CC BY
131
УДК 664.66:634
разделение зерновой муки на крахмалистую и белковую фракции пневмоклассификацией
Н.Р. АНДРЕЕВ, член-корреспондент РАН, директор (e-mail: vniik@arrisp.ru)
Л.П. НОСОВСКАЯ, ведущий научный сотрудник Л.В. АДИКАЕВА, младший научный сотрудник Т.Р. КАРПЕНКО, старший научный сотрудник Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Московская обл., 140052, Российская Федерация
Резюме. «Сухой способ» выделения крахмала из муки зерновых культур имеет преимущества перед «мокрым», так как при его реализации отсутствуют сточные воды. Используемые в качестве сырья для производства крахмала, пшеница, рожь, ячмень, тритикале отличаются бимодальной дисперсностью зёрен крахмала, которая характеризуется наличием до 10-15% фракции с размерами зёрен крахмала менее 15 мкм, соизмеримых с частицами белка. Поэтому при пневмоклассификации муки доля крахмала в тяжелой фракции не превышает 82%. Цель исследований - увеличить выход крахмала с тяжелой фракцией и снизить его содержание в белковой (легкой) фракции. На основе анализа существующих конструкций центробежных пневмокласси-фикаторов муки и опыта гидравлического центробежного тонкослойного разделения крахмалобелковых суспензий, включающих крахмальные частицы со средним размером 18 мкм и частицы нерастворимого белка (глютена) с размерами 1-10 мкм, предложено принципиально новое решение по вихревому тонкослойному разделению фракций в узких каналах рабочего колеса центробежного классификатора. На экспериментальной установке, включающей измельчитель муки и циклон со встроенным новым центробежным пневмоклассификатором, проведены исследования с использованием диспергированной тритикалевой муки и установлено, что для разделения мелких крахмальных и белковых частиц критическая окружная скорость вихревых камер классификатора - 15 м/с. Дальнейшее её увеличение не приводит к снижению содержания крахмала в лёгкой фракции. При содержании в исходной тритикалевой муке 74,7% крахмала и 10% белка на установке с вихревым тонкослойным разделением диспергированной муки содержание крахмала в тяжёлой (крахмалистой) фракции составило 88,6%, белка - 5,4%, в лёгкой (белковой) фракции величины этих показателей были равны соответственно 42 и 32,5%. Ключевые слова: зерно тритикале, мука, крахмал, белок, фракции, пневмоклассификатор, вихревой, циклон. Для цитирования: Разделение зерновой муки на крахмалистую и белковую фракции пневмоклассификацией / Н.Р. Андреев, Л.П. Носовская, Л.В. Адикаева, Т.Р. Карпенко // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т.29. №11. С. 108-111.
Разработка ресурсосберегающих технологий переработки сельскохозяйственного сырья на основе новых физико-химических методов относится к числу главных направлений научных исследований в отрасли. Одна из проблем производства крахмала -большое количество побочных продуктов и сточных вод, образующихся при переработке зерна «мокрым способом», особенно при использовании в качестве сырья продукции таких культур, как пшеница, рожь, ячмень, тритикале, имеющих набухающие клейковинные белки и пентозаны, образующие высоковязкие, трудно разделяемые крахмалобелковые суспензии [1, 2, 3].
Поэтому «сухой способ» продолжает оставаться объектом исследований с целью извлечения не только крахмала, но и белковых концентратов.
Структурно-механические свойства зернового сырья определяют особенности его разрушения:
гранулы крахмала прочно связаны с белками, поэтому для извлечения крахмала необходимо не только разрушить внешние оболочки зерна и стенки клеток, но и ослабить связь крахмала с белками. С этой целью применяют химические и биологические способы воздействия. Для разрушения уже ослабленной макроструктуры зернового сырья широкое распространение получил ударный способ измельчения.
При фракционировании тонкоизмельченной муки следует учитывать, что содержащиеся в эндосперме белковые вещества включают как промежуточный белок, так и белок, прикрепленный к поверхности крахмальных зерен. Крахмальные зерна имеют почти шарообразную форму, а частицы промежуточного белка - вид пирамид и пластинок различных очертаний. Прикреплённый и промежуточный белок отличаются по аминокислотному составу [3,4].
Основное условие эффективного разделения крахмалистой и белковой фракции муки - дополнительное измельчение до состояния, когда размер самых крупных зерен крахмала не превышает 50 мкм и сокращение удаления с белковой фракцией мелкозернистого крахмала менее 10 мкм.
