных процессов [14, 69, 70-72, 90-93].

С другой стороны, имеющиеся гипотезы, исходили из того, что прочность материалов является физической константой, хотя она может изменяться в интервале 103 ... 104 порядков и зависит от свойств материала, конструкции мельницы, состояния рабочих органов. Поэтому необходимые связи устанавливаются экспериментально с учетом свойств материала, заданной степени измельчения, вида и конструкции рабочих органов.

Согласно закону Риттингера (1867 г.) удельная энергия Е, затраченная на дробление, пропорциональна вновь образовавшейся в результате дробления поверхности измельчаемого материала. Этот закон определяется равенством

(12)

где х1 и х2 - линейные размеры кусков исходных параметров и частиц конечных продуктов измельчения; k - постоянная величина.

Предполагается, что закон Риттингера справедлив для хрупких веществ, имеющих плоскости распада и характеризующихся появлением новых трещин. Когда дробление твердого материала при достижении определенного значения напряжения происходит сразу с образованием частиц одного класса независимо от исходного размера x1 объекта измельчения, справедлив закон Кика (1885 г.)

(13)

Обе формулы (12-13) показывают, что бесконечно большие затраты удельной энергии достигаются только при дроблении тел до минимального предельного размера определяемый по технологическим соображениям, то есть х2 = х min при достижении которого дальнейшее дробление становится нецелесообразным (рисунок 14).

В связи с этим, Танака Т. предложил следующий закон дробления:

(14)

где S - удельная поверхность материала; S? - предельная поверхность, при достижении которой дробление практически прекращается.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 14 - Изменение эффективности измельчения в зависимости от крупности частиц

Высказанные соображения позволили профессору Оспанову А.А. [14, 69, 70-72, 90-93] предложить некоторую коррекцию законов Риттингера (13) и Кика (14).

Суть этой коррекции сводится к следующему. Законы (13-14) сформулированы на основе гипотезы о том, что затраты удельной энергии на дробление зависит только от линейных размеров предмета и продукта дробления, то есть E=f(x1, х2).

С учетом последнего утверждения, нами представляется более естественным считать удельную энергию, зависящей от отклонений линейных размеров (х1 и х2) от их минимального (хmin)значения. В таком случае законы Риттингера и Кика приобретают следующие виды [14, 69, 70-72, 90-93]:

(15)

где ?х1 = х1-х min ; ?х2= х2-х min ; х min - минимальное значение крупности частиц (см. рисунок 14).

Аналогично видоизменяется закон Кика:

(16)

Из двух последних формул (15-16) видно, что с ростом х, удельная энергия разрушения возрастает со скоростью ve = k/x12 до значения k/x2 и не более. Вместе с тем, опыт показывает, что неограниченное количество увеличение линейного размера продукта измельчения требует неограниченного увеличения величины затрат удельной энергии дробления до размера х2= х min. По этой причине было бы разумно предложить такую формулу зависимости удельной энергии от размеров х1 и х2, которая отражала бы наличие линейных затрат энергоемкости. Среди таких математических зависимостей по нашему утверждению представляется более подходящей зависимость вида [14, 69, 70-72, 90-93]:

(17)

где k* , а* , в* - параметры, зависящие от вида измельчаемого материала, их физико-механических и прочностных характеристик, которые определяются экспериментальным путем; - поправка профессора Оспанова А.А. к существующей научной гипотезе.

Значения составляющих зависимости (17) колеблются в следующих диапазонах [14, 69, 70-72, 90-93]:

(18)

(19)

По величинам параметров k*, а*, в* можно подобрать значения x1 и x2, при которых удельная энергия Е достигает минимума в диапазоне (19). Этим самым появляется возможность разработки рекомендации наиболее рационального (эффективного) использования измельчающих машин конкретной целевой конструкции и методики их универсальной классификации [14, 69, 70-72, 90-93].

2.2 Теоретические основы процесса смешивания полизлаковой смеси

Смешивание - механический процесс, образования однородной смеси сыпучих компонентов. Процесс смешивания материалов широко применяется во всех отраслях пищевой промышленности для различных целей [123-128]:

– равномерного распределения продуктов, составляющих смесь;

– интенсификации массообмена, т.е. переноса вещества из одной фазы в другую;

– интенсивности теплообмена в различных тепловых аппаратах;

– ускорения биохимических, химических и других процессов;

– получения суспензий, эмульсий и т.п.

