Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 6
1.1. Гидротермическая обработка зерна пшеницы 6
1.2. Технологические операции в размольном отделении мельзавода ... 9
1.3. Методы интенсификации технологического процесса на мельзаводах 28
2. Объекты и методы исследования, обработка экспериментальных данных 43
2.1. Стандартные методы исследований 43
2.2. Качество исследованных партий зерна 43
2.3 Методика технологических исследований 44
2.4. Устройство и методика определения прочностных свойств пшеницы 48
2.4.1. Устройство и общая характеристика прибора 50
2.4.2. Методика исследований и обработки данных 51
2.5. Методика математического планирования эксперимента и обработки опытных данных 56
2.5.1. Методика статистической обработки опытных экспериментальных данных 56
2.5.2. Методика корреляционного и регрессионного анализа результатов исследований 63
3. Экспериментальная часть 70
3.1. Комплексное исследование реологических свойств пшеницы 70
3.2. Моделирование и расчет задачи напряженно - деформированного состояния зерна под действием индентора 77
3.3. Исследования технологии сокращенного хлебопекарного помола пшеницы 85
Выводы 109
Экономический расчет по
Список использованных источников 112
Приложение 1 117
- Технологические операции в размольном отделении мельзавода
- Устройство и методика определения прочностных свойств пшеницы
- Методика статистической обработки опытных экспериментальных данных
- Моделирование и расчет задачи напряженно - деформированного состояния зерна под действием индентора
Введение к работе
Важнейшим направлением государственной политики России в области здорового питания является законодательная и нормативная база в сфере производства и потребления пищевых продуктов на основе Федерального Закона «О качестве и безопасности пищевых продуктов», президентской программы по проблеме здорового питания населения России и других материалов, посвященных этой проблеме, включая утвержденную Совмином РФ концепцию здорового питания населения России до 2005 года, получившую уровень государственной политики.
В настоящее время наиболее остро стоит проблема качества и безопасности муки, производимой в России. Это связано со строительством малых предприятий с сокращенным технологическим процессом. Отсутствие необходимого набора оборудования и малая протяженность технологических линий приводит к производству муки с высоким содержанием органической и минеральной примеси, нестандартной по показателям влажности, крупности и зольности.
Правилами организации и ведения технологического процесса регламентируется деятельность мукомольных предприятий прежде всего с развитой технологической схемой, поэтому большинство рекомендаций является неприемлемым для мукомольных предприятий с сокращенной схемой помола.
В связи с вышеизложенным, актуальным является решение задачи, направленной на создание ресурсосберегающих технологий, разработку практических рекомендаций по организации и ведению технологического процесса на мукомольных предприятиях с сокращенной схемой помола зерна. Актуальность темы исследования подтверждается включением ее в Федеральную научно-техническую программу «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограммы "Хлеб" НТП "Научные исследования высшей школы в технологии живых систем" по проекту «Теоретическое обоснование и разработка новых прогрессивных технологий получения муки из зерна злаковых культур» (Регистрационный № 204.02.01.015), а также включением в тематику госбюджетной темы: «Теоретическое обоснование и разработка прогрессивных технологий продуктов питания из растительного сырья» (регистрационный № 01200112167), связанные с научными исследованиями Кубанского государственного технологического университета.
Технологические операции в размольном отделении мельзавода
Гидротермическая обработка зерна (ГТО) - это комплекс операций с зерном, цель которого заключается в направленном увеличении разницы сопротивления разрушающим усилиям оболочек и эндосперма зерна. При этом на мукомольном заводе ГТО проводят так, чтобы снизить сопротивление разрушающим усилиям эндосперма и повысить эластичность и прочность оболочек. Чем больше будет получена при ГТО разница в сопротивлении размалывающим усилиям у эндосперма и оболочек, тем выше эффективность переработки зерна в муку.
Необходимость гидротермической обработки при производстве муки, крупы и комбикормов становится очевидным при оценке свойств зерна, не прошедшего гидротермическую обработку. Предположительно, что влага в зерне при хранении в сухом состоянии распределена по параболическому закону. Это, означает, что крахмалистый эндосперм более влажный, чем периферийная часть зерна.
