автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение развития процесса экструзии крахмалосодержащего сырья

На правах рукописи

003055795

ТГ

Коваленок Владимир Александрович

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых

производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2007

003055795

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Московский государственный университет пищевых производств"

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рысин Анатолий Петрович; доктор технических наук, профессор Щербина Борис Валентинович; доктор технических наук, профессор Тарасов Константин Иванович

Ведущая организация: ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов Российской

академии сельскохозяйственных наук

Защита состоится щ!Э " апреия 2007 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д212.148.05 при ГОУ ВПО "Московский Государственный университет пищевых производств" по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11, корпус А, ауд.

Просим Вас принять участие в заседании Совета или прислать в МГУПП отзыв в двух экземплярах с печатью учреждения по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП. Автореферат разослан "

" лсарппа 2оо7г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

А.С. Максимов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Тема диссертационной работы связана с планами научно -исследовательских работ Московского государственного университета пищевых производств в период с 2000 по 2010г. по теме "Исследование экструзионной обработки материалов растительного происхождения".

1.2. Актуальность работы. Ситуация, сложившаяся в экономике РФ, привела к росту пищевых производств, не требующих больших капитальных затрат для их реализации и имеющих небольшую продолжительность производственного цикла (хлебобулочные изделия, майонезы, кетчупы, продукты быстрого приготовления). В связи с развитием этих технологий возросла потребность в предварительно клейстеризованных (набухающих) крахмалах, которые проявляют свои стабилизирующие, загущающие и водоудерживающие свойства в различных системах, не требует дополнительного нагрева. Однако существующий способ получения набухающих крахмалов на вальцовых сушилках имеет существенные недостатки: низкую производительность, связанную с малым коэффициентом теплопередачи, что ограничивает скорость вращения вальцов; необходимость испарения большого количества влаги; низкий коэффициент полезного использования тепла; высокую удельную металлоёмкость оборудования. Для обогрева сушильных барабанов обязательно наличие источника тепловой энергии (обычно пара), что требует дополнительных капитальных вложений.

Одно из основных направлений развития пищевой промышленности это интенсификация технологических процессов путем одновременного воздействия различных физико - химических факторов на сельскохозяйственное сырье. Именно к такому процессу относится экструзия крахмалосодержащего сырья.

О постоянно растущем интересе к экструзионному способу переработки крахмала и крахмалсодержащего сырья свидетельствуют многочисленные публикации. Однако на их основе невозможно выработать единые подходы к

анализу закономерностей изменения свойств крахмала при различных методах обработки. Выявлены, как правило, закономерности изменения его свойств от воздействия только отдельных параметров обработки модельных систем. Имеющаяся информация по исследованиям в этом направлении не отвечает на все возникающие вопросы при разработке новых технологий. Как правило, исследуются лишь отдельные технологические операции или физико-химические свойства уже готовых продуктов, изготовленных на разном, зачастую, не характерном для России сырье и оборудовании. Недостаточно исследованы процессы тепломассообмена в крахмальных гелях после экструзионной обработки, хотя эти процессы существенно влияют на формирование их структуры и свойств. Выбор необходимых режимов экструзионной обработки чаще всего основывается на его эмпирическом подборе, основанным на результатах неоправданно большого объёма экспериментальных работ.

Экструзионное оборудование, выпускаемое отечественными предприятиями, предназначено для производства зерновых завтраков и комбикормов. С учётом существенного различия свойств сырья и целей обработки, нельзя сделать однозначных выводов о возможностях их использования для производства модифицированных крахмалов.

Актуальным является поиск новых методов оценки структуры и свойств экструзионных крахмалопродуктов, что позволит определить возможные области и способы их применения в различных отраслях народного хозяйства.

Одним из важнейших направлений развития и совершенствования экструзии является разработка математической модели этого процесса, которая позволила бы прогнозировать качество готового продукта исходя из геометрических и кинематических параметров рабочих органов шнека.

Указанные обстоятельства определяют необходимость изучения закономерностей изменения свойств разных крахмалов и крахмалсодержащего сырья при экструзии с целью разработки научных основ получения

крахмалопродуктов с заданными свойствами с использованием отечественного оборудования, сырья и практической реализации завершенных разработок.

Актуальность работы подтверждается включением тематики проводимых исследований в научно-технические программы Миннауки РФ "Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК", "Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности" и в российско-белорусскую программу "Повышение эффективности агропромышленного производства и последовательное сохранение сельскохозяйственной продукции"

1.3. Цель и задачи исследований. Целью работы является создание научных основ и оптимизация процессов экструзии крахмалосодержащего сырья и тепло - массообменных процессов в экструдатах в период их охлаждения.

Для достижения поставленной цели необходимо:

создать экспериментальную базу и разработать методы оценки качества сырья, полуфабрикатов, готовой продукции;

установить взаимосвязь и выявить закономерности режимов экструзионной обработки с качеством продуктов и технико - экономическими показателями процесса;

на базе теоретических и экспериментальных исследований создать математическую модель процесса экструзии, учитывающую технологические и технико — экономические показатели процесса экструзионной обработки; разработать методику оптимизации процесса экструзии; разработать методику и определить теплофизическне характеристики экструдатов;

создать математические модели тепло - массообменных процессов в экструдатах в период их охлаждения;

разработать методику выбора оптимальных режимов охлаждения экструдатов;

провести апробацию результатов исследований в опытно -промышленных условиях.

Схема исследований приведена на рис.1.

