Совершенствование межоперационного перемещения и интенсификация процессов формования полуфабрикатов из модельного теста различного зернового состава тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат наук Щербаков, Александр Сергеевич

• Щербаков, Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Щербаков, Александр Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Обзор машин и аппаратов, применяемых для транспортирования и формования мучного теста

1.2. Исследование процесса межоперационного транспортирования

вязко-пластичных масс

1.3. Исследование процесса экструзии при формовании изделий из

мучного теста

1.4. Реологические свойства тестовых масс

1.5. Цель и задачи исследований. Схема проведения исследований 27 ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МЕЖОПЕРАЦИОННОГО ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ

2.1. Системы дифференциальных уравнений и их упрощения

2.2. Течение неньютоновских жидкостей в трубах и методика

подбора рационального диаметра трубы

2.3. Моделирование перехода ламинарного потока в турбулентный,

и влияние этого процесса на качество изделий

2.4. Влияние вязкоупругих свойств на процесс формования

2.5. Морфологическая модель межоперационного транспортирования теста при формовании

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Описание прибора и методики исследования

3.2. Исследование местных, входовых и линейных потерь давления

3.3. Исследование потерь давления на изгибах труб

3.4. Исследование устойчивости потока модельного теста

3.5. Сопоставление результатов капиллярной и

ротационной вискозиметрии

3.6. Изменение реологических свойств пшенично-кукурузного модельного

теста при различных скоростях сдвига и температуре продукта 97 ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ

РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Методика расчета межоперационного транспортирования теста

4.2. Методика расчета предельных скоростей устойчивости формования

экструзией теста различного зернового состав

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Список основных обозначений

ь характерная длина, м

с константа интегрирования

Р давление, оказываемое на поршень, Па

время, с

г цилиндрическая координата, м

У скорость сдвига, с-1

ц коэффициент динамической вязкости, Па-с

x напряжение сдвига, Па

к коэффициент консистенции

п индекс течения

среднеквадратичное отклонение

Ч предельное напряжение сдвига, Па

тензор напряжений, Па

символ Кронкера

тензор скоростей деформации, с-1

А коэффициент, зависящий от

природы жидкости, Па с

Е энергия, которой должна обладать молекула

для отрыва от энергетического барьера

соседней молекулы

Я универсальная газовая постоянная

Т абсолютная температура

а, Ь эмпирические постоянные;

Тг температура, связанная с температурой

стеклования жидкостей

коэффициент пластической вязкости, Па с

То предел текучести, Па

напряжение в предматричной камере, Па.

р (г, 0, 2, плотность кг/м3

х, у, z, г, 0 координаты

vr(r,0,z,t), ve(r,G,z,t), vz(r,9,z,t) проекции скоростей на направления г, 8, z Г]3 коэффициент эффективной вязкости, Па с

Q объемный расход, м3/с

R радиус капилляра, м

tw напряжение сдвига на стенке трубы, Па

р плотность среды, кг/ м3

Ар перепад давлений, Па

Ret критерий Рейнольдса для ньютоновской

жидкости

Re2 критерий Рейнольдса для степенной жидкости

Re3 критерий Рейнольдса для среды Шведова-

Бингама

v, и средняя скорость течения, м/с

Sen критерий Сен-Венана

Н символ тела Гука

N символ тела Ньютона

Schw символ тела Сен-Венана

МТ символ тела модели теста

М символ Модели Максвелла;

К символ модели Кельвина - Фойгта.

R/l;(/) идентифицирующие признаки

морфологических параметров г' коэффициент корреляции

a1,a2,b1, Ь2 эмперические коэффициенты

m масса груза, кг

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование межоперационного перемещения и интенсификация процессов формования полуфабрикатов из модельного теста различного зернового состава»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время во всем мире большой популярностью пользуются хлебобулочные изделия с различными добавками: кукурузная, рисовая, ржаная, гречневая мука, семена сои, кунжута, подсолнечника и т.д. Для России, Украины и Белоруссии особо актуально расширение ассортимента обогащенных хлебобулочных изделий, т.к. данные страны всегда отличались высоким потреблением хлеба.

В последнее время хлебопекарные заводы активно начали разработку новых рецептур обогащенных хлебобулочных изделий, которые также стали популярны в европейских странах.

Выработка готовых изделий высокого конкурентного качества невозможна без автоматического ведения технологического процесса, позволяющего исключить возможные ошибки и субъективное влияние обслуживающего персонала. Многие хлебопекарные производства оснащены устаревшим оборудованием с ненадлежащими средствами автоматизации. Возможности данного оборудования не позволяют обеспечить повышение производительности с сохранением требуемого качества полуфабрикатов и готового продукта при уменьшении его себестоимости, хотя это очень важно в условиях современного рынка.

Проблема исследования экструзии неньютоновских жидкостей, с целью интенсификации процессов и обеспечения получения качественных полуфабрикатов и готовых изделий, является актуальной задачей. Проектирование нового, а так же модернизация уже имеющегося на вооружении предприятий оборудования не может быть осуществлена без учета возникающих эффектов и гидродинамических особенностей потока. К наиболее часто возникающим эффектам можно отнести увеличение размеров самого экструдата относительно размеров поперечного сечения канала головки экструдера и потерю устойчивости струи при максимальных скоростях экструзии. Существует большое количество работ отечественных и зарубежных ученых, таких как, А.Я. Малкина, Г.В. Виноградова, И.Э. Груздева, А.Н. Богатырева, А.И. Жушмана, Л.П.

Ковалевской, C.B. Краус, М.А. Брутяна, Е.С. Berhard, J.F. Carley, В.Н. Maddok, R.A. Strab, G. Schenkel и многих других, посвященных исследованиям гидродинамических эффектов, возникающих при экструдировании. Но процессы, происходящие в пищевой промышленности при производстве изделий из теста разнозлаковых мук, исследованы недостаточно.

