 |
Факторы, характеризующие физико-механические свойства пищевых материалов при их экструдировании
|
|
|
|
При экструзии обрабатываемый материал под действием давления, развиваемого рабочим органом, продавливается через профилирующую головку (матрицу). По Азарову Б.М. экструзия – это формование продукта путем выдавливания, а прессование – это формование продукта путем сдавливания [6].
Для получения экструдированных пищевых продуктов используется три основных способа:
- холодная экструзия, при которой происходят только механические изменения в материале при его перемещении под давлением. При холодной экструзии массовая доля влаги в сырье составляет 30…60%;
- теплая экструзия, при которой компоненты смешивают с водой и подают в экструдер, где наряду с механическим воздействием их подвергают тепловому воздействию нагреванием извне;
- горячая (термопластическая) экструзия, которая протекает при высоких скоростях и давлениях. При наблюдается переход механической энергии в тепловую. Подвод тепла может быть непосредственно в продукт и через наружные стенки корпуса экструдера. Массовая доля влаги солставляет 10…20%, а температура превышает 1200С.
Горячая экструзия может сопровождаться взрывным эффектом за счет резкого перепада давления. Влага при этом переходит в парообразное состояние, что приводит к вспучиванию (экспандированию) продукта.
Факторы, характеризующие физико-механические свойства продуктов:
- модуль прессуемости, характеризующий способность продукта к уплотнению при приложении давления;
- коэффициент бокового давления равный отношению бокового давления к осевому давлению прессования;
- плотность продукта;
- влажность продукта;
- температура продукта;
- гранулометрический состав продукта.
Факторы, характеризующие условия прессования:
|
|
|
- удельное давление прессования;
- коэффициент трения продукта;
- форма прессуемого материала;
- режим прессования;
- площадь сечения материала, к которой приложено давление.
Эффективность процесса прессования характеризуется коэффициентом уплотнения 
, где 
- начальный объем материала и конечный объем после прессования соответственно.
Коэффициент прессования 
. В зависимости от свойств материала 
.
Объем продукта после экструдирования 
, где 
- коэффициент пористости продукта, 
- объем пор и объем монолитного сырья соответственно.
- для полидисперсной многокомпонентной смеси, 
- масса и плотность i-го компонента экструдируемой смеси соответственно.
Работа прессования 
, где 
- площадь поперечного сечения прессуемого материала, 
- давление прессования; 
– начальная и конечная высота материала.
При экструдировании вязко-пластичных материалов при превышении определенной величины давления и температуры происходит потеря материалом упругих свойств и течение материала становится присущим вязкой жидкости
Поведение вязко-пластичных материалов при их экструдировании описывается законами реологии. Основными реологическими свойствами материала являются его упругость, пластичность, вязкость и прочность..
Пластичность материала это его способность необратимо деформироваться под действием внешней нагрузки без нарушения сплошности. Пластичное течение наступает при напряжениях, превышающих предельное напряжение сдвига.
Вязкость материала характеризует его способность оказывать сопротивление относительному смещению слоев. Течение вязких материалов описывается законом Ньютона 
, где 
- коэффициент динамической вязкости, 
- скорость деформации, равная градиенту скорости. Градиент скорости характеризует интенсивность изменения скорости по нормали к ее вектору, 
- линейная скорость слоя, 
- координата по нормали к вектору скорости.
|
|
|
Для ньютоновой жидкости, как видно из уравнения, характерна линейная кривая течения, т.е. для ньютоновых жидкостей вязкость не зависит от скорости сдвига. Многие реальные пищевые продукты при своем течении проявляют нелинейную вязкость, т.е. при течении неньютоновых жидкостей, например, таких как тесто и др., являющихся объектом эктрудирования, вязкость в ходе процесса изменяется и зависит от напряжения сдвига и градиента скорости. Для таких тел используется понятие эффективной вязкости.
Особое значение при экструдировании вязко-пластичных материалов имеет явление называемое релаксацией. Релаксация напряжений, возникающих при силовом воздействии на материал, это изменение их величины при постоянной деформации. Ослабление напряжений обуславливается переходом части упругой деформации в пластическую и занимает определенный промежуток времени, называемый периодом релаксации, когда напряжения при постоянной деформации падают в 
раз, где - основание натурального логарифма.
Для того, чтобы экструзионный продукт сохранял свою форму и геометрические размеры, продолжительность формования при экструзии должна быть не меньше периода релаксации.
Классификация экструдеров
Рисунок 1. Классификация экструдеров
Поршневые и валковые экструдеры оказывают щадящее воздействие на продукт, поэтому используются для обработки продуктов с нежной консистенцией.
Валковые нагнетатели применяются при экструдировании пищевых масс без матрицы (каландрование), когда обрабатываемый материал получается в виде ленты.
Шестеренные нагнетатели применяются для формирования однородных масс. Их недостатком является непостоянство создаваемого давления.
Классификация шнековых экструдеров приведена на рис. 2.
Рисунок 2. Классификация шнековых экструдеров
Шестеренные и шнековые экструдеры целесообразно использовать при совмещении экструзии с другими процессами: варки, смешивания, гомогенизации, диспергирования и др. [7].
Двухшнековые экструдеры более сложны в изготовлении по сравнению с одношнековыми экструдерами, энергоемки, однако позволяют обеспечить более высокую точность объемного дозирования и повышенную степень перемешивания компонентов, а также обладают эффектом самоочистки.
|
|
|
Принципиальная схема одношнекового экструдера приведена на рис. 3
Рисунок 3. Схема одношнекового экструдера
1 – матрица, 2 – предматричная камера, 3 – корпус, 4 – шнек, 5 – загрузочная воронка, 6 - привод
К основным геометрическим параметрам шнека относится его диаметр, длина, расстояние между витками, диаметр вала, угол наклона винтовой линии..
Для обеспечения движения материала в полости экструдера трение материала о корпус должно быть больше трения о поверхность шнека, в противном случае материал будет вращаться вмсесте со шнеком.
По конструктивному исполнению шнека и корпуса различают;
- цилиндрический корпус и шнек с уменьшающимся к выходу шагом витков шнека;
- цилиндрический корпус и шнек с постоянным шагом Витов шнека;
- цилиндрический шнек с постоянным шагом винтовой линии в цилиндрическом корпусе, имеющим также винтовую линию;
- цилиндрический шнек с постоянным шагом винтовой линии в коническом корпусе;
- конический шнек с постоянным шагом витков в коническом корпусе.
|
|
|
