Содержание к диссертации
Введение
Г л а в а 1. Современное состояние теории, техники и технологии производства экструдированных продуктов питания 12
1.1. Основы теории и краткий обзор техники и технологии процесса экструзии 12
1.2. Реологические уравнения и характеристики пластических материалов 28
1.3. Анализ существующих математических моделей распределения давления продукта в дозирующих зонах экструдеров 32
1.4. Горох как объект исследования 37
1.5. Анализ литературного обзора и задачи исследования 46
Г л а в а 2. Теоретические и экспериментальные исследования процесса экструзии гороха, обогащенного белковой добавкой . 51
2.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований 51
2.2. Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса экструзии гороха, обогащенного белковой добавкой 63
2.2.1. Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов 63
2.2.2. Оптимизация процесса экструзии 68
2.3 Обоснование содержания белковой добавки в рецептурной смеси 82
2.4. Кинетика экструзионного процесса получения гороховых палочек 87
Г л а в а 3. Комплексная оценка качества экструдированных горохо вых палочек 97
3.1. Влияние степени измельчения сырья на характер протекания процесса экструзии 97
3.2. Исследование гороха с белковой добавкой методом дифференциально-термического анализа 100
3.3. Исследование качественных показателей экструдированных гороховых палочек 106
3.3.1. Методы исследования физико-химических свойств образцов.. 106
3.3.2. Анализ качественных показателей экструдированных гороховых палочек 109
3.4. Определение микробиологических показателей экструдата... 115
3.5 Анализ пищевой ценности разработанного экструдированного продукта 117
Г л а в а 4. Разработка конструкций экструдеров и способов автома тического управления их работой 119
4.1. Методика инженерного расчета экструдера с регулируемой величиной давления в предматричной зоне 119
4.2. Разработка конструкции многомодульного экструдера для переработки термолабильных пищевых смесей 122
4.3. Разработка конструкции автогенного корпусного экструдера.. 127
4.4. Разработка конструкции формующей головки экструдера 133
4.5. Разработка способа автоматического управления работой экструдера с линией рециркуляции продукта из предматричной зоны в зоны гомогенизации и сжатия 136
4.6. Разработка способа автоматического управления работой экструдера с подачей комбинированной смазочной жидкости в зону гомогенизации 140
Основные выводы и результаты 146
Литература
- Анализ существующих математических моделей распределения давления продукта в дозирующих зонах экструдеров
- Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса экструзии гороха, обогащенного белковой добавкой
- Исследование гороха с белковой добавкой методом дифференциально-термического анализа
- Разработка конструкции многомодульного экструдера для переработки термолабильных пищевых смесей
Введение к работе
Одно из основных направлений развития пищевой промышленности - интенсификация технологических процессов, в том числе изменение физико-химических свойств природных сырьевых материалов при воздействии на них различными методами [24, 29,110 ].
Интерес к переработке растительного сырья с помощью термопластической экструзии обусловлен двумя основными причинами: большим объемом и разнообразием продукции, производимой с помощью этой технологии, и экономическим эффектом, который дает производство экструзионных продуктов. Высокий экономический эффект производства такого типа продуктов обусловлен прежде всего тем, что один экструдер может заменить целью комплекс машин и механизмов, необходимых для производства продуктов. Его использование позволяет сделать процесс непрерывным, легко контролируемым, универсальным по видам перерабатываемого сырья и готовых продуктов [4, 9, 67, 111].
Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубежные и отечественные ученые как: G. Schenkel, В.Н. Maddock, Е.С. Bernhardt, Z. Tadmor, J.M. McKelvey, J.F. Carley, R.A. Strub, R.S. Mallouk, C.H. Jepson, Ch.I. Chung, LP. Melcion, P.B. Торнер, B.A. Силин, И.Э. Груздев, Г.М. Медведев, В.И. Янков, А.Н. Богатырев, В.П. Юрьев, А.И. Жушман, В.Г. Карпов, Л.П. Ковальская, В.П. Первадчук и др.
Экструзионная обработка крахмалосодержащего сырья - экологически безопасный, ресурсосберегающий и универсальный процесс, позволяющий получать хорошо усвояемые, термостерилизованные, с улучшенными вкусовыми свойствами пищевые продукты [21].
Экструзия - идеальный технологический процесс для обогащения продуктов белками, волокнами, витаминами и другими добавками. Выпуск разнообразных экспедированных продуктов с повышенным содержанием белков, витами нов и минеральных веществ, играет важную роль в профилактике многих заболеваний человека [12, 31, 66].
