CC BY
217
УДК 658.5:621.7.04
Тимофеева Д. В., Попов В.П., Антимонов С.В., Зинюхина А.Г.
Оренбургский государственный университет E-mail: ppbt@mail.osu.ru
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ШНЕКА ТИПОВОГО ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРА
На базе экспериментального исследования предлагается разработка конструкции рабочего органа пресс-экструдера, предназначенного для производства пищевых продуктов. Данная конструкция обеспечивает возможность регулирования скорости подачи материала в зону сжатия, за счет регулирования угла наклона витков шнека. Таким образом, предлагаемые изменения конструкции рабочего органа пресс-экструдера позволяют: оптимизировать процесс, повысить производительность экструдера и получать экструдаты высокого качества. В работе проведены исследования преобразования макаронного теста в каждой зоне с точки зрения его плотности и, как следствие, прочности.
Ключевые слова: экструзия, макаронное тесто, шнек, плотность, прочность, производительность, зоны шнековой камеры.
Процесс экструзии материалов органического происхождения применяется с 30-х годов 20-го столетия. Эктрудировать, можно различными способами. В настоящее время наиболее перспективна в производстве продуктов питания шнековая экструзионная техника [1].
Экструзионная технология - один из самых высокоэффективных процессов, совмещающий термо-, гидро- и механическую обработку сырья и позволяющий получать продукты нового поколения с заранее за данными свойствами, управляя исходным составом экструдируемой смеси, механизмом физико-химических, механических, биохимических и микро-биологических процессов, протекающих при экструзии пищевых масс [2].
Экструдеры позволяют совместить ряд операций в одной машине, проводить их быстро и непрерывно (составлять композиции из нескольких компонентов, перемешивать, сжимать, нагревать, варить, стерилизовать и формовать практически одновременно). При экструдиро-вании возникают большие силы сдвига, благодаря чему появляется возможность формовать необходимую структуру из белков растительного происхождения, что невозможно в условиях тепловой обработки.
Таким образом, за счет совмещения нескольких операций, высокого давления сокращается продолжительность всего технологического процесса, что позволяет уменьшить трудоемкость и снизить энергопотребление [3].
На сегодняшний день различными видами экструзии получают компоненты кормов для домашних птиц, животных, рыб, кондитер-
ские изделия (шоколад, конфеты, печенья, жевательную резинку), продукты детского и диетического питания, воздушные крупяные палочки (кукурузные, рисовые, перловые и т. д.), компоненты овощных консервов и пищеконцен-тратов, широкий диапазон макаронных изделий и др [4]. Кроме того, экструзия - это идеальный технологический процесс для обогащения продуктов питания физиологически функциональными пищевыми ингредиентами (ГОСТ Р 52349-2005): пищевыми волокнами, витаминами, минеральными веществами для получения обогащенных или функциональных изделий, обеспечивающих профилактику заболеваний, связанных с возникновением в организме человека дефицита тех или иных питательных веществ [5].
Для получения пищевых эктрудатов сегодня применяют одношнековые и двухшнековые пресс-эктрудеры. Одношнековый экструдер по сравнению с двухшнековым имеет следующие преимущества:
- большую производительность,
- уменьшенную нагрузку на подшипники, передачи и привода (в двухшнековом экструде-ре габариты подшипников и передачи ограничены межцентровым расстоянием шнеков),
- большую надежность в работе,
- низкую стоимость;
- проверенную технологию, простую конструкцию;
В одношнековом экструдере весь канал шнека заполнен материалом: условия для формования более благоприятны, чем в двухшне-ковом экструдере [6].
В настоящее время в одношнековых экст-рудерах применяются в основном шнеки с нарезкой по всей длине и с постоянным шагом, равным наружному диаметру шнека. 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, снижению производительности экструдера и качеству получаемой продукции [7].
Для изучения преобразования материала в экструдере конструкция шнековой камеры была разбита на пять зон (рисунок 1): зона загрузки, зона транспортирования, зона сжатия, зона гомогенизации и зона формования. Нами было изучено преобразование макаронного теста в каждой зоне с точки зрения его плотности и, как следствие, прочности [8].
