Научное обеспечение процесса экструзии модельных сред на основе крахмалсодержащего сырья и разработка высокоэффективного оборудования для его реализации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научное обеспечение процесса экструзии модельных сред на основе крахмалсодержащего сырья и разработка высокоэффективного оборудования для его реализации

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

экструдер крахмалсодержащий рецептурный

Актуальность работы. Одно из основных приоритетных направлений реализации «Концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации» - создание перспективных технологий и оборудования для производства высококачественных продуктов функционально-направленного действия. Важным аспектом развития современной пищевой технологии является создание экструдатов сбалансированного состава, снижение себестоимости выпускаемой продукции за счет использования широко распространенного сырья и экономичных конструкций оборудования для его обработки. Потребление экструдированных изделий (зерновых завтраков и легких закусок) непрерывно растет, соответственно увеличиваются капиталовложения в эту отрасль. Однако, несмотря на высокие темпы роста производства экструдатов, уровень их потребления в РФ значительно отстает от уровня, достигнутого в развитых странах.

Отечественные экструдеры отличаются от зарубежных аналогов большей массо- и металлоемкостью, более высокими удельными энергозатратами, они не универсальны и предназначены преимущественно для производства одного вида продукции. При этом проведение процесса не отвечает в полной мере основным его закономерностям, что не позволяет обеспечить стабилизацию термодинамических параметров - давления и температуры в предматричной зоне экструдеров, а следовательно, получить качественные продукты питания нового поколения.

Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубежные и отечественные ученые, как G. Schenkel, B.H. Maddock, E.C. Bernhardt, Z. Tadmor, J.M. McKelvey, J.F. Carley, Р.В. Торнер, И.Э. Груздев, Г.М. Медведев, В.И. Янков, А.Н. Богатырев, А.И. Жушман, В.Г. Карпов, В.П. Первадчук, В.А. Коваленок и другие.

Одним из путей создания безотходных ресурсосберегающих технологий является применение горячей экструзии для производства продуктов функционального назначения. Актуально использование не только широко распространенного на территории РФ сырья (гречиха, картофель и др.), но и нетрадиционных его видов в качестве ценной добавки, в частности различных овощных порошкообразных полуфабрикатов (например, свекольно-паточный (СППП)), белковых обогатителей (соя, сухое обезжиренное молоко (СОМ)), что позволит получать новые продукты с уникальными наборами свойств, формы и структуры. Поэтому создание новых рецептур модельных смесей на основе крахмалсодержащего сырья с овощными (например, крошки из черствого и деформированного хлеба (ЧДХ) с СППП) и белковыми добавками (картофельных хлопьев с СОМ, гречихи с соей) с целью улучшения потребительских свойств, повышения биологической и пищевой ценности экструдатов и разработка рациональных режимов процесса являются важными направлениями в области совершенствования экструзионной технологии.

Для получения продуктов высокого качества целесообразно соблюдение научно обоснованных рациональных параметров, обеспечивающих стабилизацию температурного режима, определяемого, в частности, величиной давления в предматричной зоне экструдера, а также проведением процесса экструзии на всех стадиях строго в соответствии с основными его закономерностями. Таким образом, выявление таких закономерностей для производства функциональных экструдированных продуктов сбалансированного состава (картофельных, зерновых, хлебных палочек) - актуальная задача, имеющая важное теоретическое и прикладное значение.

Работа проводилась в рамках основных направлений научных исследований кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ВГТА, соответствующих плану госбюджетной НИР (№ гос. регистрации 0120. 0 603139) «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 2006-2010 гг.; в рамках НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» за 2003-2004 гг. по теме «Разработка ресурсосберегающей технологии производства экструдированных продуктов с программируемыми свойствами и оборудования для ее реализации» (№ гос. регистрации 01.2.00 306956); в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) «Разработка ресурсосберегающей технологии экструдированных продуктов питания функционального назначения с повышенной пищевой и биологической ценностью и оборудования для ее реализации» (№ 08-08-99002) и НИР в рамках тематического плана по заданию Министерства образования и науки РФ «Исследование закономерностей течения неньютоновских жидкостей в каналах различной геометрии» за 2006-2009 гг.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы - научное обеспечение процесса экструзии модельных сред на основе крахмалсодержащего сырья с использованием ценных пищевых добавок, разработка научно обоснованных рекомендаций по его совершенствованию с моделированием высокоэффективных технологий производства экструдированных продуктов с программируемыми свойствами и созданием перспективных конструкций одно- и многошнековых экструдеров.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи, вытекающие из современного состояния проблемы:

на основании системного подхода разработка концептуальных принципов и рекомендаций по научно-практическому обеспечению совершенствования процесса экструзии крахмалсодержащего сырья с учетом его специфических свойств;

обоснование выбора и содержания рецептурных компонентов экструдируемого сырья;

исследование реологических свойств модельных пищевых смесей; определение рациональных технологических режимов процесса, позволяющих достичь оптимального соотношения удельной производительности и качества экструдированных палочек (картофельных, зерновых, хлебных);

- разработка научной концепции моделирования высокоэффективных технологий производства экструдированных продуктов заданного состава с соответствующим аппаратурным оформлением;

изучение основных закономерностей тепло- и массообмена в процессе экструзии (влияние начальной влажности, температуры, давления, угловой скорости вращения шнека на характер протекания исследуемого процесса и качество полученных экструдатов) и разработка на этой основе стратегии реализации и создания новых способов производства полифункциональных экструдированных изделий сбалансированного состава;

создание математических моделей течения вязкой пищевой среды в формующих каналах матрицы, предматричной и дозирующей зонах рабочей камеры экструдера;

