Процессы обработки пищевых материалов давлением

Обработка продовольственного сырья давлением относится к одной из распространенных технологических операций пищевых производств. С помощью механического давления на продукт со стороны исполнительных элементов оборудования осуществляется отделение жидкости из влажных материалов (отжим, прессование), придание пластичным материалам определенной формы (штамповка или отсадка), соединение частиц сыпучих материалов в плотносвязную субстанцию (прессование, экструдирование), изменение структуры жидких продуктов (гомогенизация), обработка вторичных отходов пищевых производств (компактирование, брикетирование).

Так, путем отжима из овощей, ягод и фруктов получают соки, из маслосодержащих семян – растительное масло или удаляют влагу из свекловичного жома. Штамповка используется при производстве полуфабрикатов мучных кондитерских изделий, например, тестовых заготовок песочного печенья; отсадка - при получении кондитерских изделий. Прессование используется при производстве сахара-рафинада. Гомогенизации подвергаются жидкие молочные продукты.

На рис. 2.38 приведена классификация оборудования для обработки пищевого сырья давлением [42].

Одним из основных направлений развития пищевых технологий является создание сбалансированных по составу продуктов, соответствующих концепции здорового питания, т.е. использование в рецептурах продуктов экологически чистого сырья и полуфабрикатов. Дальнейшее совершенствование пищевых технологий невозможно без соответствующего машинно-аппаратурного обеспечения. В последнее время все большее использование в пищевых производствах находит перспективный способ экструзионной обработки продуктов, который способствует углубленной обработке сырья.

 

 

Рис. 2.38 Классификация оборудования для обработки пищевых материалов давлением

 

Экструзия (выдавливание) – это процесс термомеханической обработки пищевого сырья путем выдавливания через формующее отверстие рабочего органа с целью получения изделий заданной формы, структуры и физико-химических свойств [35].

В пищевой промышленности для выпуска экструдированных изделий в основном используют крахмалосодержащее и высокобелковое сырье. Если придать материалу вязкопластичные свойства, то можно экструдировать практически любой продукт. В качестве сырья при экструдировании широко используют соевые муку, изоляты и концентраты, зерновые культуры, картофель, вторичное сырье мясной, молочной и рыбной промышленности [36]. Известны такие продукты экструзии, как сухие зерновые завтраки, макаронные изделия, хрустящие хлебцы, кондитерские изделия, чипсы, снеки, сухие супы, соусы и приправы и т.п.

По сравнению с другими технологиями экструзия является экологически безопасным, ресурсосберегающим и универсальным процессом, отличающимся компактностью, небольшим расходом энергии, высокой степенью механизации, непрерывностью и высоким качеством готовых изделий.

По физической сущности экструзия это процесс обработки давлением, одна из разновидностей прессования материала, отличающаяся от него тем, что при прессовании происходит сдавливание, а при экструдировании – формование продукта путем выдавливания материала через формующую матрицу.

Для получения экструдированных пищевых продуктов используют три основных способа [36]:

- холодная экструзия, при которой в материале происходят только механические изменения при его перемещении под давлением. При холодной экструзии массовая доля влаги в сырье составляет 30…60%;

- теплая экструзия, при которой сухие компоненты сырья смешивают с определенным количеством воды (20…30%) и подают в экструдер, где подвергают механическому и тепловому воздействию (аутогенная экструзия);

- горячая экструзия, при которой процесс протекает при высоких скоростях и давлениях при значительной диссипации механической энергии. Массовая доля влаги в сырье составляет 10…20%, а температура превышает 120⁰С (термопластическая экструзия). Горячая экструзия сопровождается взрывным эффектом выходящего из экструдера продукта, приводящим к увеличению его объема.

Физико-механические свойства материала при обработке давлением характеризуются следующими факторами [37]:

- модулем прессуемости, т.е. способностью продукта к уплотнению под действием приложенного давления (без учета потерь на трение);

- коэффициентом бокового давления, равным отношению бокового давления со стороны материала к действующему осевому давлению;

- плотностью, влажностью и температурой пищевого продукта;

- гранулометрическим составом продукта.

