Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих макаронных изделий и оборудования для их прессования 12
1.1. Обзор существующих сортов макаронных изделий и показатели качества 12
1.2. Качественные показатели макаронных изделий 18
1.3. Дефекты макаронных изделий и источники их возникновения 22
1.4. Макаронные прессы, выпускаемые в России и за рубежом 23
1.5. Патенты на технологии и оборудование с повышенной эффективностью прессования макаронных изделий 25
1.6. Энергетические затраты на изготовление макаронных изделий 34
1.7. Выводы по первой главе 36
Глава 2. Теоретические исследования воздействия ультразвука на эффективность производства макаронных изделий 37
2.1. Ультразвуки его применение в промышленности 37
2.2. Поглощение ультразвуковых волн 38
2.3. Скорость распространения волн ультразвука 40
2.4. Ультразвуковые технологические аппараты 43
2.5. Ультразвуковое поле излучателя 46
2.6. Влияние ультразвуковой обработки на макаронное тесто 49
2.7. Разработка технологии производства макаронных изделий 51
2.8. Особенности высокотемпературного прессования макаронных изделий 55
2.9. Нагрев теста с использованием ультразвука при прессовании макаронных изделий и математическая зависимость процесса 58
2.10. Теоретические исследования разбухания макаронных прядей в процессе прессования в поле ультразвука з
2.11. Планирование эксперимента 70
2.12. Выводы по второй главе 81
Глава 3. Экспериментальные исследования, направленные на повышение эффективности процесса прессования и предложения для применения полученных результатов 82
3.1. Методы и объекты исследований 82
3.2. Анализ процессов прессования макаронного теста и определение оптимальных технологических режимов в поле ультразвука
3.2.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента 82
3.2.2. Эмпирические зависимости эффективности макаронного пресса от параметров ультразвука 86
3.2.3. Анализ графиков и выводы о необходимых параметрах
воздействия на макаронное тесто 93
Глава 4. Расчёт экономической эффективности 94
4.1. Расчет стоимости эксплуатационных затрат на осуществление исследований 94
4.2. Расчет заработной платы сотрудников 97
4.3. Общая смета эксплуатационных затрат на осуществление исследований 97
4.4. Технико-экономические показатели 98
Основные выводы 100
Список литературы 101
- Дефекты макаронных изделий и источники их возникновения
- Скорость распространения волн ультразвука
- Анализ процессов прессования макаронного теста и определение оптимальных технологических режимов в поле ультразвука
- Расчет заработной платы сотрудников
Дефекты макаронных изделий и источники их возникновения
Факторами, которые определяют уровень качества изделий, являются условия и способы производства, характеристика сырья, хранение и транспортировка готовой продукции. Даже из хорошего сырья нельзя получить высококачественные изделия, если не будут соблюдены необходимые технологические режимы производства. Одновременно с этим, хорошие изделия могут быть испорчены при транспортировке и хранении [24, 25].
Сегодня для макаронной промышленности свойственна тенденция обширного внедрения современной техники, одновременно вносящей в производство множество элементов технологических новшеств [46].
Качество продукции — это комплекс свойств изделий, которые обусловливают их целесообразность использования и пригодность с точки зрения потребления. Физиологические и органолептические (сенсорные) достоинства, доброка 19 чественность, химический состав, энергетическая способность, биологическая ценность и усвояемость определяют пищевую ценность продукции [47]. Доброкачественными считаются макаронные изделия, не содержащие вещества, вредные для организма (химикатов, солей тяжелых металлов, токсинов, продуктов распада органических веществ и посторонних примесей). Особо необходимо остерегаться поражения макаронных изделий через яйцепродукты (сухой яичный порошок, меланж) паратифозными бактериями рода сальмонелл, которые относятся к семейству кишечных бактерий.
Органолептические свойства макаронных изделий характеризуются вкусом, цветом, запахом и состоянием поверхности [24].
Качество макаронных изделий должно соответствовать требованиям ГОСТ 31743-2012 или ТУ производителя.
