Содержание к диссертации
Введение
Г л а в а 1. Современное состояние теории, технологии и техники выращивания, фильтрования и формования дрожжей 11
1.1. Краткая характеристика дрожжей 11
1.2. Выращивание, фильтрование и формование - важные стадии технологии хлебопекарных дрожжей; оборудование для их реализации 12
1.3. Теоретические и технологические аспекты процессов дрожжевого производства 2Г
1.3.1. Выращивание дрожжей 21
1.3.2. Фильтрование суспензий 26
1.3.3. Формование дрожжей 40
1.4. Анализ литературного обзора и задачи исследования 44
Г л а в а 2. Повышение эффективности процесса выращивания дрожжей в дрожжерастильных аппаратах 46
2.1. Исследование процесса выращивания дрожжей в асептических условиях 46
2.1.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследования
2.1.2. Результаты исследования на экспериментальном и промышленном дрожжерастильных аппаратах 50
2.2. Определение концентрации спирта в отходящем из аппарата воздухе с целью аэробного ведения процесса 61
2.3. Выводы по главе 67
Г л а в а 3. Исследование процесса фильтрования дрожжевых кон центратов 68
3.1. Исследование теплофизических характеристик дрожжевых концентратов 68
3.2. Сравнительная оценка энергозатрат на удаление влаги из дрожжевой суспензии фильтрованием и высушиванием с использованием метода термического анализа
3.3. Опытная и промышленная установки и методика проведения исследования процесса фильтрования 88
3.4. Характеристика картофельного крахмала как вспомогательного фильтрующего вещества 91
3.5. Определение параметров процесса фильтрования 92
3.6. Кинетические и технологические закономерности процесса фильтрования 95
3.7. Пути повышения эффективности фильтрования дрожжевых суспензий 99
3.8. Скорость потока жидкости в слое дрожжей и крахмала при постоянном перепаде давлений 103
3.9. Выводы по главе 108
Г л а в а 4. Экспериментальное и модельное исследования процесса формования хлебопекарных дрожжей 109
4.1. Установка для исследования процесса и методика проведения эксперимента 109
4.2. Исследование реологических характеристик дрожжей 111
4.3. Кинетика процесса формования дрожжей 113
4.4. Математическая модель движения дрожжей в рабочей камере формовочного автомата и ее адекватность экспериментальным данным 116
4.4.1. Алгоритм процесса моделирования 116
4.4.2. Моделирование движения дрожжей в формующем канале 117
4.4.3. Результаты проведения моделирования 131
4.5. Выводы по главе 133
Г л а в a 5. Практическое использование основных результатов работы 134
5.1. Энерго- и ресурсосберегающая технологическая схема производства хлебопекарных дрожжей 134
5.2. Расчет рекуперативного теплообменника для получения ледяной воды при отсутствии обледенения теплопередающей стенки 138
5.3. Разработка устройства для охлаждения дрожжей при формовании 143
5.4. Расчет экономического эффекта от внедрения элементов технологической схемы производства дрожжей 146
5.5. Выводы по главе 149
Основные выводы и результаты 150
Литература 152
Приложения 168
- Выращивание, фильтрование и формование - важные стадии технологии хлебопекарных дрожжей; оборудование для их реализации
- Экспериментальная установка и методика проведения исследования
- Сравнительная оценка энергозатрат на удаление влаги из дрожжевой суспензии фильтрованием и высушиванием с использованием метода термического анализа
- Исследование реологических характеристик дрожжей
Введение к работе
Устойчивый спрос на продукты микробиологического производства обусловлен их исключительной ценностью для питания человека. Производство хлебопекарных дрожжей является динамически развивающейся отраслью пищевой промышленности. Решение проблемы повышения потребительских свойств хлеба и обеспечения населения хлебобулочными изделиями по улучшенным рецептурам невозможно без организации производства дрожжей высокого качества и в требуемом объеме [111]. Россия — один из крупнейших производителей дрожжей. Более 16 % всех дрожжей, выпускаемых в Европе, производится на дрожжевых заводах РФ. Потребление дрожжей на душу населения в нашей стране выше, чем в Западной Европе. Непрерывный рост цен на энергоносители способствует повышению себестоимости выпускаемых пищевых продуктов, а вступление РФ в ВТО приведет и к жесткой конкуренции продукции дрожжевых заводов на российском рынке. Поэтому применяемые процессы и промышленная аппаратура по эффективности и ресурсосбережению не должны уступать импортным аналогам. Однако на большинстве предприятий отрасли они еще остаются низкоэффективными, энергоемкими и металлоемкими.