Наиболее подходящим сырьем являются продукты переработки соевой муки, крахмалосодержащие продукты: зерновые (кукурузная, рисовая и овсяная крупы, сорго), крахмалы и картофелепродукты, а так же различные смеси белков и полисахаридов, включая вторичное сырье мясной, молочной и рыбной промышленности. Все это позволило при помощи экструзионной технологии создавать продукты с регулируемой пищевой, биологической и энергетической ценностью [68, 89-90, 95].
Интерес к переработке растительного сырья с помощью термопластической экструзии также обусловлен двумя основными причинами, во-первых, большим объемом и разнообразием продукции, производимой с помощью этой технологии, и, во-вторых, экономическим эффектом, который дает производство экструзион-ных продуктов.
Отличительными особенностями экструзионной техники являются совмещение нескольких технологических операций в одной машине: транспортирования, перемешивания, измельчения, варки, сдавливания и формования; возможность создания новых видов готовой продукции; увеличение скорости протекания химических реакций; высокая степень автоматизации и сокращение обслуживающего персонала. Применение данной технологии при производстве пищевых продуктов обеспечивает глубокие биохимические превращения питательных веществ - углеводов, клетчатки, белков, что способствует повышению их усвояемости и получению экструдатов хорошего качества[120, 127].
В зависимости от глубины происходящих изменений, экструзионную обработку принято разделять на три вида: холодную, теплую и горячую экструзию. Наибольшее распространение получила холодная экструзия, применяемая в основном для производства макаронных изделий [13, 30, 51].
Вместе с тем, все интенсивнее развиваются технологии приготовления различных пищевых продуктов методами теплой и горячей экструзии.
Методом горячей экструзии изготавливаются вспученные экструдаты (сухие завтраки), которые имеют пенообразную пористую структуру. Малый вес при большом объеме обуславливает два основных недостатка вспученных экструда- тов: для их хранения требуются значительные площади, их транспортировка требует значительных расходов. Следует также отметить, что в рецептуру сухих завтраков для улучшения вкусовых свойств и их структуры вносят некоторое количество масла или жира. Это приводит к появлению горького привкуса из-за про- горкания жиров, что снижает длительность хранения. Указанные недостатки устраняются при изготовлении полуфабрикатов вспученных экструдатов. Полуфаб- рикаты изготавливают как правило методом теплой экструзии. Они представляют собой изделия, отформованные в виде макаронных изделий разной формы и высушенные до влажности 8... 12 %. В таком виде изделия имеют способность к длительному хранению, большую плотность и прочность. По мере необходимости полуфабрикаты вспучиваются в горячей среде (растительное масло, нагретое до 180... 190 °С; воздух нагретый до 300 °С. и т.д.). в течение 5...20 с с образованием пористых продуктов называемых крекерами [64, 69, 117].
Ведущими зарубежными фирмами США (Wenger, Anderson, Sprout-Bauer и » др.), ЕС (Werner & Pfleiderer, Weber, Walter (ФРГ), Clextral, Crezaux-Loire (Фран ция), Grondona Nimet, Pagani (Италия), Biihler, Buss (Швейцария), Cincinnati (Австрия) и т.д.) и Японии (Toshiba и др.) на мировом рынке представлены более 1000 моделей экструдеров различных типов [12, 24, 45, 70, 91, 101, 109, 113-115].
Конструктивные особенности экструдеров и различные качественные характеристики используемого сырья позволяют в широких пределах комбинировать параметры процесса экструзии, что создает условия для целенаправленного изменения структуры и свойств готовой продукции - экструдатов [97].
Бурное развитие экструзионной технологии с конца 70-х годов привели к я появлению на рынке экструдированных продуктов - изделий не только с разно образными вкусовыми свойствами и энергетической ценностью, но и различных форм: «колечек», «звездочек», «трубок», «уголков» и т.д. Современные произво дители экструдированных продуктов — уделяют пристальное внимание насыщению рынка экструдатами различных форм. Так выпуск одного по рецептурному составу продукта, но трех различных форм, позволило фирме FMI (Великобритания) увеличить объем продаж на 120 % [102, 121].
Из приведенных данных следует, что экструзия достаточно прогрессивный способ получения качественных продуктов питания, основные преимущества которой заключаются в гибкости ее технологических схем, высокой производительности и малых габаритах экструдеров, непрерывности процесса, низкой себестоимости продукции. Однако в России эта технология не нашла еще широкого развития и требует целого ряда комплексных мер для успешного освоения потребительского рынка пищевых продуктов. В первую очередь это связано с тем, что в перерабатывающих отраслях промышленности экструдирование является недостаточно изученным процессом; выполненные исследования были направлены в основном на разработку технологии и оценку качества готовой продукции без реального внедрения их в производство; научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию экструдеров проведены в ограниченном количестве. Причиной этого является недостаточная технологическая база для разработки и создания универсальных экспериментальных установок, остро ощущается дефицит в квалифицированных научных кадрах, способных обеспечить реализацию требуемых технологических параметров экструзионного процесса .
Актуальность работы. При производстве продуктов питания все чаще применяется такой перспективный способ обработки крахмалсодержащего сырья, как -- экструзия. Экструзия - сложный процесс тепло- и массообмена, в ходе которого под действием высоких температуры и давления происходит переход механической энергии в тепловую, что приводит к глубоким биохимическим превращениям питательных веществ (денатурация белков, клейстеризация крахмала и другие биохимические изменения), что способствует повышению их усвояемости и получению экструдатов хорошего качества.
Важным направлением совершенствования экструзионной технологии является создание бобовых продуктов с программируемыми свойствами и обоснование режимов экструзии с целью расширения ассортимента и снижения себестоимости выпускаемой продукции. Особо важно для получения продуктов высокого качества соблюдение рационального температурного режима, определяемого величиной давления в предматричной зоне экструдера. Производство экструдиро-ванных зерновых продуктов сбалансированного состава является актуальной задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры машин и аппа- ратов пищевых производств (МАПП) ВГТА на 2001-2005 гг. «Тепло- и массооб мен при высокоинтенсивной сушке продуктов животного и растительного проис--хождения» (№ гос. регистрации 01.200.1 16821) и с планом НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХНИ) ВГТА на 2001-2005 гг. «Исследование гидродинамики, тепло- и массообмена в системах: твердое тело - жидкость, твердое тело - газ при течении в каналах разной геометрической формы» (№ гос. регистрации 01.960.006217).
Цель и задачи диссертационной работы: научное обеспечение и разработ- ка способа получения экструдированных гороховых палочек с белковой добавкой;
создание на основе разработанного способа оригинальных конструкций экструдера и способов автоматического управления экструдером с возможностью отвода части продукта из предматричной зоны.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
обоснование выбора рецептурного состава смеси для производства зерновых продуктов сбалансированного состава;
исследование основных закономерностей процесса экструзии смеси; выбор рациональных параметров процесса экструзии смеси на одношнековом экс- щ трудере;
разработка статистической модели процесса экструзии гороха с белковой добавкой;
изучение процесса термолиза продукта, выявление температурных зон испарения влаги;
определение пищевой, биологической и энергетической ценности экструдированных бобовых палочек;
разработка методики инженерного расчета экструдеров с регулируемой величиной давления в предматричной зоне;
разработка новых конструкций экструдеров; разработка способов автоматического управления работой экструдера с возможностью отвода части экстру-дата из предматричной зоны;
проведение промышленной апробации и производственных испытаний предлагаемых разработок.
Научная новизна. На основании проведенных исследований, обобщения и анализа разработана технология производства экструдированных гороховых палочек с белковой добавкой.
Разработана статистическая модель, в которой в качестве критериев оптимизации использованы такие важные показатели, как удельные энергозатраты, давление в предматричной зоне и комплексный органолептический показатель качества.
Установлена зависимость величины давления расплава в предматричной зоне экструдера от исследуемых параметров. Выявлен характер влияния коэффициента перетока на изменение величины давления расплава в предматричной зоне экструдера.
Разработан алгоритм управления процессом экструзии, позволяющий обеспечить стабильное поддержание заданных технологических режимов.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2177702, 2179111, 2178739, 2184653, двумя положительными решениями о выдаче патента РФ по заявкам № 20022120227, 2002132775.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработан способ получения экструдированных гороховых палочек с белковой добавкой и определе- ЧУ ны рациональные параметры процесса переработки исследуемой пищевой смеси.
Разработана методика инженерного расчета экструдеров с регулируемой величиной давления в предматричной зоне.
Получен экструдированный продукт - хрустящие гороховые палочки, обладающий хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью.
Разработаны оригинальные конструкции экструдера для получения экструдированных продуктов питания нового поколения и способы автоматического ч управления экструдером.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2000 по 2003 гг.); Москве (2001), Тольятти (2001), Екатеринбурге (2001), Могилеве (2002), Тамбове (2002), Кемерово (2002), Казани (2003).
Результаты настоящей работы представлены на конкурсах и награждены дипломами:
- дипломом Воронежской Торгово-промышленной палаты за участие в вы- «I ставке «Продмаш 2001» с инновационным проектом «Разработка экструзионного оборудования нового поколения для производства продуктов питания с программируемыми свойствами»;
- дипломом межрегиональной специализированной выставки «Продторг 2001» с инновационным проектом «Разработка прогрессивного экстру зионного оборудования для производства комбинированных продуктов питания»;
- дипломом международной выставки «Агротехмаш 2001» с проектом «Разработка экструзионного оборудования для производства комбини рованных продуктов питания»;
# - дипломом 13-й межрегиональной выставк «Продторг 2002» с проектом «Оборудование и способы автоматического управления процессом экстру зии для производства продуктов питания нового поколения»;
- дипломом 13-й межрегиональной выставки «Продторг 2002» с инновационным проектом «Оборудование и способы автоматического управления процессом экструзии для производства продуктов питания нового поколения»;
- дипломом 7-й межрегиональной специализированной выставки «Агропром» с инновационным проектом «Разработка современного экструзион- ного для производства сбалансированных по составу продуктов быстрого приготовления».
Соискатель удостоен звания лауреата премии администрации Воронежской области за 2001 год за научно-исследовательскую работу на тему: «Разработка способа производства комбинированных экструдированных пищевых продуктов с программируемыми свойствами».
Работа выполнялась на кафедре машин и аппаратов пищевых производств (МАПП) и на кафедре процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХГТП) ГОУ Воронежской государственной технологической академии.
Хотелось бы выразить искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Острикову Александру Николаевичу за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы, а также признательность кафедре общей и неорганической химии (доц. Кузнецовой И.В.) и руководителю Органа по сертификации пищевых продуктов (доц. Чере-мушкиной И.В.) за плодотворное сотрудничество.
Анализ существующих математических моделей распределения давления продукта в дозирующих зонах экструдеров
Совершенствование теории и методов расчета экструзионного оборудования является задачей, решение которой обеспечит оптимальное конструирование его узлов с целью получения продукции требуемого качества. В связи с этим возникает насущная потребность в математическом моделировании экструзионного процесса, высокая значимость которого отмечается многими современными учеными и не вызывает сомнения. Так как качество экструдата, производительность экструзионной машины в значительной степени определяются режимом работы предматричной зоны червяка, то в анализе будем рассматривать математические модели процесса экструзии именно для этой зоны экструдера.
Значительный вклад в развитие математических моделей и методов расчета дозирующих зон одношнековых экструдеров внесли Г. Шенкель, Э. Бернхардт, 3. Тадмор, Дж. Мейз, Р.В. Торнер. Последующее развитие теория экструзии получила в работах M.L. Вооу, Ch.I. Chung, B.C. Кима, В.В. Скачкова, А.А. Татарникова, О.И. Скульского и др.
Работу одношнековых экструдеров для пищевых производств изучали J.P. Melcion, P. Colonna, J.L. Rossen, R.C. Miller, J.M. Harper, D. Hammer, T.F. Tsao, В.В. Лукьянов, Н.И. Мачихин, И.Э. Груздев, Б.М. Азаров, А.В. Горбатов, В.П. Юрьев, А.Н. Богатырев и др.
Для создания рабочих теорий процесса экструзии правомерно использование моделей изотермического, адиабатического, политропического и произвольного теплового режимов работы зоны дозирования.
Для рассмотрения традиционных математических моделей одношнековой экструзии полимеров, удобнее всего разделить их на три основные группы моделей: гидродинамические, геометрические и реологические [5, 6, 53].
Модели разных авторов внутри этих принятых групп имеют некоторые отличия, однако они не носят принципиального характера.
К наиболее известным моделям первой группы можно отнести модели, предложенные Г. Шенкелем, Э. Бернхардтом, Д.М. Мак-Келви и др.
Так, в результате решения задачи течения ньютоновской жидкости в канале червяка Мак-Келви [18, 34-35, 55-56] получено уравнение для расчета производительности дозирующей зоны экструдера. Несмотря на простоту решения модели, такие недостатки как принятое ньютоновское течение жидкости, решение задачи только одномерного изотермического течения, не учитывается конвективный теп 34 лообмен, не оценивается качество экстру дата и др. в совокупности не дают полной картины течения жидкости в канале шнека дозирующей зоны экструдера.
Математическая модель, предложенная В.А. Силиным, является примером геометрического подхода к решению задачи моделирования процесса экструзии полимеров для этой зоны [19,33, 75]. В основу этой модели положена теория транспортирующих червяков, согласно которой движение полимера в канале червяка рассматривается как передача части объема одного витка за один оборот. Распределение давления вдоль червяка зависит только от его характеристики, т.е. влияние реологических характеристик полимера на профиль давлений не учитывается. Из анализа выражения (табл. 1.3) для расчета производительности следует, что расход материала в дозирующей зоне не может превышать некоторое максимальное значение, соответствующее Рг = О, что противоречит экспериментальным данным. Эта модель правомерна только для упрощенного расчета процесса переработки материала, течение которого имеет ньютоновский характер.
Недостатки указанной геометрической модели: одномерность течения вдоль оси червяка; относительно произвольное деление канала червяка на часть, заполненную только твердым материалом, и на часть, заполненную только расплавом; отсутствие точного решения задачи теплообмена и движения материала в канале червяка; пренебрежение давлением, возникающим в зоне загрузки. Наиболее точно реальную физическую картину процесса экструзии отражают реологические модели. Реальное движение расплава полимера в зоне дозирования - это трехмерное неизотермическое течение аномально вязкой жидкости.
Первым приближением к решению этой задачи являются математические модели, предложенные 3. Тадмором, Р.В. Торнером и др. [17-18, 33, 39, 49], в которых рассмотрено одномерное изотермическое течение степенной жидкости.
Данные работы посвящены изучению течения аномально вязких жидкостей в условиях простого сдвига (т.е. когда можно пренебречь циркуляционными эффектами при течении и трением среды о боковые стенки канала) между двумя бесконечными параллельными пластинами.
Так, Н.Э. Груздевым получено уравнение для расчета производительности дозирующей зоны экструдера при изотермических условиях течения аномально вязкой жидкости со сложным сдвигом (табл. 1.3). Характерной особенностью течения степенной жидкости в условиях сложного сдвига является более слабая зависимость максимального расхода продукта от аномалии вязкости.
Общим недостатком рассмотренных моделей является отсутствие решения проблемы оценки качества расплава полимера, а соответственно и экструдата. Улучшение качества экструдата - одна из наиболее важных задач совершенствования процессов переработки. Эту задачу можно решить, обеспечив стабилизацию основных параметров процесса: производительности, давления, температуры.
Основываясь на механизме плавления, предложенном Б. Маддоком и Л. Стритом, 3. Тадмор [84-85] разработал первые теоретические модели процессов, протекающих в винтовых каналах экструдеров.
Для того чтобы получить решение задачи, 3. Тадмору пришлось сделать упрощающие допущения. К ним относятся стационарность процесса, гомогенность полимерной пробки и постоянство скорости ее движения вдоль канала, четко выраженная температура плавления (что имеет место для некоторых полимеров) и пренебрежение в расчетах кривизной канала шнека.
Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса экструзии гороха, обогащенного белковой добавкой
Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс экструзии, были применены математические методы планирования эксперимента [2, 44]. Математическое описание данного процесса может быть получено эмпирически. При этом его математическая модель имеет вид уравнения регрессии, найденного статистическими методами на основе экспериментов. Математическая модель изучаемого процесса представляется в виде полинома второй степени где bo - свободный член уравнения, равный средней величине отклика при условии, что рассматриваемые факторы находятся на средних, «нулевых» уровнях; х -масштабированные значения факторов, которые определяют функцию отклика и поддаются варьированию; i,j - индексы факторов; Ь, - коэффициенты при линейных членах; by - коэффициенты двухфакторных взаимодействий, показывающие, насколько изменяется степень влияния одного фактора при изменении величины другого; Ъц - коэффициенты квадратичных эффектов, определяющие нелинейность выходного параметра от рассматриваемых факторов, TV - число факторов в матрице планирования.
В качестве основных факторов, влияющих на процесс экструзии, были выбраны: X/ - начальная влажность продукта, %; х2 - частота вращения шнека, с"1; з - конструктивный параметр (отношение внутреннего диаметра шнека к наружному); х4 - живое сечение матрицы (отношение суммарной площади отверстий к площади выходного сечения матрицы); х5 - коэффициент перетока (доля отводимого рециркулята).
Все эти факторы совместимы и некоррелируемы между собой. Пределы изменения исследуемых факторов приведены в табл. 2.1.
Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса экструзии, техническими характеристиками экструзионной установки. Критериями оценки влияния различных факторов на процесс экструзии были выбраны: F/ - удельные энергозатраты на процесс экструзии, кДж/кг; Y2 — давление в предматричной зоне, МПа; Y3 - комплексный органолептический показатель качества (КОПК).
Выбор критериев оценки Y обусловлен их наибольшей значимостью для процесса экструзии [1,2]. Так Yj - удельные энергозатраты определяют энергоемкость процесса и является важнейшим показателем в оценке его энергетической эффективности; Y2 - давление в предматричной зоне, которое определяет глубину физико-химических изменений питательных веществ при экструдировании; Y$ -комплексный органолептический показатель качества, определяет качество готового продукта. Программа исследований была заложена в матрицу планирования эксперимента (табл. 2.2).
Для исследования было применено центральное композиционное ротата-бельное униформпланирование и был выбран дробный факторный эксперимент 25"1 [1] с дробной репликой х5=Х]Х2Хзх4. Порядок опытов рандомизировали посредством таблицы случайных чисел [2], что исключало влияние неконтролируемых параметров на результаты эксперимента.
При обработке результатов эксперимента были применены следующие статистические критерии: проверка однородности дисперсий - критерий Кохрена, значимость коэффициентов уравнений регрессии - критерий Стьюдента, адекватность уравнений - критерий Фишера. В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие данный процесс под влиянием исследуемых факторов:
Анализ уравнений регрессии (2.5) - (2.7) позволяет выделить факторы, наиболее влияющие на рассматриваемый процесс (рис. 2.5 — 2.8). Степень влияния параметров относительно друг друга Ъ2: bj - - 0,4; Ъ2: Ъ3= А,2; Ъ2 : Ь4 = - 9,8; Ъ2 : b5 = - 0,9; причем знак плюс перед коэффициентом при ли 66 нейных членах указывает на то, что при увеличении входного параметра значение выходного параметра увеличивается, а знак минус - убывает.
На удельные энергозатраты, наибольшее влияние оказывает конструктивный параметр, наименьшее - коэффициент живого сечения матрицы. Отношение коэффициентов, стоящих перед линейными членами, показывающие степень влияния параметров относительно друг друга, оказались равными: b2: bj = - 0,62; b2: bf= 0,34; b2: b4- - 0,34; b2 : b5 = -0,52. На давление в предматричной зоне наибольшее влияние оказывает конструктивный параметр, наименьшее — начальная влажность продукта.
Исследование гороха с белковой добавкой методом дифференциально-термического анализа
Методы термического анализа эффективно используются для получения информации о кинетике процесса термолиза различных пищевых продуктов. Для правильной организации процесса экструзии необходимо изучить характер связи влаги с определением участков, на которых происходит разложение продукта.
В растительном материале содержится достаточное количество воды, слабо связанной с остальными его составляющими. Это адсорбционно связанная влага и влага набухания. Молекулы такой воды обладают достаточным запасом кинетической энергии и свободно проникают внутрь частиц сырья, слабо связываясь при этом с активными центрами его биополимеров. При интенсивных механических воздействиях на продукт и его нагревании, имеющих место при экструзии, происходит снижение энергии связи молекул воды, находящейся в частицах сырья. Это вызывает комплекс процессов, включающих набухание, деструкцию зерен крахмала, их частичное растворение и образование однофазной дисперсии в виде гомогенной массы, по консистенции сходной с макаронным тестом. В отличие традиционно выпрессовываемого макаронного теста, экструзионная гомогенная масса имеет термодинамически неустойчивую структуру и высокую степень клейсте-ризации зерен [16].
Характерной особенностью термического разложения гороха в процессе экструзии является локализация реакционной зоны на поверхности раздела фаз [42]. Такая поверхность образуется и изменяется в результате самого процесса. Эти изменения обуславливаются необычно сложным характером макрокинетики процесса. При экструдировании смеси гороха с белковой добавкой происходит разогрев исходного сырья до 180 С. В результате процесс дегидратации гороха складывается из серии сложных реакции, в ходе каждой из которых можно выделить три стадии: подвод теплоты к поверхности продукта, химическая реакция на поверхности и отвод продуктов реакции от границы раздела фаз [42].
Лимитирующая стадия (самая медленная) определяет скорость протекания всей сложной реакции. Поэтому задача оценки реакционной способности и определения кинетических параметров может быть поставлена только после построения надежных кинетических моделей, отражающих особенности развития процесса нагрева во времени [16, 130].
Исследование закономерностей разложения смеси гороха с белковой добавкой проводили методом неизотермического анализа на дериватографе системы «Паулик-Паулик-Эрдей» в атмосфере воздуха с постоянной скоростью нагрева 3 С/мин. до 300 С. Исследования проводили в кварцевых тиглях с общей массой навески 104 мг. В качестве эталона использовали А12Оз, прокаленный до 1500 С.
