Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса, постановка проблемы и задач исследования 12
1.1 Существующие технологии переработки дикорастущих ягод 12
1.2 Анализ технологий получения пищевых порошков и конструкций оборудования для переработки растительного сырья 14
1.3 Патентные исследования по оборудованию для получения пищевых порошков 16
ГЛАВА 2 Разработка технологии и оборудования для получения порошков из ягод брусники . 25
2.1 Теоретические предпосылки технологии производства пищевых порошков с использованием роторно-вихревого аппарата 25
2.2 Разработка принципиальной схемы новой конструкции роторно-вихревого аппарата для получения пищевого концентрата "Порошок брусники" 28
2.3 Определение основных параметров технологического процесса измельчения с использованием роторно-вихревого аппарата 29
2.3.1 Расчет критической и рабочей скорости воздуха в роторно-вихревом аппарате для обеспечения технологического процесса измельчения 29
2.3.2 Исследование основных параметров технологического процесса измельчения 31
2.5 Математическое моделирование активного эксперимента процесса измельчения на роторно-вихревом аппарате 33
2.6 Моделирование технологического процесса измельчения на роторно вихревом аппарате 37
ГЛАВА 3 Программа и методика экспериментальных исследований 39
3.1 Программа экспериментальных исследований 39
3.2 Измерительная аппаратура и методы исследования 41
3.3 Разработка и изготовление опытного образца роторно-вихревого аппарата
ГЛАВА 4 Результаты экспериментальных исследований 50
4.1 Исследование физико-механических свойств измельчаемого растительного сырья для обоснования конструктивных параметров роторно вихревого аппарата 50
4.1.1 Физико-механические свойства сырой ягоды брусники 50
4.1.2 Физико-механические свойства высушенной ягоды брусники 53
4.1.3 Исследование корреляционных зависимостей между массой и диаметром ягод брусники 58
4.2 Исследование влияния физико-механических свойств на технологические параметры работы роторно-вихревого аппарата на получение порошка из растительного сырья 60
4.2.1 Определение критической скорости воздуха в роторно-вихревом аппарате для обеспечения технологического процесса измельчения 60
4.2.2 Оптимизация технологических параметров роторно-вихревого аппарата для работы с заданной скоростью движения воздушного потока 62
4.3 Оптимизация технологических параметров работы роторно-вихревого аппарата 64
4.3.1 Статистический анализ влияния технологических параметров на степень измельчения 64
4.3.2 Статистический анализ влияния технологических параметров на длительность измельчения 68
4.3.3 Статистический анализ влияния технологических параметров на влажность готового порошка по окончанию процесса измельчения 71
4.3.4 Статистический анализ влияния технологических параметров на изменение температуры среды и режущего органа 74
4.4 Основные конструктивные параметры технологического процесса и модель процесса получения порошка на роторно-вихревом аппарате по
заданным параметрам 78
ГЛАВА 5 Расчет экономической эффективности использования усовершенствованной технологии роизводства пищевого концентрата "порошок брусники с применением роторно-вихревого аппарата 84
5.1 Технология получения мелкодисперсного порошка с использованием роторно-вихревого аппарата 84
5.2 Определение экономической эффективности от внедрения результатов исследования 85
Общие выводы и предложения 90
Список используемой литературы 92
- Анализ технологий получения пищевых порошков и конструкций оборудования для переработки растительного сырья
- Разработка принципиальной схемы новой конструкции роторно-вихревого аппарата для получения пищевого концентрата "Порошок брусники"
- Измерительная аппаратура и методы исследования
- Исследование корреляционных зависимостей между массой и диаметром ягод брусники
Анализ технологий получения пищевых порошков и конструкций оборудования для переработки растительного сырья
На предприятиях пищевой промышленности России для обогащения рецептур и готовых продуктов питания на сегодняшний день широко используется дикорастущая ягода в виде сока, экстракта, замороженной ягоды, перетертой замороженной массы, сушенной ягоды, порошка.
Проблема переработки растительного сырья для дальнейшего использования в пищевой промышленности нашла отражение в многочисленных исследованиях отечественных и зарубежных учных [1-39]. Научные работы Расщепкина А.Н., Короткого И.А. [1-10] посвящены реализации низкотемпературных технологий в производстве сухих плодов и ягод. Изученные процессы конвективной, вакуумной и сублимационной сушки позволяют устанавливать оптимальные параметры температурных режимов для сохранения биологически активных веществ в составе растительного сырья.