Существенный вклад в теорию, технологию, разработку процессов и оборудования для получения хлебопекарных дрожжей внесли М.Е. Беккер, У.Э. Виестур, И.М. Грачева, Н.И. Дерканосов, А.Г. Заброде кий, К. А. Калунянц, В.М. Кантере, Е.А. Плевако, Н.М. Семихатова, Б.М. Смольский, В.Н. Стабников, Т.В. Тулякова, Д. Уайт, Б.Н. Устинников и ряд других ученых. И в настоящее время вопросы разработки высокоэффективных технологий, процессов и создания энерго- и ресурсосберегающих аппаратурно-технических решений остаются в центре внимания ведущих ученых ВНИИ пищевой биотехнологии, других институтов, а также специалистов отрасли как в России, так и за рубежом.
В современных условиях особое внимание должно уделяться разработке и внедрению высокоэффективных процессов и конкурентоспособных промыш-
ленных аппаратов для производства хлебопекарных дрожжей высокого качества. Поэтому особую важность приобретают исследования, направленные на дальнейшее изучение принципиальных вопросов теории и практики культивирования, фильтрования и формования — важнейших процессов дрожжевого производства, взаимосвязанных между собой и образующих совместно с процессом сепарирования технологическую линию, в которой качество готового продукта является исходным и ключевым моментом. Академик В.А. Панфилов отмечает [85], что именно ради движения от исходного сырья к конечному продукту формируется, сохраняется, совершенствуется и развивается технологический поток.
Таким образом, актуальным является повышение эффективности важнейших процессов дрожжевого производства и разработка конкурентоспособных промышленных аппаратов с привлечением математического моделирования.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР кафедры промышленной энергетики ВГТА на 2006 — 2010 гг. " Исследование процессов тепломассообмена, повышение эффективности технологического оборудования и энергоиспользования " (№ гос. регистрации 01.960.007320).
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности процессов дрожжевого производства (выращивания, фильтрования, формования), разработка энерго- и ресурсосберегающих технических решений, повышающих конкурентоспособность промышленной аппаратуры.
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:
анализ известных технологических и кинетических закономерностей процессов выращивания, фильтрования и формования дрожжей;
исследование процесса выращивания дрожжей в асептических условиях на экспериментальном и промышленном дрожжерастильных аппаратах;
сравнительная количественная оценка энергозатрат на удаление влаги из дрожжевой суспензии фильтрованием и высушиванием;
обоснование использования картофельного крахмала в качестве вспомогательного вещества при фильтровании дрожжевой суспензии; выявление основных кинетических закономерностей процесса фильтрования; разработка практических рекомендаций по повышению эффективности процесса; установление соответствия уравнений адаптированной модели экспериментальным данным;
изучение реологических характеристик дрожжей; исследование кинетических закономерностей процесса формования дрожжей; формулирование механизма формования; построение математической модели движения дрожжей в формующем канале;
разработка энерго- и ресурсосберегающей технологической схемы производства хлебопекарных дрожжей;
- разработка технических решений и внедрение их в производство.
Научная новизна.
Обоснована эффективность комплексного подхода к решению проблемы стерильного выращивания дрожжей, включающего известные технологические приемы и новые конструкторские решения, повышающие продуктивность дрожжерастильных аппаратов.
Дополнены и обобщены известные сведения по структурно - механическим и теплофизическим свойствам дрожжевой суспензии.
Выявлены кинетические закономерности процесса фильтрования. Установлено влияние температуры дрожжевой суспензии на качество готового продукта.