Рисунок 1. Структурная схема исследований

1.4. Научная новизна состоит в следующем.

1. Доказано, что максимально согласованными значениями численной инструментальной оценки цветовых и яркостных свойств материала с чувственным восприятием человека является величина J = ^/R, где К -интегральный коэффициент отражения.

2. Разработаны компьютерные программы для расчета контрастных и цветовых различий образцов, учитывающие не только отражательные свойства исследуемого материала, но и спектральные характеристики чувствительности глаза, цветного зрения наблюдателей и эталонных стандартизованных источников светового излучения А, В, С.

3. Доказано, что изотермы сорбции экструдатов позволяют определить величину влагосодержания мономолекулярной адсорбции. Это положение легло в основу для разработки методики определения удельной поверхности экструдатов.

5. Разработана теоретическая математическая модель для расчета производительности шнековых экструдеров с прямоугольными каналами использование, которого позволяет не только оптимизировать процесс экструзии, но и оценивать реологические свойства экструдируемых масс.

6. Разработан новый способ определения оптимальных режимов процесса экструзии, учитывающий конструктивные параметры шнека.

7. Доказано, что коэффициент теплообмена при естественной конвекции (скорость воздуха равна нулю) не зависит ни от вида материала, ни от его формы.

8. Разработан принципиально новый метод определения теплофизических характеристик экструзионных продуктов в условиях естественной конвекции. Определены теплофизические характеристики экструдатов.

9. Проведенные теоретические исследования по конвективному теплообмену экструзионных продуктов с учетом их теплофизических характеристик позволили детально изучить процесс охлаждения экструдатов.

1.5. Практическая ценность и реализация результатов работы.

На основе результатов исследований разработаны и внедрены в научную практику ГНУ ВНИИкрахмалопродукты новые методики оценки качества сырья и готовой продукции по белизне и цветности и по величине удельной поверхности экструдатов.

Разработана новая методика расчета производительности экструдеров, позволяющая определять не только оптимальные режимы процесса и конструкцию шнека, но и оценивать реологические свойства обрабатываемого материала. Определенные режимы экструзионной обработки прошли опытно -промышленную проверку в ГНУ ВНИИкрахмалопродуктов на производство экструзионных крахмалопродуктов из измельченного зернового отхода.

Получены и внедрены в научно - производственную практику ГНУ ВНИИкрахмалопродукты новые данные о теплофизических характеристиках экструзионных продуктов, что позволило проводить расчеты тепло - и массообменных процессов при их обработке.

Разработан новый метод выбора режимов охлаждения экструдатов в зависимости от их назначения, который нашел практическое применение при разработке технологических схем производства экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов. Данный метод значительно сокращает объем экспериментальных работ, прошел опытно - промышленную проверку в ЗАО "Крахмалопродукты" (г.Орел) и включен в регламенты ГНУ ВНИИкрахмалопродукты на производство экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов.

1.6. Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всесоюзных и республиканских конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе: на Всесоюзной конференции "Разработка и совершенствование технологических процессов" 26-28 мая 1987г., на 9-ой Всесоюзном научном симпозиуме : "Физико - химия крахмала и крахмалопродуктов". 4-5 октября 1984г., на всероссийской

конференции "Проблемы фундаментальных исследований в области обеспечения населения России здоровым питанием", на всероссийской н/т конференции "Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания" г.Москва, 2002г., Всероссийской н/т конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации", г.Москва, 2003г., на Всероссийской н/т конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации", г.Москва, 2004г., на 3 юбилейной международной конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации", г. Москва, 2005г., на 4 международной конференции - выставке "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации", г. Москва, 2006г.

1.7. Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 2 монографиях, 33 печатных трудах, получено 3 авторских свидетельства.

1.8. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по работе, списка литературы и приложений.

Объем работы составляет 311 страниц компьютерного текста, 83 иллюстраций, 20 таблиц и приложений на 25 страницах.

Содержание диссертационной работы Введение. Обоснована актуальность диссертации, сформулированы цель и определены направления исследований, рассмотрены новизна и практическая значимость полученных результатов.

Глава1. Обзор литературы. В данном разделе диссертации рассмотрены последние достижения отечественных и зарубежных ученых в исследованиях тепло - и массообменных процессов, структуры и физико-химических свойств крахмала как природного биополимера. Рассмотрены результаты работ по получению модифицированных крахмалов. Большой вклад в исследования по химии и технологии крахмала и крахмалопродуктов и их модификаций сделан отечественными учеными: В.И. Назаровым, H.H. Трегубовым, А.Б. Лукьяновым, В.А. Смирновым, А.И. Жушманом, Н.Г. Гулюком, В.П. Юрьевым

и др., а также иностранными: Ф.Ширбаумом, К.Мерсье, Ф.Мойзером, П.Колонной, Я.Холло, П.Томасиком.

Постоянно растущий интерес к экструзионному способу обработки крахмала и крахмалсодержащего сырья определяется большими технологическими возможностями получения, как новых пищевых продуктов, так и использования его для проведения физико-химических модификаций крахмала. Однако большое количество информации по этому направлению не отвечает на все возникающие вопросы при разработке новых технологий, а характеризует лишь отдельные технологические операции, а также содержит анализ физико-химических свойств уже готовых продуктов.

Глава 2. Методы исследования сырья и экструзнонных крахмалопродуктов Оценка структуры и физико-химических свойств крахмала проводилась традиционными методами по следующим параметрам: содержание сухих веществ, растворимости и водоудерживающей способности, содержанию сорбционной влаги, плотности и коэффициенту расширения экструдатов.