Результаты исследований для типового од-ношнекового экструдера представлены на рисунках 2 и 3. Для достижения точности эксперимент проводили в пяти повторностях.
Плотность макаронного теста по зонам экструдера определяли следующим образом: после выхода экструдера на режим, останавливали его, выключали привод, разбирали экстру-дер на части и исследовали материал, находящийся в каждой зоне. Плотность определяли по ГОСТ 8.024-75.
Из графика, представленного на рисунке 2 мы видим, что результаты свидетельствуют
о недостаточном уплотнении макаронного теста в зоне сжатия 1100 г/см3 по сравнению с 1300 г/см3, которые получаем на выходе из экструдера. А также о недостаточной плотности макаронного теста на выходе из экструдера 1300 г/см3, по сравнению с 1400 г/см3, достигаемых на гидравлических прессах, при использовании аналогичного сырья. Вышеприведенные данные, вероятно, объясняются неэффективной работой шнековой камеры пресс-экструдера в зоне сжатия, при использовании традиционной конструкции шнековой камеры.
Результаты графика, представленного на рисунке 3, свидетельствуют о том, что в зоне сжатия происходит возрастание прочности до 8,4 кПа, что отрицательно влияет на дальнейшее прохождение материала вдоль шнека экст-рудера. В зоне гомогенизации наблюдается дальнейшее возрастание прочности до 8,6 кПа и в зоне формования прочность составляет до 8,8 кПа, что так же отрицательно влияет на формование экструдируемых изделий. Полученные данные объясняются неэффективной работой пресс-экструдера при использовании традиционной конструкции шнековой камеры.
В связи с вышесказанным нами была разработана конструкция одношнекового пресс-экструдера, обеспечивающая возможность регулирования скорости подачи материала в зону сжатия, за счет регулирования угла наклона витков шнека.
Для решения поставленной задачи, нами была изменена конструкция рабочего органа пресс-экструдера следующим образом: витки в зоне загрузки и транспортирования были выполнены с возможностью осевого перемещения,
Рисунок 1. Рабочий узел шнековой камеры пресс-экструдера
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.
Экструдер содержит, подшипниковый узел 1 (рисунок 4), загрузочную воронку 2, разъемные корпуса шнековой камеры 3, привод 4, формующую головку 5, шнек 6 с витками 7, выполненными с возможностью осевого перемещения в зонах загрузки и транспортирования, посредством вращения резьбового вала 8 приводного механизма 9, расположенного в теле шнека 6. На резьбовом валу 8 расположены втулки 10 с установленными пальцами 11. Пальцы 11 со-
вершают движение по направляющим 12, выполненным в теле шнека 6 и соединены с витками шнека 7.
Предлагаемый экструдер работает следующим образом. Исходный продукт под воздействием вращающихся витков 7 шнека 6 перемещается в зону сжатия. После сжимания, продукт поступает в зону гомогенизации, где происходит превращение размягченных частиц в однородный расплав. Затем продукт попадает в зону формования и продавливается через формующую головку 5.
При изменении плотности поступающего на переработку материала возникает необходимость в изменении скорости подачи материала в зону сжатия. Данная скорость регулируется
Зона загрузки Зона транспор- Зона сжатия Зона гомогени- Зона формования тирования зации
Зоны шнековой камеры
Рисунок 2. Плотность материала в зонах шнековой камеры экструдера, г/см3
Зона загрузки Зона транспор- Зона сжатия Зона гомогени- Зона формования тирования зации
Зоны шнековой камеры
Рисунок 3. Прочность материала в зонах шнековой камеры экструдера, кПа
Тимофеева Д.В. и др.