Адаптирована модель фильтрования при постоянном перепаде давлений к системе дрожжевая суспензия — осадок — вспомогательное вещество; выявлены закономерности изменения скорости фильтрата в процессе фильтрования.
Установлена зависимость эффективной вязкости дрожжей от скорости сдвига. Определены закономерности изменения давления и температуры дрож-
жей по длине рабочей камеры формовочного автомата; сформулирован механизм формования.
Построена математическая модель движения дрожжей в формующем канале, учитывающая его геометрию.
Развиты положения по ресурсосбережению, которые реализованы в разработанной технологической схеме производства хлебопекарных дрожжей, включающей новые технические решения.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработана система ловушка — изогнутая вытяжная труба, полностью исключающая проникновение инфекции в дрожжерастильный аппарат в процессе культивирования. Экономический эффект от внедрения на ЗАО «Воронежские дрожжи» составил 2369,7 тыс. руб.
Разработан способ высокоэкспрессного определения микроконцентрации
этилового спирта в отходящем из аппарата воздухе с целью аэробного ведения
процесса. На способ получен патент РФ № 2321846. г
Установлено, что энергозатраты на фильтрование дрожжевой суспензии меньше, чем на сушку на величину энергии фазового перехода. Выполнен расчет рекуперативного теплообменника для получения ледяной воды при отсутствии обледенения теплопередающей стенки. Теплообменник внедрен на ЗАО «Воронежские дрожжи» с экономическим эффектом 1251 тыс.руб.
Разработаны практические рекомендации по повышению эффективности процесса фильтрования дрожжевых суспензий с целью экономии крахмала и увеличения цикла работы вакуум - фильтра.
Разработана энерго- и ресурсосберегающая технологическая схема производства хлебопекарных дрожжей, обеспечивающая высокое качество готовой продукции.
Разработано устройство для охлаждения дрожжей при формовании, защищенное патентом РФ № 2301613.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (2004 - 2008 гг.), Киеве (2005 г.), Могилеве (2005 г.), Нальчике (2005 г.), Москве (2005 г.), Одессе (2006 г.), Барнауле (2007 г.).
Результаты настоящей работы представлены на конкурсах и отмечены дипломами:
Диплом в рамках 1-ой межрегиональной агропромышленной выставки «АГРОСЕЗОН» за проект «Разработка энергосберегающей технологии фильтрования и формования хлебопекарных дрожжей», г. Воронеж, 4-6 апреля 2007 г.;
Диплом в рамках 12-ой межрегиональной агропромышленной выставки «ВОРОНЕЖАГРО» за проект «Разработка способа эффективного формования хлебопекарных дрожжей», г. Воронеж, 14-16 ноября 2007 г.;
Диплом в рамках 2-ой межрегиональной агропромышленной выставки «АГРОСЕЗОН» за проект «Разработка энерго- и ресурсосберегающей технологической схемы производства хлебопекарных дрожжей», г. Воронеж, 19-21 марта 2008 г.
Работа выполнялась на кафедре промышленной энергетики Воронежской государственной технологической академии. Хотелось бы выразить благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Шишац-кому Юлиану Ивановичу за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Ъ — коэффициент консолидации осадка, м /с;
с — удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг-К);
е — коэффициент пористости;
h — энтальпия, Дж/кг;
р — гидродинамическое (поровое) давление, Па;
Pi, pi — давление жидкости на входе в слой осадка и на выходе из осадка, Па;
г0 — удельное сопротивление осадка, м"2;
Rn — сопротивление фильтровальной перегородки, м"1;
и — коэффициент наружного отложения осадка;
V — удельный объем осадка, м /м ;
z — координата осадка, м;
а, Я - безразмерные переменные;
Ар — перепад давлений в начале процесса фильтрования, Па;
/л — коэффициент динамической вязкости фильтрата, Па-с;
р — плотность продукта, кг/м ;
г- время, с;
у/ — коэффициент, учитывающий степень сжимаемости осадка и концентрацию суспензии;
- диадное произведение векторов.