изучение влияния основных параметров процесса на механизм формирования микроструктуры экструдатов; проектирование функциональных продуктов питания с программируемыми свойствами на основе крахмалсодержащего сырья с использованием ценных пищевых добавок; исследование показателей качества экструдированных палочек и оценка их потребительских свойств;

систематизация полученных данных и формулировка на их основе теоретических положений, обосновывающих характер протекания физико-химических и структурно-механических изменений модельных объектов;

создание системы автоматизированного проектирования экструзионного оборудования нового поколения, обеспечивающего эффективное использование материальных и энергетических ресурсов;

разработка перспективных конструкций одно- и многошнековых экструдеров и способов автоматического управления процессом для его интенсификации; проведение промышленной апробации полученных результатов с их технико-экономической оценкой для широкомасштабного внедрения на предприятиях пищевой промышленности.

Научная концепция. Разработка и научное обеспечение подходов, принципов и методов интенсификации и создания высокоэффективных технологий производства экструдированных продуктов функционального назначения с соответствующим аппаратурным оформлением на основе комплексного анализа основных закономерностей процесса совместно с физико-химическими и структурно-механическими характеристиками модельных объектов; разработка системы автоматизированного проектирования перспективного экструзионного оборудования нового поколения, обеспечивающего рациональное использование материальных и энергетических ресурсов.

Научные положения, выносимые на защиту:

разработка комплекса проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений, включающего структуризацию процессов экструзионной обработки крахмалсодержащего сырья, построение моделей и обоснование рациональных параметров методами математического моделирования;

определение принципов рационального выбора технологических режимов процесса, позволяющих достичь оптимального соотношения удельной производительности и качества экструдатов;

обоснование принципов и методов интенсификации и создания высокоэффективных технологий производства функциональных экструдированных продуктов сбалансированного состава;

обоснование принципов ресурсосбережения, положенных в основу предлагаемых способов производства экструдатов; концептуальные подходы по стабилизации основных термодинамических параметров процесса для повышения его эффективности с оценкой показателей качества продуктов; разработка способов регулирования и управления экструзией;

методологический подход к созданию системы автоматизированного проектирования оригинальных экструдеров нового поколения, обеспечивающих эффективное использование материальных и энергетических ресурсов.

Научная новизна. Разработаны концептуальные принципы создания высокоэффективных экструзионных технологий, направленных на интенсификацию процесса, сбережение и рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций одно- и двухшнековых экструдеров нового поколения.

Сформулирована и экспериментально подтверждена реологическая модель экструдатов в ходе исследования реологических характеристик (вязкостных свойств) модельных пищевых сред с учетом особенностей близких режиму горячей экструзии.

Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности тепло- и массообмена в процессе одно- и двухшнековой экструзии продуктов заданного состава (влияние начальной влажности, температуры, давления, угловой скорости вращения шнека на физику исследуемого процесса и качество полученных экструдатов); изучена возможность и обоснована необходимость применения небольших угловых скоростей вращения шнека (менее 10,47 с^-1) для сохранения термолабильных питательных веществ путем уменьшения механического воздействия на продукт.

Предложены оригинальные концептуальные подходы по стабилизации основных термодинамических параметров процесса, формирующие стратегию рационального производства качественных экструдированных продуктов питания; получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать амплитуды пульсаций температуры и давления экструдата.

Предложен математический комплекс процесса экструзии вязких пищевых сред, включающий математические модели, описывающие изменение температуры (давления) и средней скорости расплава продукта по длине зоны дозирования, в предматричной зоне и формующих каналах матрицы экструдера.

Раскрыты механизмы формирования микроструктуры экструдатов, обусловленные коллоидными процессами, связанными с удалением и перераспределением воды и изменением структуры под влиянием физических воздействий.

Разработана система автоматизированного проектирования оригинальных конструкций экструдеров нового поколения, позволяющих решить проблему эффективного ресурсосбережения и интенсификации процесса.

Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 20 патентами РФ и 1 свидетельством РОСПАТЕНТА о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования, а также анализ работы экструзионного оборудования позволили разработать методологические подходы к созданию высокоэффективных технологий получения функциональных экструдированных продуктов с соответствующим аппаратурным оформлением (Пат. РФ № 2258373, 2259146, 2262855, 2262856). Развиты положения по ресурсосбережению, которые реализованы в разработанной схеме линии производства экструдатов заданной пищевой ценности (Пат. РФ № 2302337).

Доказана перспективность получения из широко распространенного сырья, а также отходов пищевых производств высококачественных экструдированных палочек сбалансированного состава.

Определены и обоснованы рациональные технологические режимы горячей экструзии крахмалсодержащего сырья с различными ценными добавками (крошки из ЧДХ с СППП, картофельных хлопьев и СОМ, гречихи с соей) на основе сформулированных принципов ресурсосбережения, обеспечивающие сокращение продолжительности процесса, снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.

Получены новые экструдированные продукты функционального назначения - хрустящие хлебные, картофельные и зерновые палочки, обладающие хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью, которые могут быть рекомендованы, в частности, для детей школьного возраста.

Созданы методики инженерного расчета одно- и двухшнековых экструдеров, подтверждающие высокую эффективность предлагаемых технических решений.

Для реализации ресурсосберегающих экструзионных технологий разработаны перспективные конструкции корпуса (Пат. РФ № 2118257, 2172246, 2179111), шнека (Пат. РФ № 2118258, 2177702, 2205105, 2227782, 2241598) и формующего устройства экструдера (Пат. РФ № 2142361, 2161556, 2185286, 2277363), основанные на выявленных закономерностях исследуемого процесса.

