CC BY
32
УДК 658.5:621.7.04
Д.В. Мартынова, аспирант кафедры пищевой биотехнологии, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный
университет»
e-mail: panther89@mail.ru
В.П. Попов, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой пищевой биотехнологии, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» e-mail: ppbt@mail.osu.ru
A.Г. Зинюхина, магистр факультета института менеджмента, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
e-mail: ziggi9090@mail.ru
Н.Н. Мартынов, студент факультета прикладной биотехнологии и инженерии, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» e-mail: voshod2@list.ru
B.П. Ханин, кандидат технических наук, доцент кафедры машин и аппаратов химических и пищевых производств, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
e-mail: mahpp@mail.osu.ru
МОДЕРНИЗАЦИЯ ШНЕКОВОГО ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРА
В статье рассматриваются особенности процесса экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья на шнековом пресс-экструдере. Авторами предложена конструкция шнекового пресс-экструдера, отличительной особенностью которой является то, что рабочий орган выполнен с возможность регулирования угла наклона витков шнека по отношению к осевой линии, что позволяет своевременно изменять параметры воздействия на перерабатываемый материал в зависимости от его структуры непосредственно в процессе работы. В результате производства экструдированных пищевых и кормовых продуктов на прессе-экструдере разработанной конструкции происходят более глубокие химические преобразования в перерабатываемом материале по сравнению со стандартной конструкцией пресса-экструдера.
Разработанная конструкция пресса-экструдер оснащена измерительными элементами (датчики для измерения крутящего момента и температуры) и управляющими системами (исполнительный элемент, регулирующий угол наклона витков шнека). Приведено подробное описание устройства и принципа работы разработанной конструкции пресс-экструдера и результаты экспериментальных исследований. Ключевые слова: экструзия, комбикорм, энергоемкость, показатели качества.
Рациональная технология экструзионной переработки белково-крахмало-клетчаткосодержащего материала должна обеспечивать сохранность полезных свойств сырья на каждом этапе его переработки [2, с. 149]. Наиболее распространенным методом, применяемым для обработки крахмало-клетчатко-белковосодержащего сырья, с целью получения кормов и кормовых добавок, является экструзионная обработка на шнековых пресс-экструдерах [4, с. 1140].
Современная тенденция развития экструзи-онных технологий - обеспечение максимального снижения энергоемкости процессов экструзии при одновременном улучшении качества экструдата [3, с. 940]. Модернизация действующих производств является важнейшей задачей стоящей перед отечественной промышленностью. Она может осуществляться как путем применения новейших разработок в области осуществления технологических процессов и создания оборудования, так и путем
технического перевооружения существующих агрегатов и технологических линий при условиях энерго- и ресурсосбережения. Особо важным в данном случае является изучение степени реализации неиспользуемых резервов энергоемкого прессового оборудования [1, с. 148, 8, с. 1007].
Недостатки существующих шнековых пресс-экструдеров - большие габаритные размеры и значительные энергозатраты на производство единицы продукции, [5, с. 1149] ограниченная возможность оперативного влияния на технологический процесс, что снижает качество конечного продукта [7, с. 29].
Приоритетным направлением исследований в области получения высококачественных экстру-дированных кормов и кормовых добавок и сохранения их пищевой ценности является применение пресс-экструдеров, конструкция которых позволяет своевременно вносить изменения в технологический процесс [6, с. 17-18; 10, с. 51; 11, с. 1038].