Смешивание проводится в специальных аппаратах, которые называются смесителями, либо в аппаратах, где проводятся процессы массо- и тепло- обмена, биохимические, химические и др. [73-77, 129-142].

Смешиванию подвергают различные материалы - жидкие, газообразные, твердые (сыпучие). При этом перемешиванию могут подлежать как продукты, находящиеся в одинаковом агрегатном состоянии, например, две жидкости, два твердых (сыпучих) материала, так и в разном - жидкости и твердые тела.

Существуют следующие способы перемешивания материалов [136-139]: поточный; механический; пневматический.

Различают три механизма смешивания [73-77, 129-142]:

– диффузионное смешивание, т.е. беспорядочное движение отдельных частиц в ограниченном пространстве, при этом каждая частица имеет равные возможности отклониться в любую сторону при столкновении с другой частицей;

– конвективное смешивание, при котором смежные частицы группами перемещаются из одного положения в другое;

– сдвиговое - смежные слои частиц движутся относительно друг друга.

В общем виде эффективность процесса зависит от конструктивных, технологических и кинематических параметров [123-128, 136-139]:

(20)

где К3 - коэффициент заполнения; W1………Wn-1,Wn - соотношение компонентов в смеси; n - частота вращения рабочего органа; t - время смешивания.

Применяя теорию вероятностей [143-152] к кинетике смешивания и эмульгирования, величина поверхности раздела в момент определенного времени будет равна [119-124, 133-139]

(21)

где S - величина поверхности раздела; t - время смешивания; Sp - максимально возможная поверхность; () - максимально возможная поверхность раздела; .

Уравнения (20, 21) справедливы для всех смесительных систем, так как при работе всех устройств преследуется цель - увеличение поверхности раздела фаз и предусматривается возможность перемещения компонентов поверхности раздела к отдельным составляющим объема загрузки [126-131].

Часть общего количества элементарных объемов, которая состоит из равных объемов, содержащих по крайне мере один из элементов поверхности, раздела, полученной при перемешивании в течение времени определится по формуле [123-128, 136-139]

 (22)

где R - коэффициент пропорциональности.

Значение той доли общего числа объемов V, которая состоит из объемов Vo, содержащих один из компонентов смеси, определяется по формуле [123-128, 136-139]

(23)

где V - общий объем смеси; Vo - объем проб отобранных из смеси.

Таким образом, в том случае, когда (Pt)E принимается как конечное значение для удовлетворительного результата перемешивания, можно получить искомое время, решая относительно уравнение (23) [123-128].

На практике эффективность смешивания оценивается по коэффициенту вариации распределения ключевого компонента в микрообъемах смеси [123-128, 136-139]

(24)

где x - среднее арифметическое наблюдение значений величины, т.е. среднее содержание ключевого компонента в пробах; xi - значение случайной величины в i-ом опыте; n - число проб.

При этом для прогнозирования оценки качества смешивания применяют методы статистики.

Процесс смешивания многокомпонентной сыпучей смеси - это вероятностный процесс, к исследованию которого привлечены статистические методы и теория вероятностей. Фишер Ф.К. приводит уравнение диффузионного смешивания для горизонтального цилиндрического смесителя [123-128]

(25)

где W - плотность распределения вероятностей, имеющая смысл концентрации частиц; D0 и Dz - коэффициенты осевой и радиальной диффузии; r и z - расстояние в радиальном и осевом направлениях; t - время смешивания.

Продольное перемешивание частиц подчиняется следующему закону

(26)

где Dl - коэффициент продольного перемешивания.

Модель называется двухкомпонентной, если перемешивание происходит одновременно в продольном и поперечном направлениях

(27)

где r - радиус аппарата; Dr - коэффициент поперечного перемешивания.

Вследствие различных физико-механических свойств смешивание сыпучих компонентов сопровождается одновременно процессом противоположным приведенным - сегрегацией готовой смеси. Сегрегация - сосредоточение частиц, имеющих близкую характеристику (массу, размер, форму и др.), под действием гравитационных и инерционных сил. Окончание процесса смешивания необходимо устанавливать в тот момент, когда явление сегрегации не начало проявляться [136-139].