Предложены способы автоматического управления экструдером с целью интенсификации процесса и получения экструдатов высокого качества (Пат. РФ № 2130831, 2168413, 2178738).

проданы две лицензии на патенты РФ № 2118257, 2172246. Имеется акт от 26.01.2005 г. о внедрении экспериментального двухшнекового экструдера (Пат. РФ № 2172246) в технологическую схему производства подсолнечного масла методом прессования на предприятии ОАО «Подсолнечник». объем экономического эффекта от внедрения экструдера в производство за четыре года эксплуатации (2001-2004 гг.) составил 2,6 млн р.

Достоверность научных разработок подтверждена результатами экспериментальных исследований в промышленных условиях (ОАО «ЮНАЙТЕД БЕЙКЕРС-Псков», ОАО «Грязинский пищевой комбинат», ОАО «Лиски - Хлеб», ОАО «Подсолнечник»).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на международных научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Воронеж, 1997, 2003 гг.); (Могилев, Беларусь, 1998, 2005 гг.); (Орел, 1998 г.); (Калининград, 2000 г.); (Тамбов, 2002, 2004, 2005 гг.); (Кемерово, 2002 г.); (Новосибирск, 2003 г.); (Краснодар, 2005 г.);

- всероссийских научных, научно-технических и научно-практических конференциях: (Москва, 1997, 2005 гг.); (Юрга, 1999 г.); (Тольятти, 2001 г.); (Уфа, 2003 г.); (Углич, 2003 г.); (Краснодар, 2005 г.);

- межрегиональной научно-практической конференции (Казань, 1998 г.);

- отчетной научно-технической конференции (Москва, 2004 г.); отчетных научных конференциях ВГТА за 1996-2007 гг.; научно-практических конференциях (Воронеж, 1996, 1998 гг.).

Результаты работы демонстрировались на второй специализированной выставке «Фермер Черноземья» (Воронеж), шестой международной выставке «Агротехмаш - 2001» (Воронеж, 2001 г.), 13-й межрегиональной выставке «Продторг» (Воронеж, 2002 г.), конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, МГУПП, 2003, 2004 гг.), выставке «Центрагромаш» (Воронеж), 17-й межрегиональной выставке «Продторг» (Воронеж, 2003 г.), II Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации «ИННОВ-2005» (Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2005 г.), участвовали в конкурсах инновационных проектов в рамках специализированных выставок (Воронеж, ЦНТИ, 2001, 2002, 2003 гг.) и Воронежской Торгово-промышленной палаты (Воронеж, 2001 г.), по итогам которых работа награждена 13 дипломами.

Автор работы является лауреатом премии в области науки и образования администрации Воронежской области за 2001, 2002 и 2004 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 97 работ, в том числе 1 учебник с грифом Минобрнауки, 1 учебник с грифом УМО, 1 учебное пособие с грифом УМО, 1 монография, 1 обзорная информация, 19 статей в центральных изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций, 20 патентов РФ и 1 свидетельство РОСПАТЕНТА о гос. регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена в двух томах. Первый том состоит из введения, семи глав, основных выводов и результатов, литературы из 305 наименований, в том числе 61 - на иностранных языках, объем 398 страниц машинописного текста, приведены 22 таблицы и 179 рисунков. Второй том состоит из 11 приложений объемом 202 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства экструдированных продуктов, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы данные о современном состоянии и основных направлениях совершенствования техники и технологии экструзионного процесса получения продуктов питания, его сущности и основных видах экструдированных изделий. Приведена классификация экструдеров и представлены их конструкции, выпускаемые в России и за рубежом. Рассмотрены наиболее важные реологические уравнения и характеристики пластических материалов. Дан анализ достоинств и недостатков математических моделей процесса одно- и двухшнековой экструзии. Рассмотрены перспективные способы получения экструдированных продуктов. На основании проведенного анализа (рис. 1) обоснован выбор наиболее эффективных режимов получения качественных экструдатов, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, обоснован выбор объектов исследования и определены пути и методы решения поставленных научных проблем.

Сформулированы основные принципы, условия и пути решения, при которых достигаются высокоэффективные технологии производства экструдированных продуктов питания с рациональным использованием материальных и энергетических ресурсов.

Во второй главе обоснованы выбор и содержание рецептурных компонентов модельных смесей. Для проведения исследований использованы: 1) крошка из черствого и деформированного хлеба «Дарницкий» (ГОСТ 26983-86); свекольно-паточный порошкообразный полуфабрикат (ТУ 9164-001-2068102-94), полученный распылительным способом; 2) картофельные хлопья (ТУ 9166-006-10625882-95); сухое обезжиренное молоко (ГОСТ 10970-87); 3) гречиха (ГОСТ 19092-92); соя (ГОСТ 17109-88).

Для моделирования состава комбинированной смеси был предложен методологический подход, учитывающий такие аспекты, как влияние дозировки компонентов на аминокислотный состав, количество углеводов, жиров и белков и их соотношение, биологическую ценность (рис. 2), критерии утилизации, что актуально для создания сбалансированных по составу продуктов.

Рис. 1. Схема реализации системного анализа при разработке высокоэффективных технологий производства экструдированных продуктов

В результате комплексной оценки полученных экструдатов определено рациональное содержание компонентов модельных смесей: 3…5 % СППП и 95…97 % крошки из ЧДХ, 82…84 % гречихи и 16…18 % сои (соотношение 5 : 1), 10…20 % СОМ и 80…90 % картофельных хлопьев, что удовлетворяет поставленной задаче и обеспечивает получение качественных сбалансированных по составу продуктов с заданными свойствами.