В связи с вышесказанным, была разработана
конструкция шнекового пресс-экструдера, с измененным рабочим органом [12, а 226]. С целью его изменения винтовая линия в зонах, предназначенных для введения сырья в экструдер (зону загрузки) и перемещения сырья по экструдеру с целью более равномерного распределения в межвитковом пространстве (зона транспортирования), выполнена в виде пружинного элемента, способного к перемещению витков вдоль оси шнека. Причем для сжатия или разжатия пружинного элемента на шнеке выполнены втулки, которые содержат пальцы. В теле шнека имеются направляющие, по которым имеют возможность передвигаться вышеуказанные пальцы. При этом пальцы присоединены к виткам винтовой линии, что и обеспечивает растяжение или сжатие пружинного элемента в зависимости от вида перерабатываемого сырья (рисунок 1) [14, с. 220]. В качестве стандартной экспериментальной установки использовали одношнековый малогабаритный пресс-экструдер ПЭШ-30/4, выпускаемый ОАО «Орстан». Разработанная конструкция пресс-экструдера базируется на стандартных расчетах.
Предлагаемая конструкция одношнекового пресс-экструдера состоит из: подшипникового узла 1, загрузочной воронки 2, разъемных корпусов шнековой камеры 3, привода 4, формующей головки 5, шнека 6 с витками 7, резьбового вала
8, расположенного в теле шнека, приводного механизма (исполнительного элемента) 9, втулок 10 с установленными пальцами 11, перемещающимися по направляющим 12, выполненным в теле шнека 6 [9, а 1302]. Также предлагаемая конструкция пресс-экструдера содержит измерительные устройства, состоящие из цилиндрической вставки 13, тензодатчиков 14, гибких элементов 15, и датчиков температуры 16. Датчики температуры 16 и измерительные устройства соединены через аналого-цифровой преобразователь 17 с компьютером 18, который в свою очередь соединен с цифро-аналоговым преобразователем 19.
Принцип работы пресс-экструдера следующий: сыпучий материал поступает в загрузочную воронку 2, попадая в зону загрузки. В зоне загрузки, на расстоянии z=0,08 м от загрузочного устройства 2, находится первый измерительный элемент, состоящий из цилиндрической вставки 13, тен-зодатчика 14 и гибкого элемента 15, который измеряет крутящий момент в конце зоны загрузки. Далее материал под воздействием вращающихся витков 7 шнека 6 перемещается в зону сжатия. В зоне сжатия на расстоянии z=0,3 м от загрузочного устройства 2 находится второй измерительный элемент, который измеряет крутящий момент в конце зоны плавления.
Рисунок 1. Схема установки для экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья.
После сжимания, материал поступает в зону гомогенизации, где происходит превращение размягченных частиц в однородный расплав. Затем продукт попадает в зону формования и продавливается через формующую головку 5. В районе формующей голов-
ки, на расстоянии 2=0,6 м от загрузочного устройства 2 установлен третий измерительный элемент, который измеряет крутящий момент в дозирующей зоне. Одновременно датчиками 16 измеряется температура перерабатываемого материала в экструдере.
Сигнал, получаемый от устройств, для измерения крутящих моментов и датчиков температуры 16, поступает на АЦП (аналого-цифровой преобразователь) 17 и далее после аналого-цифрового преобразования поступает в системный блок компьютера 18, где производится обработка поступающих данных. Компьютер 18 передает данные на цифро-аналоговый преобразователь 19. Цифро-аналоговый преобразователь 19 дает команду исполнительному элементу (приводному механизму) 9, исполнительный элемент 9, приводит во вращение резьбовой вал 8. На резьбовом валу 8 расположены втулки 10, которые содержат пальцы 11 и имеют способность к перемещению вдоль оси рабочего органа экструдера (шнека) 6 при вращении вала 8. При этом для правильного движения пальцев 11 в теле шнека 6 предусмотрены соответствующие направляющие 12. Пальцы 11, двигаясь вдоль оси шнека 6 в том или ином направлении, увлекают за собой соединенные с ними витки 7 шнека 6.
В зонах загрузки, транспортирования и сжатия минимальный шаг винтовой линии составляет 0,024 м, максимальный - 0,056 м. В зоне гомогенизации и формования шаг 0,04 м.