При разделении «сухим способом» крахмала и белка муки пшеницы, ржи, ячменя, тритикале необходимо учитывать такую особенность, как бимодальная дисперсность зёрен крахмала, характеризуемая наличием до 10-15% мелкозернистой фракции размерами менее 10 мкм, соизмеримых с частицами промежуточного белка и неразделяемых при пнев-моклассификации.
Исследованию пневмоклассификации пшеничной муки посвящены работы как отечественных [1, 5-10], так и зарубежных [3, 4, 11] учёных. Основной целью исследований продолжает оставаться получение на мукомольных предприятиях высокобелковой фракции для повышения биологической ценности продукции.
Наиболее полные исследования по пневмоклассификации муки зерна пшеницы, ржи и тритикале проведены во ВНИИ зерна [5] с использованием секционного центробежно-роторного пневмоклас-сификатора, осуществляющего диспергирование муки и разделение её на 3 фракции: первая по своему химическому составу содержала наибольшее количество белка - до 28% и до 55% углеводов; вторая - в среднем 18% белка и 66% углеводов, а третья - 6 и 80% соответственно.
Результаты экспериментов, посвященных обоснованию эффективности разделения пшеничной муки на белковую и крахмалистую фракцию в центробежном пневмоклассификаторе, выполненных в МГУ пищевых производств [6], показали наличие зависимости граничного размера частиц в диапазоне 1-20 мкм от их плотности, угловой скорости ротора классификатора, скорости потока воздуха, отмечена слабая зависимость коэффициента осаждения от плотности частиц ввиду её незначительной разницы (у крахмальных 1500, у белковых 1300 кг/м3).
Для измельчения и пневмоклассификации пшеничной муки предложены различные типы устройств
[5-11]. Наиболее характерный пневмоклассификатор с неподвижными рабочими органами - разделительный циклон с винтовым каналом и окнами в осевом патрубке для отбора фракций, представленный в работе [9]. Оптимальные результаты разделения продуктов размола зерна на 5 фракций получены при скорости потока в винтовом канале 6,5 м/с и в осевом патрубке 10,5 м/с.
В центробежном классификаторе [8, 10] процесс сепарации продуктов размола происходит в кольцевом зазоре (канале) между двумя вращающимися виброконусами. Расстояние между конусами относительно невелико, и более легкие мелкие частицы с малыми скоростями витания уносит воздушный поток при непрерывном встряхивании осевших на конусной поверхности тяжёлых частиц. В конструкции пневмоклассификатора [13] использованы элементы и принцип действия гидравлических сепараторов для разделения полидисперсных продуктов по размерам и плотности частиц.
Заслуживает внимания опыт тонкослойного гидравлического разделения кукурузной крахма-лобелковой суспензии, включающей крахмальные гранулы со средним размером 18 мкм и частицы нерастворимого белка (глютена) с размерами 110 мкм, в центробежном поле [1,12]. В этих работах проведена оптимизация процесса разделения крах-малобелковых суспензий в центробежных сепараторах с межтарелочным зазором 1 мм. Предложена модель процесса центробежного сепарирования крахмальной суспензии с образованием седимен-тирующего слоя, отделенного передней границей раздела от слоя медленно оседающих глютеновых частиц, которые не могут фиксироваться на поверхности осадка и смываются потоком жидкого схода, при этом выделение с жидким сходом глютеновых частиц осуществляется вихревыми первичным и вторичным уносом.
Перенос методов гидравлического тонкослойного разделения крахмалобелковых суспензий на аэродинамические методы требует анализа движения жидкости и воздуха в межлопаточных каналах центробежных насосов и вентиляторов, включая и вихревые вентиляторы. В.И. Соколов отмечает образование вихрей в межлопаточных каналах, вследствие чего давление с передней(лобовой)стороны лопатки выше, чем с её задней стороны, кроме того возникает и циркуляционное течение жидкости вокруг лопаток [13].
Исходя из анализа существующих конструкций центробежных пневмоклассификаторов и проведенных исследований по разделению пшеничной, ржаной и тритикалевой муки, во ВНИИ крахмало-продуктов предложено принципиально новое решение по вихревому тонкослойному разделению воздушномучной смеси в камерах и каналах ротора центробежного классификатора (рис. 1). Оно позволяет регулировать степень уноса мелкозернистой фракции крахмала, соизмеримой с частицами промежуточного белка и, соответственно, увеличить содержание белка в лёгкой фракции.