Согласно данному ГОСТ, показатели качества макарон делятся на органолептические (форма, цвет, запах, состояние после варки и состояние поверхности) и физико-химические (прочность, влажность, кислотность, содержание лома (для макарон), содержание металлопримесей и крошки).
Комплекс вышеперечисленных показателей обуславливает главные потребительские свойства данного продукта: питательные свойства, вкус, запах, усвояемость, форму, внешний вид, стойкость при транспортировке и хранении [47].
В запахе и вкусе сухих и сваренных изделий не должно ощущаться повышенной кислотности и горечи, плесневелого и затхлого запаха или каких-нибудь других посторонних запахов и привкусов.
Макаронные изделия легко впитывают посторонние запахи во время хранения и транспортировки, так как обладают высокой адсорбционной активностью.
О дефектах и вкусовых достоинствах изделий можно судить по их кислотности, которая в соответствии с ГОСТ не должна превышать 4Н. Кислотность изделий с добавлением томатопродуктов может быть до 10Н. Вкусовые достоинства продукта зависят от природы и состава кислореагирующих веществ. Например, уксусная кислота делает вкус резким, а жирные кислоты придают привкус и запах прогорклости. Наоборот, молочая кислота делает вкус приятным. Поэтому благодаря накоплению молочной кислоты, изделия естественной длительной сушки высоко ценятся за их вкус.
Содержание белковых веществ и влажность определяет пищевые достоинства макаронных изделий. ГОСТом не оговаривается содержание белковых веществ, но о нем можно косвенно судить по требованиям к качеству мучных продуктов по содержанию в них клейковины [48].
Содержание золы в макаронах по ГОСТу не установлено, но по предельной зольности мучных продуктов можно судить о ее количестве: для крупки из твердой пшеницы - не более 0,75%, для полукрупки—1,10%, для муки I сорта — 0,75%, для муки высшего сорта из мягкой пшеницы — 0,55%.
Один из самых важных показателей качества макаронных изделий - поведение при варке, определяющее при варке не более 20 мин водопоглотительную способность или увеличение объема. Известно, что увеличение объема, как минимум, должно быть двукратным. Иногда данная величина доходит до цифры 3,5 и более. Сохранность сухого вещества - другое важное свойство, которое связано с варкой. Чем меньше в варочную воду переходит экстрактивных веществ, тем больше ценятся изделия. Макароны из муки твердой пшеницы менее набухают, чем из муки мягкой пшеницы [76].
Внешний вид изделий определяется состоянием поверхности, цветом, отсутствием лома и крошки, формой, которая присуща данному виду. Данные показатели качества не так значительны для пищевой ценности продукта, но по ним обычно потребитель судит о качестве.
Цвет изделий должен быть желтоватым. Белый цвет с сероватым оттенком или беловатый указывает на нарушение технологического процесса сушки (жесткий режим) и прессования (высокая температура) или на дефектное сырье. На цвет изделий влияет ряд факторов: способность муки к потемнению, цвет сырья, условия ведения технологического процесса и т. д. [25]. Излому изделий следует быть стекловидным. Мучной белый излом указывает на дефекты обработки теста или сырья. Поверхность должна быть слегка матовой, гладкой или лощеной. Шероховатость изделий не рекомендуется, не смотря на то, что при варке она исчезает. Состояние поверхности определяется орга-нолептически.
Важное значение имеет сохранение формы изделий. Под формой подразумевается множество внешних признаков: одинаковая прямизна и размер длинных изделий; толщина стенок равномерная у трубчатых изделий; толщина пластин одинаковая для суповых засыпок. Искривленные изделия понижают пропускную способность сушильных установок, плохо заполняют тару и являются причиной появления крошки и лома. Неравномерная толщина стенок усложняет сушку изделий [47].
Толщина стенок трубчатых высушенных изделий должна быть при диаметре изделий до 4 мм не более 1,1 мм; не более 1,3 мм- от 4,1 до 5,5 мм; не более 1,5 мм - более 5,5 мм. Толщина стенок рифленых изделий измеряется в местах впадин.