Условия прессования пищевых материалов характеризуются:

- удельным давлением прессования;

- коэффициентом трения продукта о рабочие органы экструдера;

- формой и режимом получаемого материала;

- площадью приложения давления.

На рис. 2.39 приведена классификация экструдеров, используемых в пищевых производствах [35].

 

 

Рис. 2.39 Классификация экструдеров

 

Эффективность прессования характеризуется коэффициентом уплотнения , где - начальный и конечный объемы материала. Эффективность прессования может быть охарактеризована также коэффициентом прессования . В зависимости от свойств материала .

Объемная часть продукта после экструдирования , где - плотность продукта; - коэффициент пористости материала; - объем пор; - объем монолитного сырья.

Работа прессования , где - площадь поперечного сечения прессуемого материала; - давление прессования; - начальная и конечная высота материала.

В процессе экструзии пищевой материал подвергается деформации, которая может быть обратимой (упругой) или необратимой (вязкой и пластической, не исчезающей после снятия нагрузки). Основными реологическими свойствами материала являются упругость, пластичность, вязкость и прочность. Под упругостью понимается способность тела восстанавливать свою первоначальную форму (объем). Упругость тел характеризуется модулем упругости (при растяжении и при сдвиге). Возникающие при этом напряжения пропорциональны модулям упругости , где - относительная деформация при растяжении тела; - относительная деформация при сдвиге.

Под пластичностью понимается способность тела под давлением внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности.

Под вязкостью понимается способность тела оказывать сопротивление относительному смещению его слоев , где - скорость деформации; - координата по нормали к вектору скорости; - линейная скорость элементарного слоя, - градиент скорости (интенсивность изменения скорости по нормали к ее вектору).

В пищевой промышленности наибольшее распространение получили шнековые экструдеры, в которых подача материала осуществляется с помощью загрузочной воронки, откуда материал захватывается витками шнека и перемещается им внутри цилиндрического корпуса в предматричную камеру, где постоянно подпрессовывается. Из камеры продукт продавливается через отверстия матрицы.

На рис. 2.40 приведено устройство шнекового экструдера, основными частями которого являются станина, привод, бункер, корпус, шнек, нагревательно-охлаждающая система и комплект сменных матриц.

Рис. 2.40 Экструдер со шнековым нагнетателем

1 – станина, 2 – бункер, 3 – шнек, 4 – система охлаждения, 5 – электронагреватели, 6 – матрица, 7 – корпус

 

Показателем работы экструдера является расходно-напорная характеристика (рис. 2.41).

Расходно-напорная характеристика формующей части ,

где - коэффициент геометрии матрицы, зависящий от формы отверстий; - динамическая вязкость продукта; - перепад давления, создаваемого экструдером.

Расходно-напорная характеристика нагнетательной части экструдера

,

где - коэффициенты геометрии шнекового нагнетателя, зависящие от диаметра шнека, длины, ширины и высоты шнекового канала, угла подъема винтовой линии шнека; - угловая скорость вращения шнека.

Производительность экструдера .

 

Рис. 2.41 Расходно-напорные характеристики шнекового экструдера

 

Совместная работа нагнетателя и формующей матрицы определяется рабочей точкой (точки А и В), которые однозначно определяют параметры режима работы экструдера – его производительность и давление с частотой вращения шнека и соответственно производительность и давление для экструдера, работающего при частоте вращения шнека .

На рис. 2.42 приведен общий вид одношнекового экструдера модели КМЗ-2У, служащего для производства кукурузных палочек.

Рис. 2.42 Экструдер КМЗ-2У

1 – станина, 2 – гильза канала ствола, 3 – корпус, 4 – бункер, 5 – рама, 6 – кожух, 7 – питающий патрубок, 8 – матрица, 9 – шнек питателя, 10 – магнитный уловитель, 11 – ведущий вал

 

Технические параметры:

- производительность, кг/ч 300

- частота вращения рабочего шнека, об/мин 365

- частота вращения шнека дозатора, об/мин 109

- наружный диаметр шнека, мм 123

- диаметр отверстия матрицы, мм 14

- установленная мощность, кВт 55

- габариты, мм 1600х1480х1600

- масса, кг 1065.