при помощи изменения угла наклона витков 7 шнека 6. Изменение угла наклона осуществляется следующим образом: при вращении резьбового вала 8 втулки 10 с установленными в них пальцами 11 перемещаются вдоль оси шнека 6, увлекая за собой витки шнека 7. В результате за счет изменения расстояния между витками 7 изменяется и угол наклона самих витков. При изменении угла наклона витков изменяется соотношение тангенциальной (обеспечивающей вращение и перемешивание материала) и аксиальной (обеспечивающей продвижение материала вдоль оси шнека) составляющих силы воздействия шнека на перерабатываемый материал. При изменении данного соотношения, изменяется скорость перемещения материала в зоне загрузки и транспортирования, и, как следствие скорость подачи его в зону сжатия. Таким образом, появляется возможность регулирования скорости подачи материала в зону сжатия, и, как следствие регулирование давления материала на выходе из зоны сжатия, в зоне гомогенизации и формования, что обеспечивает повышение производительности экструдера и получение высококачественной продукции.
Изменение угла наклона витков целесообразно выражать в виде отношения шага винтовой лопасти шнека к ее наружному диаметру ^ё). Для исследования изменения плотности и прочности в зависимости от отношения шага винтовой лопасти шнека к ее наружному диа-
метру ^ё) и влажности перерабатываемого материала использовали макаронное тесто из хлебопекарной муки высшего сорта. На основе предварительных экспериментов был составлен и реализован план трехфакторного эксперимента [9] по установлению влияния влажности и отношения шага винтовой лопасти шнека к ее наружному на плотность и прочность материала в зонах шнековой камеры экструдера. При этом влажность меняли в пределах от 28% до 32%, Ld - изменяли в пределах от 0,4 до 1,2, при толщине лопасти шнека 7 мм, внешнем диаметре винтовой линии 59 мм и длине прессующей части 650 мм.
По результатам эксперимента, при помощи программного средства, разработанного на факультете прикладной биотехнологии и инженерии ОГУ, получены уравнения регрессии второго порядка и построены плоскости отклика. Уравнения регрессии: для плотности материала в зонах шнеко-вой камеры экструдера:
р = 1303,97 -11,48 • W -15,30 • Ld + + 28,3 • W • Ld +11,90 • W2 + 27,24 • Ld2 (1) для прочности материала в зонах шнеко-вой камеры экструдера:
р = 8,69 - 0,17 • W + 0,34 • Ld -- 0,79 • W • Ld - 0,34 • Ld2 (2)
где Ш - влажность материала;
Ьй - отношение шага винтовой лопасти шнека к ее наружному диаметру.
Рисунок 4. Конструкция одношнекового пресс-эктрудера
3
7
1
2
6
5
4
Величины и ЬЛ даны в условных единицах.
Для перевода натуральных единиц в условные можно воспользоваться следующими уравнениями:
W = 0,5 • W'-1,5 ; (4)
Ld = 2,5 • Ld' - 2 (5)
Величины со штрихом натуральные, где W' -влажность материала,%; Ld' - отношение шага винтовой лопасти шнека к ее наружному диаметру.
Плоскости отклика, отражающие зависимость плотности и прочности материала в зонах шнековой камеры экструдера от влажности материала и отношения шага винтовой лопасти шнека к ее наружному диаметру представлены соответственно на рисунках 5 и 6.
Из рисунка 5 мы видим, что за счет изменения отношения шага винтовой лопасти шнека, к ее наружному диаметру ^ё) в зонах загрузки, транспортирования и сжатия можно значительно увеличить плотность материала. Так же на-
□ 1380-1400
□ 1360-1380
□ 1340-1360
□ 1320-1340
□ 1300-1320
Плотность материала в зонах шнековой камеры экситрудера, г/см3
Влажность, W %
-0,4 -0,1
0,2 Отношение шага
винтовой лопасти шнека к ее наружному диаметру, Ld
Рисунок 5. Зависимость плотности материала в зонах шнековой камеры экструдера от влажности и отношения шага винтовой лопасти шнека к ее наружному диаметру
□ 9,5-10
■ 9-9,5
□ 8,5-9
□ 8-8,5
■ 7,5-8
□ 7-7,5
Прочность материала в зонах шнековой камеры экситрудера, кПа
Влажность, W %
Отношение шага винтовой лопасти шнека к ее наружному диаметру, Ld
Рисунок 6. Зависимость прочности материала в зонах шнековой камеры экструдера от влажности и отношения шага винтовой лопасти шнека к ее наружному диаметру
блюдается увеличение плотности материала на выходе из экструдера до величины 1400 г/см3, сопоставимой с достигаемой на гидравлических прессах, при использовании аналогичного сырья.