Деформированные изделия и лом оговорены стандартом. Данные дефекты как ухудшают внешний вид изделий, так и указывают на отклонения от оптимальных режимов обработки или на недоброкачественность сырья. Куски изделий короче 1/3 от обычного размера и мелкие обломки считают крошкой. Причины, вызывающие дефекты, могут быть разными. В основном это связано с высокой хрупкостью изделий, которая вызывается неправильным режимом сушки. Другой возможной причиной являются механические повреждения при упаковке изделий, хранении и транспортировке. Механическим повреждениям более всего подвержены искривленные и деформированные изделия. Для того чтобы повысить наполняемость тары, их уминают и искривленные изделия, налегая друг на друга могут разрушиться [25].
Скорость распространения волн ультразвука
Волны ультразвука в тесте, овощах распространяются с определенной конечной скоростью, определяемой плотностью среды и её упругими свойствами. Скорость звука в воздухе в среднем составляет 330 м/с, в воде 1482 м/с ( при 20 С), в твердых средах, а именно, в костной ткани, равна приблизительно 4000 м/с, а в тесте составляет примерно 2000 м/с [108, 112].
Главным элементом ультразвукового излучателя является пьезоэлектрический или магнитострикционный преобразователь. Он совмещён с согласующим устройством, с помощью которого происходит передача энергии ультразвука от преобразователя в технологическую среду с определённой интенсивностью ультразвука.
Как правило, волноводные акустические концентраторы используют как согласующие устройства.
Согласующее устройство также может вместе с тем выступать в виде прессующего, режущего или ещё какого-либо инструмента (к примеру, матрица пресса) [23, 26].
Ультразвуком называются механические колебания, которые расположены выше диапазона частот, воспринимаемых ухом человека (примерно 20 кГц). Колебания ультразвука перемещаются в виде волны, аналогично распространению света. Но отличие ультразвуковых волн от волн света, которые могут также распространяться в вакууме, состоит в том, что они требуют упругую среду (твердое тело, жидкость или газ). Главные параметры волны - период волы и её длина изображены на рисунке 2.2. Частота - количество циклов, совершаемых за секунду, она измеряется в Герцах. Период - время, которое требуется, чтобы совершить цикл, он измеряется в секундах. В формуле приведена взаимосвязь между периодом и частотой волны [92, 102]:
Мощностью звука называют энергию, которая передаётся волной ультразвука через поверхность за единицу времени. Под воздействием ультразвука меняются важные физико-химические свойства сред: поверхностное натяжение на границах раствор - форма или раствор -твердая фаза, диффузия, температура и вязкость.
Вязкость среды после обработки ультразвуком уменьшается, но характер изменения вязкости показывает, что уменьшение вязкости вызвано не только тепловым действием ультразвука, так как одновременно с тепловым воздействием имеются и другие эффекты, к примеру, изменение силы трения между нерастворимыми твердыми примесями, которые находятся в растворе. Этому закону подчиняется тесто, и его вязкость может уменьшиться на поверхности изделия, проходящего через фильеры на 30-50%. Это существенно снижает гидравлическое давление перед матрицей и затраты электроэнергии на шнеке [55, 103, 108, 112].
Физическая сущность воздействия ультразвука на теплообмен состоит в проникновении ультразвуковых волн в ламинарный и пограничный подслой выдавленного газа и жидкости, что вызывает их деформацию, перемешивание и тур-булизациию. В результате чего скорость теплообмена и коэффициент теплопередачи увеличиваются и в матрице и в предматричнои зоне, исключая заваривание теста на поверхности изделий [2].
На рисунке 2.3 изображена структурная схема технологического ультразвукового аппарата, состоящего из источника питания, инвертора, задающего генератора ультразвуковой частоты, устройства управления и контроля, устройства согласования, ультразвуковой колебательной системы (пьезопреобразователя, концентратора и излучателя) и технологической среды (теста) [3, 21, 56, 58].
Анализ процессов прессования макаронного теста и определение оптимальных технологических режимов в поле ультразвука
Заданные геометрические ограничения звукопровода - входной диаметр к накидной гайке шнековой трубы, удерживающий матрицу пресс-формы 68 мм, а выходной преобразователя - 25 мм и полуволновая конструкция рабочего инструмента стали предпосылками возникновения нежелательных паразитных радиальных колебаний в звуковом диапазоне.