Цель исследования - разработать технологический режим извлечения крахмала и белкового концентрата из муки тритикале безводным способом, определить физико-химические характеристики полученных фракций высококрахмалистого и белкового концентратов.
Рис. 1. Схема движения лёгких и тяжёлых частиц в роторе центробежного классификатора.
Условия, материалы и методы. Для определения области исследований и граничных условий проведения экспериментов рассмотрены возможные варианты распределения крахмала во фракциях при пневмоклассификации диспергированной муки, исходя из следующих параметров: Ко - содержание крахмала в исходной муке; Qо - навеска муки; Qу - доля уноса лёгкой фракции; Кт и Ку - соответственно долевое содержание крахмала в тяжёлой и лёгкой фракции.
Материальное распределение общего крахмала по фракциям в зависимости от массы фракций и содержания в них крахмала выражается равенством: Qо • Ко = Qу • Ку + Qт • Кт, из которого содержание крахмала в тяжёлой фракции составит Кт = • Ко - Qу • Ку) / ^у). Таким образом, теоретически при содержании в измельчённой муке 75% крахмала для достижения его концентрация в тяжёлой фракции 90% пневмоклассификатор должен отделить 30% лёгкой фракции с содержанием крахмала в ней 40%, что было положено
Рис. 2. Схема опытной установки для исследования процесса измельчения и пневмоклассификации муки: 1 - патрубок загрузки муки; 2 - измельчитель ПДИ; 3 - нижний фильтр; 4 - патрубок выгрузки муки; 5 - шлюзовый затвор; 6 - кран трехходовой; 7 - циклон; 8 - классификатор; 9 - верхний фильтр; 10 - электродвигатель; 11 - воздуховод; 12 - диафрагма.
рис. 3. Влияние окружной скорости ротора классификатора на выделение лёгкой фракции муки и содержание в ней крахмала: --- крахмал легкой фракции; - доля легкой фракции.
в основу разработки и испытания экспериментальной установки.
Исследования проводили на муке из зерна тритикале сорта Легион с влажностью 13% и содержанием по сухим веществам (СВ) крахмала - 74,7%, белка -10,4%, золы - 1,2%. Влажность образцов определяли на влагомере MF-50; содержание белка - по методу Къельдаля; крахмала - поляриметрическим методом Эверса; фракционный состав муки - на ситовом анализаторе У1ЕРЛ-10-1; белизну крахмала - на приборе БПЛ-Ц; скорость вращения ротора измельчителя и классификатора измененяли путем варьирования частоты переменного тока электродвигателей.
Экспериментальная установка (рис. 2) работает следующим образом. Исходная мука поступает по патрубку 1 в двухкамерный измельчитель 2 со встроенным вентилятором, по трубопроводу 11 воздушно-мучная смесь транспортируется в пневмоклассифи-катор, состоящий из циклона 7 и классификатора 8 (вращающаяся крыльчатка). При вращении воздушно-мучной смеси в циклоне под действием центробежных сил на его стенки осаждаются наиболее крупные тяжёлые частицы муки, а средние и мелкие под действием аэродинамических сил направляются к камерам и каналам ротора классификатора 8, окружная скорость которых превышает линейную скорость вращающегося воздушного потока в циклоне. Соприкасаясь с наружной поверхностью ротора, более тяжёлые мелкие частицы, попадая в вихревые камеры (см. рис. 1), приобретают их окружную скорость и отбрасываются к периферии на стенки циклона, не успевшие войти в соприкосновение со стенками вихревых камер тяжёлые частицы двигаются под действием аэродинамических сил к центру крыльчатки по каналу, где они замедляют своё движение к центру и на выходе из канала попадают в зону отводного узкого рециркуляционного канала.
Скользя по его стенкам тяжелые частицы выбрасываются на стенки циклона 7 и выводятся через шлюзовый затвор 6. Далее через трёхходовой кран 5 тяжёлая фракция поступает в патрубок 4 для выхода нижнего схода в воздушный фильтр 3 или в другой патрубок, соединённый с входным отверстием измельчителя для возврата на дополнительное измельчение.
Лёгкая фракция (свободный белок, мелкие частицы крахмала и клетчатки) под действием аэродинамических сил из ротора классификатора по внутреннему патрубку циклона поднимается вверх и осаждается в верхнем фильтре 9, где она отделяется от воздуха и выгружается.
