CC BY
5
Разработка новой технологии и оборудования
для измельчения различных видов растительных субстратов
А.Д. Поверин
НПО «Биоиндустрия» (Нахабино, Московская обл.) А.В. ТЫрсина, Ю.А. ТЫрсин
Московский государственный университет технологий и управления
Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что в течение последних десятилетий как в нашей стране, так и за рубежом особую популярность приобрели напитки чайные из различных видов растительного сырья, а также водно-жировые эмульсии типа «майонез» с измельченными добавками растительного происхождения. Такой потребительский интерес вызван ярко выраженными ор-ганолептическими свойствами большинства указанных растительных компонентов в составе напитков или майонезов, а также широким спектром лечебного и профилактического воздействия продуктов на основе растительных субстратов на организм человека.
В этой связи необходимо отметить, что указанные свойства относятся только к тем напиткам чайным, которые изготовлены по специальным, «щадящим» технологиям [1] и не имеют в своем составе синтетических химических добавок.
Рис. 1. Силы, действующие
на растительный субстрат при резке: т — угол скольжения, расположенный между вектором окружной скорости рассматриваемой точки на лезвии и вектором нормальной составляющей этой скорости; Ур = гю — скорость резания, где г — радиус-вектор, м; ю — угловая частота вращения ножа
Одна из стадий производства напитков чайных из растительного сырья — измельчение сырьевой массы методом резания. Теоретические основы процесса резания растительных субстратов, а также оборудование, применяемое для этих целей, подробно описаны, например, в ряде работ [2]. В ряде исследований рассмотрены различные частные случаи измельчения некоторых видов растительного сырья, приведена подробная характеристика оборудования, применяемого в том или ином производстве для измельчения конкретных субстратов [3, 4]. Специального унифицированного оборудования для измельчения различных видов растительного сырья в отечественной и зарубежной промышленности не разработано, а его создание является актуальной задачей для отечественной пищевой промышленности.
В рамках проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований была установлена количественная и качественная взаимосвязь между свойствами измельчаемого материала, характеристиками конечных продуктов измельчения и параметрами самого технологического процесса измельчения. В результате исследований было создано универсальное изделие — агрегат измельчения растительного сырья АИРС-1.
Установлено, что на процесс резания растительных субстратов основное влияние оказывают два конструктивно-режимных параметра (рис. 1).
Дальнейшие исследования подтвердили существенные преимущества скользящего резания по отношению к другим технологиям резания: с увеличением угла скольжения нормальная сила Ы, необходимая для возбуждения резания, уменьшается, особенно при значениях т > 30° Уменьшение нормальной силы сопровождается увеличением касательной Т, а удельная работа резания при этом остается неизменной.
Для большинства растительных субстратов уменьшение энергетических затрат на резание наступало тогда, когда значение угла скольжения было мно-
го больше угла трения (т > ф) лезвия о материал, при этом величина удельной работы резания была минимальной при значениях т = 30...50°.
Определено, что степень влияния скорости резания V на энергоемкость процесса измельчения растительного сырья различна. В большинстве случаев при определенном увеличении скорости резания (при т = 0) удельная работа резания возрастала. Для различных элементов растительного сырья (корневища, стебли, листья, цветки) определена минимальная скорость резания, соответствующая оптимальному кинематическому режиму. Увеличение скорости резания рабочих органов сопровождалось ростом положительных факторов (повышение производительности машины и эффективности резания), а также ростом ряда отрицательных факторов (излишним измельчением растительного субстрата, а также существенным и зачастую неоправданным увеличением расхода энергии на холостой ход машины). Качество среза зависело в основном от величины угла остроты б и угла заточки в лезвия ножа. При экспериментальном подборе угла резания для различных видов сырья, равного сумме двух углов а = у + в, главное внимание уделялось параметризации величин угла установки лезвия у. Подбор этого параметра осуществлялся таким образом, чтобы трение между материалом и гранью ножа было минимальным. Правильный выбор угла резания способствовал устранению вредных сопротивлений в системе нож — материал — режущая пластина и создавал оптимальные условия для осуществления процесса резания. Не менее важное значение для осуществления процесса резания с минимальными энергетическими затратами имел правильный выбор угла заточки ножа в. Был установлен оптимальный угол заточки, равный 40°. С уменьшением величины угла заточки резко снижалась прочность изделия, что в конечном счете приводило к частым поломкам режущих узлов и изделия в целом.