Реологические свойства смеси крошки из ЧДХ с добавкой СППП и гречихи с соей изучены с помощью капиллярного вискозиметра. Исследовали влияние температуры и влажности на вязкость пищевых смесей: температура была изучена в интервале от 408 до 453 К, влажность - от 12 до 20 %. Были получены кривые течения и зависимости вязкости от скорости сдвига (рис. 3), показывающие качественное поведение псевдопластических жидкостей.

Реологическая модель течения при экструдировании может быть охарактеризована обобщенным степенным уравнением. Анализ кривых показал, что повышение температуры и влажности вызывает снижение напряжения сдвига и вязкости расплава пищевой среды. Максимальные скорости деформации, при которых можно получить экструдат хорошего качества, соответствуют интервалу 10…20 с^-1.

В третьей главе изложено описание экспериментальных исследований процесса одно- и двухшнековой экструзии модельных пищевых сред. Они проводились на одно- и двухшнековом экструдерах, основными узлами которых являются рабочие камеры, шнеки и матрицы, регулируемые приводы и блоки контрольно-измерительной аппаратуры, совмещенные с ПЭВМ. Параметры экструзии изменялись в следующих диапазонах: влажность исходной смеси - 12…20 %; ее температура перед матрицей - 413…453 К; угловая скорость вращения шнека(-ов) - 2,62…10,47 с^-1; давление продукта в предматричной зоне экструдера не менее 5 МПа.

Рис. 3. Кривые течения (а) и зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига (б) зерновой смеси на основе гречихи и сои при влажности W = 15 % и температурах, К: 1 - 408; 2 - 423; 3 - 438; 4 - 453

С целью исследования основных закономерностей тепло- и массообмена в процессе экструзии функциональных продуктов: влияния начальной влажности, температуры, давления, угловой скорости вращения шнека(-ов) на характер экструдирования по экспериментальным данным были построены графические зависимости (рис. 4 - 17).

По виду графика (рис. 4) сделан вывод, что разогрев продукта в рабочей камере экструдера происходит гораздо быстрее с повышением угловой скорости вращения шнека. Последующее падение температуры обусловлено выходом экструдата из формующего канала матрицы. Увеличение начальной влажности смеси и ее температуры приводило к возрастанию скорости протекания процесса экструзии за счет снижения вязкости расплава в предматричной зоне. Распределение температуры продукта по длине экструдера (рис. 5) характеризуется ее резким возрастанием, начиная с зоны сжатия вплоть до предматричной области. В матрице она постоянна из-за небольшого отрезка времени нахождения в ней и при выходе продукта из формующего канала быстро понижается до 370…380 К за счет взрывного испарения воды и выделения значительного количества энергии. Причем с увеличением давления в предматричной зоне температура пищевой смеси несколько повышается. Начальная влажность пищевой среды по длине экструдера не изменяется (т. е. имеет постоянный вид за счет герметичности рабочей камеры экструдера и отсутствия зон дегазации) до попадания экструдата в зону атмосферного давления, где мгновенно испаряется примерно 10…20 % воды. Проанализированный характер изменения температуры и давления по времени и длине рабочей зоны позволил оценить влияние этих параметров на ход процесса экструзии, обосновать его рациональные режимы и получить рабочие характеристики одношнекового экструдера при оптимальных удельных расходах электроэнергии на производство палочек.

Анализ рабочих характеристик экструдера (рис. 6) показал, что с интенсификацией механического воздействия на продукт (n > max, Q > max) происходит образование расплава, и, как следствие, уменьшение его вязкости. Кроме того, все сильнее наблюдается эффект противодавления расплава материала, что в совокупности и обусловливает с некоторого момента снижение развиваемого давления.

В результате обработки опытных данных было получено критериальное уравнение, характеризующее влияние скорости движения расплава аномально-вязкой среды на ее давление,

. (1)

Анализ графиков (рис. 7) показал, что между n и Q существует прямо пропорциональная линейная зависимость. С увеличением угловой скорости вращения шнека производительность экструдера возрастает, причем более интенсивно с повышением начальной влажности и температуры продукта в предматричной зоне, что обусловлено меньшим сопротивлением движению материала в винтовом канале шнека.

Рис. 4. Зависимость температуры продукта из ЧДХ от времени нахождения его в экструдере при различных значениях угловой скорости вращения шнека, температуры в предматричной зоне ( 443 К, о 453 К), W = 12 %, СППП - 4 %

Рис. 5. Распределение температуры и начальной влажности продукта из ЧДХ по длине рабочей зоны экструдера при различных значениях давления перед матрицей, массовой доле добавки СППП 4 %, n = 5,23 с^-1

Рис. 6. Зависимость давления в предматричной зоне экструдера от его производительности при различных значениях влажности хлеб-ной смеси ( 12 %; о 14 %), температуры ее перед матрицей и массовой доле добавки СППП 4 %

Наличие экстремумов на кривых Э Q показывает оптимальную область экструзии смеси, т. е. необходимую производительность экструдера при минимальных удельных расходах электроэнергии на проведение процесса. Возрастание массовой доли влаги в сырье с 12 до 15 % приводило к снижению удельных расходов электроэнергии из-за уменьшения вязкости расплава, причем более интенсивно с увеличением его температуры перед матрицей.

Из анализа рис. 8 следует, что для конечной величины k_г (константа формующего инструмента, k_г = 1,5·10^-10 м³) при одном и том же угле подъема винтовой линии шнека ц могут быть достигнуты одинаковые производительности (кроме максимальной) при двух различных глубинах нарезки. Для продвижения продукта в загрузочной зоне экструдера оптимальный угол ц будет равен 13є38'. При малых глубинах нарезки на выходном конце шнека в дозирующей зоне возникает при одинаковом числе оборотов меньший обратный поток, что обеспечивает более эффективную подачу материала, но происходят большие энергетические переходы (усилия сдвига растут обратно пропорционально глубине нарезки) и продукт обрабатывается при более высокой температуре.