Результаты сравнительного анализа показателей качества готового продукта и удельных затрат энергии на проведение процесса экструдирования на стандартной и разработанной конструкции пресс-экструдера представлены на рисунке 2.
Проведенные испытания показали, что применение пресс-экструдера с измененной конструкцией шнека позволяет снизить удельные затраты энергии на 16 %, повысить комплексный показатель физико-химических свойств на 11,5 %, комплексный показатель органолептических свойств на 3%.
Таким образом, разработанная конструкция пресс-экструдера позволяет своевременно вно-
Контрольные испытания проводились на ОАО «Оренбургский комбикормовый завод» (г. Оренбург). В качестве исходного сырья использовали зерновую смесь в составе: ячмень - 70%, пшеница - 10%, овёс - 19% и соль - 1%. Производительность экструдера рассчитывали как массу готового образца экструдируемого продукта за одну секунду экструдирования [15, с. 86]
Показатели готового комбикорма определены органолептически, методом экспертной оценки, и физико-химически, с помощью комплексного показателя, который рассчитывается по формуле [13, с. 47]:
г=1
Где КЗН - коэффициент значимости показателя физико-химических свойств;
Вк - присваиваемый балл качества.
Экспериментальные данные, полученные на стандартной и разработанной конструкции пресс-экструдера представлены в таблице 1.
сить изменения в технологический процесс, за счет чего улучшается качество продукта. Внедрение в производство разработанной конструкции пресс-экструдера позволяет снизить удельные затраты энергии и получать готовый экструдат высокого качества.
Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований
№ п/п Наименование исследуемых параметров Конструкция п ресс-экструдера
Стандартная Разработанная
1 Производительность, кг/ч 310 360
2 Энергоемкость, кВт/ч 10,5 10
3 Количество воды, затрачиваемое на 1 т. зерна, л 300 300
4 Колличество соли на 100 кг зерна, кг 1 1
5 Влажность материала подвергаемого экструдированию, % 16 16
6 Влажность комбикорма, % 10 10
7 Потери, полученные при экструдировании, % 0,2 0,1
8 Количество отходов, % 0,5 0,2
9 Потери при упаковке, % 1 1
10 Выход готовой продукции, кг/ч 308,9 370,1
11 Количество мешков на 100 кг готового продукта, шт. 0,5 0,5
12 Количество некондиционного экструдата, % 6 4
13 УЗЭ, Вт/кг 34 28,5
14 Кф-х, балл 95 106
15 К0рг, балл 650 670
1 2 3
Кф-х Корг УЗЭ
□ Показатели качества и удельные затраты энергии на пресс-экструдере традиционной конструкции ■ Показатели качества и удельные затраты энергии на разработанной конструкции пресс-экструдера
Рисунок 2. Результаты сравнительного анализа показателей качества готового продукта и удельных затрат энергии на проведение процессов.
Литература
1. Коротков, В.Г. Технология получения экструдированных кормов с применением гречишной и подсолнечной лузги / В.Г. Коротков, С.В. Кишкилев, В.П. Попов, С.Ю. Соловых, С.В. Антимонов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2013. - № 4. - С. 47-49.
2. Коротков, В.Г. Применение метода векторной оптимизации для синтеза технологии экструдирования биотехнологических объектов / В.Г. Коротков, В.П. Попов, С.П. Василевская // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2012. - № 10 (146). - С. 149-152.
3. Кишкилев, С.В. Исследование переработки зернового сырья на технологической линии при применении криогенных технологий / С.В. Кишкилев, Д.В. Тимофеева, Н.Н. Мартынов // «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». Материалы Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием); Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2015. - С. 939-947 . ISBN 978-5-7410-1385-4.
4. Мартынова, Д.В. Определение экономических параметров процесса экструдирования биополимеров / Д.В. Мартынова, Н.Н. Мартынов, И.А. Бочкарева, Е.И. Панов // «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». Материалы Всероссийской научно-методической конференции; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2016. - С. 1138-1145. - ISBN 978-5-7410-1385-4.
5. Мартынова, Д.В. Разработка и оптимизация конструктивных элементов экструдера на основе изучения химических преобразований биополимеров с целью снижения энергопотребления и повышения качества продукта / Д.В. Мартынова, Н.Н. Мартынов, В.П. Попов, Е.И. Панов // «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». Материалы Всероссийской научно-методической конференции; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2016. - С. 1145-1153. - ISBN 978-5-7410-1385-4.
6. Попов, В.П. Измельчение и охлаждение сырья при получении экструдированных кормов и добавок / В.П. Попов [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2013. - № 3. - С. 17-20. - ISSN 2072-9669.
7. Попов, В.П. Определение оптимальной влажности исходной смеси для производства экструдированных кормов на основе подсолнечной лузги / В.П. Попов [и др.] // Материалы IX международной научно-практической конференции «Найновите научнии постижения» 17.03.2013-25.-03.2013 г., София Республика Болгария, Publishing House «Education and Science»s.r.o. 2013 г. - С.29-32. - ISBN 978-966-8736-05-6.
8. Тимофеева, Д.В. Исследование преобразования структурно-механических свойств и химического состава белково-крахмало-клетчаткосодержащего сырья в канале одношнекового пресс-экструдера / Д.В. Тимофеева, С.В. Кишкилев, В.П. Попов, Н.Н. Мартынов // «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». Материалы Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием); Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2015. - С. 1007-1014 . ISBN 978-5-7410-1385-4.
9. Тимофеева, Д.В. Обоснование оптимальных параметров экструдирования различных видов сырья в канале одношнекового пресс-экструдера / Д.В. Тимофеева, В.Г. Коротков, С.В. Антимонов, С.Ю. Соловых // «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». Материалы Всероссийской научно-методической конференции; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2014. - С. 1298-1305 . ISBN 978-5-7410-1385-4.
10. Тимофеева, Д.В. Модернизация рабочего органа типового одношнекового пресс-экструдера / Д.В. Тимофеева, В.Г. Коротков, В.П. Попов, С.В. Антимонов // Хлебопродукты. - 2014. - N° 10. - С. 50-52.
11. Тимофеева, Д.В. Интенсификация процесса преобразования сыпучего материала в упруго-вязко-пластичный в ходе его экструзионной обработки / Д.В. Тимофеева, В.П. Попов, С.В. Антимонов, С.Ю. Соловых // «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». Материалы Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием); Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2013. - С. 1038-1041 . ISBN 978-5-7410-1385-4.
12. Тимофеева, Д.В. Оптимизация изменения агрегатного состояния сырья в процессе экструзии / Д.В. Тимофеева, А.Г. Зинюхина, В.П. Попов, В.Г. Коротков, С.В. Антимонов // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013. - № 3 (152). - С. 225-229. - ISSN 1814-6457 (Реестр ВАК МО РФ).
13. Тимофеева, Д.В. Оптимизация процесса преобразования агрегатного состояния зернового сырья при экструзионной обработке / Д.В. Тимофеева, В.Г. Коротков, В.П. Попов, С.В. Антимонов // Хлебопродукты. -
2013. - № 8. - С. 46-48.
14. Тимофеева, Д.В. Разработка конструкции шнека типового пресс-экструдера / Д.В. Тимофеева, В.П. Попов, С.В. Антимонов, А.Г. Зинюхина // Вестник Оренбургского государственного университета. -
2014. - № 9 (170). - С. 220-225.
15. Тимофеева, Д.В. Разработка энерго- и ресурсосберегающей линии для производства кормов и кормовых добавок с применением криогенных воздействий и пресс-экструдера с измененной конструкцией рабочего органа / Д.В. Тимофеева, С.В. Кишкилев, С.В. Антимонов, Н.Н. Мартынов // Инновации в науке. -
2015. - № 43. - С. 80-87.- ISSN 2308-6009.