В научных работах Алтухова И.В. [11-15] исследованы режимы обработки и сушки растительного сырья, представлены перспективы применения импульсной инфракрасной сушки. Установлено, что максимальная температура нагрева без утраты биологически активных веществ в количестве ниже 5% составляет 60 С.
В работах Алексеенко Е.В. [16-21] решался комплекс научно практических задач, направленных на разработку инновационного подхода к переработке растительного сырья, разработаны технологические рекомендации и принципиальная схема переработки растительного сырья с получением ягодных концентратов. Исследована перспективность производства пищевых порошков, установлено, что в пищевых порошках растительного происхождения витамины сохраняются гораздо дольше, чем в исходном сырье [22,23].
В научных работах Костылева А.А.[24-28] исследованы вопросы переработки растительного сырья в порошки применяя роторно-вихревую мельницу тонкого помола.
В работах Беззубцева М.М. [39] представлены теоретические исследования электромагнитного способа измельчения материалов.
В научной работе Дубкова Н.З., Иванова Г.И., Галиакберова, Николаева Н.А. [32] представлена кинетика процесса измельчения при производстве порошков из растительного сырья. Проведен анализ совмещенного процесса в вибрационной сушилке-мельнице, процесс сушки в котором является лимитирующим процессом, а для измельчения используют высушенное до остаточной влажности (8-60%) сырье.
Вопросу производства продуктов питания с добавлением порошков из растительного сырья посвящено большое количество работ, в том числе научные труды Банниковой А.В. [41], Величко Н.А. [42], Глазырина С.В. [43], Давидович Е.А. [44], Евдокимовой О.В. [45], Красиной И.Б. [46, 47], Козлова О.И. [48], Кольман О.И. [49], Локтева Д.Б. [50], Попова А.М. [51-53], Тарасенко Н.А. [54], Типсиной Н.Н. [55] , Филипповой Е.В. [47,56] и других исследователей.
В этой связи, вопрос переработки дикорастущих ягод является актуальным и востребованным. Территория Сибири обладает огромными запасами сырья растительного происхождения. Среди растительного сырья следуют выделить дикорастущие ягоды, которые пользуются спросом не только в России, но и за рубежом. Биологический запас дикорастущих ягод на территории Российской Федерации на 2016 г. составляет 8992 тыс. тонн. Наибольшая урожайность составляет брусника, так по данным [57] в Красноярском крае урожайность плодов брусники колеблется от 20 до 1137 кг/га, при 2559,1 тыс. га предоставленных для заготовки недревесных ресурсов по состоянию на 01.01.2014 г. [58]. Сибирский федеральный округ богат ресурсами дикоросов, но его удаленность приводит к повышенной добавочной стоимости реализуемой продукции. Заготовки сырья в арктических и северных территориях Сибири производится в сжатые сроки и необходимая быстрая транспортировка до места переработки замедляется из-за большого расстояния доставки и загрузки летательных транспортных средств. Кроме того, отдаленность районов заготовки влечет за собой более острую проблему по сбыту товарной продукции, так как основные потребители находятся в регионах России, а также за рубежом. В этой связи, для переработки по месту заготовки, необходима разработка новых наукоемких и малотоннажных технологий позволяющих получать товарный продукт удобным для упаковки и транспортировки виде. Отвечающей всем поставленным задачам является технология получения пищевых концентратов в виде порошков по месту заготовки в модульных мини-цехах. Основным преимуществом пищеконцентратных продуктов питания является их длительный срок хранения и восстанавливаемость при добавлении жидкости. Оборудование для автоматизации сбора ягод серийно не налажено и сбором занимаются только физические лица. В связи с проанализированными проблемами заготовки ягод брусники было разработано и запатентовано устройство для сбора ягоды [59] позволяющее ускорить и упростить процесс сбора дикорастущих ягод брусники.
Разработка принципиальной схемы новой конструкции роторно-вихревого аппарата для получения пищевого концентрата "Порошок брусники"
Роторно-вихревой аппарат для получения пищевого концентрата "Порошок брусники" работает следующим образом.
Растительное сырье для измельчения поступает в вихревую камеру 3 , находящуюся в корпусе 2 через отверстие для входа измельчаемого сырья 1 и далее поступает на режущие ножи 5,6, закрепленные на приводном вале 4, установленном в подшипниках 8,9. При контакте растительного сырья с режущим ножом 5 происходит разрезание его и быстрое поступление на режущий нож 6, который также измельчает растительное сырье разрезанием. Также происходит подъем потоком воздуха 11 частично измельченного сырья за счт работы аэроплатформы 7, закрепленного на приводном вале 4, для повторного разрезания режущим ножом 5 и режущим ножом 6 при воздействии вихревого потока воздуха 12. Готовый продукт выходит через патрубок выхода 10.