Выращивание, фильтрование и формование - важные стадии технологии хлебопекарных дрожжей; оборудование для их реализации
Как видно, выращивание дрожжей, а также финишные операции (прессование и фасование) являются важными и неотъемлемыми стадиями технологии дрожжей.
Биология дрожжевой клетки тесно связана с условиями ее существования. В процессе выращивания дрожжей направленность в клетке протекающих в ней биохимических процессов зависит от таких важных факторов, как аэрация среды, температура ее, активная кислотность, о наличия в среде питательных веществ, обеспечивающих рост, размножение и накопление биомассы в заданном темпе, а также от асептических условий в дрожжерастиль-ном аппарате. Последнее устраняет в значительной степени ингибирование роста дрожжей в процессе культивирования.
Под прессованием понимается выделение дрожжей на фильтрпрессах и вакуум-фильтрах, а под фасованием — формование и завертывание прессованных дрожжей.
Дрожжи выделяются на вакуум-фильтре под действием разрежения, создаваемого внутри барабана. Через фильтрующий материал всасывается жидкость, а дрожжи остаются на материале.
От нормальной работы вакуум-фильтра зависят количество и качество вырабатываемых прессованных дрожжей, а также экономические показатели процесса. Поэтому для соблюдения этих важных показателей необходимо соблюдать следующие требования: концентрация дрожжей в суспензии должна быть не менее 600 г/л; дрожжи должны представлять собой технически чистую культуру сахаромицетов; температура суспензии не должна превышать 10 С; на протяжении всего периода работы должно обеспечиваться равномерное распыление суспензии на поверхность фильтрующего материала. Ряд других требований перечислим при описании конструкций-вакуум-фильтров. Во избежание потерь дрожжей отходящую жидкость направляют на вторую ступень сепарирования. Дрожжи от вакуум-фильтра непрерывным потоком подают на формование. При подаче дрожжевого теста на формование необходимо учитывать его физические свойства: 1) отсутствие угла естественного откоса. Отдельные куски и россыпь слипаются; образуя плотные своды даже на отвесных участках пути: Поэтому при высокой влажности дрожжевого теста его подача1 из бункеров на формование затруднительна; 2) повышенная адгезия к любым поверхностям (металл, дерево, ткань, резина и.др.). Неспособность к скольжению. Некоторым исключением.является-парафинированная поверхность и фторопласт; 3) способность к самосогреванию плохо спрессованного теста;вследствие выделения теплоты, при дыхании клеток. Повышение температуры актиг визирует деятельность протеолитических ферментов, в: итоге наступает расщепление белка идрожжи растекаются.
Такими образом j процессы выращивания, фильтрования и формования следует проводить с учётом перечисленных технологических особенностей. Только тогда могут быть соблюдены требования к прессованным; дрожжам, сформулированные в ГОСТе 171-81: цвет равномерный, без пятен, причем допускается сероватый или кремовый оттенки; консистенция плотная, дрожжи легко ломаются и не соблюдаются (плесени и др.); вкус пресный; свойственный дрожжам; без; постороннего привкуса; влажность не более 75 %, а подъёмная сила не более 70 мин; кислотность в день выработки 120 мг, а на 12 день хранения 300 мг; стойкость не менее 60 ч. Стойкость дрожжей;тем, выше, чем быстрее они охлаждены. Лучшим способом; является охлаждение дрожжевого концентрата. Протеолитические ферменты, наименее активны при 0...4 С. При этой температуре дрожжи? следует хранить,и транспортировать.
Для; нормальной работы фасовочного оборудования; требуется: гомогенная плотная дрожжевая масса. Эластичность дрожжей можно повысить путём добавления в шнековую камеру формовочного пищевого растительного масла структола. Рассмотрим оборудование для выращивания, фильтрования и формования дрожжей.
Дрожжерастипьные аппараты для выращивания товарных дрожжей предназначены для накопления и получения биомассы при периодическом или непрерывном способе культивирования микроорганизмов. Наибольшее распространение получили отечественные аппараты ВДА. Вследствие их малой высоты (5 м) коэффициент массопередачи кислорода и съём дрожжей незначительны. Поэтому эти аппараты вытесняются зарубежными фирмы «Прессиндустрия» (Италия), «Фогельбуш» (Австрия), «Полимэкс» (Польша), имеющими высоту до 16 м.