Определение белизны и цветности пищевых продуктов проводилось по разработанной диссертантом методике, в основу которой положены следующие положения:

1. Различие оптических свойств окружающих нас предметов приводит к тому, что лучи, попадающие от них в зрачок глаза, отличаются как по мощности, так и по спектральному составу.

2. Подробные исследования показывают, что у громадного большинства людей оценка светового действия излучения различной длины волны практически одинакова, что делает возможным найти светочувстви-

Рисунок 2.1 Спектральная чувствительность глаза 125 нормальных наблюдателей.

тельные свойства "среднего" глаза и основать на них среднюю, свободную от индивидуальных особенностей оценку светового действия излучения (рис.2.1).

3. Если излучения, попадающие в глаз от двух предметов, одинаковы по составу, но различны по мощности, то глаз заметит разницу между ними; один будет казаться светлее, а другой- темнее. Этот контраст назовем "количественным" или "яркостным контрастом". Увеличивая мощность более слабого излучения, всегда можно добиться исчезновения яркостного контраста.

4. Если излучения, попадающие в глаз от двух предметов, различаются и по мощности и по спектральному составу, то возникающие зрительные восприятия зависят как от свойств глаза, так и от состава сравниваемых излучений. И уже увеличением или уменьшением одного из излучений невозможно устранить наблюдаемый контраст. Т.е. мы должны признать существование нового типа контраста. Этот новый контраст естественно считать контрастом качественным или цветовым.

5. Надо отметить, что свойства зрения сильно меняются от условий освещения (если днем глаз различает мельчайшие детали и тончайшие цветовые оттенки, то ночью глаз видит только силуэты и совершенно не разбирает цветов). Поэтому необходимо раз и навсегда определится с источником освещения, при котором производятся измерения. Для цветовых измерений чрезвычайно существенно фиксировать те условия, в которые должен быть поставлен глаз, сравнивающий и измеряющий цвета (рис.2.2). Где:

1. Источник вечернего освещения А - представляет собой лампу накаливания, нить которой имеет цветовую температуру 2854°К.

400 430 «ю ш мо ею п» Tto tog

длин* волны, ни

Рисунок 2.2. Спектральное распределение мощности в излучениях источников А, В, С.

2. Источник дневного освещения В - цветовая температура 4800°К.

3. Источник дневного освещения С - цветовая температура 6500°К

Из выше приведенных положений вытекает основной принцип и направление разрабатываемой методики: от спектральной и цветовой чувствительности глаза среднего наблюдателя при определенных условиях освещения и спектральных характеристик исследуемого материала к выбору длин волн монохроматического излучения, наиболее точно отражающие яркостные и цветовые контрасты видимые глазом среднего наблюдателя. Т.е. яркостные и цветовые контрасты не существуют вне зрительного восприятия человека. Полная характеристика цвета складывается из его яркости и цветности.

Такие понятия о качестве пищевых продуктов, как вкусовые, органолептические, цветовые показатели, не являются реально существующими физическими вещами и зависят от органов чувств человека. Поэтому при разработке инструментальных методов оценки качества пищевых продуктов необходимо определить такие физические величины, которые позволяют максимально согласовать численные значения инструментально определяемых физических параметров с чувственным восприятием человека. Так различие между образцами с коэффициентами отражения 0.1 и 0.2 гораздо больше различия, чем между образцами с коэффициентами отражения 0.8 и 0.9. Т.е. воспринимаемое человеком "яркостное расстояние" между образцами с коэффициентами отражения 0.1-0.2 значительно больше "яркостного расстояния" 0.8-0.9. Это обстоятельство связано с законом Вебера - Фехнера: различие ощущений определяется не разностью, а отношением внешних раздражений. В связи с этим, учитывая шкалу ахроматических цветов Манселла, оценку контрастного различия образцов (белизны) Зх следует проводить не по коэффициенту отражения Дд, а по величине

У, = (2.1)

Для определения яркости образца по отношению к источнику белого цвета А, В или С, необходимо определить осредненный коэффициент

отражения по всей области видимого спектра излучения:

Д = -- (2.2)

К ХХ^ДА

I *

и

; = (2.3)

Величина 3, определенная по формуле (2.8), можно назвать "белизной" образца.

Нами были проведены исследования по определению белизны различных видов крахмала. С этой целью были определены спектральные коэффициенты отражения образцов на приборе СФ-26 с приставкой диффузного отражения по методике, разработанной на кафедре физики МГУПП.

Полученные зависимости коэффициента отражения оптически бесконечно толстого слоя (толщина слоя 5мм) для картофельного и рисового крахмалов от длины волны Л в видимой области спектра приведены на рисунке 2.3.

Определение белизны образцов по уравнениям (2.2)-(2.3) проводилось в МагЬСа<Н2 по специально разработанной программе, представленной в листинге 2.1.

Рисунок 2.3. Зависимость коэффициента отражения различных видов крахмалов от длины волны.