Из рисунка 6 мы видим, что при изменении отношения шага винтовой лопасти шнека к ее наружному диаметру ^ё), прочность теста изменяется. В результате можно получить на выходе из эктрудера материал, обладающий сравнительно низкой прочностью до 7,6 кПа. За счет снижения прочности в зонах сжатия, гомогени-
зации и формования снижаются энергозатраты на проведение процесса экструдирования и повышается качество готовых изделий.
Таким образом, предлагаемые изменения конструкции рабочего органа пресс-экструде-ра позволяют:
- оптимизировать процесс экструдирова-ния различного сырья за счет регулируемого поддержания давления в зоне сжатия;
- повысить производительность экструдера;
- получать экструдаты высокого качества.
29.05.2014
Список литературы:
1. 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.
2. Технология получения экструдированных кормов с применением гречишной и подсолнечной лузги / В.П. Попов [и др.] // Журн. «Хранение и переработка сельхозсырья» №4. - 2013. - С. 47-49. - ISSN 2072-9669.
3. Измельчение и охлаждение сырья при получении экструдированных кормов и добавок / В.П. Попов [и др.] // Журн. «Хранение и переработка сельхозсырья» №3. - 2013. - С. 17-20. - ISSN 2072-9669.
4. Разработка технологии экструдированных кормов на основе отходов пищевой промышленности с охлаждением духк-ратно измельчаемого сырья / В.П. Попов [и др.] // «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.
5. Оптимизация технологии экструдированных грубых кормов и добавок / С.В. Антимонов [и др.] // Материалы IX международной научно-практической конференции «Научный вестник» 27.12.2012-05.01.2013 г., Прага. Publishing House «Education and Science»s.r.o. - 2013. - С. 72-76. - ISBN 978-966-8736-05-6
6. Разработка технологии экструдированных продуктов с учетом адгезионно-когезионных технологий / Д.В. Тимофеева [и др.] // Инновационные технологии в АПК: теория и практика: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции / МНИЦ ПГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2013. - С. 75-177.
7. Исследование процесса преобразования сыпучего материала в упруго-вязко-пластичный в канале шнека пресс-экструде-ра / Д.В. Тимофеева [и др.] // Бъдещие изследования: материали за 9-а международна практична конференция. Том 25. Сельско стопанство. Ветеринарная наука. - София: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2013. - С. 50-54.
8. Оптимизация изменения агрегатного состояния сырья в процессе экструзии / Д.В. Тимофеева [и др.] // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013. - №3. - С. 225-229. - ISBN 1814-6457 (Реестр ВАК МО РФ).
9. Коротков, В.Г. Математическое моделирование измельчения зерна ударно-истирающего действия / В.Г. Коротков, В.Ю. Полищук, С.В. Антимонов. - Техника в сельском хозяйстве, №6. - 2007.
10. Коротков В.Г., Попов В.П., Касперович В.Л., Насретдинов Р.Р., Зинюхин Г.Б., Мусиенко Д.А. Шнековый экструдер: патент на изобретение RUS 2147995 16.11.1998
11. Коротков В.Г., Попов В.П., Зинюхин Г.Б., Ханин В.П., Саликов Д.Г. Формующий узел пресса-экструдера: патент на изобретение RUS 2132277
Сведения об авторах: Тимофеева Дарья Владимировна, аспирант кафедры пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета, е-mail: Timofeeva-Daria89@yandex.ru Зинюхина Анна Георгиевна, аспирант кафедры пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета, е-mail: ziggi9090@mail.ru 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3215 Попов Валерий Павлович, заведующий кафедрой пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3104А, тел. (3532) 372465, е-mail: ppbt@mail.osu.ru Антимонов Станислав Владиславович, доцент кафедры машин и аппаратов химических и пищевых производств Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук
460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3115