 

Для отделения жидкости из влажных продуктов служат гидравлические и шнековые прессы (компакторы) или вальцовые отжимные машины. На рис. 2.43 приведен общий вид компактора пищевых отходов конструкции НТЦ ИНТАГРО ПГТА [43].

 

Рис. 2.43 Вертикальный компактор пищевых отходов

 

Компактор представляет собой одношнековый экструдер с вертикальной компоновкой шнека. Шнек выполнен коническим с переменным шагом витков и заключен в металлическую сетку. Под шнеком установлена многолепестковая диафрагма, служащая для уплотнения прессуемого материала. Перерабатываемый продукт подается через верхний патрубок в зону шнека, где смещается витками шнека к диафрагме. При этом из перерабатываемого продукта попутно извлекается жидкая фракция, которая удаляется через нижний патрубок.

Диафрагма препятствует выходу брикета до тех пор, пока сила давления, развиваемого шнеком, не превысит силы упругости лепестков диафрагмы.

Процесс обработки жидких и пюреобразных пищевых продуктов за счет пропускания под большим давлением с высокой скоростью через узкие кольцевые щели называется гомогенизацией. От воздействия на продукт гидродинамических факторов происходит их интенсивная механическая обработка и дробление на более мелкие составляющие [14].

Гомогенизация изменяет дисперсность частиц продукта и его физико-механические свойства, такие как плотность, вязкость и др.

Процесс гомогенизации осуществляется на специальных аппаратах, называемых гомогенизаторами. Они подразделяются на клапанные, дисковые и ультразвуковые.

Основным конструктивным элементом клапанного гомогенизатора, наиболее распространенного в промышленности, является число плунжеров (1…5).

На рис. 2.44 приведена схема клапанного гомогенизатора, который состоит из станины, корпуса, кривошипно-шатунного механизма, гомогенизирующей головки, системы охлаждения и смазки и привода.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует вращательное движение клиноременной передачи в возвратно-поступательное движение плунжеров. На коленчатом валу кривошипно-шатунного механизма установлен ведомый шкив и шатуны. Вал вращается в конических роликовых подшипниках.

Система охлаждения содержит патрубок для подвода и отвода воды, трубчатый змеевик и трубки с отверстиями, установленные под плунжерами.

Основным рабочим органом гомогенизатора является гомогенизирующая головка, которая является диспергатором обрабатываемой среды. К ее основным элементам относятся седло и клапан, оказывающие непосредственное влияние на дисперсность частиц. Клапанная щель, образуемая между седлом и клапаном в зависимости от их конструктивного исполнения, может быть гладкой или волнистой с постоянным или переменным сечением

Рис. 2.44 Общий вид гомогенизатора

1 – станина, 2 – корпус, 3 – плунжерный блок, 4 – головка гомогенизирующая. 5 – система охлаждения. 6 – система смазки, 7 – привод, 8 – кривошипно-шатунный механизм

 

Продукт подается насосом под большим давлением до 20 МПа. Сила давления поднимает клапан, между ним и седлом образуется щель, через которую продавливается жидкий продукт. Клапан находится над седлом в плавающем состоянии, поскольку из-за изменения гидродинамических условий его положение постоянно меняется.

Силовое замыкание клапана обеспечивается пружиной, жесткость которой определяется в зависимости от давления подачи продукта.

Степень измельчения зависит от давления, конструкции гомогенизирующей головки, равномерности подачи продукта, состояния и качества предварительной обработки продукта.

По конструкции головки делятся на одно-, двух- и многоступенчатые.

Двухступенчатая головка (рис. 2.45) состоит из корпуса и клапанного механизма. В клапанный механизм входят седло и клапан. Клапан связан со штоком, на выступ которого воздействует пружина. Сила пружины регулируется перемещением гайки.

Рис. 2.45 Гомогенизирующая головка

I – первая ступень, II – вторая ступень

1 – седло клапана, 2 – клапан, 3 – корпус, 4 –нажимное устройство, 5 – накидная гайка, 6 – пружина, 7 – шток, 8 – стакан

 

Производительность плунжерного гомогенизатора

,

где - диаметр и ход плунжера соответственно; - угловая скорость вращения коленчатого вала; - число плунжеров; - кпд насоса.