Новыми техническими элементами в разработанной схеме роторно-вихревого аппарата являются установка эароплатформы 7 и набора режущих ножей 5,6 [108-114].
Определение основных параметров технологического процесса измельчения с использованием роторно-вихревого аппарата Расчет критической и рабочей скорости воздуха в роторно-вихревом аппарате для обеспечения технологического процесса измельчения
В разработанной конструкции роторно-вихревого аппарата основным параметром, определяющим технологический процесс измельчения ягод брусники является создание вихревого потока с заданной рабочей скоростью воздушного потока. Для определения рабочей скорости движения воздушного потока исследуется плотность измельчаемого сырья по формуле: pм = mV кг/м3, (2.2) где m- средняя масса одной ягоды брусники, кг; V- средний объем ягоды брусники, м3. Для определения скорости уноса (И носа) и скорости витания (Житания) в зависимости от технических параметров измельчаемого растительного сырья использован критерий Архимеда, определение которого проводилось по формуле: Аг = Щ (2.3) где d - средний диаметр высушенной ягоды брусники, м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; рв- плотность воздуха кг/м3; v- кинематический коэффициент вязкости воздухам2/с Кинематический коэффициент вязкости воздуха (v), находится по формуле: у = к м2/сек (2.4) Рв Число Лященко (Ly) является критерием подобия, выражающим соотношение сил инерции, тяжести и подъемной силы для растительного сырья в ротороно-вихревом аппарате и определялся с использованием полученного критерия Архимеда(A ) по графику функции: Ly=f(Ar) (2.5)
Полученный критерий Лященко позволил установить теоретическую зависимость между основными параметрами при исследовании процесса измельчения ягод в замкнутой камере и скоростью уноса(И носа) и скоростью витания(И итания) воздушного потока с измельчаемым сырьем в роторно-вихревом аппарате, которые определялись по формулам: Wуноса = кр м/с (2.6) Wвитания = ;р м/с (2.7) где Lyкр - критическое значение критерия Лященко; 1ураб - рабочее значение критерия Лященко; v- кинематический коэффициент вязкости воздуха, м2/сек; д- ускорение свободного падения , м2/сек; рм - плотность материала, кг/м3; рв - плотность воздуха, кг/м3 [115].
Качественным показателем достижения требуемого конечного размера измельчаемых частиц является степень измельчения сырья. Необходимая степень измельчения является важнейший параметром разработки технологии производства пищевого концентрата "Порошок брусники", Степень измельчения X это отношение величины средней величины крупности исходного материала к исходному: Х = 1. (2.8) где D, d - средний размер частиц до и после измельчения, мм. Учитывая сложность формы поверхности измельчаемых материалов, исходный размер принято характеризовать эквивалентным диаметром.
Эквивалентный диаметр - диаметр шара, объем которого равен действительному объему исходного материала. Объем шара Уэ = —, (2.9) 3 6 откуда D 3E=1,24W (2.10) 7Г Величина средневзвешенного диаметра частиц после измельчения характеризуется модулем помола (М, мм), который определяется с использованием ситового анализатора. В общем виде средневзвешенный диаметр частиц вычисляют по формуле: M = d1P1+d2P2+d1Pi 100 (2 . ) Средневзвешенный диаметр частиц после измельчения ягод брусники в роторно-вихревом аппарате вычисляется по следующей формуле: м = 250Р0+ 560Р1+ 560Р2 (2 100 . ) где Р0, Р1, Р2, – остаток на каждом из сит, %. d 560 d 560 d 250
Для построения выровненной характеристики крупности используется уравнение Розина-Раммлера: остаток на сите с размером отверстий d в суммарных "по плюсу" процентах по массе; d - средний размер частиц выбранного класса, мкм; b и n - постоянные коэффициенты или параметры распределения.
Для проведения эксперимента по оптимизации технологии получения порошков из ягод брусники с использованием роторно-вихревого аппарата использовался полнофакторный эксперимент второго порядка.
Планы второго порядка полнофакторного эксперимента применяются для получения регрессионной модели в виде полного квадратичного полинома(полинома второй степени). И имеет следующий вид: (p(x1,x2, ...,xn = /?0 + a=iPiXi + l i+iPijXiXj +%=1p?xf (2.14)
Выбор полиномиальной модели позволяет значительно упростить поиск числовых коэффициентов, при этом при увеличении степени полинома увеличивается сложность прогнозирования. В связи с этим оптимальным для данного эксперимента является применение полинома второй степени. Для оценки скорости движения воздушного потока использовался двух факторный эксперимент второго порядка с параметром оптимизации Y1.