1 .= 0.. 1« 1:= 0.. 2 к = 0..2

Я_:= 1 ¡,о:= г|.ги ,ВГ= 1С:= 1

400 865 835 60 .0004 14.71 41.3 63.3

420 .866 .832 .624 .004 21 63.2 98.1

440 .868 .835 .688 .023 28.7 80.8 121.5

460 .87 .84 .726 .06 37.82 88.3 123.1

480 .87 .848 754 .139 48.25 95.2 123.9

500 Л7 .85 .76 .323 59.86 94.2 112.1

520 .882 861 .77 .71 72.5 89.5 96.9

540 882 .872 .782 .954 85.95 96.9 102.1

560 .882 .872 .786 .995 100 102.8 1053

580 .892 .882 .792 .87 114.44 101 97.8

600 .892 .882 .791 .631 129.04 98 89.7

620 .903 .882 .798 381 143.62 99.7 88.1

640 .903 .892 .805 .175 15758 102.2 87.8

560 .903 892 809 .061 171.96 105 87.9

680 .914 .892 .816 .017 185 43 103.9 84

700 .914 .903 .823 .0041 198.26 99.1 76.3

720 .914 .903 .834 .001 21036 92.9 683

740 .914 .903 832 .00006 221.66 86.9 61.5

760 .914 .914 .836 .0002 232.11 84.7 58.1

ДХ:=2С

Для источника А

2'|-|ЛГг|.Г4Х . '-

I ^УГ1А,-ЛХ I

Яо С 0.8836 = 0.8756 Я2 = 0.7869

Листинг 2.1. Программа расчета белизны крахмалов

J [й-1 V I

^ = 0.9426 „ ..,

- рисовый крахмал №1 •'I 9358 - рисовый крахмал №2

¿1 - 0.8871 - картофельный крахмал

^vOB, г, ,-ДХ

"i 'I.J '

i

Ro = 0.8863 Rl =0-8729 R2 - 0-7835

J0 = 09414 J! = 0.9343 J2 » 0 8852

Для источника В

Jr

- рисовый крахмал №1

- рисовый крахмал №2 - картофельный крахмал

Для источника С

Ro >0 8855 Rl - 0.8718 R2 = 0 7821

Jo - 0.941 J! = 0 9337 J2 = 0.8843

- рисовый крахмал №1

- рисовый крахмал №2 - картофельный крахмал

Листинг 2.1(продолжение). Программа расчета белизны крахмалов Численной характеристикой качества спектральных излучений является спектральная характеристика цветного зрения среднего наблюдателя, принятая на международном съезде в 1931 г приведена на рисунке 2.4. И цветовое различие между образцами определяется трехцветными координатами, рассчитываемыми по следующим уравнениям:

■ 1в 431 -447 -4S -4BS -PS ■}№ -S9S ИЗ -7ЯЦ

Рисунок 2.4. Спектральные характеристики цветного зрения десяти нормальных наблюдателей.

= |jf(A) h R, -di т JTxW'h -К,-АЛ у' = ¡¥W ■ h ■ - S УW ■■ h • Ля • ДА г' = Jz(A) ■ I R.-dX « £ z(A) ■ h ' *я • АЯ

(2.4)

Где трехцветные коэффициенты х',у',г' - цветовое восприятие человеческого глаза мощности излучения источника излучения / (А, В, С или Е) отраженного (или пропущенного) образцом, разложенное по трем основным цветам Х,У,г.

Трехцветные коэффициенты х,у,г, характеризующие качество цвета, определяются из следующих формул:

х'

х' + у' + г'

г'

2 х' + у' + г'

Расчет трехцветных координат по уравнения (2.4)-(2.5) проводилось в МаШСа<112 по специально разработанной программе, представленной в листинге 2.2.

ч .. 18) 0. 2

"..о «... "и = Х1, . У1, = = 1А,= 1С,-

400 865 835 .60 .0143 .0004 .067 14.71 413 633

«20 866 432 624 .1344 .0040 6456 21 63.2 981

440 <61 835 688 .3483 0230 1.7471 28.7 80.8 121.5

460 .87 .84 72« -2908 М М«92 37.82 883 123.1

450 .87 .848 .754 0956 139 .813 48.25 95.2 123.9

500 .87 .85 .76 .0049 323 хп 59.86 94.2 112.1

520 882 861 .77 0633 .71 ЯШ 72J 89 5 969

540 .882 872 .782 .2904 .954 0203 85 95 969 102 1

560 .882 .872 786 1945 995 0039 100 102.8 1053

580 .892 .882 .792 9163 Л7 0017 114.4+ 101 97.8

600 .892 .882 .791 1Д622 .631 .0008 12904 98 89.7

620 .903 .882 .798 .8544 .381 Л002 143 62 99.7 88.1

640 .903 .892 803 .4479 175 .0 157.98 102.2 87.8

660 903 .892 .809 .1649 061 .0 171.96 105 87 9

6X0 .914 .892 .816 0468 .017 .0 185.43 103.9 84

700 .914 903 823 -0114 0041 .0 198.26 99.1 763

720 .914 1.903 .834 .00» ¿001 .0 ио.м 92.9 683

740 914 .903 ¿32 0007 0003 Я 221.66 86.9 61.5

760 .914 .914 .836 .0002 0001 .0 232.11 847 58 1

Л = 20

хА3»0-445 уА3:-0.408 1А3:= 0 144

хвз:. 0,349 ув3:.оэ52 йз -0.299 - КоорДИНЭТЫ ИСТОЧНИКОВ СВвТа А, В, С хС3:-0Л10 уС)-0.317 гС3:-0 373

Листинг 2.2. Определение координат х,у,г образцов крахмалов.

для источника В:

хВд = 03318 уВ0 = 0353б гВ0 - 0.2946 хВ,-(и5Э4 уВ,-0.3 558 ГВ.,-0.2909 *В2-0Л7» уВ2» 0 3623 гВ2«0.27»?