В связи с этим перспективным является изучение эффектов, происходящих при максимальных скоростях экструзии теста из смеси разнозлаковых мук. Эти знания позволят не только заранее просчитать образование вышеупомянутых эффектов, но и дадут возможность регулировать геометрию канала экструдера и интенсифицировать процесс производства. Также появится возможность избежать вспомогательных операций или введения дополнительных корректоров во время технологического процесса для достижения требуемого качества полуфабрикатов и готовой продукции, тем более что это приводит к их удорожанию. Кроме того, точность процесса дозирования и формования изделий экструзией может оказать как положительное влияние на экономику предприятия, так и отрицательное воздействие при появлении погрешности и увеличении массы готового изделия.

Актуальность работы.

Главным направлением исследований процессов и аппаратов пищевых производств является выявление закономерностей протекания технологических процессов, разработка методов расчет аппаратов и совершенствование действующего оборудования для переработки, в частности, мучного теста. В теории решения названных главных задач необходимо проведение проблемно ориентированных экспериментальных, аналитических и численных

исследований, в которых плодотворными являются методы физико-химической механики или реологии. Изучение реологических свойств теста позволяет на стадии проектирования оборудования прогнозировать и корректировать параметры оборудования с целью получения готовых изделий требуемого качества.

Исследования Шведова Ф.Н., Ребиндера П.А., Воларовича М.П., Леонова А.И., Рогова ИА., Мачихиных ЮА. и СА., Панфилова В.А., Николаева Л.К., Косого В.Д., Маслова A.M., Урьева Н.В. и ряда других выдающихся отечественных ученых показали целесообразность реодинамического подхода к решению проблем совершенствования процессов и аппаратов производства пищевых продуктов. Это же обстоятельство нашло отражение в классических работах таких зарубежных ученых, как Рейнер М., Скотг-Блэр Г., Вейссенберг Р., Шоффильд Р., Боурне М. и многих других исследователей.

В настоящее время динамичное развитие получило производство хлебобулочные изделия из пшеничной муки с добавлением муки разных злаков, таких как: ржаная, овсяная, кукурузная, рисовая и гречневая. Данные разнозлаковые муки обогащены минеральными веществами, клетчаткой, высоким содержанием витаминов, микро- и макроэлементов, а также сбалансированным аминокислотным составом.

Тесто на основе смесей разнозлаковой муки является сложной сравнительно малоизученной гетерогенной системой, которая при межоперационном транспортировании и в формующих каналах оборудования проявляет вязкоупругие нелинейные неньютоновские эффекты. Транспортирование в межоперационных трубопроводах теста из разнозлаковой муки, исследование проблемы предельных скоростей экструзии при формовании различных изделий, сопоставление результатов реометрии мучного теста на различных приборах, проведения модернизации пищевого оборудования, сопровождающейся получением высоких технико-экономических показателей, являются актуальными задачами и имеют важное практическое значение.

В более общем государственном плане работа ориентирована на решение задач, определенных приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ, утвержденными Президентом РФ Пр-842 и Пр-843 от 21 мая 2006 года. Эти документы были обновлены указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899.

Работа выполнена на кафедре техники мясных и молочных производств Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики института холода и биотехнологий в соответствии с планом работы Научно - образовательного центра «Производство продуктов питания из зерновых», созданного приказом Ректора СПбГУНиПТ (ныне Институт холода и биотехнологий НИУ ИТМО) № 308-о(а) от 18.09.2008 г.

Научная новизна.

Проведено сопоставление результатов реометрии модельного теста различного зернового состава на капиллярном и ротационном приборах, что позволило получить надежные данные для инженерного расчета межоперационного трубопроводного транспорта.

Проанализирована численным методом с использованием программы МаШсаё зависимость скорости сдвига в ротационном вискозиметре от индекса течения модельного теста и геометрии вискозиметра.

Исследовано влияние местных потерь давления при течении модельного теста в трубопроводных межоперационных системах.

Разработана методика оптимизации межоперационного трубопроводного транспорта для мучного теста.

Экспериментально определены режимы перехода ламинарного течения модельного теста в турбулентный и эффекты разбухания экструдата.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Обзор машин и аппаратов, применяемых для транспортирования и

формования мучного теста.

Следует отметить, что пищевая промышленность в последние годы демонстрирует рост объемов производства хлебобулочных изделий и ужесточение требований, предъявляемых к качеству сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Вместе с тем, модернизация межоперационного транспорта в последние десятилетия не проводилась, вследствие чего происходит отставание в техническом плане данных элементов технологического оборудования от основных производственных участков. По данным источника [38] фактический износ межоперационного трубопроводного транспорта на передовых предприятиях достигает 80%.

В условиях конкуренции на рынке обогащенных хлебобулочных изделий, одним из острых вопросов является вопрос качественного транспортирования теста на всех этапах технологического процесса. В отличие от российских производителей оборудования, ведущие фирмы Италии, Франции, Германии вопросу межоперационного транспортирования, как основному элементу в объединении технологического оборудования в единый комплекс, уделяют пристальное внимание [27].

Проектирование автоматизированных технологических линий не возможно без использования межоперационного транспортного оборудования. Наиболее часто используемым по сравнению с транспортерами, нориями и элеваторами различных принципов действия и конфигурации является трубопроводный транспорт. Использование данного вида транспорта в 4-5 раз дешевле для предприятия по сравнению с использованием напольного транспорта. Трубопроводный транспорт обеспечивает перемещение сырья или полуфабриката между отдельными элементами технологического оборудования [2,3,18].