В целом зерно имеет невысокую влажность, что предопределяет ряд негативных для технологии свойств: - зерно прочно и измельчение идет с повышенным расходом энергии; - невысокая влажность оболочек предопределяет их повышенную дробимость и попадание в муку; - разделяемые в технологии анатомические части (наружные, внутренние оболочки, эндосперм ) прочно связаны, что препятствует их эффективному разделению; - биологически активные вещества зерна сосредоточены в большом количестве по периферии, что способствует их потере в побочные продукты. В связи с этим, гидротермическая обработка в первую очередь направлена на минимизацию негативных свойств зерна. Способы ГТО можно разделить на две большие группы: обработка зерна только водой и обработка зерна водой и теплом. В условиях производства различают следующие методы ГТО: «холодное», «горячее», скоростное и вакуумное кондиционирование. При холодном кондиционировании зерно увлажняют только водой комнатной температуры или же специально подогретой (до 30—35), а затем отволаживают в закромах. Зерно увлажняют в процессе мойки или же посредством добавки к зерновой массе необходимого количества воды в капельном или распыленном состоянии при помощи различных увлажняющих машин. В процессе горячего кондиционирования увлажненное зерно проходит тепловую обработку в специальных кондиционерах при температуре 45— 57, в зависимости от свойств клейковины исходного зерна, стекловидности и других показателей. Проведение ГТО при повышенной температуре ускоряет протекание всех процессов внутри зерна, одновременно возрастает и степень происходящих в зерне изменений. При скоростном кондиционировании зерно обрабатывают паром. Обработка зерна паром осуществляется в специальных аппаратах -кондиционерах /1, 21. Вакуумное кондиционирование отличается от «горячего» тем, что увлаженное зерно прогревают и подсушивают в радиаторном теплообменнике в условиях пониженного давления, что обеспечивает повышенный съем влаги (до 8%). Зерно при данном способе кондиционирования увлажняется до 20—23%, в результате чего возрастает и степень изменения технологических свойств зерна. Основным способом ГТО на мукомольных заводах с сокращенным технологическим процессом являются холодный. При холодном способе ГТО зерно увлажняется холодной или подогретой водой на увлажнительных машинах А1-БШУ-1, или А1-БШУ-2, затем зерно помещают в бункера для отволаживания. В процессе отволаживания зерна происходит разрыхление эндосперма. Степень увлажнения зависит от исходной влажности зерна и его технологических свойств. Равномерное увлажнение зерна происходит при степени не более 1 - 1,5 %. Для увеличения влажности зерна применяют двух или трехэтапное увлажнение с отволаживанием. При холодном способе ГТО можно использовать один или два основных и один дополнительный (перед первой драной системой) этапы увлажнения. Продолжительность отволаживания зерна изменяется в пределах 6 - 24 ч, в зависимости от стекловидности, структурно-механических свойств зерна и некоторых других факторов. Основному этапу увлажнения соответствует длительное (в течение нескольких часов) отволаживание. Очень важно обеспечить одинаковую продолжительность отволаживания всей партии зерна. Для этого количество закромов для отволаживания принимают не менее трех. Тогда можно составить график поочередной загрузки и разгрузки закромов с отволаживанием зерна в каждом закроме в течение заданного периода /3/. При увлажнении зёрна захватывается определенное количество воды, которое в процессе отволаживания может недостаточно для завершения цикла разрыхления микроструктуры эндосперма. Поэтому для зерна с исходной влажностью менее 12% рекомендуется второй этап увлажнения и отволаживания, где зерном захватывается новая порция воды, распространяющаяся по эндосперму зерна быстрее первой из-за наличия микротрещин, полученных на первом этапе отволаживании. Дополнительное увлажнение (на 0,03...0,05%) и отволаживание (в течение 20...40 мин) является обязательным для всех способов ГТО. Это необходимо для увлажнения подсохших при дополнительной очистке зерна его поверхностных слоев (оболочек и алейронового слоя), благодаря чему их размалываемость резко снижается, что приводит к улучшению качества муки.
Для повышения эффективности холодного способа ГТО в зимнее время целесообразно нагревать зерно до комнатной температуры и воду для его увлажнения до температуры 20...40С. Кроме повышения эффективности ГТО эти операции позволяют предотвратить образование конденсата в бункерах для отволаживания.
В табл. 1 приведены ориентировочные режимы увлажнения и отволаживания пшеницы, соответственно, при сортовых хлебопекарных и макаронных помолах, рекомендуемые Правилами организации и ведения технологического процесса на мукомольных заводах.
Устройство и методика определения прочностных свойств пшеницы
После процесса обогащения, круподнстовые продукты направляются в размольный процесс, где добиваются дальнейшего их измельчения и извлечения из них максимума эндосперма в виде муки различных сортов при минимальном расходе энергии на помол.