Для предотвращения деформирования матрицы при присоединении ультразвуковой колебательной системы была применена специальная акустическая развязка - стягивающий стакан-хомут. Монтаж ультразвуковой колебательной системы к накидной гайке осуществлялся через прокладки из капрона для исключения воздушных зазоров между корпусом гайки матрицы и стягивающим стаканом-хомутом.
Это позволило, во-первых, исключить потерю ультразвуковой энергии, вводимой в тесто и, во-вторых, исключить возникновение механических колебаний ультразвуковой и звуковой частоты на крепежных элементах колебательной системы и связанных с ними узлах шнекового устройства. Таким образом, обеспечили хорошие условия передачи ультразвуковой энергии к матрице и собственно макаронному тесту.
Существует два вида поглощения энергии ультразвука тестом: при нагревании в объеме и при повышении прочности поверхности прессованных изделий. При этом нельзя допускать денатурацию белков теста и клейстеризацию крахмала ни в объеме каждого изделия, ни на его поверхности[40, 70].
Общая мощность поглощения ультразвука Ру всех прядей равна сумме мощности qj, затрачиваемой на нагревание приконтактной поверхностной области прядей до температуры 50-55С ( из-за диссипативности силы трения вся эта мощность, скорее всего, затрачивается на нагревание приконтактной области образца) и мощности q2, затрачиваемой на уплотнение поверхностного слоя перемещаемых набухших частиц.
Вторым видом поглощения является возникающее в результате ультразвукового воздействия вязкое трение набухших частиц в объеме каждого изделия при перестройке хаотичной структуры ингредиентов теста в упорядочено-вытянутую вдоль прядей макаронных изделий. Мощность этого процесса можно оценить соотношением [40, 70]:
Предложенная методика позволяет оценивать и определять мощность воздействия ультразвука, необходимую для качественной обработки макаронного теста.
Проведенные исследования показали, что применение высокочастотных (ультразвуковых) механических колебаний, накладываемых на прессующее устройство, снижает процессы трения и способствует увеличению ресурса фильер матрицы, что согласуется с работами[35, 40, 41, 42, 91]. Известно, что в муке достаточно много абразивной минеральной пыли, в связи, с чем даже высокопрочные импортные матрицы приобретают сверхнормативный износ через 500-2000 часов работы пресса в зависимости от производственных условий, качества сырья, соблюдения параметров ухода за оборудованием. Поэтому возможность снижения износа матриц привлекает своим несложным исполнением.
Незначительная часть мощности ультразвука также затрачивается на инактивацию микрофлоры теста. Обнаружено снижение количества патогенной микрофлоры на 35-40% и кислотности готовых сырых изделий на 0,5-0,7Т. Предложенная методика позволяет оценивать и определять мощность воздействия ультразвука, необходимую для качественной обработки макаронного теста. Известно большое количество исследовательских работ, связанных с влиянием вибраций и ультразвука в разных отраслях промышленности на скорость технологических процессов и качество продукции[1, 31, 33, 35, 91, 92]. В практике выработки макарон явление разбухания прессуемого через матрицу макаронного теста хорошо известно, как и влияние его на размерные и прочностные параметры высококачественных изделий. Разбухание теста на выходе из фильер матрицы происходит, в первую очередь, из-за перестройки скоростей с параболического профиля на стержнеобразный. Что ведёт к сжатию теста и образованию локальных растяжений и, таким образом, искажению поперечного сечения. Помимо этого, возникает релаксация деформаций, которые накоплены материалом во время течения и связаны с проявлением его вязкоупругости. Накопленные материалом деформации вызваны действием напряжений сдвига[33, 37, 91].
В ряде работ по переработке пластических масс и органических волокнистых материалов дана количественная оценка этого процесса [33, 35 91]. Использование упрощенных моделей дает, как правило, приблизительное решение, недостаточно адекватное экспериментальным данным, а более сложные модели достаточно громоздки при практическом применении. В указанных моделях не рассматривается одна из важнейших эксплуатационных и технологических характеристик - «разбухание» прессованных изделий сложного профиля, получаемых в условиях воздействия ультразвуковых колебаний. Обычно, описание явления «разбухания» ограничивается, как правило, образцами в виде прутка круглого поперечного сечения или плоского листа, хотя макаронные изделия имеют значительно более развитые формы в сечении.