К основным преимуществам трубопроводного транспорта можно отнести:

• простоту конструкции, позволяющую проводить ежесменную разборку для чистки и обеззараживания данного трубопроводного транспорта в целях соблюдения санитарно-гигиенических требований;

• возможность монтажа смотровых лючков или стекол для визуального контроля перемещения продукта во время технологического процесса;

• полную изоляцию перемещаемого продукта, что позволяет содержать производственные цеха в чистоте и без запаха;

• возможность размещения трубопроводов в любом месте цехов, что позволяет рационально эффективно использовать производственные площади;

• возможность передачи продукта на расстояние до 50 м. и более;

• обеспечение ведение закрытого технологического процесса, что соответствует требованиям международной системы менеджмента качества ВБО.

Существуют три основных способа транспортирования продукта по средствам трубопроводного транспорта:

1. путем создания давления в начальной точки трубопроводной магистрали (насосы, компрессора);

2. путем создания разряжения на выходе из трубопроводной магистрали (вакуумные насосы);

3. за счет собственной силы тяжести перемещаемого продукта.

В любом из перечисленных выше способов движение продукта по трубам будет возможно только при условии, что созданное давление превысит внутренние и внешние сопротивления. Также не должно быть пустот в объеме перемещаемого продукта, иначе сжатый воздух будет свободно проходить через них.

Благодаря анализу работы межоперационного оборудования ведущих европейских фирм, проведенному в начале 2000 годов, было спроектировано и организовано серийное производство межоперационного транспорта на основе гибких шнеков [38]. Основными преимуществами данного трубопроводного

транспорта является простота сборки, а также возможность монтажа гибкой магистрали, подразумевающей легко изменяющуюся ее форму. Виды привода трассы на основе гибких шнеков:

• тянущий привод;

• толкающий привод;

• трассы с тянущим приводом и со свободным вторым концом шнека;

• трассы с толкающим и тянущим приводом, работающим при согласовании числа оборотов выходных валов мотор - редуктора.

Трассы оснащены двойной защитой от перегрузок. Одним из главных этапов в технологическом процессе выпуска готовых изделий является процесс формования. Под формованием пищевых масс следует понимать процесс придания изделию определенной формы и размеров [16]. В работе Мачихина Ю.А., Г.К. Бермана и Ю.В. Кпаповского [50] были описаны способы формования пищевых масс (рис.1.1.1.).

Прессование в замкнутом объеме

Отливка

Отсадка

Рисунок 1.1.1. Способы формования пищевых масс.

Для кондитерской промышленности характерно применение отливки корпусов конфет, выпрессовывание, прокатка пластов, отсадка, размазка пластов, штампование [10,14]. Для хлебопекарной промышленности применяются прокатка, закатка и округление изделий. В макаронной промышленности используют выпрессовывание и штампование. Благодаря применению различной конфигурации поперечного сечения формующей матрицы макаронные изделия приобретают различные формы (ленты, трубочки и т.д.). Для получения другой формы изделий выпрессованную макаронную ленту штампуют.

Комбинированные способы

Для получения изделий требуемой формы и качества необходимо учитывать реологические свойства сырья и полуфабрикатов, способ формования, а так же тип формующего оборудования. Подробная классификация формующих машин по типу нагнетателя, его характеру движения, характеру движения продукта в процессе формования, наличию принудительного питания и способу отделения продукта от формующего узла проведена в работе [50] и представлена на рисунке 1.1.2.

Рисунок 1.1.2. Классификация формующего оборудования.

Исследованием процесса формования тестовых заготовок конусной формы занимались Г. Берман [15] и В. Юрчински [80]. Объектом исследования В. Юрчински являлись стаканчики из сахарного теста для пирожных «Сахарная трубочка», которые изготавливаются путем опускания конической матрицы в ванну с жидкой тестовой массой. Толщина слоя теста, которое прилипает к поверхности конуса после удаления ванны, зависит от реологических свойств теста, скорости перемещения ванны, формы и материала формующей матрицы. Исследования показали, что толщина тестовой заготовки на всей площади формующего конуса постоянна. Это позволило выразить массу тестовой заготовки через толщину слоя, при этом плотность материала и размеры конуса были постоянны. Кривая течения описывалась степенным законом Оствальда де Вале:

ь* = к0п (1-1-1)

Уравнение для толщины слоя в зависимости от реологических свойств тестовой масс имело следующий вид:

Н = [К/(р£со5а)][имсо52сг(п + 1)Р£/пК]п/(п+1) (1-1.2) Зная толщину Н и размер матрицы можно определить массу тестовой заготовки на формующем конусе.

1.2. Исследование процесса межоперационного транспортирования

вязко-пластичных масс.

Модернизация имеющегося оборудование или разработка нового оборудования для транспортировки мучного разнозлакового теста не может происходить без знания законов течения данного продукта в каналах определенной геометрии. Главной целью экспериментальных исследований, посвященных определению течения тестовой массы в каналах различной геометрии, является получение результатов, дальнейшее использование которых позволяют описать реологическое поведение исследуемого продукта и тем самым спроектировать для данного продукта новое оборудование, а также оптимизировать или интенсифицировать технологический процесс [70,71,85,90,98]. Необходимо иметь значение коэффициента эффективной вязкости в той области каналов различного сечения, где она зависит от градиента скорости и касательного напряжения. Теория течения вязко-пластичных тестовых масс описана в работах Гортинского В.В., Гуськова К.П., Мачихина Ю.А., Мачихина С.А. [30,50,105].

Реологическими исследованиями пищевых масс зарубежом занимались такие известные ученые, как Мак-Келви, Уилкинсон, Скотт-Блер, Шеман [47,72,99,100,101,102].

Изучение вязкости сложных систем не может происходить в отрыве от фундаментального реологического уравнения вязкой жидкости Ньютона. Профессор Н.Е. Петров перевел сформулированное предположение Ньютона о вязком трении жидкости в следующем виде: "Сопротивление, возникающее при недостатке скольжения в частицах жидкости при прочих равных условиях, пропорционально скорости, с которой частицы жидкости отделяются друг от друга".