Все дрожжерастильные аппараты практически одинаково устроены и отличаются, кроме габаритов, конструкциями систем аэрации и охлаждения. Аппараты должны обеспечивать интенсивную аэрацию и перемешивание всего объёма жидкости. Это гарантирует высокую скорость переноса кислорода в системе газ-жидкость-дрожжевая клетка, доставку к околоклеточной зоне питательных веществ, отвод из этой зоны продуктов метаболизма и образующейся теплоты. Кроме того, они должны быть удобными в обслуживании, иметь минимальное гидравлическое сопротивление аэрационной системы, иметь эффективную систему охлаждения в виде выносных пластинчатых теплообменников, а также обеспечивать стерильность процесса.
Положительно себя зарекомендовали дрожжерастильные аппараты фирмы «Прессиндустрия», предназначенные для выращивания дрожжей в концентрированных средах. Аппараты (рис. 1.1) оснащены трубчатой аэрационной системой. Перфорированные трубки соединены с коллектором диаметром 250 мм На расстоянии 125 мм. С одной стороны коллектора расположено 25 трубок диаметром 40 мм, в которых отверстия диаметром 1,5 мм обращены вниз и расположены в три ряда через 30 (в поперечном сечении). Коллектор также имеет отверстия, обращенные вниз. Такое расположение отверстий исключает застой жидкости в аэраторе и создает удобства для его мойки.
Экспериментальная установка и методика проведения исследования
Моделирование технологического процесса выращивания дрожжей осуществлялось сравнением скоростей растворения кислорода в культуральной среде экспериментального ферментера с теми же, но известными показателями в промышленном дрожжерастильном аппарате. Для расчета объемного коэффициента массопередачи Kv (в с"1) применялась методика, основанная на изменении концентрации растворенного кислорода в ходе абсорбции. С этой целью производилась деаэрация жидкости в аппарате путем добавления порции раствора сульфита натрия и тщательного перемешивания для получения минимальной концентрации- растворенного, кислорода в жидкости. Последняя регистрировалась с помощью мембранного датчика (концентрация растворенного кислорода жидкости ±5% от концентрации насыщения) [88].
После установления равновесного состояния системы производилась кратковременная подача воздуха за время, отмеченное секундомером. Для фиксирования некоторого состояния системы в ходе абсорбции мгновенно прекращалась подача воздуха и продолжалась перемешиваться, система до полного выравнивания концентрации растворенного кислорода. Поскольку подвод кислорода через поверхность жидкости в аппарате, особенно при больших отношениях высоты к диаметру, незначительный, то изменение концентрации за счет этого находится в пределах точности измерения. В других случаях он может быть учтен как постоянная погрешность.
Длительность перемешивания определялась по времени выравнивания концентрации (времени гомогенизации) и принималось с 2-3 кратным запасом.
После подстановки и преобразования уравнение (2.1) примет вид Адекватность процесса по параметру «объемный коэффициент массопередачи» в экспериментальном и промышленном аппаратах достигалась также исправлением технологических ошибок при культивировании дрожжей, изысканию и исследованию технологических и технических решений, позволяющих получать высокие выходы на модели дрожжерастильного аппарата.
Приготовление раствора мелассы проводилось отстойным кислотохолодным способом: разбавлялась меласса водой и размешиванием с добавлением хлорной извести. Отстаивалась суспензия в течение 30 мин. После выдержки добавлялась серная кислота до получения рН 5.0, содержимое размешивалось. Затем раствор вновь отстаивался до полного осветления мелассы.
Растворы хлористого калия, сернокислого аммония и диаммоний фосфата готовились раздельно в виде 10 %-ных растворов, которые после отстаивания использовались в качестве питательных солей.
Вода и воздух очищались с помощью фильтров; рН-метром милливольтметром рН-150 измерялась активность ионов водорода рН, при этом в качестве измерительного электрода при измерении рН использовался стеклянный электрод, а в качестве вспомогательного - хлорсеребряный электрод.