Поэтому интерес представляет математическая зависимость, позволяющая количественно определить эффект «разбухания» при прессовании макаронного теста через каналы любого сложного сечения при использовании интенсивных ультразвуковых вибраций.
На величину «разбухания» макаронного теста оказывают влияние, в первую очередь, молекулярные характеристики и физические свойства материала, технологические условия переработки (температура, скорость, напряжение сдвига), а также геометрические размеры формующих фильер матрицы. Так явление повышения вязкости теста характерно только для небольших скоростей сдвига[1, 37]. При повышенных скоростях деформации, например, во время прессования под действием высокочастотного знакопеременного давления ультразвука в фильерах матрицы появляется разрыв молекулярных связей компонентов теста. Молекулярные и кинетические явления, которые происходят при деформации без ультразвука, переходят в состояние возбуждения и в тесте возникает «лавинообразный» процесс перестройки и нарушения между молекулярными связями компонентов теста. А именно, с повышением скорости деформации (частоты ультразвука) с большей скоростью возникает разрыв связей, что указывает на снижение величины эффективной вязкости [1, 33, 37, 91].
При моделировании эффекта «разбухания» теста, будем считать, что при течении его через канал длинномерные цепи белков и крахмала подвергаются сдвиговой деформации, удлиняются, а после выхода из канала фильеры за счет релаксации несколько сокращаются и расширяются, при этом растяжение и сокращение частиц носит частично упругий характер.
Расчет заработной платы сотрудников
Поэтому, при изменении гранулометрического и качественного состава муки необходимо изменять амплитуду ультразвуковых колебаний, подводимых к матрице, соизмеримых с размером частиц теста. Таким образом, главной причиной, которая влияет на производительность прессуемого теста, является снижение сопротивления матрицы из-за временного разжижения теста и уменьшения коэффициента трения. Получена аппроксимационная зависимость для производительности макаронного пресса от амплитуды колебаний ультразвукового излучателя:
Преследовалась задача до минимума избежать влияния на изделия процессов пристенного трения. При этом необходимо было это сделать не добавлением воды, либо другого пластификатора в тесто (масла, спирта и т.д.). После проведенных нами экспериментов, снизить степень негативного влияния пристенного трения без использования пластификаторов возможно механическими ультразву 88 ковыми колебаниями с достаточной интенсивностью формообразующих поверхностей матрицы, когда в паре трения «стенка фильеры - поверхность изделия» будет возникать периодический отрыв поверхности изделия, и силы трения будут действовать только в моменты их соприкосновения. Время соприкосновения и время контакта будут совершенно разные. Последнее очень мало, даже в периоде 1/20 000 сек.
Таким образом, коэффициент пристенного трения, уменьшится пропорционально отношению периодов времени контактирования и отрыва. Эксперимент показал, что за 1/4 времени такое трение падает до нуля, поэтому производительность поднимается практически на эту величину.
За счёт такого влияния, можно также снизить силы трения между частицами муки в тесте, что важно для увеличения плотности при их упаковки, а соответственно и плотности сухих макарон и их прочности.
Видимо, мощное ультразвуковое воздействие является способом механоак-тивации и деагломерации наночастиц в процессе компактирования частиц муки в изделии.
Судя по графику, производительность пресса растет не равномерно, а спонтанно после амплитуды более 10 мкм, что соизмеримо с длиной или размером частиц муки. Замечено, что при достижении смещения колебаний агломератов или частиц муки более 30 мкм при действии ультразвука идет заметный спад производительности.
Следовательно, необходимо находить соответствующую амплитуду ультразвуковых колебаний, подводимых к матрице. Таким образом, главной причиной, которая влияет на производительность прессуемого теста, является снижение сопротивления матрицы из-за снижения трения.