По виду графиков (рис. 9) сделан вывод, что разогрев продукта в рабочей камере осуществляется сильнее с повышением угловой скорости вращения шнека n, причем изменение температуры T₂ происходит гораздо интенсивнее из-за увеличения степени сжатия и роста давления на данном участке. Зная изменение температуры продукта ДT при соответствующей n можно определить количество теплоты, выделяющейся в результате диссипации механической энергии рабочих органов экструдера.

В первом приближении энергию E, диссипируемую на участке потока длиной dz, можно определить по формуле:

. (2)

Как видно из рис. 10, крутящий момент M_кр при пуске экструдера резко возрастает и в дальнейшем при повышении n незначительно увеличивается (близок к постоянному). Зная M_кр, можно определить прочностные характеристики шнекового нагнетателя (касательные, эквивалентные напряжения в опасном сечении вала), а также потребную мощность привода экструдера.

Рис. 7. Зависимость угловой скорости вращения шнека и удельных расходов электроэнергии от производительности экструдера при различных значениях влажности хлебной смеси ( 12 %, о 14 %) и ее температуры перед матрицей

Рис. 8. Кривые зависимости производительности одношнекового экструдера от глубины нарезки и угла подъема винтовой линии шнека при диаметре формующего канала d_м = 4·10^-3 м и n = 6,28 с^-1: 1 - 4·10^-6; 2 - 6·10^-6; 3 - 8·10^-6; 4 - 10·10^-6; 5 - 12·10^-6; 6 - 14·10^-6 м³/с



Рис. 9. Изменение температуры экструдата в различных зонах рабочей камеры в зависимости от угловой скорости вращения шнека при W = 12 % и СППП - 4 %: T₁, T₂, T₃ - температуры продукта в зонах загрузки, сжатия и дозирования

Рис. 10. зависимость крутящего момента от угловой скорости вращения шнека: 1 - хлебная смесь с начальной влажностью W = 12 %; 2 - хлебная смесь (W = 14 %); 3 - картофельная смесь (W = 12 %)

Установлено, что давление продукта в предматричной зоне экструдера гиперболически уменьшается с увеличением его начальной влажности. Причем, чем больше площадь проходного сечения матрицы, а также содержание белковой добавки (СОМ), тем резче снижается давление расплава экструдата. Сделан вывод, что на удельные энергозатраты наибольшее влияние оказывает коэффициент живого сечения матрицы, а наименьшее конструктивный параметр (степень сжатия шнека). Причем с увеличением давления продукта и частоты вращения шнека удельные энергозатраты возрастают. Исследования показали, что на интенсивность испарения влаги, определяющей скорость протекания процесса и производительность экструдера, в наибольшей мере оказывает воздействие частота вращения шнека. С повышением давления продукта интенсивность испарения влаги заметно увеличивается.

При анализе графиков зависимостей (рис. 4 - 10) и уравнений (1) - (2) установлено, что характер экструдирования модельных пищевых смесей не противоречит теоретическим основам процесса одношнековой экструзии. Получение хрустящих хлебных и картофельных палочек возможно при небольших угловых скоростях вращения шнека (менее 10,47 с^-1). Удельные расходы электроэнергии на проведение процесса находились в пределах, сопоставимых с расходами электроэнергии зарубежных промышленных экструдеров.

Исследования основных закономерностей процесса двухшнековой экструзии зерновых экструдатов показали, что при постоянном подводе теплоты (0,068 Вт/мм²) и изменении частоты вращения шнеков наблюдалось уменьшение температуры на величину ?Т (рис. 11), поэтому необходимо сообщать дополнительное количество теплоты для поддержания стабильной температуры продукта в предматричной зоне:

?Т = - 11,5 + 22,9·n. (3)

Из (3) следует, что падение температуры носит линейный характер, свидетельствующий о том, что выделение теплоты в результате сил внутреннего трения также имеет аналогичный вид.

В результате математической обработки экспериментальных данных была определена зависимость времени нахождения продукта в экструдере от частоты вращения шнеков:

. (4)

Представленное выражение (4) описывает процесс экструдирования в диапазоне частот вращения от 0,7 до 2,1 об/с.

Исследования показали, что давление продукта в предматричной зоне экструдера гиперболически уменьшается с увеличением диаметра проходного сечения матрицы от 210^-3 до 710^-3 м (рис. 12). Чем больше начальная влажность смеси, тем резче уменьшается давление. Поведение кривой вспучивания обусловлено тем, что при малых значениях диаметра формующего канала расплав экструдата большее время находится в предматричной зоне. В результате происходит спекание части расплава, что снижает расширение экструдата за счет сил упругого восстановления. При чрезмерно больших диаметрах канала в предматричной зоне не образуется достаточного давления, и, как следствие, влагой не аккумулируется требуемая энергия для хорошего вспучивания экструдата.

При изменении соотношения крахмала и белка в экструдируемой смеси гречихи и сои в сторону уменьшения последнего происходит снижение давления в предматричной зоне (рис. 13).