Состояние растущей популяции дрожжей и наличие посторонней микрофлоры устанавливались при микроскопировании проб, отбираемых перидиочески из дрожжерастильного аппарата. Микровид культуры дрожжей давал опережающую информацию о назревающих нарушениях биосинтеза. Просмотр проб культуральной среды под микроскопом проводился не менее чем в десяти полях зрения [83].
Выращивание дрожжей в экспериментальном аппарате проводилось по 10-ти часовой схеме с фиксированием следующих параметров: расхода воздуха, подаваемого в аппарат; расход воды на охлаждение культуральной среды, расхода мелассы и питательных солей. Контролировались также технологические параметры: набор, температура в аппарате, накопление биомассы и ее прирост. Периодически отбирались из аппарата пробы на микроскопирование.
Опыты проводились в обычных условиях и при соблюдении стерильности воздуха, питательных солей, а также внутренних поверхностей аппарата и аэратора с целью сравнения технологических показателей процесса. Результаты приведены на рис. 2.3 и 2.4, а также в приложении.
Зависимость накопления дрожжей от длительности выращивания. Процессы: 1 — нестерильный; 2 — стерильный; 3 — стерильный с использованием ловушки в вытяжной трубе. Как показали исследования, прирост дрожжей (рис. .2.3) увеличивался вследствие соблюдения стерильности процесса. Так в процессе культивирования прирост составил соответственно 375, 425 и 480 г (кривые 1, 2, 3). Накопление (рис. 2.4) увеличилось с 90 (кривая 1) до 113 (кривая 2) и 124 г/л (кривая 3). Существенный рост продуктивности аппарата в- случае использования ловушки (рис. 2.1) объясняется тем, что она препятствует проникновению инфекции из вытяжной трубы в культуральную среду в процессе всего цикла выращивания дрожжей. Вытяжная труба, выполненная в виде двух отводов, оказывает дополнительное препятствие инфекции, исключая ее попадание в аппарат. Микросопирование показало, что если при культивировании в неасептических условиях число почкующихся клеток на десятом часу составило 38 %, то при соблюдении полной стерильности таких клеток было 69 %.
Стерилизация производственных аппаратов связана со значительными трудностями ввиду наличия тупиковых полостей, выступов и неравномерной интенсивности теплоотдачи в окружающую среду. Наиболее плохо стерилизуются патрубки, места ввода датчиков контрольно-измерительных приборов, а в разводах трубопроводов — тупиковые места, которые образуются на ответвлениях и в местах присоединения к аппаратам. Поэтому при монтаже, техническом обслуживании и ремонте аппаратов, с целью повышения эффективности их тепловой обработки и обеспечения асептических условий в процессе культивирования, необходимо соблюдать следующие практические рекомендации [22]:
Сравнительная оценка энергозатрат на удаление влаги из дрожжевой суспензии фильтрованием и высушиванием с использованием метода термического анализа
Из литературных источников известно, что гидродинамические процессы, к которым относится фильтрование, предпочтительнее тепловых по энергозатратам. Однако сравнительная количественная оценка для конкретных суспензий в работах отсутствует.
При фильтровании и сушке удаляется физико-механически связанная влага. Эту слабосвязанную влагу в специальной литературе принято называть свободной.
Нами поставлена задача определить количество энергии, затрачиваемой на удаление свободной влаги из дрожжевой суспензии в процессе фильтрования и сушки.
Исследования проводились в условиях Воронежского дрожжевого завода на промышленном вакуум-фильтре Альфа-Лаваль. Установлено, что подача на фильтрование дрожжевой суспензии с начальной влажностью WH=85 % составляет 2600 кг/ч. С помощью вакуум-насоса вода удаляется (отсасывается) из суспензии в количестве 600 кг/ч, а целевой продукт — прессованные дрожжи вырабатываются за это же время в количестве 2000 кг.