По результатам проведенных исследований были обоснованы и оптимизированы основные параметры работы агрегата АИРС-1. Рассмотрены вопросы взаимодействия растительного сырья с его рабочими органами, оптимизированы процессы энергопотребления, распределения напряжений по всей длине рабочих органов и условия подачи сырья в камеру для его измельчения.
Эффективность работы агрегата оценивали по степени измельчения растительных субстратов, удельной производительности машины, затратам энергии на осуществление процес-
2•2006
48
са измельчения, гранулометрическому составу и форме конечных продуктов измельчения, а также надежности и долговечности ее работы.
Энергоемкость, как основной критерий практической целесообразности изделия, определяли измерениями потребляемой электроэнергии на различных режимах его работы.
Степень измельчения устанавливали по отношению поверхности частиц измельченного продукта 5к к поверхности исходного измельчаемого материала I = 5к /5 или отношению среднего размера частиц исходного продукта D к среднему размеру конечного измельченного продукта I = D/d.
Гранулометрический состав определяли с использованием ситового и частично седиментационного метода [5]. Седиментационный метод определения размеров частиц осаждением наиболее часто применяется для аналитических целей в диапазоне размеров частиц от 5 до 100 мкм. Распределение частиц по размерам — это наиболее важный параметр, а графическое изображение результатов измерений можно считать наиболее эффективным методом при сравнении качественных характеристик измельчаемого материала [6].
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что энергоемкость процесса, гранулометрический состав материала и его изменение в процессе обработки являются важными показателями процесса измельчения. В свою очередь, оптимизация этих параметров позволяет решать ряд важных практических задач, таких, как определение потребляемой мощности агрегата, а также оценка его производительности. При снижении затрат энергии на измельчение можно избежать излишнего измельчения растительного сырья, этого же эффекта можно достичь уменьшением циклов измельчения. Оптимальные режимы измельчения достигались при потребляемой мощности 4 кВт; габаритных размерах установок 2500x1500x1800 мм; количестве режущих элементов 2 ед.; производительности установки до 250 кг/ч; размерах частиц готовой продукции от 1 до 7 мм; угле заточки ножа 40°; размере загрузочной емкости 500 л.
Исходным материалом для измельчения служило растительное сырье, в том числе цветки ромашки аптечной, листья мяты перечной, трава зверобоя, трава душицы, трава чабреца, корень солодки и ряд других растений. Большинство указанных растений измельчаются до заданного уровня заданной дисперсности в течение 25-50 с при минимальных отходах, не превышающих 3-5 % от массы первоначальной загрузки.
На основании приведенных теоретических выкладок и полученных экспериментальных данных был изготовлен промышленный образец агрегата АИРС-1. Агрегат был аттестован и прошел промышленную апробацию на базе предприятия НПО «Биоиндустрия». Указанный агрегат был включен в состав технологического оборудования для изготовления напитков чайных и водно-жировых эмульсионных продуктов типа «майонез» из лекарственного растительного сырья.
ЛИТЕРАРУРА
1. Поверин Д.И., Поверин А.Д. Технология промышленной переработки лекарствен-
ного растительного сырья. — М.: МСХА им. К.А. Тимирязева, 2000.
2. Оспанов А.А., Остапчук Н.В. Основы теории и моделирования процессов измельчения пищевого сырья и кормов. — Алма-Ата: Наука, 1992.
3. ХодаковГ.С. Физика измельчения. — М.: Наука, 1972.
4. Черепанов Г.П., Ершов Л.В. Механика разрушения. — М.: Машиностроение, 1977.
5. Ермакова Т.П. Метод определения фракционного состава шоколада и порошка какао// Труды ВНИИКП. — М.: Пищепромиздат, 1962. Вып. 24. С. 85-92.
6. Skarlett B. Paticle size Analysis — chemical and Process Ingineering. 1965 V. 46. № 8. Р. 197-201 и др. &
Ответственность за оборудование и за продукт
В качестве полнокомплектного поставщика мы, на фирме КРОНЕС, имеем в виду не отдельные машины. Мы постоянно держим в поле зрения всю Вашу цепь технологических процессов.
■ Технология процессов
■ Технология розлива и упаковки
■ Внутренняя логистика
Beer 2006, Сочи
23 - 26 мая, павильон А, стенд 61
Информации по фирме КРОНЕС на странице интернета www.krone5.com