Продукты измельчения с вальцевых станков направляют на рассевы, на которых отсеивают муку определенной крупности и качества, а сходы с сит направляют на последующие системы для дальнейшего размола или вымола.
Из общего количества муки при крупчатых помолах наибольшее количество ее получается в размольном процессе. Поэтому весьма существенно установить правильную схему и режим измельчения и просеивания по системам с целью повышения извлечения и улучшения качества муки, получаемой с каждой системы /28, 29/. Из общего количества зерна, поступающего в переработку, в драном процессе получается при отборе крупок и дунстов около 10-12% муки, при вымоле 5-7%. В процессе обогащения крупок отбирают около 2% манной крупы за счет муки. В размольном процессе получается остальное количество муки, то есть около 56-60% при общем выходе ее 78-80%. Следует отметить, что на первых трех размольных системах должно быть получено не менее 45-50% муки (по отношению к массе продуктов, поступающих на систему); средневзвешенная зольность муки, извлекаемой на этих системах, не должна превышать 0,50%.
Размол крупок и дунстов в муку производят путем многократного их измельчения с промежуточным отсеиванием извлеченной муки.
При помолах на мукомольных заводах с сокращенной схемой технологического процесса в хлебопекарную муку обычно размольный процесс включает 6-7 размольных систем и 1-2 сходовые системы. Из этих систем 1,2,3-я системы предназначены для размола продуктов (крупок и дунстов) первого качества, 4,5,6-я последующие системы - для размола продуктов второго качества. Для более эффективного измельчения высококачественных продуктов на 1,2 и 3-ю размольные системы отводят 50-55% вальцовой линии размольного процесса и применяют на них вальцы с рифленой поверхностью и отношением скоростей 1: 2,5.
Проходом сит рассевов каждой системы получают муку, направляемую на контроль, и дунет, который идет на следующую размольную систему для дальнейшего измельчения в муку. Сход с сита рассевов поступает в вальцовые станки сходовых систем. Муку, извлеченную на всех системах, направляют в контрольные рассевы отдельными или сгруппированными потоками.
При размоле круподунстовых продуктов первого или второго качества особую роль отводят сходовым системам. На этих системах извлекают муку из частиц, содержащих значительное количество оболочек; поэтому режим измельчения ведется так, чтобы воздействие на них было незначительно и чтобы оболочки, не раздробленные до размеров частиц муки, в процессе просеивания легче отделялись от нее. Отделенные на верхних ситах промежуточные продукты направляют на вымольные устройства и после выделения некоторого количества эндосперма направляют в отруби.
Техническую характеристику систем размольного процесса подбирают с учетом необходимости интенсивного тонкого измельчения продуктов. Вальцы имеют высокую плотность нарезки, угол наклона рифлей максимальный, взаиморасположение рифлей «спинка по спинке», что обеспечивает преимущественное измельчение эндосперма, а не оболочек и тем самым низкую зольность муки.
На мукомольных заводах РФ в размольном процессе применяют преимущественно рифленные вальцы, которые обеспечивают большую производительность при некоторой потере качества получаемой муки. Проведенные экспериментальные исследования на мелькомбинате имени Цюрупы в 1951 г. позволили установить достоинства и недостатки использования шероховатых и рифленных вальцов в размольном процессе. При исследовании определяли удельные нагрузки, количество муки и ее зольность и удельный расход электроэнергии /30/.
Данные свидетельствуют о том, что нарезные вальцы позволяют устанавливать высокие удельные нагрузки на станки и получать больше муки с 1 см. вальцовой линии по сравнению с шероховатыми вальцами. Средние удельные нагрузки при использование нарезных вальцов выше на 66%, чем при использовании шероховатых, а удельный съем муки с 1 см. размалывающей линии на нарезных вальцах выше на 71%, чем на шероховатых /30/. При использовании шероховатых вальцов средневзвешенная зольность муки со всех размольных систем получена на 0,04% ниже, чем на нарезных вальцах.
Однако, несмотря на некоторые качественные преимущества муки с шероховатых вальцов, все же мукомольные заводы, работающие с высокими удельными нагрузками на вальцовые станки, применяют нарезные вальцы, имея в виду обеспечения на них высоких удельных нагрузок и съем муки с единицы оборудования, что позволяет осуществить переработку качественных крупок и дунстов на сравнительно короткой вальцовой линии и меньшем числе систем.