Мощность двигателя гомогенизатора

,

где - давление гомогенизации; - кпд гомогенизатора.

Средний диаметр жировых шариков в диапазоне давления от двух до двадцати мегапаскалей (для молочных продуктов).

.

Обработка давлением используется для получения свежеприготовленного сока из плодов и ягод непосредственно перед употреблением. Для этой цели используются соковыжималки, выпускаемые в качестве насадок к мясорубкам. Эти насадки работают по принципу создания давления конусным шнеком, постепенного сжатия продукта и продавливания жидкой фракции через отверстия сита. Степень уплотнения продукта зависит от конусности шнека, шага между витками и угла их подъема. Данный способ получения сока характерен для большинства соковыжималок.

Обработка давлением пластичных и вязкоупругих пищевых сред. Раскатывание куска или толстой ленты теста относится к важным операциям процесса получения тестовых полуфабрикатов. Операция раскатывания широко используется в производстве печенья, крекеров, пиццы, пельменей, лапши и др.

При раскатывании, когда тесто неоднократно проходит через тестовальцовочную установку, в пласте возникают осциллирующие напряжения и возникают те же эффекты, что и при вымешивании, т.е. недомес, оптимальное развитие, перемес. Считается оптимальным, если кусок теста подвергается не более 40 раскатываниям, при большем их числе происходит обминка теста и качество его ухудшается.

Рассмотрим модель процесса деформирования теста [18] валками тестораскатывающей машины (рис.2.46), установленными в каретке, которая совершает возвратно-поступательное движение относительно подаваемой транспортером тестовой массы. В данной модели суммарная деформация пласта от действия внешних сил может быть представлена как суперпозиция деформаций растяжения, сжатия и сдвига.

Рис. 2.46. Общий вид тестораскатывающей формующей установки

Каретка (рис.2.47), перемещаясь возвратно-поступательно относительно конвейера, автоматически по заданной программе выбирает зазор между образующими валиков и плоскостью транспортера до тех пор, пока не будет достигнута заданная толщина пласта.

 

Рис.2.47. Схема раскатки пласта теста на четырехвалковой тестораскатывающей установке

 

В результате этих движений каретки на пласт будет действовать нормальная сила (сила сжатия), возникающая при опускании каретки в вертикальной плоскости, и сдвига, возникающая при возвратно-поступательном ее движении в горизонтальной плоскости. Данная комбинация сил (без учета массовых сил) собственно и определяет деформацию куска теста, заставляя его изменять свои размеры по всем координатным плоскостям.

От действия внешней нагрузки внутри текстовой массы будут возникать нормальные и касательные напряжения, величина которых будет зависеть не только от величины внешних сил, но и ориентации площадок, на которых действуют внутренние силы.

Рис. 2.48 Схема силового воздействия на элементарный участок пласта

 

Выделим в зоне контакта валка с деформируемым пластом теста элементарный участок в виде призмы (рис.2.48) и рассмотрим действующие на него силы. Х -компонента силы состоит из пяти частей для каждой грани призмы, однако, если мало, то силы от треугольных граней (перпендикулярные оси ) будут равны и противоположны по направлению. На основание призмы действует сила равная , а на вертикальную прямоугольную грань - . Сумма всех этих сил равна Х -компоненте внешней силы, действующей на грань N с единичным вектором нормали к этой грани, .

Составляющая напряжения по оси равна или , где , а . Тогда или .

Движение слоя теста между лентой конвейера и валками каретки при постоянно уменьшающемся зазоре обуславливает не только появление в тестовой массе напряжений сдвига, но и напряжений от сжатия пласта. Величина давления на пласт возрастает от нуля в момент касания образующей валка поверхности пласта, достигает максимума при минимальной величине зазора и вновь уменьшается до нуля, когда валок выходит из контакта с тестом.

При контакте последующих валков каретки в течение одного хода происходит калибрование толщины пласта с выравниванием и перераспределением напряжений.

