Введение к работе
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.