Были выбраны методы термического анализа, поскольку они выгодно отличаются от других по универсальности, экспрессности и широте использования [49, 113]. В основе термических методов анализа лежит наблюдение за свойствами образца в зависимости от времени в процессе изменения температуры образца в контролируемой атмосфере. Изменение температуры может быть достигнуто нагреванием или охлаждением с заданной скоростью либо комбинацией различных режимов. Для изучения образца использовались два основных метода: дифференциальный термический анализ (ДТА) и термогравиметрия (ТГ) [48, 90].
В зависимости от поставленной задачи различают качественный и количественные анализы. Качественный анализ основан на регистрации температур термических превращений образца и целью его является идентификация исследуемого образца. Для решения количественных задач используются отдельные элементы интегральной дифференциальной температурных кривых: длину горизонтального участка на интегральной температурной кривой, высоту и площадь пика на дифференциальной кривой (площадь пика — площадь, заключенная между пиком и базовой линией).
Целью количественного анализа является определение содержания термоактивного компонента в образце, установления характеристик изучаемого процесса - теплового эффекта реакции, энергии активации, а также порядка реакции [49]. Методы термического анализа использовались рядом авторов для исследования различных материалов [48, 90,113].
Ранее были проведены исследования с образцами дрожжей влажностью W=5% и получена информация о закономерностях удаления внутриклеточной, то есть адсорбционно-связанной влаги [13].
Нами выполнено более полное исследование форм связи влаги с дрожжами. Начальная влажность суспензии составила WH= 85 %.
Исследование закономерностей теплового воздействия на дрожжевую суспензию осуществляли методом неизотермического анализа на деривато-графе системы «Паулик — Паулик— Эрдей» [35] в атмосфере воздуха в кварцевых тиглях с общей массой навески для образца 400 мг. В качестве талона использовали А120з, прокаленный до 1200 С. Применяемые для количественной обработки методом неизотермической кинетики термоаналитические кривые одновременно регистрируют изменения температуры ТА, массы образца TG, скорости изменения температуры или энтальпии DTA и скорости изменения массы DTG.
При записи дериватограмм с учетом методики [13] были выбраны следующие режимы: чувствительность гальванометра DTA - 1/5; чувствительность гальванометра DTG — 1/5; чувствительность гальванометра 500 мг; скорость изменения температуры — 3С/мин; максимальная температура нагрева 300 С [143].
На представленных кривых (рис. 3.14) имеются характерные участки. Это связано с изменением термодинамического состояния удаляемой влаги из суспензии. Комплекс регистрируемых позволяет количественно оценить происходящие в материале термические превращения, а также определить энергию активации или энтальпию [34]. Следует отметить, что скорость сушки материала и температура окружающего воздуха в печи дериватографа могут быть идентичными с режимными параметрами сушки материалов в промышленных аппаратах. Это существенно повышает надежность исследований [6] и отличает их от метода М. Ф. Казанского [60].
Зависимость степени изменения массы от температуры концентратов Полученная кривая TG в координатах а-Т имеет -образный вид, качественно отражающий характер взаимодействия воды и сухих веществ материала, а также предполагает различие в скорости влагоудаления на разных участках полученной кривой (рис. 3.15). Таким образом, кривая зависимости а-Т позволяет изучить различные, кинетически неравноценные формы связи влаги с дрожжами и показать разную скорость влагоудаления.
Исследование реологических характеристик дрожжей
Определяющее влияние на протекание процесса формования и качество продукта оказывают реологические свойства, зависящие, в свою очередь, от влажности продукта, температурного режима процесса, давления в формующем узле и др [41].
Результаты изучения реологических свойств дрожжей необходимы при построении математической модели процесса формования, позволяющей прогнозировать поведение материала в формующем узле установки, а также при создании формующих машин, регулировании основных параметров процесса формования и разработке средств автоматизации.
Реологические исследования различных авторов, систематизированные в [69, 72, 73], позволяют отнести прессованные дрожжи к вязким неньютоновским материалам, поскольку они после снятия нагрузки не восстанавливают первоначальную форму, то есть имеет место необратимая деформация.
Наиболее важным реологическим параметром, определяющим состояние дрожжей, является вязкость (внутреннее трение) - мера сопротивления течению.