Для лучшего представления физической картины смешивания строят график зависимости: коэффициента вариации (Vс) от времени смешивания (t). Кривая, характеризующая процесс смешивания называется "кривой смешивания". Анализ кинетики смешивания (рисунок 15) показывает наличие трех зон [136-139]:

– I зона - зона интенсивного смешивания в результате сдвиговых и конвективных процессов;

– II зона - зона замедленного диффузионного смешивания;

– III зона - проявление процесса сегрегации, увеличивающий коэффициент вариации.

Причем первые два процесса (сдвиговой и конвективный) в отличие от диффузионного смешивания не зависят от характеристики смешиваемых компонентов. За время смешивания компонентов следует принимать то, при котором Vс > min. Учитывая данную физическую картину смешивания необходимо различать два главных параметра - качество процесса и продолжительность операции до достижения заданного качества [136-139].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 15 - Кривая кинетики смешивания сыпучих компонентов в смеси

Таким образом, в существующих смесителях смешивание осуществляется по принципу случайного процесса с ожиданием вероятности благоприятного исхода, что является существенным недостатком существующих конструкций смесителей.

2.3 Теоретические основы процесса экструдирования полизлаковой смеси

Экструдирование - механический процесс, использующий статистические режимы воздействия, так и динамический эффект давления, температур, осмоса и т.д. В основе процесса экструдирования имеется два процесса - "механохимическая деструкция", наблюдаемая на всех этапах процесса, и "взрыв" или "декомпрессионный шок", происходящий на выходе продукта из матричной зоны экструдера [136-139].

На практике для описания течения сыпучего материала в процессе экструзии чаще применяется степенное уравнение Оствальда-де Виля.

(28)

где ф - напряжение сдвига в материале; - коэффициент консистенции материала; г - скорость сдвига; n - индекс течения.

Степенной закон получил широкое распространение для выражения течения различных неньютоновских материалов [157], что связано с его простым математическим видом, минимальным числом реологических параметров (два), достаточно хорошим приближением результатов при практическом использовании. Он позволяет легко описать реологическое поведение материала.

Это позволяет сделать заключение, что определение реологических свойств сыпучей массы в процессе экструдирования, непосредственно влияющих на качество готового изделия, представляет значительный интерес и является актуальной задачей в настоящее время.

При исследовании течения вязко-пластических материалов в каналах различной формы обнаружена [27, 154] возможность их движения с проскальзыванием по контактным поверхностям. При этом физический смысл явления проскальзывания не рассматривается. Гипотетически возможность проскальзывания прессуемого материала по дну канала шнека рассмотрена Бостанджияном С.А. и Столиным А.М. [154, 155]. Эта гипотеза получила подтверждение при экспериментальном исследовании некоторых режимов экструдирования комбикорма [154, 156-157].

Ранее было показано [154, 157], что "поршневое" движение материала, прессуемого в цилиндрическом канале, можно представить как послойное течение, когда вязкость пограничного слоя материала меньше вязкости ядра потока. Применим такой подход для определения скорости проскальзывания материала по дну канала шнека.

Пренебрегая влиянием лопастей, представим канал шнека двумя параллельными плоскостями, соотнесенными с декартовой системой координат, как показано на рисунке 16. Верхняя пластина движется со скоростью с относительно нижней. На верхней пластине проскальзывание материала отсутствует и действует касательное напряжение . Напряжения сжатия по модулю возрастают в направлении скорости с.

Уравнение равновесия для данного случая имеет вид [154]:

(29)

где - напряжение сдвига в прессуемом материале; - градиент нормальных напряжений в прессуемом материале; - координата плоскости, на которой касательные напряжения = 0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 16 - Схема модели шнекового канала

1 - плоскость, замещающая дно шнекового канала; 2 - плоскость, замещающая шнековый цилиндр

Выделим пограничный слой толщиной hn, прилегающий к нижней пластине. Граница этого слоя обозначена пунктирной линией (см. рисунок 16).

Будем считать, что зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига (градиента скорости ) в пограничном слое удовлетворительно описывается уравнением Освальда-де Виляя [154]

(30)

где - коэффициент консистенции прессуемого материала в пограничном слое; nn - индекс течения прессуемого материала в пограничном слое.