На степень измельчения и классификации муки влияют следующие основные факторы, которые необходимо учитывать при планировании эксперимента: интенсивность измельчения муки, определяемая окружной скоростью рабочих органов измельчителя и временем рециркуляции муки;
входная скорость частиц муки в циклон; окружная скорость ротора классификатора. Основной гранулометрический состав, отвечающий условиям пневмоклассификации частиц по плотности и аэродинамическим свойствам, находится в интервале размеров частиц 30-50 мкм.
Варьирование факторов, определяющих степень измельчения и классификации муки, осуществляли путем изменения окружной скорости рабочих органов измельчителя в диапазоне 56-105 м/с, что обеспечивало скорость воздуха на входе в циклон без муки от 10,3 до 22,2 м/с, при загрузке муки - от 5 до 7,5 м/с.
Зависимость массовой доли крахмала в лёгкой фракции от окружной скорости ротора классификатора определяли при входной скорости муки в циклон 7,2 м/с и изменении окружной скорости ротора классификатора в пределах от 11 до 17 м/с.
Таблица. Аналитические характеристики крахмалистой и белковой фракций муки (массовая доля, % от Св)
№ опыта* Высокок оахмалистая фракция Белковая фракция
крахмал белок зола растворимые вещества крахмал белок зола растворимые вещества
1 88,6 5,4 0,40 6,7 60,4 23,5 1,5 18,0
2 87,5 5,6 0,45 6,9 54,5 24,9 1,6 18,4
3 86,8 5,9 0,50 7,0 51,3 27,2 1,8 18,6
4 85,7 6,3 0,54 7,3 44,4 32,0 2,0 19,0
5 84,9 6,7 0,58 7,5 42,3 32,6 2,2 20,4
6 83,8 6,85 0,60 8,0 41,9 32,8 2,3 20,7
7_82,9 6,9 0,70_8^_41,8 32,9 2,4_20,8
*опыт 1-2 - скорость 100 м/с, время 180 с, опыт3-5 - 90 м/с, 120 с, опыт 6-7 - 100 м/с, 60 с. 110 _ Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 11
После выбора оптимальной окружной скорости ротора классификатора (15 м/с) была проведена серия опытов при изменяемых параметрах измельчения муки, определяемых скоростью рабочих органов от 70 до 100 м/с, а также временем измельчения и рециркуляции тяжёлой фракции от 10 до 180 с анализом химического состава лёгкой и тяжёлой фракций.
результаты и обсуждение. Мы установили, что критическая для разделения крахмальных и белковых частиц окружная скорость вихревых камер классификатора составляет 15 м/с. Дальнейшее её увеличение не приводит к снижению содержания крахмала в лёгкой фракции (рис. 3).
Анализ зависимости состава крахмалистой и белковой фракций муки от изменения скорости рабочих органов измельчителя и времени измельчения показал, что содержание крахмала в тяжёлой фракции варьирует от 88,6% при скорость 100 м/с и времени 180 с до 82,9% при 100 м/с и 60 с. При этом оно больше зависит от времени измельчения, определяющего долю уноса лёгкой фракции, чем от скорости вращения измельчителя (см. табл.).
По растворимости (0,4%) и набухаемости (12,0 см3/г) высококрахмалистая мука не отличалась от исходной. Показатель белизны на приборе БПЛ-Ц у исходной муки был равен 76,4 ед., у высококрахмалистой фракции - 82,9 ед., что обусловлено меньшим содержанием, по сравнению с исходной мукой, белковых, минеральных веществ и остатков клетчатки.
выводы. В результате проведенных исследований установлено, что оптимальной окружной скоростью ротора центробежного классификатора следует считать 15 м/с, ротора измельчителя - 100 м/с. При этом содержание крахмала в разделенных фракциях муки больше зависит от времени измельчения, определяющего долю уноса лёгких частиц. Так, в случае вихревого тонкослойного разделения диспергированной тритикалевой муки с исходным содержанием крахмала 74,7% при изменении времени измельчения в интервале от 60 до 180 с содержание крахмала в «белковой» муке варьировало от 41,8 до 57,5%, а в «крахмалистой» - от 83,4 до 88,0%. Показатель «белизны» у крахмалистой фракции был выше, чем у исходной муки, а у белковой ниже из-за большего содержания растворимых веществ и золы.
Литература.
1. Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов. М.: Пищепромиздат, 2001. 282 с.