- рисовый крахмал №1

- рисовый крахмал №2

- картофельный крахмал

I' х^ + ^ + х^

уВ.»

I хг^уг^^

) х2) + у21 + г2)

для источника С:

ХЗ^Х^Ю^Л уЗ^ууС^АХ й)^^^

I хЗ| + уз( +

»с,».

Г Х3) + уЗ. + 23,

Г хЗ| + уЗ| + гЗ^

ХС1 .0.3149 уС^ »03212 Ю] -03439 хС2« 0.3195 уС2 = 03293 гС2-03312

- рисовый крахмал №1

- рисовый крахмал №2

- картофельный крахмал

для источника А:

х1,

хА,:.

УА,.-

I + у1|

I + у1| + 21|

ХА-.0.4507 уА.-0 4078 хА„-01415

0 0 0 - рисовый крахмал №1

ХА, ■ 0.450? уА. « О 4078 гА| -0141! „ _

• 1 - рисовый крахмал №2

хА_»0.4507 уА2.0.407« 2*2-01413 _, _

* * ' • картофельный крахмал

Листинг 2.2(продолжение). Определение координат х,у,г образцов

крахмалов.

Трехцветные коэффициенты не являются единственным способом установления качества цвета. Широким распространением пользуется другой прием, где вместо величин х, у используются две величины, называемые "цветовой тон" и "чистота цвета". Для перехода от трехцветных коэффициентов х,у к длине волны Л и чистоте цвета р используют графический метод. Эти графики и позволяют определить длину волны монохроматического излучения (цветовой тон Я), при которой следует определять коэффициенты отражения

или пропускания исследуемого образца с целью определения его цветности. Этот переход иллюстрируется на рис.2.5.

различных видов крахмалов при источнике излучения В. Длина волны цветового тона для крахмалов составляет 578нм — для картофельного крахмала и 584-586нм - для рисового крахмала. Т.е. образцы крахмалов обладают желтым оттенком.

Предложена методика выбора длины волны монохроматического излучения для определения контрастных и качественных различий образцов, основанная на законах смешения цветов и вычислении трехцветных координат x,y,z в системе X,Y,Z с последующим графоаналитическим переходом к цветовому тону Л и чистоте цвета р. Показателем, при определении цветовых и яркостных свойств материала, наиболее близко соответствующем восприятию человеческого глаза, является величина J = 4r. Разработанная методика прошла опытно - промышленную проверку и внедрена в практику научных исследований ГНУ ВНИИК.

Глава 3. Некоторые вопросы теории процесса экструзии

Одним из важнейших направлений развития и совершенствования экструзии является разработка математической модели этого процесса, которая позволила бы прогнозировать качество готового продукта исходя из геометрических и кинематических параметров рабочих органов шнека.

Математическая модель движения обрабатываемой массы в винтовом канале шнека экструдера позволяет определить как производительность экструдера при его конструировании, так и получение продукции с заданными свойствами.

Расчет производительности шнековых экструдеров

Для расчета производительности шнековых экструдеров введены следующие допущения:

• Рассматривается несжимаемый материал, т. е. примем р = const.

Следовательно — =0;

dt

• Рассматривается установившееся движение материала (стационарный режим). Режим пуска и остановки экструдера не рассматриваем.

• Это упрощение приведет к равенству нулю производных по

0V

времени. Например, —-= Ои т. д.;

dt

• Пренебрегаем массовыми силами, т. е. считаем Fx, Fy и Fz в

уравнениях (3.2) равными нулю. Силы веса не будем учитывать, имея в виду, что перемещение перерабатываемой массы происходит в основном за счет других источников силы, например перепада давления. Скорости движения массы в каналах относительно невелики, что позволяет пренебречь и возникающими при движении инерционными нагрузками.

• Рассматривается ламинарное течение, что при экструзии вязких и высоковязких материалов практически всегда имеет место. Тогда, если нет турбулентности, то компоненты скорости ух,уу равны 0.

С учетом приведенных допущений задача нахождения скорости уг передвижения экструдируемой массы по каналу шнека сводится к решению уравнения Пуассона при соответствующих граничных условиях:

д\ д\г Др

-г-н--£. + -31

дх2 дх1 ц-1

д+^-^-о (3-1)

где: / - длина канала шнека, Др- перепад давления, ц - вязкость материала. Принятые, в существующих методиках расчета производительности, упрощения, связанные с остановкой шнека и вращением неподвижного корпуса нами были отброшены, т.к. вносят существенные ошибки в расчеты скоростей и производительности экструдера.

Производительность экструдеров с прямоугольными каналами шнека Определение скорости движения экструзионной массы в канале шиека, а следовательно и производительности экструдера, сводится к решению следующей задачи с граничными условиями первого рода:

дх2 дх2 ц-1

(3.2)

=0

''х |х.о = =т-у

Уравнение (3.2) решается методом Гринберга или методом конечных интегральных преобразований и является обобщением метода Фурье на случай

неоднородного уравнения и неоднородных граничных условий. Однако решение поставленной задачи в виде (3.2) методом Гринберга имеет плохую сходимость. Это связано с видом нетривиального решения уравнения Штурма - Лиувилля. Для улучшения сходимости, следует искать скорость движения экструзионной массы в канале экструдера в виде:

и искать будем неизвестную функцию уф;,.у). В этом случае уравнение (3.2) примет вид:

Граничные условия в уравнении (3.4) описывают процесс, когда шнек неподвижен, а обечайка экструдера вращается с угловой скоростью со. Однако функция к, определяемая из системы (3.4) не является скоростью передвижения экструдируемой массы V,. Поэтому, принятое в литературе упрощение, связанное с остановкой шнека и вращением неподвижного корпуса, не описывает реальные процессы динамики экструзии.