Уравнение Оствальда-де Виля справедливо также вне пограничного слоя. При этом его параметры не имеют нижнего индекса.

Обозначим скорость движения материала в области y>yo через нx1, а в области через .

Рассмотрим движение материала в пограничном слое, когда производная скорости изменяет свой знак в области течения между пластинами вне слоя проскальзывания, то есть при выполнении условия Для этого случая уравнение (29) с учетом зависимости (30) в области имеет вид [154]

(31)

где

Примем начальное условие при y = 0 и, проинтегрировав уравнение (31) в границах пограничного слоя, получим [154]

(32)

Для случая с учетом направления касательного напряжения уравнение (29) преобразуется в уравнение [154]

(33)

Проинтегрировав его при тех же условиях, что и уравнение (31), получим [154]

(34)

Уравнение (32) и (34) позволяют определить скорость пристенного скольжения в пограничном слое при известной толщине и реологических параметрах прессуемого материала.

Возможно распределение касательных напряжений в прессуемом материале, при котором Для этого случая скорость пристенного скольжения определим, решив дифференциальное уравнение (30) при начальных условиях при , а дифференциальное уравнение (33) при начальных условиях при . Приняв [154]

при (35)

получим

(36)

Для иллюстрации характера движения прессуемого материала в канале шнека построены эпюры скоростей по ранее полученным решением уравнений (30) и (32) зависимостям [154, 158]

(37)

(38)

Если , используя граничное условие при можно определить из уравнений (37) и (38) величину , задавшись скоростью верхней пластины (см. рисунок 8), либо определить необходимую для данного распределения скоростей величину , задавшись величиной . Если , аналогичные решения можно получить из уравнений (38) и (34) или (38) и (36), используя граничное условие при .

В результате проведенных экспериментальных исследований Зубковым Т.М., Абдрафиковым Д.А. и Мусиенко Д.А. установлено, что предположение о происхождении слоя проскальзывания за счет локального разогрева материала не подтверждается, поскольку в этом случае отсутствует заметное проскальзывание по дну канала шнека.

В результате чего авторы эксперимента дают следующее объяснение возникновения пограничного слоя с реологическими параметрами, отличающимися от параметров основного материала в канале шнека, которое заключается в распределении мощности послойного течения в материале. Таким образом, уравнение удельной мощности послойного течения величины примет следующий вид [154]

(39)

В формуле (39) учтено, что скорость прессуемого материала рассматривалась выше в обращенном движении шнекового прессующего механизма. Скорость определена уравнениями (9) и (10). С учетом уравнения (29) формула (39) преобразуется к виду [154]

(40)

Исследование слепков прессуемого материала, извлеченного из канала шнека, дает основание предположить, что толщиной пограничного слоя можно пренебречь по сравнению с высотой шнекового канала , поэтому при определении расхода материала в канале потоком в пограничном слое можно пренебречь [154].

Таким образом, экструдирование является недостаточно изученным процессом. Причиной этого является недостаточная технологическая база для разработки и создания универсальных экспериментальных установок и дефицит теоретических знаний о закономерностях протекания процесса, что препятствует выбору оптимальных технологических параметров экструзионной обработки различного растительного сырья [154].

Выводы

1 Процесс измельчения выбираем на основе существующих технологических схем измельчения с учетом проделанного нами анализа.

2 Проведенный анализ теоретических основ процесса смешивания показал, что за время смешивания компонентов следует принимать то, при котором Vс > min. Учитывая данную физическую картину смешивания необходимо различать два главных параметра - качество процесса и продолжительность операции до достижения заданного качества [136-139].

Таким образом, в существующих смесителях смешивание осуществляется по принципу случайного процесса с ожиданием вероятности благоприятного исхода, что является существенным недостатком существующих конструкций смесителей.

3. Проведенный анализ теоретических основ экструдирования показал, что экструдирование является недостаточно изученным процессом. Причиной этого является недостаточная технологическая база для разработки и создания универсальных экспериментальных установок и дефицит теоретических знаний о закономерностях протекания процесса, что создает препятствие выбору оптимальных технологических параметров экструзионной обработки различного растительного сырья.

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

3.1 Организация научных исследований, выбор и характеристика объектов исследования

В соответствии с поставленной целью и сформулированными задачами экспериментальных исследований по разработке технологии производства продуктов высокой степени готовности, необходимо изучить и оптимизировать основные технологические процессы (измельчение, смешивание и экструдирование) на экспериментальном оборудовании.