2. Problem of Breeding Tritikale with a High Grain Starch Content and Its Use /A.I. Grabovets, N.R. Andreev, A.V. Krokhmal. N.A. Shevchenko // Russian Agricultural Sciences. 2013. Vol. 39. № 5-6. Pp. 399-402.
3. Hess K. Muellerei und Forschung//Die Muele. 1952. Vol.89. Pp. 428-431.
4. StringfellowA.C., Wall J.S., Donaldson G.L. and Anderson R.A. Protein and amino acid composition of dry-milled and air-classified fraction of triticale grain // Cereal Chemistry. 1975. 53 (1). Pp. 51-60.
5. Урубков С. А. Разработка технологий новых видов крупы и муки из зерна тритикале: Автореф. дис... канд. техн. наук. М., 2014. 25 с.
6. Семенов Е.В., Веденеев В.Ф., Мельников С.А. К обоснованию эффективности процесса разделения сыпучих смесей в центробежном пневмоклассификаторе //Хранение и переработка сельхозсырья. 2009. № 7. С. 55-61.
7. Кирсанов В. А. Научные основы и принципы совершенствования процессов и аппаратов каскадной пневмоклассификации сыпучих материалов: Дис... д-ра техн. наук. Новочеркасск, 2005. 391 с.
8. Злочевский В.Л. Терехова О.Н., Плотников В.Г. Пневмоцентробежный классификатор-разгрузитель // Техника в сельском хозяйстве. 2007. №4. С.6-9.
9. Мезенов А.А. Туров А.К. Пшенов Е.А. Оценка параметров, влияющих на процесс разделения продуктов размола зерна в пневматическом винтовом классификаторе // Вестник Орел ГАУ. 2012. №1 (34). С.139-143.
10. Ессеев Е.А. К проблеме оптимизации пневмосепарационного процесса в кольцевом пространстве: монография. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005. 125 с.
11. Degant O. Processes of dry fractionation of starch and proteins // Getreider, Mehl und Brot. 1977. (96). 50.
12. Деулин В.И. Сепарирование крахмального молока в производстве кукурузного крахмала. М.: ЦНИИТЭИпищепром, обзор, 1976. 37 с.
13. Соколов В.И.. Центрифугирование. М.: Химия,1987. 407 с.
separation of grain flour to protein and starch fraction by pneumatic sorting
N.R. Andreev, L.P. Nosovskaya, L.V. Adikaeva, T.R. Karpenko
All-Russia Research Institute for Starch Products, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation Summary. The "dry" method of starch separation from cereal flour has some advantages to the "wet" one, since there is no waste water during its realization. Wheat, rye barley, triticale, used as a raw material for starch production, distinguished by bimodal dispersion of starch granule, which is characterized by the presence of the fraction with starch grain less than 15 micrometers, comparable with protein particles, amounted to 10-15%. That is why the portion of starch in the heavy fraction does not exceed 82% after pneumatic sorting. The aim of the investigation was to increase the output of starch with the heavy fraction and to reduce its content in the protein (light) fraction. On the basis of the analysis of the present constructions of pneumatic sorters of flour and the experience of hydraulic thin-layer separation of starch-protein suspension, which included starch particles with the average size 18 micrometers and insoluble protein (gluten) particles 1-10 micrometers, there is proposed completely new decision for vortex thin-layer separation in narrow channel of rotating wheel of centrifugal sorter. The experimental unit includes flour disintegrator and cyclone with in-built new centrifugal pneumatic sorter. At this unit we carried out the investigations using dispersed triticale flour and established that the critical speed of wheel chamber is 15 m/s for separation fine starch and protein particles. Its further increase did not cause the reduction of starch content in light fraction. If the starch and protein content in the source triticale flour was 74.7 and 10%, respectively, after dispersion by the unit with vortex thin-layer separation, the starch and protein content in the heavy (starch) fraction was 88.6 and 5.4%, correspondingly; and in the light (protein) fraction these values were 42 and 32.5%.
Keywords: triticale grain, flour, starch, protein, fractions, pneumatic sorter, vortex, cyclone.
Author Details: N.R. Andreev, corresponding member of RAS, acting director (e-mail vniik@arrisp.ru); L.P. Nosovskaya, leading research fellow; L.V. Adikaeva, junior research fellow; T.R. Karpenko, junior research fellow
For citation: Andreev N.R., Nosovskaya L.P., Adikaeva L.V., Karpenko T.R. Separation of Grain Flour to Protein and Starch Fraction by Pneumatic Sorting. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2015. V.29. No 11. Pp. 108-111 (In Russ.).