Исследования проводились на ротационном вискозиметре РВ-8. Принцип определения вязкости основан на измерении скорости вращения внутреннего цилиндра (при неподвижном внешнем) в прессованных дрожжах под действием определенного груза.
Как видно из рис 4.5., например при температуре дрожжей tH = 5 С в зоне загрузки I давление практически остается постоянным и равным атмосферному (р3=]05Па); в зоне прессования II оно существенно возрастает и достигает максимального значения р„р=1,7-105 Па. В зоне формования давление продолжает незначительно возрастать до Рф—1,72-105 Па, после чего снижается. С повышением температуры дрожжей от 5 до 15 С давление возрастает из-за увеличения вязкого трения массы о стенки камеры.
Качественная оценка процесса вязко-пластического формования дрожжей такова. Перемещение дрожжей в начальный момент загрузки протекает с незначительной деформацией при произвольном расположении пластов вследствие того, что давление в камере равно практически атмосферному давлению. По мере перемещения дрожжей к зоне прессования II давление постепенно повышается (рис.4.6, а). В зонах прессования II и формования III давление повышается из-за изменения геометрии шнека, имеет место ламинарное течение (сдвиг) спрессованной массы со скольжением материала по внутренней стенке цилиндра рабочей камеры под действием сил трения. Происходит частичная перестройка периферийных слоев (рис. 4.6, б). В конце зоны формования вследствие снижения давления трение периферийных слоев материала о стенки рабочей камеры также снижается.
Казалось бы, что температура должна снижаться в конце процесса формования (по аналогии с уменьшением давления, рис. 4.5).Однако в состояние температурного равновесия система не возвращается, то есть материал по завершении процесса не релаксирует, поскольку не охлаждается до стартовой температуры. Это объясняется следующим: нагревание дрожжей происходит под действием давления, а теплоотдача от наружной стенки рабочей камеры к окружающей среде затруднена вследствие того, что температура последней, как правило, превышает температуру дрожжей. В летний период теплопритоки увеличиваются, что отрицательно сказывается на качестве дрожжей и повышает энергозатраты на их охлаждение в холодильной камере [54]. Напрашивается вывод о необходимости охлаждения дрожжей в процессе их перемещения с помощью, например, холодной воды.
Для моделирования течения дрожжей в формующем канале экструдера была выбрана отечественная система моделирования движения жидкости и газа Flow Vision. Данный программный комплекс обладает широкими возможностями при задании условий трехмерного перемещения среды, а также позволяет различными способами визуализировать полученные результаты.
При формовании равномерность процесса зависит от сочетания различных характеристик, таких как давление, создаваемое шнеком, и сопротивление, обусловленное формующим каналом.
Отличия между созданной во внешней программе и импортированной геометриями формующего узла обусловлены требованиями самой программы FlowVision [102]. Они способствуют наиболее корректной расстановке граничных условий на входе и выходе продукта из формующего канала. Поскольку деталь является осесимметричной, расчетная область задачи представляет собой половину детали, что позволяет значительно снизить время расчета.
Характеристики формующего узла: длина всего формующего канала -1,1 м; угол конусной части - 30, длина конусной части 0, 5 м, длина мундштука 0,3 м (рис. 4.8), сечение на выходе — квадрат 0,08x0,08 м.
При решении разнообразных инженерных задач, связанных с формованием пищевых масс, наиболее эффективными оказываются методы реологии, которые базируются на применении единых уравнений, справедливых для всех процессов, происходящих в рабочих каналах оборудования.
Основное свойство течения пищевых смесей определяется развитием пластической деформации, представляющей вязкое течение, связанное с необратимым перемещением молекул и их групп на расстояние, превышающее размеры самой молекулы. Скорость развития пластической деформации зависит от температуры. В условиях установившегося течения пищевые смеси обладают свойствами так называемых аномально-вязких, или неньютоновских жидкостей. Это означает, что при весьма малых напряжениях сдвига реологические свойства пищевых смесей характеризуются постоянной ньютоновской вязкостью [40, 107]. Поэтому на следующем этапе выбирали модель течения и решаемые уравнения в расчетной подобласти [46,102].