Обозначим:

У2 = ю- у- 'Л'(х,у}

(3.3)

дгм> дг\1> Ар дх2 + 8х2 р.Г

(3.4)

(3.5)

Будем искать решение уравнения (3.4) в следующем виде:

(3.6)

я-1

где, в нашем случае

ь

)хЦх)<1х \х1(х)ах

(3.7)

о

о

Функцию Хп(х) в нашем случае определяют из решения следующей задачи Штурма-Лиувилля:

<Х"(х)+Л-Х(х) = 0 (Х(0) = Х(6) = 0

Тривиальное решение данной задачи: А"(х) = 0. Нетривиальное решение данной задачи имеет вид:

(3.92)

Уравнение и граничные условия для определения трансформанты и,(у) следующее

,Н±Ш1=о

■п

(3.10)

л-п

«» = 0

«Лу)—^—"Лу)-!

я-п

Решением уравнения (3.10) является следующая функция

«.00 =

' ¡».г

е » -е » \-х2-п'

> я Й я-п г \ / »»Л жя у

•! е ' -е * • е » -е 4

тО+Я) ££<*!£> ^

+ яг-л2-в)-Я-| е ' -е *

(3.11)

Коэффициент А. определяется из следующего уравнения

(3.12)

Окончательно решение поставленной задачи для определения скорости движения материала в плоских каналах шнека имеет вид:

V, (*, у) = 01 ■ у - - • £ и„ (у) ■- ■х) о »-I О

(3.13)

Где ип(у) определяется по уравнению (3.11).

Производительность шнековых экструдеров с плоскими каналами

определяется следующими уравнениями:

О г С

ь я

е = 3600 р \\х,{х,у)с1хау —

' * мпг

(3.14)

где р- плотность материала, кг/м3.

На рис. 5.1 представлен профиль скорости V, перемещения материала по ширине и высоте канала шнека лабораторной одношнековой экструзионной установки фирмы «ВгаЬепёег» (Германия) модель Е ЗЗО (г-0.01л/;Л = 0.02л<;6 = 0.02м;ш = 8с~';£ = 5000).Число членов ряда в уравнении (3.13)-50.

и.их 0.012

Рисунок 5.1. График зависимости профиль скорости уг перемещения материала по ширине и высоте канала шнека Уравнение (3.14) для определения производительности шнековых экструдеров, при данных геометрических параметрах шнека следующее:

д = 3.3284 • О)-0 00247-

АР р-Ь

(3.15)

Рассмотрим, как влияют свойства перемещаемого материала и

противодавление создаваемое фильерой на производительность экструдера. Т.е.

рассмотрим влияние величины £ = на производительность. Данная

ц-1

зависимость представлена на рис. 3.2. Угловая скорость вращения шнека т = 8с"'.

Из приведенного графика видно, что эта зависимость носит линейный

характер и при величине £ = -^£-»10800 производительность экструдера равна

№ ^

нулю. Т.е. каналы шнека забиты и экструдер переходит в нерабочее состояние.

Таким образом предложена методика расчета производительности шнековых экструдеров с каналами прямоугольной формы при минимальном упрощении модели. Единственным упрощением в данной модели - отсутствие проскальзывания обрабатываемой массы относительно стенок шнека.

Определение удельной поверхности экструдатов В процессе экструзионной обработки крахмалсодержашего сырья происходит изменение структуры зерен крахмала и его полисахаридов. Образуется ячеистая структура, что приводит к значительному изменению суммарной поверхности экструдатов. Чем больше поверхность, тем меньше механическая прочность экструдатов, тем выше его растворимость. Поэтому представляет научный и практический интерес изучение влияния вида сырья, условий обработки на изменение суммарной поверхности крахмалосодержащего сырья. Это необходимо не только для определения условий хранения готовой продукции, упаковки и выбора режима экструзии,

но и для определения области применения полученного экструдата. Очевидно, что структурные изменения сырья в процессе обработки оказывают влияние на способность экструдатов поглощать влагу из окружающей среды. При этом должно измениться содержание влаги мономолекулярной адсорбции. Данные положения являются основой для разработки методики определения свободной поверхности экструдатов. Зная количество влаги мономолекулярной адсорбции, а также ориентировочную площадь посадочной поверхности молекулы воды, можно определить удельную площадь поверхности экструдатов.

В качестве объектов исследований были выбраны экструдаты, полученные из увлажненного до 17% куку- .

рузного крахмала, обработанного при различных температурах (145 и 175°С) на промышленном одношнеко-вом эксгрудере А2-КХ-2П. Растворимость этих экструдатов в воде равна 25,5 и 46,7% соответственно. В результате исследований тензометрии-ческим методом сорбционных свойств экструдатов кукурузного крахмала получены изотермы сорбции, приведенные на рис. 3.3. Аппроксимация полученных нами экспериментальных данных с использованием программы Table Curve 2D 5.01 позволила получить уравнения взаимосвязи относительной влажности среды (<р) и равновесной влажности исследуемых образцов (Wp).