Рис. 11. Распределение температуры зерновой смеси от времени нахождения ее в экструдере при различных значениях частоты вращения шнеков

Рис. 12. Зависимость давления в предматричной зоне экструдера и коэффициента вспучивания зернового экструдата от диаметра проходного сечения матрицы при различной влажности смеси W, %: 1 - 13; 2 - 15; 3 - 17

Рис. 13. Зависимость давления в предматричной зоне экструдера и коэффициента вспучивания зернового экструдата от содержания крахмала в смеси при различных диаметрах проходного сечения матрицы d103, м: 1 - 3; 2 - 5; 3 - 7

Это обусловлено тем, что вязкость крахмальной фазы ниже белковой, и за счет этого происходит уменьшение общей вязкости смеси. Снижение вспучивания в области содержания белка более 30 % обусловлено повышением вязкости среды.

Выявлено, что наибольшее влияние на давление расплава продукта оказывают конструктивные параметры экструдера (величина диаметра проходного сечения матрицы), а также начальная влажность модельной зерновой смеси; геометрические характеристики рабочего органа, угловая скорость вращения шнеков и давление продукта максимально влияют на температуру в предматричной зоне экструдера.

Очевидный интерес представляло сопоставление экспериментальных данных одно- и двухшнековой экструзии (рис. 14 - 17). Так как одношнековые машины являются экструдерами трения, то мощности обогрева для их эффективной работы требуется меньше, чем для двухшнековых одинаковой производительности со шнеками полного зацепления (рис. 14).

Из анализа рис. 15 можно определить фактические длины зон загрузки, сжатия и дозирования одно- и двухшнекового экструдеров. Давление расплава зерновой смеси в зоне дозирования двухшнекового экструдера имеет более крутую характеристику, чем у других модельных сред (кривые 1, 2). По-видимому, это связано с коротким шнеком и небольшой длиной данной зоны у двухшнековой машины в сравнении с одношнековой, где наблюдается определенная стабилизация величины давления продукта.

С увеличением линейной скорости выхода продукта из канала матрицы (рис. 16) происходит возрастание производительности экструдера. Причем у двухшнековой машины оно имеет прямо пропорциональный линейный характер, так как ее производительность мало зависит от сопротивления формующего инструмента. Наличие экстремумов на кривых 1, 2 обусловлено эффектом противодавления расплава среды, который с повышением скорости движения продукта проявляется все сильнее, особенно у одношнековых экструдеров.

Кривые, представленные на рис. 17, показывают, что при повышении массовой доли рецептурной добавки M с некоторого момента происходит снижение коэффициента расширения B.

Рис. 14. Зависимость потребной эффективной мощности обогрева от угловой скорости вращения шнека при различных конечных температурах в предматричной зоне: 1…3 - двухшнекового; 4…6 - одношнекового экструдера

Рис. 15. Зависимость давления продукта от отношения длины шнека к диаметру: I, II - зоны сжатия двух- и одношнекового экструдеров; 1 - хлебная смесь (W = 12 %); 2 - картофельная (W = 12 %); 3 - зерновая (W = 15 %); T = 443 К; n = 5,23 с^-1

Рис. 16. Зависимость производи-тельности одно- (1, 2) и двухшнекового (3) экструдеров от линейной скорости выхода продукта из канала матрицы: 1 - хлебная смесь; 2 - картофельная; 3 - зерновая; W = 12 %; d_м = 5·10^-3 м

Рис. 17. Влияние массовой доли рецептурной добавки (СППП, СОМ, соя) на коэффициент вспучивания экструдатов при d_м = 4·10^-3 м: 1 - хлебные; 2 - картофельные; 3 - зерновые палочки

Давление продукта в конце дозирующей зоны шнека можно определить по формуле:

,

. (5)

Из уравнения (5) сделан вывод, что в шнеках с короткой дозирующей зоной неизбежно возникают пульсации давления (~ 0,1…0,15 МПа) и температуры (~ 3…5 K) продукта. По мере удлинения этой зоны пульсации уменьшаются, и у шнеков с достаточно большой длиной эффективной зоны дозирования ими можно пренебречь.

Амплитуды пульсаций температуры и давления соответственно равны разности значений этих параметров в моменты времени и :

; (6)

. (7)

Из уравнений (6) - (7) следует, что аномалия вязкости несколько уменьшает влияние частоты вращения шнека на пульсацию температуры. Повышение же производительности приводит к уменьшению амплитуды пульсаций температуры и увеличению амплитуды пульсаций давления продукта.

Таким образом, установлены зависимости термодинамических характеристик - давления и температуры продукта в предматричной зоне одно- и двухшнекового экструдеров - от параметров исследуемого процесса.

В четвертой главе рассмотрены вопросы аналитического исследования процесса экструзии вязких пищевых сред в одно- и двухшнековых экструдерах. Проведенные реологические и кинетические исследования, полученные оптимальные параметры процесса были положены в основу математических моделей, описывающих изменение температуры (давления) и скорости расплава продукта в формующих каналах матрицы, предматричной зоне и винтовом канале дозирующей зоны экструдера.

Математическая модель неизотермического течения аномально-вязкой среды в зоне дозирования одношнекового экструдера включала уравнения неразрывности, движения вязкой жидкости, теплового баланса и уравнение, учитывающее реологические свойства пищевой смеси. Ее формулирование было выполнено согласно принятым допущениям: учитывалось существование аномалии вязкости; взаимное влияние циркуляционного и поступательного течений; наличие теплоты, выделяющейся в результате вязкого трения; принимали течение установившимся и не учитывали массовые силы и силы инерции; градиентами составляющих скоростей в направлении оси z (вдоль канала) пренебрегали.

