Совершенствование процесса модифицирования картофельного крахмала с применением принципов системного подхода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Леу Анна Геннадьевна

• Леу Анна Геннадьевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Леу Анна Геннадьевна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние систем переработки картофеля в

модифицированный пищевой крахмал

1.1. Общие свойства и структурные особенности крахмала

1.2. Особенности получения и свойства модифицированного пищевого крахмала

1.3 Возможности применения принципов системного подхода при создании технологических линий производства модифицированного крахмала

ГЛАВА 2. Моделирование подсистем подготовки картофельного

сырья к переработке

2.1. Исследование тепло- и массопереноса при хранении картофеля с наличием очагов самосогревания

2.1.1. Объект и методы моделирования

2.1.2. Особенности влияния тепло-массопереноса на картофель при хранении

2.2. Исследование процесса измельчения картофельного сырья

2.2.1. Объект и методы моделирования

2.2.2. Особенности влияния свойств картофеля на эффективность

его измельчения

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования переработки картофеля в модифицированный пищевой крахмал

3.1. Особенности процесса подготовки картофельного сырья к переработке

3.1.1 Объект и методы исследований

3.1.2. Влияние на процесс подготовки сырья к получению картофельного крахмала условий его измельчения

3.2. Изучение процесса модифицирования картофельного крахмала

3.2.1. Объект и методы исследований

3.2.2. Особенности и режимы влияния постоянного магнитного поля на свойства крахмала

3.2.3. Особенности комплексного влияния физических полей на

процесс модифицирования крахмала

ГЛАВА 4. Систематизация процесса построения технологической линии для получения модифицированного картофельного пищевого крахмала

4.1. Современное состояние комплектации и эксплуатации линий крахмалопаточных производств

4.2. Принципы системного подхода при создании технологических линий для производства модифицированного пищевого крахмала

4.3. Схемы устройств для оборудования технологической линии производства модифицированных пищевых крахмалов

Заключение

Список литературы

Приложения

1.Экспериментальные данные по комплексному влиянию

ПМП и УЗ на свойства МК

2.Обработка результатов эксперимента по комплексному

влиянию ПМП и УЗ на свойства МК

3. Акты внедрения

4. Патенты

Тексты публикаций

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса модифицирования картофельного крахмала с применением принципов системного подхода»

Актуальность темы.

В условиях современной мировой рыночной ситуации в сфере производства продуктов питания обострилась необходимость поиска инновационных технологий и систем оборудования, охватывающих все этапы производства модифицированных крахмалов пищевого назначения. Этого требует обеспечение рационального природопользования при расширении ассортимента указанных продуктов, что подтверждено включением соответствующих работ в «Стратегию развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации до2020года» (Распоряжение Правительства Российской Федерации № 559-р от 17.04.12 г.), а также в «Стратегию повышения качества пищевой продукции на период до 2030года» (Распоряжение Правительства РФ№ 1364-р от 29.06.2016 г.) и Программу фундаментальных и прикладных исследований Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСХН на 2010-2030 годы. Ее основная задача «Разработать научные основы систем технологического обеспечения хранения и комплексной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных конкурентоспособных пищевых продуктов общего и специального назначения».

Степень разработанности темы.

Существенное значение в развитие различных вопросов теории тепло-массобменных и механических процессов при создании аппаратов для отечественной пищевой продукции, в том числе, применения различных видов крахмала и его производных внесли следующие отечественные и зарубежные ученые.

Н.Р. Андреев в своих работах исследовал структуру, химический состав и технологические свойства основных видов крахмалсодержащего сырья и обосновал основы производства нативных крахмалов.

В.В. Литвяк посвятил ряд исследованию фундаментальных процессов преобразования картофельного сырья при получении из него модифицированных крахмалов.

А.А. Славянский в ряде трудов осветил проблемы инновационных технологий и оборудования для производства модифицированных крахмалов.

Е.И. Кипрушкина исследовала проблемы послеуборочной обработки плодоовощной продукции.

И.Ю. Потороко и А.А. Руськина заложили в своих работах основы воздействия ультразвукового поля при экстракции биологически активных веществ из растительного сырья и модификации крахмала для изменения его технологических характеристик.

Balunkeswar Nayak, Jose De J. Berrios, Juming Tang изучали влияние обработки пищевых продуктов на гликемический индекс (ГИ) на основе картофеля.

В настоящее время успешно ведутся исследования по разработкам ресурсосберегающих технологий и оборудования для получения безопасного в пищевом отношении крахмала с заранее прогнозируемыми структурой и составом полисахаридов.

Такие исследования, часто носят узковедомственный характер, что препятствует проведению корректных оценок общих потерь сырья на пути «поле» - «потребительский стол» и решению важной народнохозяйственной задачи по рациональному природопользованию. Проведение системных разработок такого рода требует установления функциональных связей между объектами сформированных или выявленных структур и соответствующих технологии и оборудования для успешной их реализации.

Цель и задачи исследований.

Цель работы: совершенствование процесса модифицирования картофельного крахмала с применением принципов системного подхода.

Для достижения поставленной цели на основе анализа возможной общей структуры научных исследований, установления функциональных связей между ее объектами и с учетом степени влияния выявленных факторов на устойчивость этих связей могут быть сформулированы следующие задачи исследований:

1. Выявить современное состояние систем переработки картофеля в модифицированный пищевой крахмал на основании анализа патентной и специальной литературы;

2. Осуществить моделирование тепло- и массопереноса при хранении картофеля с наличием очагов самосогревания;

3. Аналитически описать процесс измельчения картофельного сырья;

4. Экспериментально исследовать влияние на процесс подготовки сырья к получению картофельного крахмала условий его измельчения;

5. Выполнить экспериментальные исследования с построением эмпирических моделей физико-механического влияния на процесс получения картофельного нативного крахмала;

6. Экспериментально исследовать комплексное воздействие ультразвукового и постоянного магнитного полей на процесс модификации картофельного крахмала;

7. Предложить принцип для реализации системного подхода при создании технологических линий и отдельные устройства для производства картофельного модифицированного пищевого крахмала;

8. Апробировать полученные в ходе выполнения указанных задач результаты в реальных условиях, на различных стадиях получения картофельного модифицированного крахмала или при его использовании для приготовления продуктов пищевого назначения.

Методология и методы исследования.

Все исследования, проведенные в настоящей работе, опираются на кинетические и динамические закономерности процедур переноса тепловой энергии и вещества, их анализ, базирующийся на основных законах естествознания, а также на основе опытных данных, полученных по определенным методикам в процессе трансформации картофельного сырья в модифицированный пищевой крахмал. При получении этих данных использованы специализированные методические и инструментальные средства, адаптированных к изучению рационального природопользования. При моделировании реализуемых процессов и анализе построенных моделей использованы современный математический аппарат, в частности,

центрально композиционное ротатабельное планирование эксперимента, а также программное обеспечение в виде пакета прикладных программ Mathcad.

Научная новизна работы состоит в том, что

1. Построена модель подсистемы «хранение» картофельного сырья в виде зависимостей и графиков определяющих распределение теплоты в зоне очага самосогревания.

2. Определены условия воздействия на картофель измельчительного инструмента при предварительной подготовке подтвержденные экспериментально.

3. Показана возможность торможения деградации разорванных фрагментов крахмальной цепочки для более полного использования их реакционных способностей при формировании кристаллических структур на основании совместного влияния полей УЗ и ПМП на процесс модификации крахмала

4. Предложен принцип и алгоритм для реализации системного подхода при системном формировании технологических линий для производства модифицированного крахмала.

Теоретическая значимость результатов работы

Теоретическая значимость проведенных исследований состоит в комплексном анализе влияния условий тепло-массопереноса с учетом возникновения очагов самосогревания в массе картофельного сырья находящегося в условиях хранения и получении расчетных и графических зависимостей для определения времени начала активного вентилирования.

Проведенный анализ позволил получить соотношения характеризующие тепломассоперенос внутри насыпи картофеля, для упрощенных граничных условий, допускающих изолированность боковых стенок хранилища от передачи тепла при практически отсутствующим переносом тепла и влаги через его основание. При этом дополнительно считают, что такая передача между отдельными элементами насыпи может быть реализована только путем теплопроводности. Проведенное моделирование процесса хранения картофеля в условиях активного вентилирования свидетельствует о том, что его эффективность с точки зрения ресур-

сосбережения существенным образом зависит от реализуемых технологических режимов. К ним относятся температура (с ее повышением увеличивается влажность и падает тургор клубня) и начальная упругость клубней (обеспечивающая эффективность его очистки и измельчения). При этом следует отметить, что если в первом случае принципиально ход процесса не изменяется, лишь сам он ускоряется, то во втором случае существенно меняется силовое взаимодействие между отдельными клубнями и рабочим органом измельчительного или очистительного устройства.

Выявлен синергетический эффект совместного действия постоянного магнитного поля и ультразвукового поля обеспечивающий более полное дробление крахмальных цепочек и повышение активности формирования кристаллических структур отвечающих за потребительские свойства крахмала.

Практическая ценность результатов исследования

При проведении исследований выявлена системная взаимосвязь между отдельными этапами производства модифицированного крахмала в виде последовательности подсистем: «хранение», «подготовка» и «получение» модифицированного крахмала, обеспечивающей рациональное использование картофеля. Определены особенности тепло-массобменных и физико-механических процессов происходящих при измельчении картофеля для получения из него крахмала с последующей модификацией, что позволяет осуществить разработку новых устройств при достижении поставленной цели. Результаты реализованы в виде ряда технических решений, защищенных патентами РФ на изобретения № 2650554 «Устройство для измельчения пищевых продуктов», № 2646233 «Устройство для очистки овощей и корнеплодов от кожуры» и патентами на полезные модели №205832 «Устройство для изготовления модифицированных крахмалов», № 205091 «Устройство для распылительной сушки суспензий» и № 204881 «Устройство для тонкого измельчения крахмалосодержащего сырья».

Положения, выносимые на защиту.

1. Теоретические модели при рассмотрении тепло-массобменных процессов в среде при ее нахождении в первой подсистеме - «хранение».

2. Эмпирические модели связи качественных показателей картофельного сырья с воздействием на него измельчительных органов во второй подсистеме «подготовке к переработке»

3. Эмпирические модели комплексного воздействия ПМП и УЗ на подготовленное сырье в третьей подсистеме «получение крахмала».

4. Принцип и алгоритм системного построения технологических линий по производству модифицированных крахмалов.

5. Технические решения для реализации подсистем входящих в систему переработки картофеля в модифицированный крахмал

Достоверность полученных результатов подтверждается проверкой на адекватность построенных эмпирических моделей экспериментальным данным, сходимостью полученных решений математической модели с данными опытных и натурных испытаний в установленных пределах (10%) и тем, что они не входят в конфликт с результатами работ известных из реализуемых другими исследователями разработок.

Внедрение результатов исследований.

Ряд результаты исследований были опробованы в овощехранилище «Кировского рынка», г. Санкт-Петербург, на Кондитерском комбинате АО «Невский берега», г. Санкт-Петербурга и в учебном процессе Военной академии материально-технического обеспечения.

Апробация полученных в работе результатов была выполнена в докладах, обсуждении и публикациях ряда научно-технических конференций и конкурсов международного уровня: «Исследование возможностей ресурсосберегающего измельчения овощей и корнеклубнеплодов в пищевых производствах». В сборнике: Лучшее научное эссе 2023. Сборник материалов международного конкурса. Москва, 2023. С. 19-22; « Цифровизация системного проектирования технологических линий по производству продуктов питания». В сборнике: Актуальные вопросы естественнонаучных и технических дисциплин. Сборник материалов XXI-ой международной очно-заочной научно-практической конференции. Москва, 2023. С. 40-43; « Системный подход к инновациям как основа рационального

природопользования в пищевых системах». В сборнике: Инновационные научные исследования: гуманитарные и точные науки. Сборник материалов X-ой международной очно-заочной научно-практической конференции. Москва, 2022. С. 8293; « Возможности интенсификации производства модифицированных крахмалов». В сборнике: НАШ ВЫБОР - НАУКА. Сборник материалов Международного научно-исследовательского конкурса. Петрозаводск, 2022. С. 13-22; «Пути повышения качества продуктов переработки крахмалсодержащего пищевого сырья». В сборнике: ACADEMIC SUCCESS 2022. Сборник материалов Международного научно-исследовательского конкурса. Петрозаводск. 11.05.2022 -11.05.2022. С.18-56

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях, из них 3 публикации в изданиях, рецензируемых Scopus, 3 публикации в журналах Russian Science Citation Index и 5 патентах РФ на результаты интеллектуальной деятельности.

Структура и объем работы.

Основной текст работы изложен на 263 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. В работе приведено 58 рисунков и 27 таблиц. Список литературы включает 168 источников, из них 24 на иностранном языке.

Основное содержание работы

Во введении произведено обоснование актуальности и названия исследования, а также сформулированы его цель и задачи для достижения научной новизны и практической ценности результатов исследований, изложены важнейшие положения, предложенные к защите.

В главе 1 «Современное состояние систем переработки сырья в модифицированный пищевой крахмал» осуществлен аналитический обзор современного состояния проблем получения пищевого модифицированного крахмала. Проанализированы общие свойства и структурные особенности крахмала, а также

особенности получения и свойства модифицированного пищевого крахмала, сделан акцент на возможности применения принципов системного подхода при создании технологических линий производства модифицированного крахмала.

Особенное внимание обращено на опыт компаний, давно и успешно действующих в области производства модифицированных крахмалов, например, на достижения шведской компании SSF, Sveriges Starkelseproducenter Foreшng (часто называемой Lyckeby).

Это производство возникло в 1927 году в виде объединения фермеров, насчитывавшего около 800 членов. В настоящее время производство является собственностью 600 фермеров из юго-восточной части Швеции. Из них непосредственно выращиванием картофеля заняты только 400. Основную часть посадок картофеля на 8000 гектарах составляют его технические сорта, содержащие крахмал до 20%.

Руководством фирмы изначально была принята идея воспринимать картофель как сырье для переработки. Часто проблема неконкурентоспособности такого типа производств состоит в том, что ими во главу угла ставится производство картофеля столовых сортов, а на переработку в крахмал отправляется либо некондиция, либо излишки. Содержание крахмала в таком сырье часто бывает 10-13% или ниже, поэтому об его экономической эффективности говорить не приходится. В отечественной практике часто если хозяйство и вырастит картофель с необходимым процентом крахмала, то оно старается поставить его в торговлю для получения прибыли. В компании SSF такой подход исключен, поскольку там картофель выращивают по специальным техническим регламентам, он в реализацию просто не направляется.

Опыт такого рода фирм говорит о том, что значительная часть успехов в снабжении населения разнообразными продуктами питания, в том числе с использованием модифицированных крахмалов, зависит от принимаемых концепций в той или иной области пищевой промышленности. Вместе с тем возможность принятия таких концепций базируется на системном подходе, предполага-

ющем специальный выбор из наличия соответствующего перерабатывающего оборудования.

В главе 2 «Моделирование подсистем подготовки картофельного сырья к переработке» изложены основные теоретические подходы, используемые в работе для выявления возможных путей решения поставленной цели и задач.

В качестве конкретной задачи, для которой эти подходы использовались, явилось исследование тепло- и массопереноса при хранении картофеля с наличием очагов самосогревания, в частности, особенности влияния тепло-массопереноса на картофель при хранении и исследование процесса измельчения картофельного сырья, в рамках изучения особенности влияния свойств картофеля на эффективность его измельчения.

В рамках первой из задач насыпная масса рассматривалась в виде сплошной среды с механизмом определяемом основными положениями передачи теплоты кондуктивным способом. Такие допущения позволяют применить принципы феноменологического описания возникающих возмущений распределения тепло- и влагосодержания, причем такой подход в полной мере учитывает происходящие изменения в этом случае при тепломассообмене в рассматриваемых средах. Указанные допущения могут достаточно корректно описывать распределение теплоты в дискретной насыпи, например картофеля, которую предполагая наличие очага самосогревания представляют в виде геометрических тел классически описанных ранее и при других допущениях, что относится как к бесконечной пластине, так к цилиндру или шару.

Изложенные соображения дали основания характеризовать состояние температурного поля для заранее выбираемого промежутка времени при произвольном расположении исследуемой точки пласта, выделяемого тепло, толщиной 2R результатами решения известных уравнений теплопроводности приводимых в предлагаемом ниже виде. При такой записи учитывают, что окружающий этот слой массив насыпи, имеет свой тепловой фон:

для пласта выделяющего тепло в этом случае имеем [14]

д*1 _ д г, д^

Рс1

дт дz

л

л

V

дz

+ Ч

У

(1)

в то же самое время для окружающей его насыпи

д2 У

Рг с2

дт дz

V

+ Чо

(2)

где т - продолжительность процесса;

ъ - расстояние от пола до средней плоскости пласта выделяющего тепло; р - удельная плотность, учитывая порозность насыпи всего массива картофеля; с - удельная теплоемкость для предыдущих условий; X - коэффициент удельной теплопроводности для принятыхр и с; \ - температура в исследуемой точке массива картофеля;

д0 - интенсивность тепловыделения массива картофеля, который окружает пласт; ди - интенсивность тепловыделения пласта повышенной тепловой активности.

Индекс 1 относится к пласту выделяющему тепло, индекс 2 - к окружающему пласт массиву картофеля.

Система уравнений, записанная как совокупность уравнений (1) и (2), анализировалась с использованием методов суперпозиции при следующих ограничениях. Пусть температура пласта, который является источником теплоты, первоначально одинакова во всех его точках. Дополнительно будем считать, что ее

, при температуре в объеме хранящегося картофеля равной

значения

12 (Х о) = 1С

11 (х, о)= *о

а дополнительным условием при этом, определяющим решение задачи

являются достаточно большие размеры насыпи. Тепловой контакт пласта самосогревания и остальной насыпи предполагаем отвечающим закону теплопроводности. В условиях таких ограничений дополнительно будем предполагать скорости выделения теплоты самого пласта ди, а в окружающей его объеме насыпи д0 постоянными по времени. Кроме того, характеристики картофеля в пласте, задающие его теплофизические возможности, так же как в окружающем объеме картофеля будем считать неизменными, хотя для общности рассуждений различ-

ными. Для сформулированных условий задача решается с заданными краевыми условиями и в предположении 10=1С для пласта, являющегося источником дополнительного выделения теплоты:

г

к * о =

Л

ЛС1

Чш - Чо-

V РС J

с

Лс1

4

л

1--^

V 1 + К J

+

Ч от

Р2 С 2

где через Б1 обозначим сумму слагаемых

=к- ь)п-1~

(2п -1)- — (2п -1)+

ег J с-

Я

2л[Ёо~1

+ ег ] с-

Я

для массива насыпи картофеля

где

(3)

(4)

Рисунок 1 - Интерпретация контакта пласта выделяющего тепло с насыпью [14]:

А, В - расстояния от границ насыпи до пласта; 2Я1 - толщина пласта; И - расстояние от срединной плоскости пласта, выделяющего тепло до исследуемой точки.

Решения, полученные для сформулированной задачи могут быть использованы для определения промежутков времени включения активного вентилирования. Они определяются температурой регистрируемой специальными датчиками в массиве насыпи картофеля близкой к максимально допустимой (линия ^ах(х) на

т

—

п

рис.2.). Снижение температуры в массиве насыпи картофеля, регистрируемое тем же датчиком до ^т(х), определяет время выключения активного вентилирования для поддержания в массиве насыпи картофеля наиболее комфортной для хранения температуры.

12

Е- 3

С. [шш[х) ^

^ [так(х)

I *

С'1 1.4 1.3 2.2 2.6 3 14 4.2 4.6 5 х

высота насыпи, ы

Рисунок 2. - Временные промежутки охлаждения насыпи картофеля

1:(х) - характер распределения температуры по высоте массива насыпи картофеля

^т(х)- минимальная рекомендуемая температура

^ах(х) - максимальная рекомендуемая температура

Из приведенных результатов следует, что на 29-ые сутки температуры будет равна 4 оС, что граничит с ее рекомендуемым допустимым значением, а при 44-ых сутках температура поднимется уже до 6 оС. В этот период необходимо осуществить режим активного вентилирования воздухом 0 оС вплоть до снижения температуры до 3оС.

Другая задача, модель которой рассматривалась в этой главе касалась рассмотрения обобщенного процесса резания картофеля при его измельчении и получение аналитических зависимостей для определения силовых параметров взаимодействия режущей кромки ножа с материалом.

Следуя основным положениям теории упругости силу Р, приложенную к режущему лезвию со стороны разделяемого материала, можно представить в виде сил Руи Рх, как составляющих по осям у и х. Для такого представления можно записать соотношение:

- —

— - —

У V

Р = Р = Рк + N sin ах + F1 соэа + N эт(а2 - ах) + F2 соэ(а2 - ах) +

кр

+ N sin а + F соэа3 + F + F;

Из него вытекает выражение для суммы сил проектируемых на плоскость

разрезаемого картофеля:

Р = N соэ а - F sin а - N соэ(а2 - а) + F sin(а - а) -

- N соэа + Р sin а - N + N;

(6)

В этом случае получаем, что на лезвие действует сила определяемая так:

р = ^р2 + р

х •>

(7)

Пусть |а2 -а1 = Щ. Для этого случая силы, действующие на плоскость притупления, примыкающую к плоскостям ограничивающим лезвие будут выглядеть таким образом (рис. 3).

Рисунок 3. - Силы, действующие на плоскость притупления ножа

Для элементарной силы сжатия йРсж, со стороны разделяемого материала действующей на площади dF единичной длины, со стороной dx имеем: dP = Е -б • dh • ;

сж сж сж о

где ^ж.х - деформация для величины х от кромки лезвия.

После ряда преобразований решение исходного уравнения имеет вид

1 Е 1 1+х

Рсж =-,—(Е)п • (^ • КжтХ

1+1ь

п

(8)

2

здесь показатель п, входящий в степень зависит от эксплуатационных свойств материала и скорости резания картофеля.

Подставляя в соотношение (8) значение п=1, что соответствует упругому поведению материала подвергаемого измельчению, после преобразования получим

1 Е 2

рсж =- (—) • • ксж)

2 п

где а1 - угол заточки ножа.

Полученной выражение говорит о том, что в процессе резания по мере уменьшения ширины лезвия, то есть увеличения его износа ( 0 <Иреа<И) величина силы Р уменьшается и процесс становится неэффективным, а сам продукт подвергается дополнительным деформациям сжатия, при которых производится его смятие.

Рисунок 4. -Изменение силы резания по мере износа инструмента для разных углов заточки лезвия а1

При практической реализации процессов измельчения, нужно стремиться по возможности, к равномерному распределению режущей силы по нескольким режущим кромкам, что позволяет производить разделение материала в зоне упругих деформаций при сохранении необходимой остроты режущего инструмента. Эти принципы можно заложить при определенной конструкции абразивных инструментов.

В главе 3 «Экспериментальные исследования переработки картофеля в модифицированные крахмалы» описаны результаты изучения особенностей процесса подготовки картофельного сырья к переработке касающиеся, в частно-

сти, влияния на процесс получения картофельного крахмала режимов и аппарата для его измельчения.

Результаты исследования процесса влияния на нативный картофельный крахмал постоянного магнитного поля позволили выявить особенности и режимы комплексного влияния магнитного и ультразвукового полей на процесс модификации крахмала.

Подготовка картофельного сырья к получению из него крахмала, в частности его измельчение, является одной из важнейших операций производства. Для измельчения использовали клубни, заложенные на хранение в соответствии с требованиями ГОСТ 26832-86 - «Картофель свежий для переработки на продукты питания» прошедший хранение, с применением активной вентиляции.

В качестве образцов измельчительных вкладышей в составе картофелечистки МОК-125 для испытаний выбирали абразивные пластины, для которых в качестве абразива использовали зерна карбида кремния 63С160 и электрокорунда белого марки 24А60, которые соответственно закрепляли бакелитовой связкой, в первом случае, и никелевой связкой во втором случае [112-121].

а) б)

Рисунок 5. - Абразивные пластины: а) сплошное штатное покрытие; б) дискретный экспериментальный абразив.

Готовые терочные элементы устанавливали в рабочую камеру экспериментальной установки.

Рисунок 6 - Рабочая камера с терочными вкладышами

После каждой серии опытов с помощью лабораторного микроскопа 8МЕ-Р8 (увеличение 40-640х) анализировалась поверхность частиц получаемых в результате измельчения.

При проведении эксперимента крахмалосодержание крахмальной суспензии определяли по методу Эверса.

Исследование процесса измельчения осуществляли с применением трех видов абразивных покрытий: сплошной абразив на основе карбида кремния 63С160 и бакелитовой связки, поставляемый по паспорту вместе с картофелечисткой МОК-125, экспериментальные сплошные вкладыши, изготовленные на базе нового покрытияиз зерна электрокорунда 24А60 закрепленного никелевой связкой и вкладыши с новым абразивом в виде абразивных полос. Полосы наносили шириной 10 мм с расстоянием между ними 10 мм. Образцы были получены методом гальваностегии на специальной экспериментальной установке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Леу Анна Геннадьевна, 2023 год

- —

— - —

У V

Р = Р = Рк + N sin ах + F1 соэа + N эт(а2 - ах) + F2 соэ(а2 - ах) +

кр

+ N sin а + F соэа3 + F + F;

Из него вытекает выражение для суммы сил проектируемых на плоскость

разрезаемого картофеля:

Р = N соэ а - F sin а - N соэ(а2 - а) + F sin(а - а) -

- N соэа + Р sin а - N + N;

(6)

В этом случае получаем, что на лезвие действует сила определяемая так:

р = ^р2 + р

х •>

(7)

Пусть |а2 -а1 = Щ. Для этого случая силы, действующие на плоскость притупления, примыкающую к плоскостям ограничивающим лезвие будут выглядеть таким образом (рис. 3).

Рисунок 3. - Силы, действующие на плоскость притупления ножа

Для элементарной силы сжатия йРсж, со стороны разделяемого материала действующей на площади dF единичной длины, со стороной dx имеем: dP = Е -б • dh • ;

сж сж сж о

где ^ж.х - деформация для величины х от кромки лезвия.

После ряда преобразований решение исходного уравнения имеет вид

1 Е 1 1+х

Рсж =-,—(Е)п • (^ • КжтХ

1+1ь

п

(8)

2

здесь показатель п, входящий в степень зависит от эксплуатационных свойств материала и скорости резания картофеля.

Подставляя в соотношение (8) значение п=1, что соответствует упругому поведению материала подвергаемого измельчению, после преобразования получим

1 Е 2

рсж =- (—) • • ксж)

2 п

где а1 - угол заточки ножа.

Полученной выражение говорит о том, что в процессе резания по мере уменьшения ширины лезвия, то есть увеличения его износа ( 0 <Иреа<И) величина силы Р уменьшается и процесс становится неэффективным, а сам продукт подвергается дополнительным деформациям сжатия, при которых производится его смятие.

Рисунок 4. -Изменение силы резания по мере износа инструмента для разных углов заточки лезвия а1

При практической реализации процессов измельчения, нужно стремиться по возможности, к равномерному распределению режущей силы по нескольким режущим кромкам, что позволяет производить разделение материала в зоне упругих деформаций при сохранении необходимой остроты режущего инструмента. Эти принципы можно заложить при определенной конструкции абразивных инструментов.

В главе 3 «Экспериментальные исследования переработки картофеля в модифицированные крахмалы» описаны результаты изучения особенностей процесса подготовки картофельного сырья к переработке касающиеся, в частно-

сти, влияния на процесс получения картофельного крахмала режимов и аппарата для его измельчения.

Результаты исследования процесса влияния на нативный картофельный крахмал постоянного магнитного поля позволили выявить особенности и режимы комплексного влияния магнитного и ультразвукового полей на процесс модификации крахмала.

Подготовка картофельного сырья к получению из него крахмала, в частности его измельчение, является одной из важнейших операций производства. Для измельчения использовали клубни, заложенные на хранение в соответствии с требованиями ГОСТ 26832-86 - «Картофель свежий для переработки на продукты питания» прошедший хранение, с применением активной вентиляции.

В качестве образцов измельчительных вкладышей в составе картофелечистки МОК-125 для испытаний выбирали абразивные пластины, для которых в качестве абразива использовали зерна карбида кремния 63С160 и электрокорунда белого марки 24А60, которые соответственно закрепляли бакелитовой связкой, в первом случае, и никелевой связкой во втором случае [112-121].

а) б)

Рисунок 5. - Абразивные пластины: а) сплошное штатное покрытие; б) дискретный экспериментальный абразив.

Готовые терочные элементы устанавливали в рабочую камеру экспериментальной установки.

Рисунок 6 - Рабочая камера с терочными вкладышами

После каждой серии опытов с помощью лабораторного микроскопа 8МЕ-Р8 (увеличение 40-640х) анализировалась поверхность частиц получаемых в результате измельчения.

При проведении эксперимента крахмалосодержание крахмальной суспензии определяли по методу Эверса.

Исследование процесса измельчения осуществляли с применением трех видов абразивных покрытий: сплошной абразив на основе карбида кремния 63С160 и бакелитовой связки, поставляемый по паспорту вместе с картофелечисткой МОК-125, экспериментальные сплошные вкладыши, изготовленные на базе нового покрытияиз зерна электрокорунда 24А60 закрепленного никелевой связкой и вкладыши с новым абразивом в виде абразивных полос. Полосы наносили шириной 10 мм с расстоянием между ними 10 мм. Образцы были получены методом гальваностегии на специальной экспериментальной установке.

В процессе проводимых исследований выявляли влияние типа абразивного покрытия и наличия абразивных полос на качество измельчения картофеля и ресурсосберегающие возможности соответствующих машин [112-121].

В качестве сырья использовался картофель сорта «Лорх» с содержанием крахмала 15 - 20% и сухого вещества - 23%, отобранный в соответствии с ГОСТ 26832-86.

Эксперимент проводили на клубнях, откалиброванных из общей массы картофеля на крупные клубни (200 ±20 г) и мелкие клубни ( 100 ±20г). Поскольку

в переработке картофеля на крахмал обычно использую мелкие клубни, то эксперимент проводился на второй фракции.

Регламент эксперимента включал в себя четыре этапа испытаний: в сентябре, декабре, феврале и мае.

При проведении экспериментов устанавливалась связь между видом абразивного покрытия и временем измельчения. Замеры проводили через каждые 30 секунд до окончательного измельчения картофеля при первоначальной загрузке 5 кг.

Анализ построенных графиков говорит о том, что измельчение клубней, при использовании абразивных покрытий на основе электрокорунда и никелевой связки, достигается для сплошного и прерывистого покрытий почти одновременно примерно за 100 секунд, по сравнению с 200 секундами для штатных рабочих органов, для одинаковых сроков хранения картофеля.

время очистки. с

Рисунок 7. Изменение количества оставшегося картофеля от времени и типа абразивных пластин : у0 - традиционный сплошной абразив; у1 - сплошной абразив на базе никелевой связки; у2 - прерывистый абразив на базе никелевой связки.

Скорость измельчения картофеля с течением срока хранения традиционными абразивами на бакелитовой основе различна. Такой эффект возможно объясняется различной остротой режущих кромок, о чем говорят снимки поверхностей измельчения картофеля.

Более острые комки электрокорунда позволяют не только повысить производительность процесса измельчения, но и повышают качество очистки. Эта закономерность сохраняется на всех этапах его хранения.

а) б)

Рисунок 8 - Поверхность среза картофеля при измельчении (х50) а - традиционным абразивом на основе зерна карбида кремния; б - новым абразивом на основе зерна электрокорунда (сплошным).

Важный эффект наблюдается при сравнении структуры частичек самой полученной картофельной кашки (рис.9).

На приведенных фотографиях приведены снимки микростуктуры частиц картофеля измельченных сплошным и прерывистым абразивными покрытиями на основе зерна электрокорунда. Отчетливо видны разрушенные крахмальные зерна, причем в большем количестве на снимках, относящихся к кашке, полученной с использованием прерывистых абразивных покрытий.

а) б)

Рисунок 9 - Структура срезов частиц картофеля при измельчении

абразивным покрытием(х350) а - сплошным абразивом на основе зерна электрокорунда; б - прерывистым абразивом на основе зерна электрокорунда.

Результаты, полученные в ходе экспериментов, убедительно свидетельствуют о том, что ресурсосбережение при получении картофельного крахмала требует не только поддержания заранее определенных режимов хранения сырья необходимых для сохранения его исходного качества, но и применения современных измельчительных средств на основе зерна электрокорунда 24А60 с прерывистой топологией в виде полос. Это обеспечивает более полное извлечение крахмала из заготовленного сырья для производства крахмала, за счет частичного разрушения крахмальных зерен.

При подготовке ингредиентов для проведения следующего этапа эксперимента перед приготовлением крахмальной суспензии использовали электронные весы MaxwellMW - 1451 БЯ, с точностью измерений до 0,1 грамма. Для измерения индукции магнитного поля использовали магнитометр МФ- 34ФМ «МАГ-НОСКАН» (диапазон измерений 1-600 мТл, с погрешностью менее 10%)

Рисунок 10 - Магнитный преобразователь воды для опытов(MWS Бу15):

1-ферромагнитный корпус; 2 - накидная гайка; 3-цилиндрический постоянный

магнит.

В проводимых испытаниях использовали образцы двух видов:

1) Крахмальную суспензию, полученную отстаиванием в течение 6 часов картофельной кашки из протертого картофеля при соотношении ее с водой 1:4 при течении по цилиндрическому каналу 8 мм под давлением Р1 = 0,15 МПа и

Р2 = 0,25 МПа при температуре 30 оС.

2) Такую же суспензию, при прежних давлениях и температуре, но при течении в канале с индукцией в потоке В= 125 мТл, создаваемой с помощью магнит-

ного преобразователя воды (рис.10) типа MWS Dy15, изготовленного из стали 12Х18Н10Т и пищевой резины по ГОСТ 17138-83.

Для проведения экспериментальных исследований в качестве варьируемых параметров выбирали: магнитную индукцию в технологическом канале экспериментальной установки (мТл) и а наличие кавитации, возникающей при турбулентности и число Рейнольдса (Яе) определяемое скоростью подаваемого на обработку потока жидкости. Изменения происходящие в обрабатываемой крахмальной суспензии для разных параметрах перемещения жидкости оценивали по методу Эверса, сразу же на выходе из технологического канала. Экспериментально выявлено, что крахмалосодержание в картофельной кашке меняется в зависимости от режимов обработки в постоянном магнитном поле и скорости движения суспензии. Для исследованных режимов обработки, в зависимости от величины критерия Рейнольдса, исследуемые зависимости поменяли характер поведения, обнаружив определенные различия при разных турбулентностях и сопутствующих эффектах кавитации в потоках.

время, сек время, сек

а) б)

Рисунок 11 -Апроксимирующие зависимости содержания крахмала в суспензии (1 - без обработки ПМП, 2 - с обработкой в ПМП) при различных режимах течения суспензии: а) Яе=1460;б) Яе=2430

Изменения содержания крахмала в суспензии, перемещающейся по технологическому каналу при температуре 30оС, возможно связаны с начинающимися из-за кавитации процессами разрушения крахмальных зерен. Часть сегментов

разрушенных амилозных цепочек начинает клейстеризоваться, а другая их часть под действием постоянного магнитного поля выстраивается в таком направлении, которое затрудняет ретроградацию крахмала и одновременно не участвует в процессе клейстеризации.

При турбулентном движении суспензии (Яе=2430) цепочки разрываются более интенсивно, но магнитное поле по-прежнему удерживая процесс ретрогра-дации, стимулирует уменьшение крахмалосодержания. Зависимость 2 показывает более интенсивное его падение по сравнения с образцами суспензии не обработанными постоянным магнитным полем [113].

Полученные предварительные данные по влиянию постоянного магнитного поля в перемещающемся потоке крахмальной суспензии, позволяет судить о том, что при определенных условиях такого рода воздействие может влиять на процесс получения и свойства крахмала.

Для определения белизны полученного крахмала использовали лабораторный белизномер марки РЗ БПЛ-ЦМ, в единицах которого записывали результаты экспериментов.

При дальнейших исследованиях изменений свойств крахмала под действием постоянного магнитного поля (ПМП) в качестве функций отклика выбирали:

- доброкачественность крахмала определяемую значением коэффициента Эверса, в %;

- белизну по прибору РЗ БПЛ-ЦМ, в ед. прибора.

Варьируемыми в эксперименте параметрами выбирали:

т - время обработки и В - магнитную индукцию, записанные в кодируемом

виде.

Для отыскания регрессионной зависимости, адекватно отображающей реальный процесс определяли значения варьируемых параметров и объем эксперимента в соответствии с рекомендациями для центрального композиционного ротатабельного плана.

Зависимости У1 иУ2 от варьируемых параметров эксперимента искали в виде ^ = Ьа +ЬХ+ Ь2Х2+ ЪпХ1X2+ Ъ11х12+ Ь22Х22

Коэффициенты, вычисленные для результатов выполненного эксперимента привели к следующим уравнениям регрессии:

У1 = 87.17-0.81X1+1.90X2 -0.42Х12 +0.91Х22 +0.21 X1Х2 У2 = 95.84+1.56X1-1.24X2-1.56Х12-1.57Х22- 0.57X1 Х2

Анализ зависимостей описываемых этими уравнениями проводили графически. Для этого строили графики поверхностей описываемых полученными функциями отклика. Они приведены на рисунке 12.

Графики построены в осях ОХ и ОУ соответствующих времени обработки в ПМП и индукции магнитного поля, записанных в кодированных переменных.

Коэффициент множественной детерминации Я2 = 0.79, свидетельствует о хорошей сходимости полученного уравнения регрессии У1 с кодированными переменными XI и X2 и реальной зависимостью между целевой функцией и изменяемыми параметрами.

Таблица 1

Матрица планирования эксперимента по определению доброкачественности из-

влеченного крахмала (У1), а также его белизны (У2)

№ оп ыт ов Значения нормированных факторов Значения функции отклика У1 Значения функции отклика У2

X1 X2 X1X2 X,2 x 2 экспе- рим. Ун расчетные Y1p экспе- рим. У21 расчетные У2р

1 1 1 1 1 1 0,76 0,75 60,65 60,66

2 -1 1 -1 1 1 0,82 0,82 61,66 61,65

3 1 -1 -1 1 1 0,71 0,71 61,78 61,76

4 -1 -1 1 1 1 0,69 0,77 60,57 60,59

5 1,41 0 0 2 0 0,71 0,71 61,65 61,77

6 -1,41 0 0 2 0 0,81 0,81 60,60 60,59

7 0 1,41 0 0 2 0,80 0,80 61,65 61,63

8 0 -1,41 0 0 2 0,77 0,75 61,79 61,71

9 0 0 0 0 0 0,76 61,78

10 0 0 0 0 0 0,76 61,79

11 0 0 0 0 0 0,77 61,77

При обработке таблицы экспериментальных результатов для целевой функции относящейся к белизне получены уравнения регрессии с коэффициентом множественной детерминации Я2 = 0.88.

Проведение даже визуального анализа рис.12а), говорит о том, что наиболее высоких значений для доброкачественности крахмала получают при большом времени обработки и незначительных индукциях магнитного поля.

Другой рисунок - 12 б) свидетельствует о явно выраженном экстремальном характере изменения белизны в этом процессе. Значения варьируемых параметров при этом, для достижения экстремального значения белизны, можно определить по соответствующему уравнению регрессии с проверкой критической точки по критерию Сильвестра после его дифференцированию.

время, сек

время, сек

а) б)

Рисунок 12 - Графики поверхностей отклика: а) - Уь б) - У2

Проведение вычислительных выкладок состоит в решении системы получаемых после дифференцирования уравнений с определением знака такого выражения:

А = Э2У/Э2Х1ХЭ2У/Э2Х2 - (д2У/дХ1дХ2)2 При использовании в качестве У функции отклика для доброкачественности это выражение отрицательно и экстремум отсутствует. Если же в качестве такой функции использовать белизну, то критерий Сильвестра окажется положителен, причем при этом ее производная по Х1 примет отрицательное значение. Такое сочетание говорит о наличии экстремума белизны в критической точке. Численное его определение осуществляют решением системы уравнений после приравнива-

ния нулю первых производных функции белизны для разных варьируемых факторов:

Полученные решения записанной системы уравнений Х1= 0,57 и Х2= -0,41, доставляют оптимум целевой функции и определяют их физические значения при обработке крахмальной суспензии в постоянном магнитном поле для получения нативного продукта максимальной белизны.

Практическое использование результатов анализа полученных выше уравнений регрессии целевых функций можно осуществить при их графической интерпретации в виде линий уровня. На построенных графиках отложены кодированные переменные: по горизонтальной оси - время обработки, а по вертикальной оси - магнитная индукция.

Для практического применения такой номограммы, при получении крахмала, например, с точки зрения получения максимальной белизны, достаточно найти кривую с соответствующим значением линии уровня.

Оптимальная величина белизны достигается как показано выше при значениях технологических параметров: времени обработки (Х1) = 0,57 и плотности магнитного потока (Х2) = - 0,41.

время, сек

Рисунок 13. - Графики линий уровня поверхностей отклика: 1 - У1; 2 - У2

Для найденных значений, подставленных в уравнение регрессии для У1, можно получить значение доброкачественности крахмала, который получают при

№/№= 0;ЭУ2/ЭХ2= 0.

га -з- -£ 1

обработке в постоянном магнитном поле для выбранных параметров. В рассматриваемом случае доброкачественность крахмала достигнет величины 85,7%.

Если по технологическим условиям требуется достичь другой величины целевой функции, например У1= 90 , то на построенной номограмме выбирают именно эту линию уровня и находят ее пересечение с другой целевой функцией заданного значения (например, У2= 90). Для таких значений кодированных изменяемых факторов одновременно достигаются значения целевых функции У1 -доброкачественность крахмала (определяемую значением коэффициента Эверса), 90% и У2 - белизна (по прибору марки РЗ БПЛ-ЦМ), 90 ед. прибора.

При реальном применении разработанных рекомендаций удобно пользоваться не кодированными переменными, а фактическими численными величинами физически изменяемых параметров. Чтобы перейти от кодированных переменных к физическим переменным, необходимо воспользоваться ранее введенными соотношениями. Подставляя найденные оптимальные значения кодированных переменных и решая их относительно времени или плотности магнитного потока, находили величины: т=85Х1+180 и В=46Х2+125.

Проведя несложные выкладки, можно получить, что для достижения максимума белизны в технологическом процессе нужно выбрать время обработки т=228,45с и магнитной индукции В =106,14 мТл.

На следующем этапе эксперимента выясняли, как может повлиять «физическая» модификация с одновременным применением постоянного магнитного и ультразвукового полей на другие свойства крахмала.

При подготовке образцов для эксперимента готовили двух видов, с различными режимами процесса образования клейстера:

1) клейстер получали нагревая суспензию крахмала с водой в соотношении 1:4 при температуре 80 °С, до полного получения клейстера;

а) б)

Рисунок 14 - Ультразвуковая установка и использованное сырье:

а) установка в составе: 1 - генератор, 2 - вольтметр, 3 - амперметр, 4 - излучатель, 5 - 7 - образцы крахмальной суспензии.

б) картофельный крахмал

2) клейстер получали, заменяя нагревание на обработку в поле ультразвука от генератора «Волна-Л» модели УЗТА-0,6/22-0Л при частоте 20±2 кГц и выходной мощности 630Вт при интенсивности излучения до 100 Вт/см2 для продолжительности 8-9 минут (с осуществлением контроля температуры до 30оС). После этого клейстер нагнетали по трубопроводу с источником ультразвука, выполненного в виде магнитострикционного механизма и снабженным на выходе постоянным магнитом. Скорость течения суспензии регулировали за счет нагнетания избыточного давления.

Использованные для эксперимента образцы суспензии нативного картофельного крахмала, в процессе их подготовки к испытаниям, на протяжении определенного времени до достижения ими температуры 30оС обеспечиваемой обработкой в ультразвуковом поле помещали в УЗ поле, обеспечиваемое акустическим источником ультразвуковых колебаний «Волна-Л» модель УЗТА - 0,63/22 - ОЛ, на частоте 20 ± 2 кГц при обеспечиваемой выходной мощности 630 Вт и интенсивность излучения до 100 Вт/см2 (рис3.19).

Набухаемость крахмала оценивалась в эксперименте сравнением объемов геля полученного после обработки в экспериментальной установке и после традиционного гелеобразования. Это отношение определяли по мерительной сетке раз-

меченных стекол, принимая за объем половину объема цилиндра диаметром равным гидравлическому диаметру занимаемого гелем пятна на наибольшую его высоту.

Для контроля этого процесса использовали специальное устройство для формирования образцов с регулируемым диаметром разливающего канала.

При исследовании влияния на свойства картофельного крахмала физических полей подвергали воздействию крахмальную эмульсию, в принятой ранее концентрации 1:4 на установке (рис.15).

Рисунок 15. - Схема экспериментальной установки

Установка позволяла обрабатывать эмульсию ультразвуковыми колебаниями, за счет установленного на канал ее перемещения (на рисунке показано стрелкой) магнитострикционного механизма 8, с дальнейшей деполяризацией фрагментов амилазных цепочек в зазоре между постоянными магнитами 2 и 3 и приемной емкостью на выходе обработанной суспензии.

После подготовки образца при различных режимах обработки производилось его свободное растекание (рис.16) на подготовленной поверхности. Фиксировалась геометрия (диаметр пятна и высота формируемого объема продукта) от начала до окончания процесса растекания и формирования геля.

Рисунок 16. - Размещение обработанного образца на размеченном стекле

Клейстеризация крахмальной суспензии проводилась на специально размеченной стеклянной пластине с контролем контура растекания (рис.17) по окончании процесса гелеобразования. Для уточнения качественных наблюдений изменения интенсивности гелеобразования и его свойств проводился эксперимент с использованием теории планирования.

а)

б)

в)

Рисунок 17 - Образцы в момент начала гелеобразования а) повышенная вязкость; б) - средняя вязкость; в) - пониженная вязкость.

В нем предполагали зависимость водной суспензии крахмала от совместного действия УЗ и ПМП и определили выбор для исследования таких свойств, как У1- набухаемость крахмала, % и У2 - доброкачественность крахмала, ед.прибора. Одновременно контролировались изменения образца по высоте (рис.18).

а)

б)

в)

Рисунок 18. - Образцы по окончании гелеобразования а) низкая плотность геля; б) средняя плотность геля; в) наиболее прочный гель

Варьируемыми в этом процессе параметрами выбирали:

• х1- скорость подачи суспензии, л/сек;

• Х2- диаметр технологического канала, мм;

• х3- напряжение импульса на катушках магнитостриктора, В;

• х4- частота разрядов на магнитострикторе, 1/с;

• x5- магнитная индукция на выходе из канала, мТл;

• x6- угол рабочего конуса камеры технологического корпуса, град. После выбора интервалов варьирования соответствующие переменные в

кодированном виде записывали следующим образом:

X1=(x1 -0,75)/0,03; X2=(x2-14)/2; Хз=(хз-40)/10;

Х4=(х4-2)/1; Х5=(х5-12,5)/7,5; Хб=(хб-45)/15.

Математико-статистический анализ полученных результатов дал возможность с помощью использования пакета программ Excel построить уравнения регрессии для выбранных функций отклика в виде:

Yi =33,04 - 2,07Xi + 3,02X2 + 0,20Хз - 0,10Х4 - 0,01Х5 + 0,04Хб Y2 =16,68 + 3,32Xi + 5,43X2 - 0,23Хз + 0,64X4 + 0,04X5 - 0,19Хб Величины коэффициента множественной детерминации R2, полученные после проведенных вычислений убедительно свидетельствуют о том, что построенные уравнения регрессии, достаточно хорошо описывают функции отклика.

Анализируя таким образом полученные в эксперименте данные, можно откорректировать построенную корреляционную матрицу и для дальнейшего проведения и обработки результатов выбрать в качестве варьируемых на завершающем этапе следующие параметры:

- диаметр технологического канала, мм

- напряжение импульса на катушках магнитостриктора, В;

- угол рабочего конуса камеры технологического корпуса, град . Проводя при помощи EXCEL математико-статическую обработку данных

полученных при экспериментах, оценивали значимость вычисленных коэффициентов для уравнения регрессии целевой функции Y1. Для канала диаметром 12 мм такое уравнение для набухаемости записывали в виде: Y112 = 69.58 + 0.63X3 - 0.23Х32 - 0.74Хб2 + 0.02X3X6

Аналогичная обработка данных для целевой функции Y2 позволяет для доброкачественности модифицированного крахмала записать соотношение: Y212 = 73.16 - 2.82X3 + 0.33X32 - 0.037X62 + 0.0IX3X6

Графическая интерпретация полученных уравнений для функций отклика представлена на рис.19 в виде поверхностей определяемых варьируемыми напряжением импульса и углом конусности.

Рисунок 19 - Поверхности уровней функций отклика (диаметр 12 мм) : У1 - набухаемости (1); У2 - доброкачественности (2)

Аналогичным образом для результатов эксперимента для технологических каналов диаметра 14 мм и 16 мм , позволяют вычислить коэффициенты уравнений регрессии соответствующих функций отклика и представить их таким образом.

При характерном диаметре технологического канала 14 мм они будут выглядеть в виде:

У114 = 79.94- 0.59Хз2 + 0.24Хб2

У214 = 69.43 + 0.02Хз2 + 0.05Х62

Так же, как и для канала диаметром 12 мм, их можно проиллюстрировать графически в виде поверхностей отклика зависящих от варьируемых в опытах параметров.

Рисунок 20 - Поверхности уровней функций отклика (диаметр 14 мм): У1 - набухаемости (1); У2 - доброкачественности (2)

При рассмотрении канала диаметром 14 мм явно прослеживается влияние его размера на скоростной режим движения суспензии при одном и том же напоре на входе в трубопровод, что отражает коэффициент Рейнольдса. По-видимому, как и в предыдущих исследованиях, это является следствием интенсификации процессов разрушения крахмальных зерен.

В целях практического применения изобразим аналогичную номограмму для поверхностей уровня У1 и У2 (рис.21).

Рисунок 21. - Поверхности уровней функций отклика (диаметр 16 мм): У1 - набухаемости (1); У2 - доброкачественности (2).

В главе 4 «Систематизация процесса построения технологической линии для получения модифицированного картофельного пищевого крахмала» изложены сведения о современном состоянии комплектации и эксплуатации линий крахмалопаточных производств, принципы системного подхода при создании технологических линий для производства модифицированного пищевого крахмала и схемы устройств для оборудования технологической линии производства модифицированных пищевых крахмалов.

В состав технологической линии по производству крахмала, как правило, включают (рис.22): • мойку;

автоматические весы; картофелетерку; сборник кашицы; центрифугу; сушилку;

оборудование для модифицирования. При выработке различных видов модифицированных крахмалов две последних позиции могут меняться местами.

Рисунок 22. - Принципиальная схема производства модифицированного пищевого набухающего крахмала

Динамическое программирование предлагает подходы решения поставленных задач путём разбиения их на более простые подзадачи. В рассматриваемом случае создания технологической линии применимы его методология используемая в задачах с оптимальной подструктурой, выглядящим как набор перекрывающихся подзадач, сложность которых чуть меньше исходной.

Для решения задачи системного построения линии получения модифицированного пищевого крахмала в предыдущих разделах выполнен анализ возможностей известных машин и аппаратов при их использования в трех подсистемах «хранение», «подготовка» и «модифицирование».

В основу такого разбиения было положено сходство процессов, реализуемых используемым технологическим оборудованием на каждой стадии, например, для стадии «хранение» ( картофеля—хранение—выгрузка), для стадии «подготовки» (мойка картофеля—очистка—измельчение) и стадии «модифицирование» (получение нативного крахмала -обработка УЗ+ПМП—сушка).

Основополагающие процессы каждой из стадий были или смоделированы аналитически или исследованы экспериментально. Операторную модель для структурно-параметрической оптимизации системы процессов и аппаратов производства картофельного пищевого крахмала при соблюдении условий рационального природопользования в этом случае можно представить в следующем виде (рис.23).

Рисунок 23. - Модель структурно-параметрической оптимизации системы производства картофельного модифицированного пищевого крахмала

Для реализации системного принципа формирования технологической линии производства картофельного модифицированного пищевого крахмала составлена специальная программа для ЭВМ.

Формирование базы данных для составленной программы произведено с использованием ряда технологических устройств, спроектированных для различных стадий реализации технологического процесса: «хранения картофеля», «подготовка нативного крахмала» и «физическая модифицирование», получивших правовую защиту в виде патентов РФ.

Основные результаты, полученные в диссертации и выводы

1. Выявлена возможность системного проектирования для реализации принципа рационального природопользования в технологической линии переработки картофеля для получения модифицированного пищевого крахмала, на основании совершенствования оборудования трех основных подсистем: «хранение», «подготовка» и «модифицирование»;

2. Разработана модель тепло- и массопереноса в картофельной насыпи с наличием очагов самосогревания, которая позволила для высоты насыпи высотой 5,0 метров с наличием пласта самосогревания на высоте 2,0 метров от пола определить время хранения до включения режима активной вентиляции в количестве 29-44 суток, в течении которого необходима продувка воздухом при температуре 0оС для снижения температуры пласта самосогревания до 3оС ;

3. Описан процесс измельчения картофельного сырья в виде аналитических соотношений позволивших выявить увеличение силы смятия картофеля в 1,5 раза при износе лезвия на 0,1%, что позволило рекомендовать использование «распределенной» кромки резания на абразивном принципе конструкции режущего инструмента;

4. Эмпирически доказана на основе анализа микрофотографий срезов картофеля целесообразность использования режущего инструмента из электрокорунда марки 24А60, закрепленного на металлической основе связкой из N1 с топологией в виде чередующихся полос шириной 10 мм для снижения количества отходов и времени осуществления процесса;

5. Построены регрессионные соотношения, анализ которых показал эффективность обработки картофельной суспензии в течение т=228,35с и магнитной индуктивности постоянного магнитного поля В =106,14 мТл.

6. Выявлен синергетический эффект от комплексного воздействия ультразвукового и постоянного магнитного полей на процесс модификации картофельного крахмала:

7. - для диаметра технологического канала 12 мм: = напряжение импульса - 13,8 В;

= угол конуса формирования ПМП - 0,2 град;

8. - для диаметра технологического канала 14 мм: = напряжение импульса - 40,0 В;

= угол конуса формирования ПМП - 0,5 град;

9. - для диаметра технологического канала 16 мм: = напряжение импульса - 25,1 В;

= угол конуса формирования ПМП - 20,0 град.

10. Предложено для системного проектирования технологической линии использовать принцип «динамического проектирования» для чего разработаны новые технологические устройства для разных подсистем производства на основе патентов РФ: № 204881, № 2646233, № 205091, №2650554 и №205832.

11. Проведено апробирование результатов: при хранении картофеля в бункере «Кировского рынка», г. Санкт-Петербург позволившее снизить отходы при хранении на 7-9% и при выпечке круассанов на кондитерском комбинате «Невские берега», г. Санкт-Петербург, позволившее увеличить набухаемость модифицированного крахмала на 5-8% , по сравнению с ранее применяемой пищевой добавкой.

Общий перечень публикаций

В журналах индексируемых в базе данных «Scopus»

1. Voronenko B.A., Leu A.G., Abushinov E.V., Yukhnik I.P. Analysis of the nature

of features of heat and mass transfer in discrete bulk of food products // Journal of Physics: Conference Series - 2020, Vol. 1479, No. 1, pp. 012105

2. Voronenko B.A., Egorova O., Leu A.G., Goncharov M.V. Analytical research of heat and mass transfer in bulks of food raw materials in the presence of self-heating hearths // Journal of Physics: Conference Series - 2020, Vol. 1515, No. 5, pp. 052038

3. AlekseevG.V.,GoncharovM.V., LeuA.G., NikolyukO.I., RomanchikovS.A. Modelling of heat and mass transfer processes of capillary-porous bodies. Всборнике: Journal of Physics: Conference Series. International Scientific Conference "Conference on Applied Physics, Information Technologies and Engineering - APITECH-2019". Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations; Polytechnical Institute of Siberian Federal University. 2019. С. 44012.

В журналах индексируемых в базе данных

«ВАК»

1. Алексеев Г.В., Шанин В.А., Леу А.Г., Бирченко А.А. Использование физических воздействий при интенсификации производства крахмалов. Ползу-новский вестник. 2021. № 4. С. 115-122.

2. Юхник И.П., Леу А.Г. Совершенствование технологического оборудования для получения модифицированного крахмала// Ползуновский вестник, №2, 2020, с.3-6

3. Alekseev G.V., Romachikov S.A., Leu A.G., Kholiavin I.I. Stable operation of food enterprises in the conditions of financial and economic instability// Polzunovskiy Vestnik. 2017. № 3. С. 27-31.

В иных изданиях

1. Устройство для изготовления модифицированных крахмалов. Леу А.Г., Алексеев Г.В., Егорова О.А., Рыбинская О., Тарасов К.В. Патент на полезную модель 205832 U1, 11.08.2021. Заявка № 2021107917 от 25.03.2021.

2. Устройство для тонкого измельчения крахмалосодержащего сырья. Леу А.Г., Алексеев Г.В., Бобылькова О.М., Суздальцева О.А. Патент на полезную модель 204881 U1, 16.06.2021. Заявка № 2021107960 от 25.03.2021.

3. Устройство для распылительной сушки суспензий// Алексеев Г.В., Баранов И.В., Егорова О.А., Леу А.Г., Лях К.С. Патент на полезную модель 205091 U1, 28.06.2021, Заявка№ 2021108885 от 01.04.2021

4. Устройство для измельчения пищевых продуктов Леу А.Г., Алексеев Г.В., Аксенова О.И. Патент на изобретение RU 2650554 C1, 16.04.2018. Заявка № 2017108875 от 16.03.2017.

5. Устройство для очистки овощей и корнеплодов от кожуры. Леу А.Г., Алексеев Г.В., Новиков И.В., Патент на изобретение RU 2646233 C1, 02.03.2018. Заявка № 2017111928 от 07.04.2017.

Synopsis.

The relevance of the topic.

In the conditions of the modern global market situation in the field of food production, the need to search for innovative technologies and equipment systems covering all stages of the production of modified starches for food purposes has intensified. This is required by ensuring rational use of natural resources when expanding the range of these products, which is confirmed by the inclusion of relevant works in the "Strategy for the development of the food and processing industry of the Russian Federation until 2020" (Decree of the Government of the Russian Federation No. 559-r of 17.04.12), as well as in the "Strategy for improving the quality of food products for the period up to 2030" (Decree of the Government of the Russian Federation No. 1364-r dated 06/29/2016) and the Program of fundamental and applied research of the Department of Storage and Processing of Agricultural Products RASKHN for 2010-2030 years. Its main task is to "Develop the scientific foundations of technological support systems for the storage and complex processing of agricultural raw materials in the production of environmentally safe competitive food products for general and special purposes."

The degree of development of the topic.

The following domestic and foreign scientists have made a significant contribution to the development of various issues of the theory of heat-mass exchange and mechanical processes in the creation of devices for domestic food products, including the use of various types of starch and its derivatives.

N.R. Andreev in his works investigated the structure, chemical composition and technological properties of the main types of starch-containing raw materials and substantiated the basics of the production of native starches.

A.A. Slavyansky, in part of his works, highlighted the problems of innovative technologies and equipment for the production of modified starches.

I.Y. Aleksanyan devoted a number of works to heat and mass transfer processes during ultrasonic irradiation of fruit and vegetable raw materials.

V.S. Kolodyaznaya and E.I. Kiprushkina investigated the problems of post-harvest processing of fruit and vegetable products.

I.Y. Potoroko and A.A. Ruskina laid in their works the foundations of the influence of the ultrasonic field during the extraction of biologically active substances from plant raw materials and modification of starch to change its technological characteristics.

Balunkeswar Nayak, Jose De J. Berrios, and Juming Tang studied the effect of food processing on the glycemic index (GI) based on potatoes.

Currently, research is being successfully conducted on the development of resource-saving technologies and equipment for the production of food-safe starch with a pre-predicted structure and composition of polysaccharides.

Such studies are often of a narrow departmental nature, which prevents correct estimates of the total losses of raw materials on the path "field" - "consumer table" and the solution of an important national economic task of rational environmental management. Carrying out system developments of this kind requires the establishment of functional links between the objects of the formed or identified structures and the appropriate technology and equipment for their successful implementation.

The purpose and objectives of the research.

The purpose of the work: improving the process of potato modification starch using the principles of a systematic approach.

To achieve this goal, based on the analysis of the possible general structure of scientific research, the establishment of functional links between its objects and taking into account the degree of influence of the identified factors on the stability of these links, the following research tasks can be formulated:

1. To identify the current state of potato processing systems into modified food starch based on the analysis of patent and special literature;

2. To simulate heat and mass transfer during potato storage with the presence of self-heating foci;

3. Analytically describe the process of grinding potato raw materials;

4. Experimentally investigate the effect of the conditions of its grinding on the process of preparing raw materials for the production of potato starch;

5. To carry out experimental studies with the construction of empirical models of the physical and mechanical effect on the process of obtaining potato native starch;

6. Experimentally investigate the complex effect of ultrasonic and permanent magnetic fields on the process of potato starch modification;

7. To propose the principles of a systematic approach to the creation of technological lines and separate devices for the production of potato modified food starch;

8. To test the results obtained during the implementation of these tasks in real conditions, at various stages of obtaining potato modified starch or when using it for the preparation of food products.

Methodology and methods of research.

All the studies carried out in this work are based on kinetic and dynamic patterns of thermal energy and substance transfer procedures, their analysis based on the basic laws of natural science, as well as on the basis of experimental data obtained by certain methods during the transformation of potato raw materials into modified food starch. In obtaining these data, specialized methodological and instrumental tools adapted to the study of rational nature management were used. When modeling processes and analyz-

ing the constructed models, modern mathematical apparatus was used, in particular, centrally compositional rotatable experiment planning, as well as software in the form of a Mathcad application software package.

The scientific novelty of the work is that

1. A model of the subsystem "storage" of potato raw materials is constructed in the form of dependencies and graphs determining the distribution of heat in the zone of the self-heating hearth.

2. The conditions of the impact on potatoes of the shredding tool during preliminary preparation are determined, confirmed experimentally.

3. The possibility of inhibiting the degradation of broken fragments of the amyl-ose chain for a more complete use of their reactivity in the formation of crystal structures on the basis of the combined influence of the fields of ultrasound and PMP on the process of starch modification is shown.

4. General principles are formulated and an algorithm for the system formation of technological lines for the production of modified starch is proposed.

Theoretical significance of the results of the work

The theoretical significance of the conducted research consists in a comprehensive analysis of the influence of heat and mass transfer conditions, taking into account the occurrence of self-heating foci in the mass of potato raw materials under storage conditions and obtaining calculated and graphical dependencies to determine the start time of active ventilation.

As a result of the analysis, a simplified solution to the problem of heat and mass transfer in a food mound was obtained, assuming thermal insulation of the side walls of the storage and neglecting heat and moisture transfer through its base. This solution additionally assumes that heat and moisture transfer between individual elements is carried out only by thermal conductivity. The conducted modeling of the potato storage process in conditions of active ventilation indicates that its efficiency from the point of view of resource saving significantly depends on the implemented technological modes. These include temperature (with its increase, humidity increases and tuber turgor decreases) and the initial elasticity of tubers (ensuring the efficiency of its cleaning and

grinding). At the same time, it should be noted that if in the first case the course of the process does not change fundamentally, only it accelerates, then in the second case the force interaction between individual tubers and the working organ of the grinding or cleaning device changes significantly.

The synergistic effect of the combined action of a constant magnetic field and an ultrasonic field is revealed, which provides a more complete fragmentation of amylose chains and an increase in the activity of the formation of crystal structures responsible for the consumer properties of starch.

Practical value of the research results

The research revealed a systemic relationship between the individual stages of the production of modified starch in the form of a sequence of subsystems: "storage", "preparation" and "receipt" of modified starch, ensuring the rational use of potatoes. The features of heat-mass-exchange and physico-mechanical processes occurring during the grinding of potatoes to obtain starch from it with subsequent modification are determined, which allows the development of new devices to achieve this goal. The results are implemented in the form of a number of technical solutions protected by patents of the Russian Federation: No. 2650554 "Device for grinding food products", No. 2646233 "Device for peeling vegetables and root crops" and utility model patents No. 205832 "Device for manufacturing modified starches", No. 205091 "Device for spray drying suspensions" and No. 204881 "Device for fine grinding of starch-containing raw materials".

Provisions submitted for protection.

1. Theoretical models when considering heat and mass exchange processes in the medium when it is located in the first subsystem - "storage".

2. Empirical models of the relationship of quality indicators of potato raw materials with the impact of grinding organs on it in the second subsystem "preparation for processing"

3. Empirical models of the complex effect of PMP and UZ on prepared raw materials in the third subsystem "starch production".

4. Principles of system construction of technological lines for the production of modified starches.

5. Technical solutions for the implementation of all three subsystems included in the potato processing system into modified starch.

The reliability of the obtained results is confirmed by checking the adequacy of the constructed empirical models to experimental data, the convergence of the obtained solutions of the mathematical model with the data of experimental and full-scale tests within the established limits (10%) and the fact that they do not conflict with the results of the work known from the developments implemented by other researchers.

Implementation of research results.

A number of research results were tested in the vegetable storage of the Kirovsky Market, St. Petersburg, at the Confectionery Plant of Nevsky Bereg JSC, St. Petersburg and in the educational process of the Military Academy of Logistics.

Approbation of the results obtained in the work was carried out in reports, discussions and publications of a number of scientific and technical conferences and competitions at the international level: "Research of the possibilities of resource-saving grinding of vegetables and root crops in food production / In the collection: The best scientific essay 2023. collection of materials of the international competition. Moscow, 2023. pp. 19-22; "Digitalization of system design of technological lines for food production" collection: Topical issues of natural science and technical disciplines. Collection of materials of the XXI-th International full-time scientific and practical conference. Moscow, 2023. pp. 40-43; "A systematic approach to innovation as a basis for rational use of nature in food systems". In the collection: Innovative scientific research: humanities and exact sciences. Collection of materials of the X-th International fulltime scientific and practical conference. Moscow, 2022. pp. 82-93; "Possibilities of intensification of the production of modified starches" collection: OUR CHOICE - SCIENCE. collection of articles of the International Research Competition. Petrozavodsk, 2022. pp. 13-22.

Publications.

The main content of the dissertation is published in 6 articles, including 3 publications in publications reviewed by Scopus, 3 publications in the journals Russian Science Citation Index and 5 patents of the Russian Federation for the results of intellectual activity.

Structure and scope of work.

The main text of the work is presented on 224 pages and consists of an introduction, four chapters, a conclusion, a list of references and appendices. The paper contains 58 figures and 27 tables. The list of references includes 168 sources, 24 of them in a foreign language.

The main content of the work

The introduction substantiates the relevance of the topic, sets the goal and objectives the scientific novelty and practical significance of the research are noted, the main provisions submitted for defense are presented.

In Chapter 1, "The current state of systems for processing raw materials into modified food starch", an analytical review of the current state of the problems of obtaining modified food starch is carried out. The general properties and structural features of starch are analyzed, as well as the peculiarities of obtaining and properties of modified food starch, emphasis is placed on the possibility of applying the principles of a systematic approach to the creation of technological lines for the production of modified starch.

Special attention is paid to the experience of companies that have been successfully operating in this field for a long time, namely, the experience of the Swedish company SSF, Sveriges Starkelseproducenter Forening (better known as Lyckeby).

The company was founded in 1927 as a cooperative of farmers, which united more than 800 participants. To date, it belongs to 600 farms from the southeastern part of Sweden, of which about 400 are actively engaged in growing potatoes (on 8000 hectares), and not just potatoes, but its technical varieties, with a starch content of about 20%.

The company's management initially adopted the idea of perceiving potatoes as raw materials for processing. The problem is that table potatoes are often put at the forefront, and either nonconditioning or surplus is sent for processing. The starch content in such raw materials will be at the level of 10-13%, or even lower, and there is no need to talk about the economic profitability of production. In domestic practice, if a certain farm grows potatoes with a high starch content, it will try to sell it to retail chains in order to make a big profit. In the SSF company, such a thought will not arise, there potatoes grown according to technical regulations will simply not get into the retail network.

The described experience suggests that a significant part of the success in supplying the population with a variety of food products, including the use of modified starches, depends on the concepts adopted in a particular area of the food industry. At the same time, the possibility of adopting such concepts is based on a systematic approach involving a special choice from the availability of appropriate processing equipment.

In Chapter 2 "Modeling of subsystems of preparation of potato raw materials for processing" outlines the main theoretical approaches used in the work to identify possible ways to solve the set goals and objectives.

The specific tasks for which these approaches were used were the study of heat and mass transfer during storage of potatoes with the presence of foci of self-heating, in particular, the peculiarities of the effect of heat and mass transfer on potatoes during storage and the study of the process of grinding potato raw materials, as part of the study of the peculiarities of the influence of potato properties on the efficiency of its grinding.

In the framework of the first of the tasks, the bulk mass was considered as a continuous medium with a mechanism determined by the laws of conductive thermal conductivity. The description of changes in the fields of heat and moisture content in this case is modeled by the phenomenological theory of heat and mass transfer in continuous media. The equations of heat propagation in a potato mound with a self-heating hearth modeled by a plate, cylinder or ball are based on such assumptions.

It was assumed that the temperature change at an arbitrary moment in time at a selected point of a self-heating layer with a thickness of 2 R is described by solving dif-

ferential equations of thermal conductivity. Considering at the same time that the surrounding array has its own thermal background:

for a self-heating formation in this case we have

dh _ d ( 1 dt\

PxC

dr dz

\

V

dz

+ q

j

(i)

moreover, simultaneously for the surrounding bulk array

P2 C2

dt

2 _

a ( n du ^

dr dz

V

dz

+ qo

j

(2)

where is the duration of the process;

z - is the height to the middle plane of the self-heating layer of potatoes;

- specific density for the potato mound array; c - specific heat capacity for potato mound array;

X - is the coefficient of specific thermal conductivity for the potato mound array; t - is the temperature at the selected point of the potato mound array; q0 - is the intensity of heat release of the potato mound array surrounding the self-seeding formation;

qu - is the intensity of heat release of the self-heating layer of increased physiological activity.

Index 1 refers to the self-heating layer, index 2 refers to the surrounding array of potato mounds.

The system of equations (1) and (2) written above is solved on the basis of the superposition principle with the following additional prerequisites. The temperature of the self-heating formation at the initial moment of time is the same throughout the volume and is equal

Jj (x o) = t.

and in the surrounding potato mound array is equal

J 2 (x^)= tc

; the potato mound array of sufficiently large sizes is considered; thermal interaction between the self-heating hearth and the surrounding potato mound array occurs according to the law of thermal conductivity; the intensity of heat release of the formation qu and the surrounding array q0 are constant in time; the thermophysical char-

acteristics of potatoes in the formation and the bulk of the mound of potatoes are assumed to be constant, but in general different from each other.

We obtain a solution to the problem with the corresponding boundary conditions under the assumption to=tc for a self-heating reservoir

t1 (ziT)-10 =

qu- qo

V

P1c1 p1c1

p1c1

1-

1 + kcF1 J

+

qoT

P2 C2

where by Fi we denote the sum of the terms

f=z(- h)n-1-

n=1

(2n -1)-

er J c-

R

(2n -1)+

2JFO1

+ er J c

R

for an array of potato mounds

where

(3)

(4)

Figure 1 - Graphical interpretation of the given initial conditions:

A, B - distance from the base of the storage tank; 2R1 - thickness of the self-heating reservoir; h - distance from the center of the self-heating reservoir.

T

z

z

The results obtained in solving such a problem are convenient for practical application and can be used in determining the time points of activation of active ventilation at a temperature recorded by special sensors approaching the maximum permissible at

the time of the storage process in the potato mound array (tmax(x) line in Fig.2.).The decrease in temperature in the potato mound array, recorded by the same sensor to tmin(x), determines the time when active ventilation is turned off to maintain the most comfortable temperature for storage in the potato mound array.

Figure 2. - Recommended storage modes of potato mound t(x) - the nature of the temperature distribution over the height of the potato mound array tmin(x)- minimum recommended temperature, tmax(x) - maximum recommended temperature

From the above results, it follows that on the 29-th day the temperature will be equal to 4 oC, which borders on its recommended permissible value, and at the 44-th day the temperature will rise to 6 oC. During this period, it is necessary to carry out the mode of active ventilation with 0 ° C air until the temperature drops to 3 ° C.

Another task, the model of which was considered in this chapter, concerned the consideration of the generalized process of cutting potatoes during its grinding and obtaining analytical dependencies to determine the force parameters of the interaction of the cutting edge of the knife with the material.

The force P acting on the cutting blade from the side of the potato tuber, within the framework of the theory of resistance of materials, is represented as two components of the Py and Px directed along the axes Y and X. The sum of the forces in the projection of the plane of the knife blade:

P = P = PK + N sin + F cos^ + N sin(a2 - ax) + F cos(a2 - +

Kp

+ N sin a3 + F cosa3 + F + F;

(5)

The sum of forces in the projection of the plane of the material

F = N cosax - F sin ax - N2 cos(a2 - ax) + F sin(a2 - a ) -

N cosa + F sin a - N4 + N ;

The total force acting on the blade

p=V P + p2;

(7)

Let

a2 ~ai = P\ . Consider the forces acting on the blade blunting plane adjacent

to the high slopes of the knife blade (Fig. 3)

Figure 3. - Forces acting on the plane of blunting the knife

The elementary compressive force dPszh, acting from the side of the cut potato with an area dF with a length equal to one, and a side dx will be equal to:

dP = E -s • dh • tga

CM CM CM O 1

1'

where hszh.x - compression at a distance x from the top of the blade.

After a series of transformations, the solution was obtained in the form

1 E - 1

PcM =1-(E)n • (tga, • h^);

1+1h n

(8)