Правильный подбор специализированной оснастки может существенно изменять производительность пресса с ультразвуковым воздействием.
Подведение колебаний ультразвука к матрице можно произвести двумя способами. В первом, направление смещения колебаний совпадает с осью выпрессо 89 вывания, во втором - колебания ультразвука расположены перпендикулярно оси выпрессовывания. Во втором случае передача энергии ультразвуковых колебаний тесту осуществляется через границу «стенка фильеры матрицы - боковая поверхность изделия». Акустическая развязка деталей пресса и колебательной системы достигается применением изолирующих звук, например, пенопластиковых прокладок и соответствующим размещением ультразвуковой оснастки на держателе. Для проведения экспериментов по осуществлению влияния ультразвука на прессуемое тесто были выработаны и созданы разные конструкции ультразвуковых передающих устройств, но хомут из нержавеющей стали с пониженным значением акустического сопротивления оказался наиболее эффективным.
Для достижения необходимого акустического контакта матрица сопрягалась с волноводом напряжённой посадкой. Таким образом, зависимость производительности макаронного пресса от амплитуды колебаний ультразвукового излучателя четко прослеживается со слегка выраженным падением ее при повышении амплитуды. Видимо, кавитационные процессы разрыхляют тесто, делают его менее плотным, и соответственно, масса выпрессованных макарон в единицу времени уменьшается при той же скорости выпрессовывания.
При разработке процесса экструзии необходимо обратить внимание на снижение энергоемкости процесса, упрощение обслуживания и ремонтоспособности оборудования. Для того чтобы предприятиям устоять в ужесточающейся конкуренции и условиях открытого рынка, необходимо решать проблемы повышения качества выпускаемой продукции, снижения себестоимости производства, её продвижения на потребительский рынок, как в стране, так и за рубежом. Поэтому необходимо внедрять новые технологии, расширять ассортимент продукции, проводить техперевооружение производств. И ещё что не менее важно, подготовить хороших специалистов пищевой промышленности.
Повысить конкурентоспособность продукции, возможно только улучшая ее качество, или снижая отпускную цену. На рисунке 3.5 представлена зависимость плотности макаронных изделий от амплитуды колебаний ультразвукового излучателя, из которой следует, что при амплитуде 30 мкм плотность готовых макаронных изделий увеличивается на 13-15 % за счёт более плотной укладки частиц теста и уменьшения пористости наружной поверхности изделий. Выведена аппроксимационная зависимость для плотности макаронных изделий от амплитуды колебаний ультразвукового излучателя (рис. 3.5):
Зависимость плотности макаронных изделий от амплитуды колебаний ультразвукового излучателя. Зависимость предела прочности макаронных изделий от амплитуды колебаний ультразвукового излучателя изображена на рисунке 3.6. Прочность изделий определяли по способу определения прочности сухих макаронных изделий, разработанному Черных В.Я.[75]
Из графика на рисунке 3.6 следует, что при амплитуде ультразвуковых колебаний 20 мкм предел прочности повышается на 20-23%, при дальнейшем увеличении амплитуды происходит кавитационный эффект, разрушающий структуру теста, и снижается прочность макаронных изделий. Получена аппроксимационная зависимость для предела прочности макаронных изделий от амплитуды колебаний ультразвукового излучателя (рис. 3.6):
Зависимость предела прочности макаронных изделий от амплитуды колебаний ультразвукового излучателя. Зависимость предела прочности макаронных изделий от времени прессования представлена на рисунке 3.7. Эксперимент показал, что тесто должно находиться в фильере матрицы 1,5 секунды. За это время произойдут релаксационные эффекты уплотнения частиц теста и их направленная укладка. Это время ограничено по величине во избежание перегрева прядей, и даже их разрыхления, из-за процессов клейстеризации и денатурации. Таким образом, за время нахождения теста в фильере матрицы 1,5 секунды прочность изделий повышается: без воздействия ультразвука - на 12-13%; с воздействием ультразвука - на 17-20%, что показывает положительный эффект наложения поля ультразвука. Выведена аппрок-симационная зависимость для предела прочности макаронных изделий от времени прессования (рис. 3.7):