Для экструдата (145°С) кукурузного крахмала

0.927

J 8 10 12 14 16 18 20 22 24 влажность материала,%

Рисунок 3.3. Изотермы сорбции экструдатов. 1 - экструзия при I =145°С; 2 - экструзия при I =175°С

, -W-ll 167

1 + ехр —--

1 2 536

(3.19)

Для экструдата (175 С) кукурузного крахмала

0.921

V-

;-wp -11.96

1 + ехр —-

' 2.306

(3.20)

Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием

программы Matematica 5.2. Для экструдата кукурузного крахмала, полученного

при температуре экструзии 145°С вторая производная уравнения сорбции (1)

имеет следующий вид:

¿V _ 0.2883• ехр[-0.78864• (ET-11.17) 0.1441-ехр[-0.39432-(^-11.17) „ 21» dW1 ~ {1 + ехр[-0.39432-(»---11.17)]}J {иехрЕ-О^ЗгОГ-И.П)]}2

График уравнения (3.21) приведен на рис.3. Этот график имеет два экстремума. Один при влажности ¿у

dlГ'

экструдата W2= 14.5%, что соответствует переходу капиллярно-связанной влаги к свободной. А экстремум при влажности Wi=7.82% соответствует максимальному количеству влаги мономолекулярной адсорбции. Масса влаги мономолекулярной адсорбции, приходящаяся на единицу

0.01 0.005 0

-0.005 -0.01

W,%

Рис.3 График второй производной изотермы сорбции экструдата полученного при 145°С

массы сухого вещества экструдата определяется по известному уравнению:

т„,

_ у,

' 100- W.

(3.22)

Как известно, в одном моле воды содержится число молекул^ = 6.022- 10ммоль'1, площадь каждой молекулы водыл0 = 10.6-Ю"20л<2. Следовательно, суммарная площадь молекул воды мономолекулярной адсорбции, приходящаяся на единицу массы экструдата равна:

щ

м m-fVt "

Это и есть искомая удельная поверхность экструдата.

(3.23)

Расчет удельной поверхности исследуемых экструдатов по данной методике дал следующие результаты:

для экструдатов кукурузного крахмала полученного при 1=145°С площадь м1

5 = 3.01Ю5—, а для экструдатов кукурузного крахмала полученного при

2

1=175°С - 5' = 3.47 105—. Из полученных данных видно, что температура

экструзии оказывает влияние на физико-химические свойства экструдатов и их удельную поверхность.

Таким образом, можно сделать вывод о возможности использования вышеприведенного метода для оценки структурных свойств экструдатов и возможных областей их применения.

Глава 4. Исследование процесса экструзии крахмалосодержащего

сырья

Для изучения влияния различных факторов на процесс экструзии крахмалосодержащего сырья и исследования их свойств была использована лабораторная одношнековая экструзионная установка фирмы «ВгаЬеп(1ег» (Германия ) модель Е ЗЗО, с универсальным приводом ОО-СОЯБЕЯ 20БЫ.. Исследование процесса получения экструдата для стабилизации глинистых суспензий. В связи с очень сложными физико-химическими процессами происходящими при экструзионной обработке крахмалосодержащего сырья, в каждом случае при создании крахмалопродуктов с новыми свойствами необходимо проводить специальные исследования процесса экструзионной обработки. Объектом исследования служил измельченный зерновой отход.

Экструзия пищевых продуктов является сложным многофакторным процессом. Для выбора режима работы экструзионной установки необходимо выявить зависимости физико - химических свойств экструдатов и технико -экономические показатели процесса экструзии от влияющих факторов. Для решения поставленной задачи воспользуемся методом латинских квадратов. Основные факторы, влияющие на процесс экструзии, следующие: ¡1 - диаметр

дюзы фильеры (2-5мм), ; г- температура экструзии (120-200°С) о>- угловая скорость вращения шнека (6-1 Зс*1); массовая доля влаги в исходном сырье (15-25%).

Проведенная нами математическая обработка экспериментальных данных позволила получить следующие уравнения, описывающие зависимости физико - химических свойств экструдатов и технико - экономические показатели процесса экструзии от влияющих факторов:

К2

Производительность экструдера б—

е = 0.0021

1 + -

час

0.242

1 + ехр(1.18-^-22.6)

кВт ■ час

•(3.32 + 0 0034-и169) (4.1)

Удельный расход электроэнергии и

т

5 60271-Ю'4 .е095081Ь'' 7403+005428(1л1 (/-0 2416) (!п№'-1 8379) ^0 036726 ^ 7978 08154 (^-2)

Растворимость экструдатов

Р = 35.5673-1.10157-£/2-0.16268 »'•(»'-20.717) + I - (0.2958+0.01675 • IV - 0.0267 • а) + а - (6.7679 - 0.02176 • IV - 0.2342 - т)

(4.3)

Оценка противодавления и вязкости экструдируемой массы.

Полученные уравнения позволяют оценить противодавление в экструдере и вязкость экструдируемой массы, а также оптимизировать режимы процесса экструзии.