Измерительная аппаратура и методы исследования
Исследование параметров технологии получения порошков на роторно-вихревом аппарате заключались в получении порошков из дикорастущей ягоды брусники при различных технических и технологических параметрах: длина верхнего режущего ножа, влажность сырья, высота подъема аэроплатформы.
В ходе процесса получения порошка необходимо исследование значимых технических и технологических параметров: скорость движения воздушного потока, температура среды, температура рабочего органа, размерность порошка.
Для определения скорости движения воздушного потока используется чашечный анемометр (рис. 3.3).
Для контроля температуры среды в процессе измельчения используется электронный контрольно-измерительный прибор ТРМ-1 с датчиком температуры БТ-3 (рис. 3.4) и температурным диапазоном от -20 до +50 С [123]. Рисунок 3.4 - Контрольно-измерительный прибор ТРМ-1 с датчиком температуры БТ-3
Для контроля температуры рабочего органа используется электронный контрольно-измерительный прибор фирмы "Термит" ИТ-5 [124], с температурным диапазоном от +5 до +60 С, общий вид представлен на рисунке 3.5.
Крупность помола контролировалась на ситовом анализаторе представленном на рисунке 3.6, с размерностью отверстий от 1,0 мм до 106 мкм . Рисунок 3.6 - Лабораторные сита Для определения оптимального режима работы роторно-вихревого аппарата проводили многофакторный корреляционно-регрессионный анализ, а также все исследования были проведены с 5-ти кратной повторностью. Для статистической обработки экспериментальных данных использовались стандартные методы статистического анализа.
На основании анализа существующих конструкций устройств для измельчения растительного сырья, а также результатов предварительных расчетов, возникла необходимость конструкторской разработки нового устройства для выполнения технологической операции измельчения ягод брусники.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании роторно-вихревого аппарата, который позволяет получать мелкодисперсный порошок с частицами заданного размера из ягод брусники.
При реализации поставленной задачи был разработан роторно-вихревой аппарат, позволяющий достичь требуемых результатов за счет применения аэроплатформы и режущих ножей в устройстве аппарата.
Для исследований технологического процесса измельчения, на основании разработок, был изготовлен роторно-вихревой аппарат, общий вид, которого приведен на рисунке 3.7, вид сверху роторно-вихревой камеры на рисунке 3.8, вал с режущими ножами на рисунке 3.9.
Роторно-вихревой аппарат состоит из отверстия для входа измельчаемого сырья 1, корпуса 2. Корпус 2 включает вихревую камеру 3 и приводного вал 4, на котором жестко закреплены режущие ножи 5,6, а также аэроплатформу 7 для создания вихревых потоков. Также корпус 2 имеет патрубок выхода готового порошка 8.
Устройство работает следующим образом. Растительное сырье для измельчения поступает в вихревую камеру 3 , находящуюся в корпусе 2 через отверстие для входа измельчаемого сырья 1 и далее поступает на режущие ножи 5,6, закрепленные на приводном вале 4. При контакте растительного сырья с режущим ножом 5 происходит разрезание его и быстрое поступление на режущий нож 6, который также измельчает растительное сырье разрезанием. Также происходит подъем частично измельченного сырья аэроплатформой 7, закрепленном на приводном вале 4, для повторного разрезания режущим ножом 5 и режущим ножом 6. Таким образом, растительное сырье выходит через патрубок выхода готового порошка 8. Для проведения исследований по оптимизации работы роторно Рисунок 3.10 - Режущие ножи вихревого аппарата были изготовлены режущие ножи различной длины (рис. 3.10) и аэроплатформа с различной высотой подъмалопатки (рис. 3.11). Рисунок 3.11 – Аэроплатформа роторно-вихревой камеры Результаты экспериментальных исследований работы по варьируемых параметрам технологического процесса измельчения использованы при создании матриц моделирования технологического процесса. При проведении экспериментов использовались статистические методы исследований характеристик распределения, корреляционный и регрессионный анализ. Оптимизацию технологии производства пищевых порошков из ягод брусники на роторно-вихревом аппарате проводили на основе полных факторных экспериментов второго порядка. Математическую обработку выполняли средствами пакета прикладных программ Microsoft Exsel, Statgraphics, StatSoft STATISTICA
Исследование корреляционных зависимостей между массой и диаметром ягод брусники
На основе разработанной конструкции роторно-вихревого аппарата и машино-аппаратурной схемы получения пищевого концентрата "Порошок брусники" были получены исходные данные для расчета экономической эффективности, приведенные в таблице 5.1 [134].