Поскольку каретка совершает периодические возвратно-поступательные движения в процессе раскатывания теста и количество ходов каретки для нормального развития теста должно составлять примерно 36-40 [19], то такой динамический режим работы тестораскатывающей машины может быть представлен моделью осциллирующих напряжений, вызванных периодическими колебаниями деформации пласта. Предположим, что деформация в пласте изменяется по гармоническому закону , где ; - частота колебаний, рад/с; - частота в Гц; - амплитуда гармонических колебаний деформации. Периодические колебания деформации будут приводить к изменениям напряжений, которые в общем случае будут равны , где - амплитуда периодически изменяющихся напряжений, - мгновенный модуль сдвига, - угол, характеризующий отставание напряжений от деформации [31].

Величина амплитуды деформации оказывает существенное влияние на целостность структуры раскатываемого пласта теста. Экспериментальные исследования показывают, что при значительном уменьшении зазора при каждом ходе каретки в начальный момент раскатывания бруска теста, когда толщина бруска превышает зазор более чем в три раза, наблюдается образование разрывов тестовой массы по краям пласта, т.е. происходит разрушение структуры пласта. Это объясняется тем, что скорость деформации является чрезмерной, и напряжения в пласте быстро достигают критических величин. Данное явление особенно четко проявляется при раскатывании песочного теста, реологические свойства которого отличаются от вязкоупругих тел. Поэтому изменение зазора каретки должно осуществляться как можно более плавно и раскатывание должно вестись в несколько проходов с двух-трех кратным повторением ходов каретки с неизменяемым зазором для калибрования пласта.

Из-за наличия остаточных напряжений толщина пласта после раскатки не является его конечной величиной. Фактическая толщина пласта будет больше, чем толщина на выходе из тестораскатывающей машины, так как пласт после релаксации напряжений увеличит свою толщину. Соотношение конечной величины к зазору между вальцами или между вальцом и поверхностью транспортера может быть выражено следующей зависимостью [19] . Данное эмпирическое уравнение связывает только геометрические параметры тестораскатывающей установки и не учитывает реологические свойства теста.

В процессе раскатывания нарушается структура белковой сети. Ориентирование белка является причиной анизотропии вальцованного теста. Раскатывание приводит к меньшей растяжимости теста и пониженной эластичности. Потеря прочности теста, очевидно, связана с накоплением деформации сдвига, поскольку работа тестовальцовочных машин основана на приложении срезывающих напряжений к тесту.

Получение тестовой ленты для ее последующего раскатывания может быть осуществлено путем экструдирования, т.е продавливания тестовой массы через отверстия матрицы экструдера. Процесс формования экструзией имеет ряд преимуществ, например, таких как непрерывность и высокая скорость процесса, безотходность технологии [20].

При штамповании полуфабрикатов из полученной ленты или пласта теста заготовки испытывают деформацию сжатия от действия давления. Тесто обладает упруговязкими свойствами, когда упругость его проявляется до определенного предела, после чего тесто начинает деформироваться и течь, проявляя свойства вязкой жидкости. Это течение не подчиняется закону Ньютона для истинно вязких жидкостей и его реологические свойства описываются моделью Бингама где - тангенциальная сила, вызывающая сдвиг слоев площадью ; - напряжение сдвига; - градиент скорости.

Для тестовых полуфабрикатов характерно явление релаксации, т.е. уменьшения величины напряжений в тестовой заготовке при постоянной деформации. Время релаксации или ее период характеризует физико-механические свойства материала. Например, для некоторых рецептур бисквитного теста период релаксации изменяется от 1.5 до 6 секунд. Практикой установлено, что для сохранения рельефного рисунка на отштампованной тестовой заготовке время штамповки не должно превышать периода релаксации.

Различие в физико-механических характеристиках теста, полученного из различных видов муки, предопределяет и различную технологию получения тестовых полуфабрикатов. Например, пшеничное тесто представляет собой коллоидную систему в виде каркаса из клейковины, заполненного крахмальными зернами и вследствие этого обладающую упругими свойствами, что делает его пригодным для штамповки. Тогда как тесто из ржаной муки не имеет клейковинного каркаса, обладает меньшей вязкостью и большей адгезией. Поэтому формовка ржаного теста ограничивается округлением тестовых заготовок.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: