CC BY
9
УДК 658.5:621.7.04
Д. В. Мартынова, аспирант кафедры пищевой биотехнологии, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный
университет»
e-mail: panther89@mail.ru
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЭКСТРУДИРОВАНИЯ БЕЛКОВО-КЛЕТЧАТКО-КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
Обработка сырья термопластической экструзией является одним из основных направлений интенсификации технологических процессов пищевой промышленности.
Шнековые пресс-экструдеры, применяемые в настоящее время при экструдировании белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья, имеют большие энергозатраты на производство единицы продукции, поэтому разработка эффективной энергосберегающей технологии для производства экструдированных продуктов является перспективным направлением.
Цель исследования: оптимизация процесса экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья с целью снижения энергоемкости и получения экструдатов высокого качества.
Задачи:
- анализ литературных источников по проблеме экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья;
- разработка конструкции шнекового пресс-экструдера с изменяющимися параметрами шнека;
- выбор и обоснование параметров интенсификации процесса экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья;
- оптимизация процесса экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья на разработанной конструкции шнекового пресс-экструдера с изменяющимися параметрами шнека.
Методы исследования: В работе проведены исследования процесса экструдирования зерновой смеси в составе пшеницы, ячменя, овса и соли с получением конечного продукта комбикорм. Для оценки физико-химических свойств экструдированного комбикорма был разработан комплексный показатель качества. Для обработки экспериментальных данных использовали разработанное на основе трехфакторного эксперимента программное средство «Обработка результатов многофакторного эксперимента на основе композиционного ортогонального плана ПФЭ 23», зарегистрированное в университетском фонде алгоритмов и программ.
Основные результаты:
- разработана конструкция шнекового пресс-экструдера с изменяющимися параметрами шнека;
- проведена оптимизация процесса экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья на разработанной конструкции шнекового пресс-экструдера с изменяющимися параметрами шнека;
- установлено оптимальное сочетание параметров процесса экструдирования с целью получения экструдатов высокого качества при минимальных затратах энергии.
Ключевые слова: экструзия, белково-клетчатко-крахмалосодержащее сырье, оптимизация, энергоемкость, органолептические свойства, физико-химические показатели.
Одним из основных направлений интенсификации технологических процессов пищевой промышленности является изменение физико-химических свойств, природных сырьевых материалов, при воздействии на них различными методами. Одним из таких методов является обработка сырья термопластической экструзией [7-10].
Обработка белково-клетчатко-крахмалосодер-жащего сырья в экструдерах, в которых продукт подвергается действию высокого давления и температуры, является эффективным способов воздействия на биохимические показатели [5,6].
Шнековые пресс-экструдеры, применяемые в настоящее время при экструдировании белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья, имеют большие энергозатраты на производство единицы продукции (100-300 кВт-ч/т) [1, 14, 15], поэтому разработка эффективной энергосберегающей тех-
нологии и технических средств для производства экструдированных продуктов является перспективным направлением.
В связи с этим важной представляется оптимизация режимов процесса экструдирования с целью энерго- и ресурсосбережения и обеспечения необходимого качества полуфабриката.
Во всех пресс-экструдерах основным рабочим органом является шнек. Конструктивные особенности шнеков специфичны, индивидуальны для одно- и двухшнековых экструдеров и в зависимости от технологического назначения и практики применения имеют самый разнообразный профиль, обусловленный шагом витка, размером его диаметра и сердечника, технологической длинной и конфигурацией на различных его участках [11-13].
В ходе прессования на шнековых прессах происходит значительное трение частиц по рабочим по-
верхностям. Трение частиц друг о друга и внутреннее трение в частицах, связанное с их пластическими деформациями, приводит к большому расходу энергии при работе шнекового пресса. Анализируя вышеизложенное, можно заключить, что технологический процесс экструдирования и его энергоемкость в основном определяются конструкцией шнека [2, 5, 8].
В настоящее время в одношнековых экструдерах применяются в основном шнеки с нарезкой по всей длине и с постоянным шагом, равным наружному диаметру шнека [3, 7, 9]. Недостатком в данном случае является невозможность регулирования угла наклона витков шнека по отношению к осевой линии в зоне загрузки, а, следовательно, отсутствие возможности регулирования скорости подачи материала в зону сжатия в зависимости от вида перерабатываемого материала, что приводит к недостаточному или наоборот избыточному уплотнению материала в зоне загрузки и, как следствие, увели-
чению потребляемой энергии экструдером и снижению качества получаемой продукции. В связи с этим на факультете прикладной биотехнологии и инженерии был разработан пресс-экструдер, дополненный шнеком, конструкция которого обеспечивает возможность регулирования скорости подачи материала в зону сжатия, за счет регулирования угла наклона витков шнека [11-15].
Конструкция рабочего органа пресс-экструдера была изменена следующим образом: витки в зоне загрузки и транспортирования были выполнены с возможностью осевого перемещения, посредством вращения резьбового вала приводного механизма, расположенного в теле шнека, на котором расположены втулки с установленными пальцами, соединенными с витками шнека и совершающими движение по направляющим, выполненным также в теле шнека [4, 14, 15].
Схема установки представлена на рисунке 1.
1 - подшипниковый узел; 2 - загрузочная воронка; 3 - разъемные корпуса шнековой камеры; 4 - привод; 5 - формующая головка; 6 - шнек; 7 - витки шнека; 8 - резьбовой вал; 9 - приводной механизм; 10 - втулки с установленными пальцами; 11, 12 - направляющие.
Рисунок 1. Конструкция одношнекового пресс-эктрудера
Для исследования процесса экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья на одношнековом пресс-экструдере было проведено экструдирование зерновой смеси с получением конечного продукта комбикорма в составе: ячменя -70%, пшеницы - 10%, овса - 19% и соли - 1%.
Для разработки оптимальной технологии производства экструдированного комбикорма была проведена серия предварительных экспериментов, показавших, что наибольшее влияние на процесс экструдирования комбикорма и показатели качества готовых изделий оказывают: отношение шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру, частота вращения шнека и температура продукта на входе в экструдер.
С точки зрения потребителей наиболее важными являются органолептические свойства продукта. Поэтому при оценке качества готовых изделий
нами, в качестве отдельного показателя, использовалась экспертная оценка органолептических свойств экструдированного комбикорма, включающая показатели: внешний вид, запах и вкус. Экспертная оценка проводилась методом ранжирования.
Для оценки органолептических свойств экс-трудированного комбикорма была отобрана группа экспертов из пяти человек. Была разработана 15-бальная шкала органолептической оценки готового продукта по трем показателям качества: внешнему виду, запаху продукта и вкусу готовых изделий. Коэффициенты весомости каждого показателя определяли путем опроса группы экспертов, являющихся специалистами в области экструдиро-ванных кормов, хорошо знающими продукт и его технологии [12-14].
Значительное количество показателей качества экструдированного комбикорма (влажность, кроши-
мость, удельная прочность, массовая доля целых семян, экспертная оценка) приводило к сложностям при оценке и сравнении различных проб. В связи с этим на основе методики разработанной на кафедре технологий хлебопекарного и макаронного производств МГУПП [4-6] нами был разработан комплексный показатель физико-химических свойств экструдированного комбикорма, включающий все единичные показатели с соответствующими коэффициентами значимости: влажность - 2, крошимость -7, удельная прочность - 7, массовая доля целых семян - 4. Экспериментальные значения по каждому физико-химическому показателю, умножались на соответствующие коэффициенты значимости, и после суммирования составляли значение комплексного показателя (ПКФ-Х). Физико-химические параметры качества готового продукта определяли по стандартным методикам, приведенным в ГОСТах.
На основе предварительных экспериментов по известным методикам [5-7] был составлен и реализован план трехфакторного эксперимента по установлению влияния отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру, частоты вращения шнека и температуры продукта на входе в экструдер, на комплексный показатель физико-химических свойств, органолептические свойства (экспертную оценку) и удельные затраты энергии. При этом отношение шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру варьировалось в пределах от 0,4 до 1,2 м, частота вращения шнека - от 60 до 180 об/мин и температура продукта на входе в экстру-дер - от 20 до 600С.
По результатам эксперимента, при помощи программного средства, разработанного на факультете прикладной биотехнологии и инженерии ОГУ, получены уравнения регрессии второго порядка и проведена оптимизация процесса экструдирова-ния комбикорма.
Для процесса экструдирования получены уравнения регрессии для определения качественных показателей и удельных затрат энергии:
- для определения комплексного показателя ор-ганолептических свойств экструдированного комбикорма по результатам экспертной оценки:
К0РГ = 440 + 41,24 • Г - 36,125-{ЫВ)-а--140,87-со-г-173,6• (Х/£))2 -135,5-ю2 -54,79-*2 (1)
- для определения комплексного показателя физико-химических свойств экструдированного комбикорма по результатам экспертной оценки:
Кф_х = 51,666 - 4,076 ■(£/£>) + 9,484 • со --7,875 со-Г-27,768-(¿/£>)2 -22,691 -со2 -12,537-*2
(2)
где (Ь/Б)- отношение шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру; т - частота вращения шнека; / - температура продукта на входе в экструдер. Для перевода величин, входящих в уравнения, в натуральную размерность, можно воспользоваться нижеприведенными выражениями:
- отношение шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру (Ь/Б)':
(Ь/Б)' = 2,5 • (Ь/Б) - 2;
(4)
- для определения удельных затрат энергии на проведение процесса экструдирования:
УЗЭ = 29,698 + 0,724 • со +1,887 • / -
-0,966-(£/Я)-ю-0,325-(1//>)-о-г-1,131-ю2 (3)
- частота вращения шнека т' (об/мин):
т' = 0,0167 • т - 2; (5)
- температура продукта на входе в экструдер (°С):
Г = 0,05 • t - 2. (6)
Плоскости отклика, отражающие зависимости экспертной оценки органолептических свойств экс-трудата, комплексного показателя физико-химических свойств и удельных затрат энергии от, отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру и частоты вращения шнека, при температуре продукта на входе в экструдер t=20°С, представлены на рисунках 2-4.
Из рисунка 2 видно, что максимальная комплексная экспертная оценка органолептических свойств свыше 670 баллов, при температуре продукта на входе в экструдер t=20°C, достигается при отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру L/D - от 0,64 м до 0,92 м (от -0,4 до 0,3 у. е.) и частоте вращения шнека ю - от 120 до 162 об/мин (от 0 до 0,7 у. е.).
Из рисунка 3 видно, что максимальный комплексный показатель физико-химических свойств при температуре продукта на входе в экструдер t=20°C, свыше 95 баллов, достигается при отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру L/D - от 0,64 м до 0,92 м (от - 0,4 до 0,3 у. е.) и частоте вращения шнека ю - от 120 до 162 об/мин (от 0 до 0,7 у. е.).
Из рисунка 4 видно, что минимальные удельные затраты энергии при температуре продукта на входе в экструдер t=20°C, менее 26,5 Вт/кг, достигаются при отношении шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру L/D - от 0,4 м до 0,52 м (от -1 до -0,7 у. е.) и частоте вращения шнека ю - от 60 до 63 об/мин (от -1 до -0,95 у. е.).
Аналогичные плоскости отклика были построены для температуры продукта на входе в экструдер, равной 40 и 60°С.
Оптимизацию параметров процесса экструдиро-вания проводили путем наложения горизонтальных проекций плоскостей отклика при различных температурах.
Рисунок 2. Зависимость органолептических свойств экструдата по результатам экспертной оценки от отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру и частоты вращения шнека (при температуре продукта на входе в экструдер t=20°C)
я и
1 и И
2 3 8 § Й а
и С
о И
СО
Отношение шага
■
винтовой лопасти шнека к наружному диаметру ЬЮ
□ 95-102
□ 88-95 ■ 81-88
□ 74-81
□ 67-74
□ 60-67 ■ 53-60
□ 46-53
□ 39-46
□ 32-39
□ 25-32
Частота вращения шнека ш, об/мин
Рисунок 3. Зависимость комплексного показателя физико-химических свойств экструдированного комбикорма по результатам экспертной оценки от отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру и частоты вращения шнека (при температуре продукта на входе в экструдер t=20°C)
Наложение горизонтальных проекций зависимостей органолептических свойств экструдата по результатам экспертной оценки, комплексного показателя физико-химических свойств по результатам экспертной оценки и удельных затрат энергии от отношения шага винтовой лопасти шнека
к наружному диаметру и частоты вращения шнека при температуре продукта на входе в экструдер t=20°С, представлено на рисунке 5.
Совокупный анализ полученных плоскостей позволил установить, что оптимальными являются отношение шага винтовой лопасти шнека к наруж-
Рисунок 4. Зависимость удельных затрат энергии от отношения шага винтовой лопасти шнека к наружному диаметру и частоты вращения шнека (при температуре продукта на входе в экструдер 1=20°С)
Где: 1 - УЗЭ=28,5 Вт/кг; 2 - УЗЭ=28,0 Вт/кг; 3 - УЗЭ=29,0 Вт/кг; 4 - УЗЭ=28,5 Вт/кг; 5 - УЗЭ=27,0 Вт/кг; 6 - Корг=670 баллов; 7- Корг=570 баллов; 8 - Корг =370 баллов; 9 - Кф-х =88 баллов; 10 - Кф-х =74 балла; 11 - Кф-х =67 баллов
УЗЭ - удельные затраты энергии; Корг - комплексный показатель органолептических свойств экструдата; Кф-х - комплексный показатель качества экструдата.
Рисунок 5. Оптимальное сочетание поверхностей отклика для процесса экструдирования белково-клетчатко-крахмалосодержащего сырья (область заштрихована)
ному диаметру L/D, равное 0,77-0,81 м (от -0,08 до 0,02 у. е.), частота вращения шнека, равная 171-74 об/мин (от 0,87 до 0,9 у. е.) и температура продукта на входе в экструдер 20 0С, при этом комплексный показатель органолептических свойств составит более 670 баллов, комплексный показатель физико-
химических свойств - более 95 баллов и удельные затраты энергии < 28,5 Вт/кг.
Таким образом, разработанная конструкция одношнекового пресс-экструдера позволяет производить комбикорм высокого качества при минимальных затратах энергии.
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 /
B.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. - № 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,
C.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.