Получили систему уравнений с учетом сделанных допущений:

; (8)

(9)

(10)

; (11)

; (12)

граничные условия первого рода:

; (13)

; (14)

(15)

и начальное условие на входе: предполагается, что температура вязкой жидкости на входе в канал распределена по сечению равномерно и равна температуре

(16)

Решая выражения (8) - (12), получили систему уравнений:

(17)

; (18)

(19)

(20)

и граничные условия:

; (21)

; (22)

; (23)

. (24)

По результатам расчета (рис. 18, 19) представлены эпюры распределения полей температур и скоростей вдоль канала экструдера. Их анализ показал (рис. 18), что разогрев расплава продукта только за счет диссипации механической энергии приводит к возникновению максимума температуры у поверхности шнека. Причем у верхней подвижной стенки (T_co) она может быть ниже, чем у шнека, на 20…40 К.

Температура вязкой среды в пристенной зоне увеличивается, что обусловлено перестройкой температурного поля и эффектом ее охлаждения в центральной части канала, являющегося следствием адиабатического расширения. Из рис. 19 видно, что у поверхности шнека (y = 0) скорости равны нулю, а при y = H наблюдаются их максимальные значения, равные скорости верхней подвижной стенки.

Рис. 18. Распределение температур по площади поперечного сечения канала экструдера

Рис. 19. Распределение скорости по площади поперечного сечения канала экструдера, а = 2/3 (а - отношение противотока к расходу вынужденного потока)

Небольшие значения скорости у поверхности шнека объясняются наличием противодавления. Чем выше будет давление продукта в конце дозирующей зоны экструдера (в предматричной зоне), тем сильнее будут стремиться скорости к отрицательным значениям из-за увеличения влияния противотока.

Анализ позволил сделать вывод о совпадении результатов численного решения и экспериментальных данных и, следовательно, о возможности использования полученной модели при проектировании одношнековых экструдеров.

Математическая модель процесса экструзии при течении вязкой среды в предматричной зоне экструдера. Для решения поставленной задачи предматричная зона экструдера представлена в сферической системе координат в виде усеченного конуса, через который продавливается экструдируемая зерновая смесь. Предматричную зону условно разделили на две части в зависимости от положения наконечника шнека и течения реологической жидкости, которое происходит в конусе (I зона) и между двумя коаксиальными конусами (II зона). При изучении полей скоростей, характеризующих производительность экструдера, и закона распределения давления в движущейся среде, влияющего на качество продукта, приняли течение установившимся и не учитывали массовые силы и силы инерции из-за высокой вязкости исследуемой смеси, процесс считали изотермическим.

Математическая модель включает в себя классические уравнения механики сплошных сред: условие несжимаемости, уравнения равновесия и расхода в сферической системе координат, а также выражение, учитывающее реологические свойства вязкой жидкости. Рассматривая движение потока расплава продукта в матрице, приняли следующие допущения относительно проекций скоростей:

, . (25)

Граничные условия

I зона: ; II зона: . (26)

В результате преобразований условия несжимаемости и уравнений равновесия были получены выражения для определения скорости и давления в предматричной зоне экструдера в виде однородных дифференциальных уравнений второго порядка, решением которых является гипергеометрический ряд вида:

(27)

Приведенный выше ряд - сходящийся, он определяет функцию, которая будет аналитической при условии (). Из множества решений были выбраны два уравнения для каждой зоны

I зона:

; (28)

II зона:

. (29)

В результате подстановки решения (28) - (29) получены аналитические выражения для определения полей скоростей и давлений в I и II части предматричной зоны.

Коэффициент из выражения (26) находили на основании экспериментальных данных измерения давления экструдата в предматричной зоне в нескольких точках.

Характер поля скоростей расплава экструдата можно объяснить постепенно уменьшающейся площадью проходного сечения канала в первой зоне и кольцевого конусообразного сечения канала между матрицей и наконечником шнека во второй зоне, а также торможением периферийных слоев продукта под воздействием конусности и принятых допущений (26).

Распределение давления расплава экструдата в предматричной зоне двухшнекового экструдера обусловлено гидравлическим сопротивлением матрицы, геометрией шнека и реологическими характеристиками экструдируемой пищевой смеси. Вычислив перепад давления расплава в предматричной зоне, можно определить разность температур, влияющую на качество готового изделия.

Математическая модель неизотермического течения вязкой жидкости в формующих каналах матрицы. Для ее решения были приняты следующие допущения: рассматривалось осесимметричное движение среды, которое моделируется двухмерным течением (т. е. тангенциальная составляющая скорости равна нулю); учитывалось существование аномалии вязкости и влияние теплоты, выделяющейся в результате вязкого трения; принимали течение потока расплава при подходе к предматричной зоне установившимся и не учитывали силы массовые и инерции, которые малы вследствие довольно большой вязкости.

Модель включала следующие дифференциальные уравнения в цилиндрической системе координат:

- уравнение несжимаемости

; (30)

- уравнения движения

 (31)

(32)

- уравнение энергии

. (33)

В результате решения получена математическая модель неизотермического течения реологической жидкости в цилиндрическом канале матрицы экструдера:

- уравнение для функции тока (общее уравнение движения)

(34)

- уравнение энергии

; (35)

- уравнение для вихря

; (36)

- граничные условия

; ;

; . (37)

По результатам расчета получена эпюра скоростей расплава продукта в различных сечениях вблизи отверстия в матрице. Анализ показал, что при переходе расплава из канала с большим диаметром в меньший в его углах образуются застойные («мертвые») зоны с так называемыми циркуляционными вторичными течениями в виде вихрей (или в упрощенном виде - обратных токов). Однако это не приводит к существенным пульсациям производительности формующего инструмента и не влияет на стабильность работы экструдера в целом.