Экспериментальные исследования планируется провести в создаваемых научно-исследовательских лабораториях (далее - НИЛ): технологии зерна и продуктов его переработки и экструзионной технологии пищевых продуктов, а также в условиях Казахстанско-Японского инновационного центра (далее - Инновационный центр) РГП на ПХВ "Казахский национальный аграрный университет".

В НИЛ технологии зерна и продуктов его переработки планируется включить следующее оборудование: 1 - тестомесилка лабораторная для пробной выпечки У-1-ЕТВ; 2 - тестозаверточная машина; 3 - шкаф для расстойки ШРЛ-0,65; 4 - шкаф для выпечки ШХЛ-0,65; 5 - холодильник; 6 - вентилятор вытяжной HV-230А.

В НИЛ экструзионной технологии пищевых продуктов планируется включить следующее оборудование: 1 - дробилка универсальная ДУ500; 2 - смеситель муки; 3 - винтовой конвейер; 4 - экструдер LT 65L; 5 - пульт управления; 6 - начинконаполнитель; 7 - формообразующее устройство; 8 - бункер для продукции; 9 - микронизатор; 10 - вентилятор вытяжной HV-230А.

В состав Инновационного центра входят 2 (две) лаборатории: лаборатория инженерного профиля "Электронная микроскопия" и лаборатория пищевой и экологической безопасности. Материально-техническая оснащенность Инновационного центра соответствует мировым стандартам.

Контрольные и сертификационные испытания опытных образцов будут исследованы в условиях ТОО "Алматинское бюро по сертификации"

Объектом исследования является зерновое сырье отечественной селекции. В качестве объектов исследования определены следующие зерновые культуры, которые условно разделили на три группы:

– зерновое сырье, как научная продукция отечественных селекционеров;

– сыпучее сырье, мука из цельносмолотого зерна злаковых культур и полизлаковая смесь на ее основе, являющаяся ценным источником питательных и минеральных веществ;

– продукты высокой степени готовности, укрепляющие функциональный статус, т. е. продукты направленного действия с максимальным сохранением биологически активных веществ, сосредоточенных в периферийных частях зернового сырья.

Зерновое сырье. В качестве объектов исследований на экспериментальных установках определено зерно злаковых культур: пшеница, ячмень, кукуруза, овес, гречиха и просо. Зерно будет представлено основными зерносеющими регионами Казахстана: Акмолинской, Карагандинской, Актюбинской, Южно-Казахстанской, Северо-Казахстанской, Алматинской областей. Отобранные пробы зернового сырья будут представлять собой последние селекционные разработки ведущих научно-исследовательских центров.

Злаковые культуры принадлежат к различным ботаническим семействам: хлебным злакам, которые подразделяются на типичные (пшеница, рожь, овес, ячмень, тритикале) и просовидные (просо, рис, кукуруза, сорго); гречишные (гречиха) и зернобобовые. Ниже приведено описание объектов исследования.

Пшеница - продовольственная культура, занимающая лидирующее место в объеме производства злаковых культур на территории РК.

В качестве объектов исследования будут отобраны образцы зерна пшеницы, представляющие собой современные селекционные достижения отечественных ученых-селекционеров.

Ячмень - важная продовольственная, зернофуражная и техническая культура, морозо- и жароустойчива. Зерно ячменя идет на продовольственные, технические и кормовые цели.

В качестве объектов исследования будут отобраны образцы зерна ячменя, представляющие собой современные селекционные достижения отечественных ученых-селекционеров.

Овес - типичный хлебный злак, имеющий важное продовольственное и фуражное значение. Пищевое и кормовое достоинство овса определяется его высокой биологической ценностью, ввиду высокого содержания незаменимых аминокислот, особенно - лизина (до 8,5 %).

В качестве объектов исследования будет отобрана партия зерна овса, представляющая собой современную селекционную разработку отечественных ученых-селекционеров.

Кукуруза - важная продовольственная и фуражная культура, занимающая одно из ведущих место в мировом производстве зерна.

В качестве объектов исследования будут отобраны экспериментальные партии зерна кукурузы, представляющие собой современные селекционные разработки отечественных ученых-селекционеров.