Регулировочное устройство давало возможность равномерного нагревания печи, а достижение линейности программы нагрева печи обеспечивало воспроизводимость кривых: DTA - дифференциальная термическая кривая; ТГ - интегральная кривая изменения массы; DTT - дифференциальная кривая изменения массы; Т — интегральная термическая кривая.
Были выбраны следующие режимы снятия дериватограмм: чувствительность гальванометра DTA - 1/2; чувствительность гальванометра DTG - 1/5; чувствительность гальванометра TG - 100 мг; скорость изменения температуры нагрева печи 3 С/мин.; максимальная температура нагрева 300 С.
В качестве исходного сырья использовали горох шелушеный (ГОСТ 6201-68). Горох измельчали в дробилке и отсеивали через сито № 2 с целью выравнивания гранулометрического состава, затем загружали в смеситель и тщательно смешивали с белковой добавкой Drinde Li 15/А (Дания) (5 %) и увлажняли полученную смесь до влажности 14 %. Проводились исследования чистого гороха (образец 1), а также смеси гороха с белковой добавкой Drinde Li 15/А (образец 2).
По кривой ДТА начало процесса дегидратации гороха происходит при температуре 67 С и заканчивается при температуре 180 С, смеси гороха с белковой добавкой Drinde Li 15/А начинается при температуре 30 С и заканчивается при температуре 175 С. Максимальная скорость процесса дегидратации гороха достигается при температуре 103 С, смеси гороха с белковой добавкой Drinde Li 15/А достигается при температуре 82 С. Дериватограммы (рис. 3.2) имеют характеристические температуры, определяемые пиком эндотермического эффекта, сопровождающиеся испарением влаги.
В частности, в горохе при температуре до 80 С происходит нагрев и удаление «свободной влаги», в смеси гороха с белковой добавкой Drinde Li 15/А при температуре до 45 С, имеющей невысокую энергию связи с продуктом. В интервале температур 80... 180 С происходит удаление осмотически связанной, а также адсорбционно связанной влаги в горохе, в интервале температур 45...175 С в смеси гороха с белковой добавкой Drinde Li 15/А. Свыше 175... 180 С наблюдается полное разложение смеси обугливанием.
Для получения данных о механизме влагоудаления по кривой TG рассчитывали степень превращения а и строили зависимость -lg а от величины обратной температуры 103/Т (рис. 3.3). Для этого через каждые 5 С определяли потерю массы образца, которую относили к величине изменения массы образца в конце процесса разложения и рассчитывали степень превращения а. Общая потеря массы составляет 10,2 % при нагревании до 230 С для гороха и 11,4 % для смеси гороха с белковой добавкой Drinde Li 15/А.
Разработка конструкции многомодульного экструдера для переработки термолабильных пищевых смесей
В результате проведенных исследований и анализа полученных результатов была разработана конструкция многомодульного экструдера (рис. 4.3), использование которого позволяет улучшить качество готового продукта за счет использования щадящего режима обработки сырья, свести к минимуму потери питательных веществ в рабочей камере экструдера и стабилизировать давление в предматричной зоне экструдера.
Поставленная задача достигается тем, что рабочая камера экструдера состоит из пяти модулей с различной конфигурацией корпуса и шнека. Причем первый модуль, содержащий последовательно расположенные зоны загрузки, смешивания, сжатия и пластификации, имеет конический корпус с уменьшающимся в сторону матрицы внутренним диаметром и увеличивающийся диаметр вала шнека в зонах сжатия и пластификации, кроме того, в зонах смешивания и пластификации витки шнека имеют прорези, площадь проходного сечения ко торых в зоне смешивания больше, чем в зоне пластификации. Второй модуль, содержащий первую зону стабилизации давления, имеет постоянный диаметр корпуса и вала шнека, на котором расположены с постоянным шагом двухза-ходные штифты ромбического профиля, а рабочие поверхности шнека и корпуса изготовлены с повышенной чистотой обработки. Третий модуль, содержащий последовательно расположенные зоны сжатия и гомогенизации, имеет конический корпус с уменьшающейся в сторону матрицы конусностью и увеличивающийся диаметр вала шнека. Четвертый модуль, содержащий вторую зону стабилизации давления, имеет постоянный диаметр вала шнека с расположенными на нем с постоянным шагом двухзаходными штифтами ромбического профиля, а рабочие поверхности шнека и корпуса изготовлены с повышенной чистотой обработки. Пятый модуль, содержащий последовательно расположенные зоны сжатия, гомогенизации и дозирования, имеет уменьшающийся шаг нарезки в зоне сжатия и дозирования. Во втором и третьем модулях в зоне гомогенизации шнек выполнен с обратной нарезкой и прорезями в витках шнека.