Закон Ньютона для вязкой жидкости в современной интерпретации имеет вид:

т = 1,||, (1.2.1)

В работе Груздева И. [29] для жидкостей с небольшой вязкостью и линейной кривой течения было предложено уравнение (1.2.2).

г и = -р8ц + 2цгц (1.2.2)

Исходя из уравнения (1.2.2) можно сделать вывод, что коэффициент вязкости не зависит от скорости сдвига. Изменения коэффициента вязкости связаны с изменением температуры жидкости и оказываемого давления. Вопросам влияния температуры и давления на вязкость ньютоновских жидкостей посвящены работы Фрейкель Я., Эйринга X [74,97]. Ими была сформулирована «дырочная теория», согласно которой с увеличением температуры в материале образуются пустоты, способствующие свободному перемещению молекул. Благодаря пустотам молекулы могут перемещаться, вследствие чего вязкость материала (жидкости, твердого тела) понижается.

Согласно данной теории уравнение вязкости ньютоновской жидкости можно представить в виде уравнения (1.2.3)

7/ = А • ехр — (1.2.3)

Согласно Вильямсу, Лэндел и Ферри энергия Е может быть рассчитана по уравнению (1.2.4)

Е = 2,3а • Ъ • К , 72 „ (1.2.4)

(ь+т-тгу х '

Вязкость жидкостей, подчиняющихся закону Ньютона, зависит только от температуры и вида самой жидкости. Остальные факторы не оказываю существенного влияния.

Пищевые продукты, сырье, полуфабрикаты из-за своей специфической структуры не подчиняются закону Ньютона, так как при неизменной влажности их вязкость может изменяться в широком диапазоне. Авторами [1] было отмечено, что в отличие от ньютоновских жидкостей, механические свойства которых можно характеризовать с помощью коэффициента динамической вязкости г|, вязкость неньютоновских жидкостей должна характеризоваться эффективной вязкостью г)Эф. При этом г)Эф не является величиной постоянной и должна быть привязана к скорости сдвига, при которой было получено значение

7?эф = (1-2.5)

П.А. Ребиндер [33] предложил разделить сложные системы по изменению вязкости в зависимости от величины касательного напряжения и величины градиента скорости на жидкообразные и твердообразные системы. В жидкообразных системах при любых значениях касательного напряжения, если время действия напряжения превышает время релаксации, происходит течение. При этом течение можно считать стационарным. Реограмма жидкообразной системы представлена на рисунке 1.2.1.

Рисунок 1.2.1. Жидкообразные системы по классификации П.А. Ребиндера.

Течение твердообразных систем начинается только после того, как величина касательного напряжения станет ниже предела текучести. Из рисунка 1.2.2. видно резкое понижение вязкости при переходе через предел текучести.

У.Л. Уилксоном [72] было предложено неньютоновские жидкости разделить на три основные группы:

1. Материалы, течение которых не зависит от времени, при этом скорость сдвига представляет собой функцию напряжения.

2. Материалы (тиксотропные, реопектические), напряжение и скорость сдвига которых зависят не только от времени действия приложенных нагрузок, но и от природы самого материала.

3. Материалы, проявляющие частичное упругое восстановление своей формы после снятия нагрузки.

Течение вязкопластичных жидкостей, возникающее в момент превышения напряжения предела текучести, было описано реологическим уравнением Бингама [25].

тц = -pSij +

Чпл +

2 ri4j (1.2.6)

Реологическим уравнением Бингама можно описать течение маргарина, шоколада, пралине, творожного сыра и т.д.

Течению вязко-пластичных жидкостей в каналах различной конфигурации посвящены работы отечественных и зарубежных ученых, таких как Гогос К., Лыкова A.B., Баранова A.B., Тябина Н.В., Петухова Б.С., Вачагина К.Д., Зиннатуллина Н.Х., Шульман З.П., Андерсона Д., Фишера Г.Д., Bernhardt Е.С., Macosco C.W., Сох H.W.

Для описания течения вязко-пластичных сред используются уравнения неразрывности потока, движения и энергии, что позволяет не учитывать природу конкретного материала, а описывать фундаментальные принципы [13,17,22,45,46,47,49,61,72]. При этом целесообразно сложные конфигурации рабочих каналов машин заменять упрощенными каналами. К простейшим каналам относятся:

• щелевой канал;

• труба круглого сечения.

Уравнение неразрывности при ламинарном течении в щелевом плоском канале имеет вид:

^ + = 0 (1.2.7)

Уравнение движения при ламинарном установившемся движении в компонентах напряжении имеет вид:

^ = ^ (1.2.8)

йх йу у 1

Для осесимметричного канала интегрирование уравнения (1.2.8) позволит получить уравнение (1.2.9.)

т = —у + с (1.2.9)

йх

В работе [1] проведены исследования изменения реологических свойств макаронного теста при прохождении им шнековой камеры прессов ЛМБ и «Мабра». Измерения проводили на автоматическом капиллярном вискозиметре АКВ - 5. Течение теста можно описать реологической моделью Оствальда де Вале. В результате анализа полученных экспериментальных данных было установлено, что реологические свойства макаронного теста после прохождения шнекового канала изменяются. После прохождения шнека пресса ЛМБ эффективная вязкость теста уменьшилась на 16-17%, а после шнека камеры «Мабра» на 6-7%.

Следует отметить, что полученные экспериментальные данные позволяют получить представление о реологии неньютоновских жидкостей, к которым относится большинство пищевых масс. Однако, для понимания реологических особенностей поведения такого перспективного продукта, обогащенного минеральными веществами, клетчаткой, высоким содержанием витаминов, микро- и макроэлементов, как разнозлаковое тесто.