Особого внимания заслуживают данные о съеме муки со сходовых систем, на которых перерабатываются продукты, состоящие в основном из измельченных оболочек. При пропуске таких продуктов через шероховатые вальцы получен чрезвычайно низкий съем муки, хотя и при нарезных вальцах также небольшой съем муки. Расход электроэнергии на размольный процесс составил при нарезных вальцах 11,05 Втч на 1 кг муки, а при шероховатых -37,6 Втч, то есть в 3,4 раза больше.
Методика статистической обработки опытных экспериментальных данных
Точка отсоса воздуха для аспирации нории выбирается в самотечном трубопроводе после энтолейтора. Расход воздуха в точке отсоса составляет 7...8 м/мин, потери давления - 30 Па. На случай аварийного состояния или ревизии энтолейтора следует предусмотреть обводной самотечный трубопровод и систему задвижек.
Размещение энтолейтора после вальцового станка перед норией или другим транспортным устройством нельзя считать лучшим вариантом. Это обусловлено тем, что на этаже под вальцовыми станками, где установлены башмаки норий, обычно располагают большое количество самотечных трубопроводов и другое оборудование, что усложняет условия обслуживания. Поэтому более предпочтительным вариантом установки энтолейтора на мукомольных заводах, оснащенных механическим транспортом, является размещение его после головки нории перед рассевом /45/.
Наибольший интерес представляет размещение энтолейторов в непосредственной связи с пневмотранспортным материалопроводом, по которому продукт после вальцового станка поступает на рассев.
В процессе размола зерна и промежуточных продуктов на мукомольном заводе получают более двадцати потоков муки разного качества. Из этих потоков требуется получить всего один или несколько сортов муки. Если выпускается всего один сорт, то в него направляют все полученные с разных систем потоки. Средневзвешенные показатели качества муки должны соответствовать требованиям ГОСТа для данного сорта по зольности, крупности, содержанию клейковины и др. При получении нескольких сортов муки в каждый сорт направляют определенные потоки муки в соответствии с их качеством. Мука, получаемая с различных систем размола зерна, отличается очень большим разнообразием качественных показателей. Так, зольность муки может колебаться от 0,40 до 3,5%, причем минимальную зольность имеют потоки муки, получаемые с первых размольных систем, так как на этих системах размалывают хорошо обогащенные промежуточные продукты, в основном из центральных частей эндосперма, с минимальным содержанием оболочек. Максимальную зольность имеют потоки с последних размольных систем, а также систем вымола в драном процессе, где размалываются продукты с большим количеством оболочечных частиц. В то же время в муке из центральных частей эндосперма несколько меньше клейковины, но больше крахмала, чем в муке из периферийных частей эндосперма, которые размалываются на последующих размольных системах /13/.
Порядок формирования сортов муки сильно зависит от качественных характеристик рабочих органов применяемого в размольном отделении технологического оборудования, особенно вальцовых станков. При применении вальцовых станков БВ рекомендуется следующий порядок формирования сортов муки: - высший сорт формируют из потоков муки с размольных систем, перерабатывающих потоки продуктов первого качества; - первый сорт формируют из потоков муки с драных крупообразующих систем, со шлифовочных систем, с первой сходовой и размольных систем, перерабатывающих потоки продуктов второго качества до второй сходовой системы; - второй сорт формируют из всех остальных потоков муки драного и размольного процессов. При применении вальцовых станков А1-БЗН рекомендуется следующий порядок формирования сортов муки: - высший сорт формируют из потоков муки с драных крупообразующих систем, со шлифовочных систем, перерабатывающих продукты первого качества, с размольных систем, перерабатывающих продукты первого качества, первой сходовой и со следующей за ней размольной системе (первая размольная система, перерабатывающая потоки продуктов второго качества); - первый сорт получают из потоков муки с первой драной вымольной системы, со шлифовочных систем, перерабатывающих продукты второго качества, с оставшихся систем размольного процесса, перерабатывающих продукты второго качества, со второй сходовой системы и со следующей за ней размольной вымольной системы; - второй сорт формируют из потоков муки с остальных систем драного и размольного процессов. При формировании потоков муки по сортам необходимо предусмотреть возможность переброски одного-двух потоков муки, обычно высшего сорта, в первый и во второй сорта и наоборот. Это необходимо для оперативного регулирования качества муки с целью обеспечения выпуска муки в соответствии со стандартом на нее. /13/ При работе на комплектном оборудовании формирование сортов муки начинается с составления укрупненных потоков муки, имеющих разные показатели качества. Для этого в размольном отделении имеются три винтовых конвейера, в которые направляются индивидуальные потоки муки с рассевов отдельных систем. Конвейеры располагаются таким образом, что с помощью поворотных труб, установленных над ними, любой индивидуальный поток муки может быть направлен в любой из трех конвейеров. Это обеспечивает большую гибкость в составлении укрупненного потока нужного качества.