Просо - важная крупяная культура. Отличительной особенностью зерна проса является значительное содержание жира в химическом составе, что характеризуется повышенной кислотностью. В результате чего зерно проса и продукты на его основе отличаются нестабильностью в процессе хранения.

В качестве объектов исследования будут отобраны экспериментальные партии зерна проса, представляющие собой современные селекционные разработки отечественных ученых-селекционеров.

Гречиха - важная продовольственная (крупяная) культура. В зерновом производстве представлена единственная культура - гречиха (Fagorpyrum Mill).

В качестве объекта исследования будут отобраны экспериментальные партии зерна гречихи, представляющие собой современные селекционные разработки отечественных ученых-селекционеров.

Отобранные пробы зернового сырья будут соответствовать требованиям, изложенным в СТ РК и ГОСТах.

3.2 Физико-химические методы исследований

Физико-химические характеристики объектов исследований дают возможность получить представление о качестве сырья и продукции, о химическом составе, о технологических и потребительских свойствах объектов исследования.

Установленные значения физико-химических характеристик в значительной степени оказывают влияние на эффективность ведения технологических процессов производства продуктов питания на зерновой основе.

В этой связи с целью рационального построения технологического процесса производства продуктов высокой степени готовности на основе полизлаковой смеси, необходимо изучить физико-механические и биохимические свойства полизлакового сырья, которые в совокупности дают оценку технологическим достоинствам зернового сырья.

Определение показателей качества и безопасности зернового сырья казахстанской селекции и муки, приготовленной из полизлакового сырья, проводится в соответствии со следующими ГОСТированными методиками.

Отбор и формирование проб зернового сырья будет проводиться в соответствии с ГОСТ 13586.3-83 Зерно. Правила приемки и методы отбора проб. Настоящий стандарт распространяется на заготовляемое и поставляемое зерно зерновых и зернобобовых культур, предназначенное для продовольственных, кормовых и технических целей, и устанавливает правила приемки и их методы.

Согласно действующему нормативно-техническому документу будут предусмотрены следующие этапы:

– приемка;

– отбор проб;

– составление объединенной пробы;

– подготовка средней пробы и выделение навесок для проведения физико-химических анализов;

– порядок и хранение выделенных проб.

Определение органолептических характеристик зернового сырья будет проводиться в соответствии с ГОСТ 10967-90 Зерно. Методы определения запаха и цвета [159-160]. Анализ по определению запаха и цвета проводится на отобранных пробах зернового сырья, имеющего комнатную температуру, при влажности зерна не более 14,5-15 %.

Определение влажности отобранных проб зернового сырья будет проводиться в соответствии с ГОСТ 13586.5-93 Зерно. Метод определения влажности [159-160]. Показатель влажности имеет важное технологическое значение в производстве продуктов на зерновой основе, существенно оказывает влияние на эффективность протекания технологических процессов. В лабораторных исследованиях будет применен воздушно-тепловой метод определения влажности, согласно которому нужно обезвоживать навеску измельченной экспериментальной навеки зерна в воздушно-тепловом шкафу при фиксированных параметрах: температуры и продолжительности сушки. Далее аналитическим путем будем определять убыль массы навески по формуле:

(41)

где m1 - масса пробы целого зерна после предварительного подсушивания; m2 - масса навески размолотого зерна после просушивания.

За окончательное значение будем принимать среднеарифметическое значение результатов двух параллельных анализов. Полученные значения будут фиксироваться и заноситься в лабораторный журнал.

Определение химического состава зернового сырья будем проводить в соответствии с ГОСТ Р 50817-95 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Метод определения содержания сырого протеина, сырой клетчатки, сырого жира и влаги с применением спектроскопии в ближней инфракрасной области [159-160]. Лабораторные исследования будем проводить на анализаторах цельного и молотого зерна, использующих метод отражения в ближней инфракрасной области с набором калибровок. Показания приборов будут занесены в лабораторный журнал.

Определение содержание минеральных веществ в зерновом сырье будем проводить в соответствии с ГОСТ Р 50852-96 Комбикорма, комбикормовое сырье. Метод определения содержания сырой золы, кальция и фосфора с применением спектроскопии в ближней инфракрасной области [161, 162]. Лабораторные анализы по определению содержания минеральных веществ в зерне будем проводить на анализаторах цельного и молотого зерна, использующих метод отражения в ближней инфракрасной области, путем автоматизированного замера интенсивности диффузионного отражения излучения от исследуемого объекта и дальнейшим расчетом содержания определяемого компонента по уравнению регрессии.