1.3. Исследование процесса экструзии при формовании изделий

из мучного теста.

Экструзией называется процесс, при котором происходит выдавливание или текстурирование перерабатываемого материала через отверстия различной формы [21,28,64,67]. Слово экструзия произошло от латинского «ехШк!о», что означает выдавливание или выталкивание. В более обширном понятии под экструзией следует понимать процесс переработки материалов с целью получения изделий заданной структуры, формы и новым физико-химическим составом, при котором произошли биохимические изменения углеводов, белков и клетчатки. Данные изменения способствуют высокой усвояемости готового продукта, снижают микробиологическую обсемененность продуктов, что особо важно для продуктов, предназначенных для детского питания.

Сопровождается процесс экструзии кратковременным нагревом материала в камере экструдера, растяжением пластичных компонентов, а так же расширению экструдата [5,13,62,95]. Помимо вышеупомянутых воздействий на перерабатываемый продукт, конечным этапом экструзии является формирование готового продукта требуемой формы (фрикадельки, котлеты) [54,81].

В настоящее время в пищевой промышленности используют три способа экструзии [4,23,24,35,36,37,41,77,88,89,103].

• холодная экструзия;

• теплая экструзия;

• горячая экструзия.

В зависимости от температуры различают холодную, теплую и горячую экструзию. При холодной экструзии, проходящей при температуре материала не выше 50 - 60 °С, имеют место механические изменения в перерабатываемом материале при медленном перемешивании в рабочей камере экструдера и его формовании. Применяется на макаронных, кондитерских фабриках, а также при производстве паштетов и колбас. При холодной экструзии тестовая масса уплотняется и одновременно приобретает требуемую форму.

При тепловой экструзии происходит и механическое и температурное воздействие на перемещаемый продукт. Максимальная температура, как правило, не превышает 120 °С. Структурные свойства экструдата заметно изменяются -текстура становится более плотной и пластичной [53].

Горячая экструзия проходит в диапазоне температур от 120 °С до 200 °С. В основе процесса горячей экструзии лежит оказание высокого давления на перерабатываемый материал и его непрерывная тепловая обработка [86]. Подвод тепла к продукту осуществляется как непосредственно в рабочий объем экструдера, так и через его наружные стенки. При горячей экструзии в перерабатываемом материале происходят физико-химические изменения, такие как разрыв клеток, гидролиз [68,83,87]. На выходе из отверстия экструзионной головки образуется продукт с пористой структурой. Происходит это за счет того, что вода, находящаяся под давлением и высокой температурой в рабочем объеме экструдера при атмосферном давлении и температуре помещения превращается в пар, тем самым образуя поры.

Процесс экструзии широко применяется не только в пищевой промышленности, такой как хлебопекарная, макаронная, кондитерская, молочная, мясная, рыбная, но и при производстве полимеров, резины и т.д. [66,82,93]. Родиной экструдера, а точнее пресса, для макаронной промышленности можно считать Италию, а экструдера для производства мясных колбас - Англию [24].

В настоящее время существует свыше 1000 моделей экструдеров различной формы и типов, произведенных ведущими иностранными фирмами. Лидерами из них являются Walter - производство Германия, Anderson, Sprout-Bauer -США, Pagani - Италия, Buller - Швейцария [6,20,32,65,78,79].

В хлебопекарной промышленности экструзионный метод применяется для получения изделий требуемой формы и размеров. Одним из главных факторов, влияющим на качество изделий, получаемых в процессе экструзии - является процесс разбухания экструдата. Киселевым А.П. и Канавец И.Ф. данный процесс был изучен на специально разработанной установке, состоящей из цилиндра и форм с капиллярами различной длины и диаметра. Оценку разбухания экструдата

проводили путем сопоставления толщины разноцветных полос, нанесенных на экструдат в осевом сечении. Величину разбухания выражали с помощью отношения толщины экструдата в его максимальном значении к толщине слоя в капилляре. Оценка экспериментальных данных показала, что наибольшему разбуханию подвержены внутренние слои экструдата. Также отмечено, что на определенном расстоянии от стенки капилляра процесс разбухания прекращается, толщина слоя экструда становится равна толщине слоя в формующем канале. Дальше слои наоборот становятся тоньше, чем на выходе из формующего капилляра.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Щербаков, Александр Сергеевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Азаров Б.М., Арет В.А. Инженерная реология пищевых производств / МТИПП. -М., 1978. с. 78-81.

2. Азаров Б.М., Данилов В.Н. Выбор оптимальных параметров технологического режима с помощью вискозиметрии полуфабриката // Реологические характеристики пищевых продуктов. - М.: ЦНИИТЭИпищепром, 1971. С. 2627.

3. Азаров Б.М. Технологическое оборудование хлебопекарных и макаронных предприятий / Б.М. Азаров, А.Т. Лисовенко, С.А. Мачихин; Под ред. С.М. Мачихина. - М.: Агропромиздат, 1986. - 263 с.

4. Азаров Б.М. Формование давлением изделий в пищевой промышленности: автореф. дис. ...д-ратехн. наук: 05.175. -М., 1972. -43 с.

5. Алферников О.В., Касьянов Г.И., Латин H.H. Пищевые текстураты. -Краснодар: Экоинвест, 2007. - 143с.

6. Антипов С.Т. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн.: Учеб. для вузов / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др., Под ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова. -М.: Высш. шк., 2008.

7. Арет В.А., Байченко Л.А., Денисенко А.Ф., Николаев Л.К., Щербаков A.C. Использование результатов ротационной вискозиметрии пшеничного теста в расчетах трубопроводов [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный научно-исследовательский университет информационных технологий механики и оптики». Электронный журнал -Санкт - Петербург: НИУ ИТМО, 2013. - №1.

8. Арет В.А.и др. Реологические основы расчета оборудования производства жиросодержащих пищевых продуктов / В. А. Арет, Б. Л. Николаев, Л. К. Николаев. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. - С. 265 - 269.

9. Арет В.А. Имитация и инвариантная реометрия в процессах переработки пищевых масс. Автореф. дисс. ...д-ра технических наук: М., 1982. - 39 с.

Ю.Арет В.А. Исследование процесса формования пралиновых конфетных масс: Автореф.дис. .канд.техн.наук / МТИПП. - М., 1967. - 22 с.

11.Арет В.А., Николаев JI.K., Николаев Б.Л. Физико-механические свойства сырья и готовой продукции: Учебное пособие / В. А. Арет, Б. Л. Николаев, Л.К.Николаев. - СПб.: ГИОРД, 2007. - 537 с.

12.Байченко Л.А. Биотехнологическая трансформация свойств продуктов питания для снижения вредного воздействия фенола и анилина на человека: Дисс. ... канд. техн. наук: 05.18.07. - СПб., 2011. - 200 с.

13. Балинов А.И. К исследованию неизотермического течения реологически сложных сред/ А.И. Балинов, A.B. Баранов // Механика композиционных материалов и конструкций, 1998. - Т.4, №2. - С. 69.

14. Берман Г.К., Клаповский Ю.В. К теории процесса формования конфетных масс на валковых прессах // Хлебопекарная и кондитерская промышленность. 1975. №7. С.25-27.

15. Берман Г.К. Мачихин Ю.А. Течение вязкопластичных пищевых масс по коническому каналу // Изв. вузов. Пищевая технология. 1972. №5. С. 122-124.

16. Берман Г.К. Течение пищевых масс в каналах различной формы: Дис. канд. техн. наук / МТИПП. - М., 1970. - 167 с.

17. Берман Г.К. Формование пищевых масс. Теория процессов методов расчета технологического оборудования: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук / МТИПП. -М.-М., 1983.-52 с.

18. Богданова Ю.Н. Инженерная реология пищевых сред: учеб. пособие / Ю.Н. Богданова, П.В. Мишта. - Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011.-е 24-29.

19. Бостанджиян С.А. Неизотермическая экструзия аномально вязких жидкостей в условиях сложного сдвига / С.А. Бостанджиян, В.И. Бояченко, Г.Н. Карполова. ИФЖ, 1971. - Т. XXI, № 2. - С. 325-333.

20. Быковская Г. Экструзионная технология в Японии / Г. Быковская // Хлебопродукты. 1992. №7. - С.48-50.

21. Вещев A.A. Исследование процесса экструзии асбокаучуковой массы через плоские и кольцевые каналы / A.A. Вещев, Н.П. Шанин. Каучук и резина, 1972. №8. С. 24-26.

22. Вычагин К.Д. Дифференциальные уравнения движения неьютоновской жидкости / К.Д. Вачагин, Н.Х. Зиннатуллин, Н.В. Тябин // Тр. Казанского хим. -технол. ин-та. Вып. XXXII. - Казань: КХТИ, 1964. - С. 24-26.

23. Генин С.А. Технологические основы производства пищевых концентратов, не требующих варки // Консервная и овощесушильная промышленность. - 1969. -№4.-С. 11-13.

24. Герман X. Шнековые машины в технологии. - JL, 1970. - 190 с.

25. Горбатов A.B. Гидравлика и гидравлические машины для пластично-вязких мясных и молочных продуктов / A.B. Горбатов, В.Д. Косой, Я.И. Виноградов. - М.: Агропромиздат, 1991. - 176 с.

26. Гортинский В.В. и др. О течении теста в валковом нагнетателе. / В. Гортинский // Хлебопекарная и кондитерская промышленность. - 1968. №8. С. 12-16.

27. Грачев Ю.П. Моделирование и оптимизация тепло- и массообменных процессов пищевых производств / Ю.П. Грачев, А.К. Тубольцев, В.К. Тубольцев. М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1984. - 216 с.

28. Грифф А. Технология экструзии пластмасс / Пер. с англ. Под ред. В.В. Лапшина. М.: Мир, 1965. - 308 с.

29. Груздев И.Э. Теория шнековых устройств / И.Э. Груздев, Р.Г. Мизоев, В.И. Янков. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. - 144 с.

30. Гуськов К.П. и др. Исследование процесса нагнетания теста в тестоделительной машине поршневого типа. / К. Гуськов // Хлебопекарная и кондитерская промышленность. - 1963. №6. С. 18-24.

31. Дубовик A.B. Нагревание неньютоновской жидкости при выдавливании через матрицу // ИФЖ, 1980. Т. XXIX, №1. - С. 710 - 715.

32. Дунаев А.Н. Производство зерновых завтраков в США / А.Н. Дунаев // Пищевая пром-сть. - 1992. № 6. - С. 29-31.

33. Измайлова В.H., Ребиндер П.А. Структурообразование в белковых системах. М., «Наука», 1974, 268 с.

34. Калинин Ю.В. Исследование реологических свойств макаронного теста и течения его в трубах тубусных прессов. Автореф. канд. дис. - М.: МТИПП, 1966.-20с.

35. Каплун Я.Б. Формующее оборудование экструдеров / Я.Б. Каплун, B.C. Ким М.: Машиностроение, 1968. - 160 с.

36. Карпов В.Г., Вилок JI.A., Юрьев В.П. Высокотемпературная и холодная экструзия крахмалосодержащего сырья. Структура, функциональные и органолептические свойства чипсов, полученных термической обработкой паллет. - Хранение и переработка сельскохозяйствнного сырья., 199, №6, С 10-16.

37. Карпов В.Г. Получение набухающих крахмалопродуктов методом экструзии: Дисс. ... канд. техн. наук: 05.18.05. -М., 1981. - 156 с.

38. Климов А. Комплексные решения. Как транспортировать, дозировать и хранить сыпучие продукты. / А. Климов // Хлебопродукты. - 2001. №1. С. 1011.

39. Климонтович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем, М.:Тоо Янус, 1995.- 624 с.

40. Колмогоров А.Н. Уточнение представлений о локальной структуре турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при больших числах Рейнольдса // Mechanique de la turbulence: Colloq.Intern CNRS, Marseille, 1962, p. 447-458

41. Kpayc C.B. Оптимизация параметров экструдирования продуктов из крупяного сырья: Дис. ... канд. техн. наук/ МТИПП. - М., 1988. - 181 с.

42. Крылова В.Б., Витренко О.Н., Густова Т.В. Качественные характеристики и некоторые функциональные свойства растительных экструдатов отечественного производства // Все о мясе, 2005, №2 - С.20-23.

43. Кузнецов В.В., Шереметьев C.B. Аналитические реакции комплексообразования органических реагентов с ионами металлов в

отвержденном желатиновом геле // Ж. аналит. химии. 2009. Т. 64, № 9. С. 910919

44. Ландау Л.Д., Лишиц В.М. Гидродинамика. - М.: Наука, 1988. - 733 с.

45. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М. Наука, 1987. - 840 с.

46. Лыков A.B. Законы переноса в ненъютоновских жидкостях / A.B. Лыков, Б.М. Берковский // Тепло - и массообмен в неньютоновских жидкостях. -М.:Энергия, 1968. С. 5-15.

47. Мак- Келви Д.М. Переработка полимеров. -М.: Химия, 1965. - 442 с.

48. Маслов A.M. Инженерная реология в пищевой промышленности. Учебное пособие, Л., ЛТИХП, 1977, с. 3-4.

49. Мачихин Ю.А., Берман Г.К. Максимов A.C. Достижение реологии в пищевой промышленности: Обзор // Изв. вузов. Пищевая промышленность. 1985. №4. С.9-16.

50. Мачихин Ю.А. и др. Формование пищевых масс / Мачихин Ю.А., Берман Г.К., Клаповский Ю.В. - М.: Колос, 1992. - 1992. С 6-7.

51. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инженерная реология пищевых материалов. -М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. - 216 с.

52. Мачихин Ю.А. Реометрия пищевого сырья и продуктов: Справочник / Под ред. Ю.А. Мачихина. М.: Агропромиздат, 1990. - 271 с.

53. Медведев Г.М. Использование режимов тепловой экструзии для формования макаронных изделий и полуфабрикатов крекеров на шнековых прессах / Г.М. Медведев. - М.: ЦНИИТЭИхлебопродуктов, 1992. - 33 с.

54. Медведев Г.М., Рахимов С.Б., Медведев А.Г. Температурные режимы экструзии пищевых масс // Пищевая промышленность. - 2001, №1. - С. 34 -35.

55. Монин А.С, Яглом А.М. Статистическая гидромеханика, т.1. СПб.: Гидрометеоиздат, 199- с.694; т.2, СПб, 1996.-742 с.

56. Мушик Э., Мюлле П. Методы принятия технических решений. /Пер. с нем. Н.В. Васильченко, В.А. Думского. - М.: Мир, 1990 - 204с.

57. Назаров A.A., Орлов B.B. Построение морфологической модели технологического процесса с целью прогнозного обеспечения путей его совершенствования. В кн.: Процессы, управление, машины и аппараты пищевой технологии. - JI.: ЛТИ им Ленсовета, 1985 - с. 13-18.

58. Николаев Б.А., Митюкова Л.А., Беркутова Н.С. Влияние кондиционирования и опытного помола пшеницы на структурно-механические свойства теста. -Известия вузов. Пищевая технология, 1978, № 5, с. 35-38.

59. Николаев Б.А., Митюкова Л.А. Влияние помола пшеничной муки на структурно-механические свойства теста. - Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1976, №11, с. 24-26.

60. Одрин В.М. Метод морфологического анализа технологических систем. М.: ВНИПИ, 1989-310с.

61. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. - М.: Энергия, 1967. - 411с.

62. Пирогов А.Н. Реологические свойства сырья, полуфабрикатов и готовых изделий хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств: учебное пособие / А.Н. Пирогов, A.A. Леонов, A.B. Шилов; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2008. с. 82-83.

63. Санина Т. Влияние дозировки муки на свойства теста и качество ржано-пшеничного хлеба. / Т. Санина, Е. Пономарева // Хлебопродукты. - 1998. №4. С. 12-13.

64. Скачков В.В. Моделирование и оптимизация экструзии полимеров / В.В. Скачков, Р.В. Торнер, Ю.В. Стунгур и др. Л.: Химия, 1984. - 152 с.

65. Современное состояние и основные направления совершенствования экструдеров / А.Н. Остриков, O.A. Абрамов, В.Н. Василенко ,К.В. Платов. -М., 2004. - 41 с. -( Информ. обзор. Вып. 1).

66. Тадмор 3. Теоретические основы переработки полимеров / 3. Тадмор, К. Гогос / Пер. с англ. Под ред. Р.В. Торнера. М.: Химия, 1984. - 632 с.

67. Термопластическая экструзия: научные основы, технология, оборудование / Под ред. А.Н. Богатырева, В.П. Юрьева. - М.: Ступень, 1994. - 200 с.

68. Технология производства кондитерских изделий с использованием экструзионной техники / М.Б. Эйнгор, M.JI. Парцуф, С.Н. Павловецкая, A.C. Овчинникова. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1987. - 32 с. - (Сер. Кондитер, пром-сть. Обзор, информ. Вып. 6).

69. Тишин В.Б., Оганнисян В.Г, Леонов A.B. Тепло-и массообмен между клеткой и культуральной средой при аэробном культивировании хлебопекарных дрожжей ЭНЖ СПбГУНиПТ ПАПП 2012 № 2.

70. Туголуков E.H. Математическое моделирование технологического оборудования многоассортиментных химических производств. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. 100 с.

71. Тябин Н.В. Неизотермическое течение нелинейно вязкопластичной жидкости в радиально-кольцевой щели / Н.В. Тябин, В.М. Тябин, В.М. Ящук, В.О. Яблонский // ИФЖ, 1992. - Т. ХХП, №4. - С. 574-578.

72. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. Гидромеханика, перемешивание и теплообмен- М.: Мир, 1964. - 216 с.

73. Фейгенбаум М. Успехи Физических наук, 1983,т. 141. с. 343. [перевод Los Alamos Science, 1980,v. 1, p. 4]

74. Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, Собрание избранных трудов, т. 3., Изд-во АН СССР, М.-Л., 1959.

75. Шереметьев C.B., Кузнецов В.В. Реакции синтеза азокрасителей в отвержденном желатиновом геле и их аналитическое применение при определении нитритов // Ж. аналит. химии. 2007. Т. 62, № 4.С. 357 - 369.

76. Щербаков A.C. Вискозиметрия пшеничного теста [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств»/ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий». Электронный журнал - Санкт -Петербург: СПбГУНиПТ, 2012. - №1.

77. Экструзионная обработка крахмала и крахмалосодержащего сырья / А.И. Жушман, Е.К. Коптелова, В.Г.Карпов. - М.: ЦНИИТЭИпшцепром, 1980. - 36 с. - (Сер. Крахмало-паточная пром-сть. Обзор, информ. Вып. 3).

78. Экструзионная техника и технология; состояние, перспективы // Пищ. пром-сть. - 1995. - №7. - С. 4-5.

79. Экструзионные системы «Вагнер» // Комбикорм, пром-сть. - 1993. -№5-6., -С. 25.

80. Юрчински В. Исследование в области формования тестовых заготовок пирожных. Автореф. канд. дис. - М.: МТИПП, 1977. - 36с.

81. Юрьев В.П., Богатырев А.Н. Физико-химические основы получения экструзионных продуктов на основе растительного сырья // Вестник сельскохозяйственной науки. - 1991, №12. - С.43-51.

82. Bagley Е.В. End correction in the capillary flow of polyethylene // Jornal of Applied Physics, 1957. Vol. 28, No. 5. - pp. 624 - 627.

83. Best D. Formulating for extruders // Prep. Foods. - 1989. - № 10. - PP. 94-96.

84. Bird R.B., Stewart W.E., Lightfood E.N. transport Phenomena. John Wiley, 1960, p. 67.

85. Chorin A. A. A Vortex method for the study of rapid flow // Lect. Notes, ihys. 1973. -Vol. 19.-P. 100-104.

86. Edmondson I.R., Penner R.T. Melting of thermoplastics in single screw extruders // Polimer. 1975. - Vol. 16. -N 1. - P. -49-56.

87. Effects of extrusion and traditional processing methods on antinutrients and in vitro digestibility of protein and starch in faba and kidney beans / R. Alonso, A. Aguirre, F. Marzo // Food Chem. - 2000. - Vol. 68. - № 2. PP. 159-165.

88. Enlingen R., Delcour J. Glastransitie in voedingspolymersystemen: de zetmeel verstijfseling. Het Ingeniersblad, 1992, v.61, p.50-54.

89. Extrusion cooking technology / Ed. R. Sowitt. - London - New York,1984. - p. 212.

90. Fenner R.T. On local solutions to non-newtonian slow viscous flow // Int. Jour. Non-Linear Merch. 1975. - Vol. 10.1. N 5. P. 208-214.

91. http://hydrau1ic-drive.ni/

92. Leonov A.I., Prokunin A.N. Non-linear Phenomena in Flows of Viscoelastic Polymer Fluids, Chapman and Hall, London, 1994, 475 pp.

93. Lovegrove Q.G.A., Williamst Q.G. Solids conveying in single screw extruder the role of gravity//Mech. Eng. Sei. Forces. 1973.-Vol. 15. -N2. - P. 114-122.

94. Metzner A.B. Reed J.C. Flow of Non-Newtonian Fluids - Correlation of the Laminar, Transition, and Turbulent-Flow Regions. Aiche Journal, 1,1955, P. 434-440.

95. Olek S., Elias E., Wacholder E., Kaizerman S. Unstwady conjugated heat transfer in laminar pipe flow // Int. J. Heat Mass Transfer, 1991. Vol. 34, No. 6. -pp. 14431450.

96. Reiner M. Selected papers on rheology, Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 1975, 463 pp.

97. Roseveare W.E., Powell R.E., Eyring H., J. Appl. Phys., 12 (1941)

98. Rozema H., Beverloo W.A. Laminar, isothermal flow of non-newtonian fluids in a circular pipe // Pood Sei. Tech. - 1974. Vol. 7. - 14. - P. 223 - 228.

99. Schofield R.K., Scott Blair G.W., Proc. Roy. Soc. (London), A 160, 87-94 (1937).

100. Scott Blair G.W., A survey of general and applied rheology, London, 1949.

101. Scott Blair G.W., Reiner M., Appl. Sei. Research, A2, 225-234 (1950).

102. Sharman L.J., Sones R.H., Cragg L.H., J. Appl. Phys., 24, 703 (1953).

103. Vaicum L., Iliescu A. Discussion on methods of determination biodegradability of detergents-Hidrotehnika Gpsodarirea Apelor// Metoorologia, 1967. - № 12. P. 180-183.

104. Viswanath D.S. Viscosity of Liquids Theory. Estimation, Experiment, and Data. Springer, 2007, 660 p.

105. Zwicky F. Discovery, Invention, Research through the Morphological Approach. New York: McMillan, 1969.