Производство пищевого концентрата "Порошок брусники" предусматривается в мине цехе состоящего из модуля размером 3 6 2,7. В модуле размещаются весы, оборудование для измельчения сухих ягод, сита для калибровки полученного порошка и оборудование для упаковки готовых пищевых порошков. Стоимость мини-цеха с использованием модуля с набором технологического оборудования -1500 тыс.рублей.
Цена на готовый продукт формируется с учетом возрастающего рыночного спроса. Анализ рынка позволяет определить цену на готовый порошок из ягод брусники на уровне 2300 рублей за кг.
Производственный процесс - сезонный (с 1 июня по 1 октября). Основным необходимым экономическим показателем является себестоимость продукции. Себестоимость продукции - это сумма денежных затрат на производство и реализацию продукции. Себестоимость продукции -это обобщающий показатель наряду с прибылью, характеризующий все стороны деятельности предприятия во взаимосвязи.
Основные физико-экономические показатели формирующие себестоимость продукции представлены в таблице 5.2 [134]. Таблица 5.2 - Основные физико-экономические показатели Показатель Величина Стоимость сырья за 1 кг. готовой продукции, рубли 400 Стоимость процесса сушки для 1 кг ягод брусники, рубли 350 Масса 1 кг ягоды брусники после процесса сушки, граммы 220 Финансовые затраты на 1 технологический цикл (в первый год эксплуатации с учетом капитальных вложений на оборудование), тыс. руб. 750 Объем производства за 1 технологический цикл, кг 500 Себестоимость 1 кг готовой продукции, рубли 1636 Производство пищевого концентрата "Порошок брусники" является целесообразным и экономическим эффективным производством, в связи с малыми вложениями и низкой себестоимостью продукции. Стоимость готовой продукции рассчитывается по формуле: Ст= Пс + Пп, (5.1) где Ст - стоимость готовой продукции, руб.; Пс - полная себестоимость, руб.; Пп - планируемая прибыль, руб. Прибыль от реализации готовой продукции рассчитывается по формуле: Пр =Ст – Пс (5.2) где Пр - прибыль от реализации, руб.; Пс - полная себестоимость , руб. Расчет рентабельности продукции ведется по формуле: Р = ПП рс 100% (5.3) где Р - рентабельность продукции, %. Результаты расчетов приведены в таблице 5.3. пищевого концентрата "Порошок брусники" Таблица 5.3 - Показатели экономической эффективности производства Показатель Величина Стоимость 1 кг товарной продукции, руб. 2100 Прибыль от реализации 1 кг товарной продукции, руб. 464 Рентабельность производства, % Реализация 1 кг пищевого концентрата "Порошок брусники" при рентабельности 28% позволит получить прибыль в размере 464 рубля, при себестоимости 1636 рублей. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ Анализ существующих технологий и конструкций оборудования для переработки ягод брусники на основе патентных исследований и анализе научно-технической литературы показал, что для совершенствования процесса получения пищевого концентрата "Порошок брусники" обосновано изменение технологии и конструкции оборудования для осуществления процесса измельчения; - Разработана и обоснована конструкция нового измельчающего роторно-вихревого аппарата, имеющего признаки изобретения защищенные патентами Российской Федерации №2564492, № 2546273, № 2573961, № 162758;
Определены основные параметры обеспечивающие процесс измельчения ягоды и получения пищевого концентрата "Порошок брусники" со скоростью движения воздушного потока в роторно-вихревом аппарате в пределах от 0,72 до 2,46 м/с; - Получены аналитические зависимости, описывающие процесс получения пищевого концентрата "Порошок брусники" в роторно-вихревом аппарате и получены оптимальные параметры процесса получения порошка из ягод брусники на роторно-вихревом аппарате при 97 мм длины верхнего режущего ножа, 9,5% влажности и 13 мм высоты подъема лопатки аэроплатформы, с производительностью роторно-вихревого аппарата 6 кг/ч; - Разработана технологическая модель процесса производства пищевого концентрата "Порошок брусники" на основе новой конструкции роторно-вихревого аппарата с параметрами диаметра частиц сырья после измельчения и длительностью цикла процесса измельчения, начиная с момента начала измельчения ягод с размером 0,5 мм до получения готового порошка с размером кусков 106 мкм и длительностью измельчения в 210 секунд; Расчт экономической эффективности производства пищевого концентрата "Порошок брусники" из ягод брусники с применением роторно-вихревого аппарата показал, что себестоимость 100 килограммов готовой продукции равна 164 тыс. рублей, а рентабельность производства составляет 28%.