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. Ультразвук и 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 64
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 82
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. Расчт 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
- Патенты на технологии и оборудование с повышенной эффективностью прессования макаронных изделий
- Влияние ультразвуковой обработки на макаронное тесто
- Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента
Дефекты макаронных изделий и источники их возникновения
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 органо-лептические (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].
Следующие предельные формы содержания крошки и лома определены стандартом: для изделий, упакованных в ящики - 6-7%, для расфасованных изде 22 лий - 8-4%. Данные нормы приняты для изделий высшего сорта и яичных сортов [47].
Причиной интенсивных микробиологических или биохимических процессов может стать увеличение стандартной влажности, что вызывает гидролитические изменения главных компонентов изделий: жиров, углеводов и белков. Накопленные продукты гидролиза, в первую очередь продукты гидролиза жиров, приводят к ухудшению запаха и вкуса изделий. Микробиологические процессы, в большинстве случаев являющиеся причиной плесневения изделий, совершенно недопустимы. Защиту от порчи гарантирует нормальная влажность макаронных изделий [105].
Патенты на технологии и оборудование с повышенной эффективностью прессования макаронных изделий
Волны ультразвука в тесте, овощах распространяются с определенной конечной скоростью, определяемой плотностью среды и е упругими свойствами. Скорость звука в воздухе в среднем составляет 330 м/с, в воде 1482 м/с ( при 20о 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 совмещн с согласующим устройством, с помощью которого происходит передача энергии ультразвука от преобразователя в технологическую среду с определнной интенсивностью ультразвука.
Как правило, волноводные акустические концентраторы используют как согласующие устройства.
Согласующее устройство также может вместе с тем выступать в виде прессующего, режущего или ещ 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 е 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]:
Ультразвуковые излучатели, которые создают плоскую волну, характеризуются интенсивностью излучения, а именно удельной мощностью излучателя, то есть отношением излучаемой мощности ультразвука к единице площади поверхности, излучающей ультразвук [26].
В СИ интенсивность ультразвукового воздействия измеряется в Вт/м2. Диапазон варьирования интенсивности ультразвука в технике достаточно велик — от 10-12 Вт/м2 до сотен кВт/м2 в фокусе концентраторов ультразвука.
Мощностью звука называют энергию, которая передатся 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 предматричной 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]. Рисунок 2.3 – Структурная схема технологического ультразвукового аппарата
Ультразвуковое поле излучателя включает дальнюю и ближнюю зоны. Ближняя зона находится непосредственно перед излучателем, где амплитуда проходит через цикл минимумов и максимумов. Ближняя зона оканчивается на последнем максимуме, располагающемся на расстоянии N от излучателя. Положение последнего максимума называется естественным фокусом излучателя. В этом фокусе должна находиться матрица макаронного пресса. Дальняя зона находится за N, где давление ультразвукового поля с течением времени снижается до нуля и эта зона нами не используется [92, 94, 114].
Влияние ультразвуковой обработки на макаронное тесто
Увеличение абсолютных величин коэффициентов регрессии происходит в результате увеличения интервалов варьирования. Если линейная модель является неадекватной, это значит, что не получается плоскостью аппроксимировать поверхность отклика. Тогда следует перенести нулевую точку варьирования, уменьшить интервалы варьирования или применить более сложную модель -перейти к нелинейным моделям, то есть добавить взаимодействия факторов. Необходимо помнить о границах минимальной величины Лх; при сужении области исследования.
Если план эксперимента является насыщенным, а коэффициенты регрессии значимы, то адекватность модели проверить невозможно, так как в этом случае число степеней свободы,
Проверка будет возможна, если число коэффициентов модели меньше числа точек области факторного пространства, в которых измерялся отклик[82].
В этом случае в некоторой точке, например в х , можно провести дополнительные измерения, увеличив тем самым п.
Это описание влияния на параметр оптимизации факторов на языке экспериментатора. Количественная мера этого влияния - величина коэффициента регрессии. Знак коэффициента характеризует направление изменения фактора при поиске экстремума критерия оптимизации. Если ищется минимум функции отклика, то благоприятным является увеличение всех факторов, у которых коэффициенты имеют знак минус.
Используя формулы для перехода к нормированным значениям z, , можно получить уравнение модели с натуральными переменными. Коэффициенты модели изменятся. При этом возможность интерпретации влияния факторов по величине и знакам коэффициентов пропадает, т.к. соответствующие вектор столбцы уже не будут ортогональными в матрице планирования, а коэффициенты будут определяться зависимо друг от друга [82, 83]. В рамках описанного подхода при прессовании макаронных изделий в поле ультразвука ставился эксперимент, в котором в качестве целевой функции выбирали предел прочности изделий, а в качестве варьируемых параметров по очереди брали амплитуду А ультразвука, время прессования и температуру теста t.
В качестве исследуемого материала для прессования в поле ультразвука использовали тесто из муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта. Такой выбор обусловлен задачами эксперимента, то есть доказать возможность увеличения производительности пресса и повышения качества макаронных изделий.
Эксперименты проводили при температуре прессования в диапазоне t =45-60 С. Интервал варьирования соответственно выбирался по амплитуде А ультразвука 10-40 мкм, при частоте– 22 +0,5 кГц и времени прессования (нахождения теста в фильере матрицы) = 0,5-2,0 с. При этом учитывалось, что величина F(отклика) связана с координатой х, принятой для анализа теоретической модели соотношением в виде полиномы.
Анализ результатов обработки опытных данных, полученных и представленных автором ниже, с учетом приведенной выше методики оценки их адекватности свидетельствует о том, что предложенная модель отражает в должной мере специфику происходящих процессов. Полученные результаты свидетельствуют об адекватности эмпирической модели. Погрешность теоретической модели относительно построенной адекватной эмпирической модели не превышает 8 – 11 %, что свидетельствует о возможности использования принятых модельных допущений для расчета и анализа предлагаемого пресса с ультразвуковым генератором. Глава 3. Экспериментальные исследования, направленные на повышение эффективности процесса прессования и предложения для применения полученных результатов
Объект исследований: процессы прессования макаронного теста в макаронном прессе с ультразвуковым устройством.
Предмет исследований: макаронные изделия, выработанные на макаронном прессе с применением ультразвука.
Методы исследования: методы интегрального и дифференциального исчисления, многофакторного эксперимента, механики пластичных и сыпучих материалов (реологии), измерительной техники, теории влияния ультразвука на пластичные материалы.
Практические и теоретические исследования проводились в период с 2012 по 2015 гг. в лаборатории 3328 Университет ИТМО на кафедре ТМиО. Общая схема работы осуществлялась в 4 этапа: 1). Осуществлн анализ патентной информации и научно-технической литературы по теме диссертационного исследования; 2). Создана научная концепция прессования макарон в поле ультразвука, определены безопасность изделий и их пищевая ценность; 3). Разработаны и экспериментально проверены конструкция пресса и технологические режимы производства макарон с использованием ультразвука;
Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента
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 счт 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 напряжнной 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, е продвижения на потребительский рынок, как в стране, так и за рубежом. Поэтому необходимо внедрять новые технологии, расширять ассортимент продукции, проводить техперевооружение производств. И ещ 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 счт 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 аппроксимаци-онная 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):