Определение солей тяжелых металлов будем проводить в соответствии с ГОСТ Р 51301-99 Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, цинка, меди) [159, 160]. Лабораторные исследования по определению концентрации солей тяжелых металлов будем проводить путем измерения массовой концентрации ионов металлов, в частности, свинца, меди, кадмия, ртути и др. в водных растворах.

Определение патогенной микрофлоры зерна и зернопродуктов будем проводить в соответствии с ГОСТ 10444.15-94 Продукты пищевые. Методы определения количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов [159, 160]. Лабораторные исследования по определению количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов будем проводить путем посева на агаризованные питательные среды и дальнейшим инкубированием посевов при температуре 30±1 °С в течение 72±3 часа в аэробных условиях. После процесса инкубирования проведем подсчет количества колоний, выросших на чашке Петри в соответствии с установленным методом. Полученные значения при подсчете образовавшихся колоний будут зарегистрированы в лабораторном журнале.

Определение количества дрожжей и плесневых грибов будем проводить в соответствии с ГОСТ 10444.12-88 Продукты пищевые. Метод определения дрожжей и плесневых грибов [159, 160]. Лабораторные исследования будем проводить методом высева гомогената зерна и зернопродуктов в питательные среды и дальнейшим определением принадлежности выделенных микроорганизмов к плесневым грибам и дрожжам по характерному росту на питательных средах и по морфологии клеток.

Обработку результатов исследований будем вести раздельно для дрожжей и плесневых грибов, количество будем вычислять по формуле:

(42)

где УС - сумма всех подсчитанных колоний на чашках Петри в двух последовательных десятикратных разведениях; n1 - количество чашек Петри, подсчитанное для меньшего разведения, т. е. для более концентрированного разведения продукта; n2 - количество чашек Петри, подсчитанное для большего разведения; n - степень разведения продукта (для меньшего разведения).

В ходе проведения лабораторных исследований по изучению микробиологической обсемененности будет применены следующая аппаратура [163]:

– весы аналитические лабораторные;

– чашки Петри;

– петля бактериологическая;

– стекла предметные и покровные;

– микроскоп световой биологический с увеличением 900-1000;

– термостат с диапазоном рабочих температур 28-55 °С;

– питательные среды.

Полученные значения при подсчете образовавшихся колоний будем регистрировать в лабораторном журнале.

Определение органолептических показателей зернопродуктов будем проводить в соответствии с ГОСТ 27558-87 Мука и отруби. Методы определения цвета, запаха, вкуса и хруста [159, 160]. Лабораторные исследования по определению цвета зернопродуктов будем проводить визуальным способом при дневном свете. Определение запаха зернопродуктов будем проводить путем согревания дыханием экспериментальной навески, для усиления запаха будет применен способ заливания горячей водой, после чего устанавливается присутствующий запах. Определение вкуса и хруста муки будем проводить путем разжевывания экспериментальной навески. Результаты лабораторных наблюдений будут занесены в лабораторный журнал.

Определение влажности муки из цельносмолотого зерна злаковых культур будем проводить в соответствии с ГОСТ 9404-88 Мука и отруби. Метод определения влажности [159, 160]. Настоящий метод предназначен для определения влажности мучной продукции путем обезвоживания муки в воздушно-тепловом потоке при фиксированных значениях температуры и продолжительности сушки.

Обработку результатов лабораторных анализов по определению влажности мучной продукции будем проводить по формуле [159, 160]:

(43)

где m1 - масса навески муки до высушивания, г; m2 - масса навески муки после высушивания, г.

За окончательный результат принимается среднее арифметическое значение результатов двух параллельных определений. Полученные значения будем записывать в лабораторный журнал.

Определение влажности полизлаковых продуктов питания высокой степени готовности будем проводить в соответствии ГОСТ 26312.7-88 Крупа. Метод определения влажности [159, 160]. Лабораторные исследования будем проводить по аналогичной методике указанной выше, обработку результатов лабораторных исследований будем проводить по формуле (41).