Моделирование и расчет задачи напряженно - деформированного состояния зерна под действием индентора
Решение поставленных в диссертационной работе задач базировалось на комплексном исследовании реологических свойств пшеницы в процессе гидротермической обработки. Особое место уделялось снижению вариабельности прочностных свойств компонентов зерновой массы как важного фактора стабилизации режимов переработки и как следствие повышения качества готовой продукции.
Реологические свойства изучаемых образцов пшеницы представлялись в виде графиков зависимости напряжений и деформаций (абсолютных или относительных) на которых изображались области варьирования напряжений (приложение 1 -4).
На основе сравнительного анализа напряженно-деформируемого состояния зерна пшеницы с различной влажностью и продолжительностью отволаживания установлено, что разрушение исследуемых проб пшеницы происходит в несколько этапов (приложение 1-4). На первом этапе воздействия индентора (рифля) наблюдается зона упругих деформаций. В рассматриваемой области образуются микротрещины, которые появляются в крахмальных гранулах. Микротрещины увеличиваются при росте напряженного состояния, как правило, в направлении приложенной нагрузки. Микротрещины не приводят к разрушению зерновки до тех пор, пока их рост не приведет к повреждению белкового каркаса в микроструктуре алейронового слоя. Крахмальные группы менее устойчивы к механическим нагрузкам, чем белковый каркас и, как правило, в них образуются микротрещйцы.
Пределы варьирования упругих деформации и соответствующие им напряжения для всех зерен пшеницы находятся в узком диапазоне и имеют следующие значения: деформации до 10 мкм, напряжения - до 1,86 МПа. Это свидетельствует о том, что показатели реологических свойств в области упругих деформаций не зависят от влажности и продолжительности отволаживания зерновой массы.
Последующий этап напряженно-деформируемого состояния пшеницы характеризуется зоной упруго- пластических деформаций, при которых и происходит процесс трещинообразования и частичного разрушения зерновки. В данной области наблюдаются характерные пики напряжений, затем происходит резкое падение напряжений в широком диапазоне деформаций, что свидетельствует не только об образовании критической трещины, но и о начале процесса последующего разрушения микроструктуры зерновки.
На третьем этапе напряженного состояния наблюдается зона пластических деформаций, в которой и происходит основной процесс разрушения зерновки. Отмечено, что усредненная оценка параметров процесса разрушения недостаточно полно отражает динамику разрушения единичных зерен. Однако с его помощью можно оценить общие закономерности изменения реологических свойств пшеницы. В частности обнаружить характерные экстремумы, свидетельствующие об образовании критических трещин и. начале процесса дробления зерен. Величины деформации, при которых эти экстремумы обнаруживаются у единичных зерен, находятся в пределах доверительной вероятности. Это свидетельствует о том, что полученные зависимости объективно могут характеризовать напряженно деформированное состояние исследуемых партий зерна пшеницы. При этом установлено, что напряжения трещинообразования по абсолютной величине превышают предел прочности пшеницы, что позволило сделать вывод о необходимости разработки оценочного критерия сопротивляемости микроструктуры зерновки измельчению (приложение 5,6). В результате проведенных исследований предложена методика расчета удельных энергозатрат на разрушение (измельчение) зерна Nyfl с использованием полученных на тензокомплексе зависимостей напряжение -деформация. При проведении корреляционного анализа установлены высокие значения коэффициентов парной корреляции между прочностными свойствами зерна и удельными энергозатратами. Между напряжениями трещинообразования и удельными энергозатратами установлено отрицательное значение коэффициента парной корреляции (R= - 0,89), соответственно между пределом прочности и удельными энергозатратами он составил - 0,87. Аналитические зависимости между указанными показателями получены следующего вида: Таким образом на основе корреляционного и регрессионного анализа установлено, что увеличение напряжений трещинообразования и предела прочности пшеницы приводя к росту удельных энергозатрат (рис 8, 9). На основе анализа динамики разрушения пшеницы с технологической влажностью выявлены области упругих, упруго-пластических и пластических деформаций. При этом трещинообразование пшеницы проходило как правило на границе упругих и упруго-пластических деформаций, а разрушение микроструктуры зерновки на границе упруго-пластических и пластических деформаций.