На рис. 4.3 изображен продольный разрез рабочей камеры экструдера, совмещенный с графиками изменения давления и температуры по длине рабочей камеры экструдера. Экструдер (рис. 4.3) содержит загрузочный патрубок 1, рабочую камеру 2, ступенчатый шнек 3 и матрицу 4. Рабочая камера 2 состоит из пяти модулей I-V.
Первый модуль, включающий в себя последовательно расположенные зоны загрузки, смешивания, сжатия и пластификации, имеет конический корпус с уменьшающимся в сторону матрицы внутренним диаметром и увеличивающийся диаметр вала шнека в зонах сжатия и пластификации. В зонах смешивания и пластификации витки шнека имеют прорези, площадь проходного сечения которых в зоне смешивания больше, чем в зоне пластификации. Второй модуль, содержащий первую зону стабилизации давления, имеет постоянный диаметр корпуса и вала шнека.
На валу шнека расположены с постоянным шагом двухзаходные штифты ромбического профиля, а рабочие поверхности корпуса и шнека изготовлены с повышенной чистотой обработки.
Третий модуль, содержащий последовательно расположенные зоны сжатия и гомогенизации, имеет конический корпус с уменьшающейся в сторону матрицы конусностью и увеличивающийся диаметр вала шнека. Внутренний диаметр корпуса первого модуля равен внутреннему диаметру корпуса третьего модуля.
Во втором и третьем модулях в зоне гомогенизации шнек выполнен с обратной нарезкой и прорезями в витках шнека.
Четвертый модуль, содержащей вторую зону стабилизации давления, имеет постоянный диаметр вала шнека с расположенными на нем с постоянным шагом двухзаходными штифтами, имеющими в поперечном сечении ромбический профиль. Рабочие поверхности корпуса и шнека изготовлены с повышенной чистотой обработки.
Пятый модуль, содержащий последовательно расположенные зоны сжатия, гомогенизации и дозирования, имеет уменьшающийся шаг нарезки в зоне сжатия и дозирования. Наличие прорезей в зоне смешивания способствует интенсификации процесса смешивания продукта, резкое увеличение диаметра вала шнека в зонах сжатия приводит к скачкообразному возрастанию давления, что способствует достижению технической задачи изобретения.
Зоны пластификации и гомогенизации выполнены с обратной нарезкой увеличивающей эффективность обработки продукта, прорези в этих зонах выполнены с целью облегчения прохода продукта в сторону матрицы.
В зонах стабилизации давления шнек выполнен с постоянным диаметром вала и повышенной чистотой обработки рабочих поверхностей для обеспечения выравнивания давления. На валу с постоянным шагом выполнены двухзаходные штифты, которые имеют в поперечном сечении ромбический профиль, для предотвращения образования застойных зон.
Установлено [26], что основные компоненты (углеводы, белки, жиры, витамины и др.) пищевых продуктов имеют различную оптимальную температуру, необходимую для протекания полных и качественных физико-химических изменений при экструзионной варке.
Для эффективного и качественного протекания экструзионной варки необходимо подобрать такой характер изменения температуры, при котором основные компоненты продуктов подвергались бы, с одной стороны, полной гидротермической обработке, а с другой - на них оказывалось «мягкое» (щадящее) температурное воздействие, предотвращающее их термическое разложение.
Анализ теоретических и экспериментальных данных [1] показал, что для качественного проведения экструзионной обработки необходимо плавное повышение температуры продукта с периодической стабилизацией (см. график на рис. 4.3). Предлагаемая конструкция шнека и корпуса позволяет реализовать данный температурный режим.
Предлагаемый экстру дер работает следующим образом:
Перерабатываемый материал через загрузочный патрубок 1 поступает в модульную рабочую камеру 2, где перемещается ступенчатым шнеком 3 приводимого в движение посредством привода (на рис. 4.3 не показан), через модули экстру-дера.
По мере продвижения продукт в зоне смешения частично перемешивается, в первой зоне сжатия происходит скачкообразное увеличение давление и уплотнение продукта вследствие резкого уменьшения размеров винтового канала. В зоне пластификации происходит частичное превращение гранул продукта в однородный расплав за счет турбулизации продукта прорезями витков шнека.
Похожие диссертации на Разработка и научное обоснование способа получения экструдированных гороховых палочек с белковой добавкой