Разработанные модели позволяют с достаточной точностью (14 %) рассчитать значения температуры (давления) и средней скорости расплава экструдата по длине зоны дозирования, в предматричной зоне и на выходе из матрицы и в дальнейшем использовать созданный математический комплекс процесса экструзии пищевых продуктов при разработке и проектировании экструдеров нового поколения.

В пятой главе проведены исследования по комплексной оценке качества экструдированных продуктов функционального назначения. Для более полного представления о биохимических процессах, происходящих при экструзии, была рассмотрена структура рецептурной смеси из ЧДХ с добавкой СППП и экструдата при помощи растрового электронного микроскопа. Установлено, что при экструзии модельной среды основными являются коллоидные процессы, связанные с удалением и перераспределением воды, и изменение структуры экструдата под влиянием физических воздействий.

С целью моделирования новых экструдированных продуктов (хрустящих хлебных, зерновых, картофельных палочек) с программируемыми свойствами и высокой пищевой ценностью на основе крахмалсодержащего сырья с использованием ценных пищевых добавок анализировали их по комплексу органолептических и физико-химических показателей качества. Установлено, что экструдаты имеют потребительские и физико-химические свойства, а также гигиенические показатели безопасности, соответствующие нормам, предъявляемым к традиционным сухим завтракам.

Одно из основных требований к пищевым продуктам, помимо высоких потребительских свойств, - это сбалансированность их состава и биологическая ценность.

Критерием для расчета биологической ценности является аминокислотный состав. Количественное содержание аминокислот в экструдированных палочках исследовали методом ионообменной хроматографии. Сделан вывод, что их количество заметно превышает содержание в основном сырье вследствие обогащения белковыми веществами рецептурных добавок.

Анализ аминокислотной сбалансированности и биологической ценности продуктов проводили по следующим показателям: коэффициент различия аминокислотного скора (КРАС) и биологическая ценность (БЦ) пищевого белка (рис. 20).



Методом тонкослойной ионообменной хроматографии изучен качественный и количественный углеводный состав экструдатов, который является рационально сбалансированным.

Таким образом, полученные экструдированные изделия обладают достаточно высокой энергетической, пищевой и биологической ценностью, отличаются хорошими потребительскими свойствами, сбалансированностью состава и могут быть рекомендованы в повседневном питании, особенно для детей школьного возраста.

В шестой главе для моделирования предлагаемых технических решений приведена разработанная на основании структурно-параметрического синтеза система автоматизированного проектирования (САПР) наиболее важного элемента экструдера - шнекового рабочего органа, позволяющая рассчитать оптимальные технологические и конструктивные параметры оборудования при условии получения качественного продукта и минимизации удельных энергозатрат с соблюдением прочностных характеристик материала шнека.

В качестве параметров эффекта были выбраны: КПД з и производительность экструдера Q - первый и второй основные параметры; мощность сил полезного сопротивления шнека N, нагрузка на рабочие органы экструдера R, зависящая от максимального давления продукта в предматричной зоне, и энергоемкость процесса экструзии Э - вспомогательные параметры.

Оптимизация экструдера проводится по максимальному значению КПД з, поскольку этот параметр является «сверткой» наибольшего числа выбранного комплекса параметров эффекта, которые выступают в виде ограничений оптимальной области.

Программа «Шнек_САПР» реализована в виде мастера построения оптимальных областей параметров шнека и анализа спроектированной конструкции (рис. 21) по основным прочностным характеристикам.

На основе выполненных научных разработок были предложены перспективные решения конструктивных элементов экструдеров - корпуса, шнека и матрицы, обеспечивающие интенсификацию процесса, стабилизацию режимов обработки различного биосырья и, в конечном итоге, получение готовых к употреблению высококачественных продуктов питания.

Так, двухшнековый экструдер (Пат. РФ № 2172246) позволяет стабилзировать давление, а следовательно, и температуру продукта в предматриной зоне за счет организации перетока из нее расплава экструдата через цилинрический канал в предыдущие технологические зоны экструдера (рис. 22).

Рис. 21. Трехмерное изображение оптимальной конструкции шнека и список полученных оптимальных параметров



Рис. 22. Разрез рабочей камеры двухшнекового экструдера: 1 - шнеки; 2 - корпус; 3 - разделительные гребни; 4 - цилиндрический канал; 5 - выходное отверстие цилиндрического канала; 6 - шток; 7 - пружина; 8 - механизм регулирования сжатия пружины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 23. Формующее устройство экструдера: 1 - рабочая камера; 2 -обтекатель; 3 - дорн; 4 - матрица; 5 - пружины; 6 - диск; 7 - вал; 8 - выступы;9 - каналы; 10 - упоры; 11 - отверстия; 12 - центральное отверстие;13 - отверстие сложной формы; 14 - диаметральные кольцевые пазы;15 - упорные шайбы; 16 - прокладка; 18 - направляющие; 19 - овальные отверстия; 20 - пазы; 21 - штуцер; 22 - кольцевой паз

Разработанная конструкция формующего устройства экструдера (Пат. РФ № 2185286) обеспечивает стабилизацию давления продукта в предматричной зоне при изменении технологических параметров процесса за счет «автоматического» варьирования проходного сечения формующих каналов (рис. 23).

Пределы регулирования проходного сечения формующих каналов определяются производительностью экструдера, геометрическими размерами матрицы и реологическими свойствами сырья.

Более высокий крутящий момент вращающейся гильзы экструдера (Пат. РФ № 2205105) в совокупности с вращающимся шнеком дает возможность переработки высоковязких многокомпонентных смесей. Гильза и шнек имеют сложную конфигурацию (рис. 24), обеспечивающую оптимальный температурный режим, что позволяет эффективно и качественно осуществлять процесс экструзии термопластичных материалов.