Уравнение (3.17) для расчета производительности экструдера, можно переписать в следующем виде

дЛ-Ьт-{К1-гг)-±\\~и,(у)5Н~-х)с1хС1У (4.4)

2 % о;ь ь

Вычисляя интеграл в правой части, уравнение (4.4) имеет вид:

{? = -!--Ь.<о-(Яг-г2)-£1т1и„ (4.5)

2 „-1

где

2Ьг -[-1 + (-1)"]г {е ♦ ■[Ь £ (2-Ь + 7Г-П-(11-Г))-х1-П2-11-®]} | е » +е » -я"5-«5

ж я Л я у ^

(4.6)

Подставляя в уравнение (4.6) геометрические размеры шнека экструдера (г = О.ОЫ.Л = 0.02м;Ь = 0.02м) и ограничиваясь 20 членами ряда, получим уравнение для расчета производительности нашей установки

6 = 3.33097 • а - 0.0024695 ■ £ (4.7)

Решая совместно уравнения (4.1) и (4.7) определим величину относительного давления, приходящегося на единицу длины канала шнека

4 = = 1364.65 • е> - 45.267 ■ + 1+°п8У-22б]' (27.706+<оу74 ) (4.8)

На рис. 4.1 приведена зависимость относительного давления приходящегося на единицу длины канала шнека от угловой скорости вращения шнека и влажности продукта.

Приведенная зависимость показывает, что с увеличением угловой скорости величина относительного давления £ увеличивается. С увеличением влажности величина £ так

же увеличивается. Причем это увеличение наблюдается в диапазоне изменения влажности материала IV -17-22%. Такая зависимость объясняется, вероятно тем, что наличие свободносвязанной влаги в материале резко снижает его вязкость.

Рисунок 4 1. Зависимость относительного давления, приходящегося на единицу длины канала шнека от угловой скорости вращения шнека и влажности продукта.

Длина развертки рабочего канала шнека Ь связана с его длиной Ь0 и шагом И следующим соотношением

- ¿о-У^чД+^+й2

(4.9)

„ АР

Тогда, величина V = — определяется из следующего соотношения

и = 2599.14 -да -86.926 +. (27.706+о'76) (4.10)

На основании уравнений (4.9) и (4.10) по известной величине давления можно определить вязкость экструдируемого продукта из измельченного зернового отхода по следующему уравнению:

АР

(и. 0242 1.

С 1 + е11"'-'";

2599.14 • а - 86.926 • 1 + - , ,8 > _226 • (27.706 + т,к)

(4.11)

При величине АР « 2.5-106 Па(и25атм), в диапазоне изменения влажности от 17 до 22%, происходит уменьшение величины вязкости экструдируемого продукта на 15 -20%. Величина вязкости колеблется в пределах 130-150Яа с.

На основе теоретических разработок и экспериментальных данных по определению производительности шнековых экструдеров при обработке измельченного зернового отхода, разработана методика определения

относительного давления ¿¡ = —и вязкости ц экструдируемой массы.

Полученная методика использована для выбора оптимальных режимов экструзии.

Оптимизация процесса получения экструдата для стабилизации

глинистых суспензий Проведем оптимизацию процесса получения экструдата для стабилизации глинистых суспензий. Технологическое требование предъявляемое к готовому продукту следующее: растворимость экструдата должна быть не меньше 55%. За критерий оптимизации выберем удельный расход электроэнергии и. Сущность оптимизации состоит в том, что необходимы такие режимы процесса экструзии, при которых удельный расход электроэнергии будет минимальным,

30

растворимость готового продукта будет не меньше 55% и производительность экстру дера — не менее 12кг/ч.

Оптимизация проводилась с использованием программы Mathematica 5.2. Методика оптимизации процесса экструзии в следующих листингах (сохранен оригинал программы Mathematica 5.2)

Запишем, полученное нами, уравнение (4.5) для определения производительности

(»Як 1

<Ь(:Ь«пл(-г«К)) {-»'л*««) <-2Ьг{*Ьил(-г 7^11«)]

----г^г,-^гт-

«I- yb{-r*«V)w %,р) - q - квшн[э»а «Ш« jal - 2 lRtwj, я е Iateyer*];

Геометрические параметры шнека определяются из следующих уравнений

Ширина канала шнека b

7Г» (R+I)

l»P¡* Ь= (h-í).

V^.fR+r)2 +h2

Длина канала шнека по винтовой линии

Ь* » Ыг^ТВГГт)5*^ щи • ь ----;

где: Ь - шаг винтовой линии шнека; 5 - толщина винтовой линии шнека; Я -наружный радиус шнека; г -радиус вала шнека.

Для расчета параметров шнека использовался его средний радиус

+г) (4.12)

АР

Запишем уравнение (4.10) для определения параметра и = —

НИ . V - 25»». 14 <• - К. 92« (1 + ) (24.7«« ♦ я1")

АР

Запишем уравнение (4.8) для определения параметра £ =-

ц-Ь

nw e-

L6 « v • (R + Г)г + h5

h (2599.14u- 86.926 (l +

* ltt-*t Ы.Ш

) (Z7.70S + U1 "))

ели»

LO Vh'.Ä1 (r + R)1

Запишем уравнение (4.3) для определения растворимости экструдата.

» • -И.«73 -1.«29X1- ».349» (-4.5М2 *■ХЗ) ХЭ *Х2 (1.2951 - 1.1111 хЗ ♦ е. 11(1314) ♦ З.Э71ЭХ4 -

-35.5673 - 1.10152 в'» 3.3703 В-0.1627 В* «I (0.2950-.0.0167S В - 0.0267062Ш) - 0.0217565 Яш- 1.47153 и [-4.5992 * —1

» 2ж'

Запишем уравнение (4.1) для определения удельного расхода электроэнергии

3.60271«10М ,.-9.74031.0 054ЭТ0(Л.2«03В.1«д[4:!])(-1 037ВТ1.и.Т[и]) ша 0Э672641

Запишем геометрические параметры шнека «.вез, ы - 0.4, я. в.«2, г - 0.в1);

Проведем оптимизацию процесса экструзии с учетом ограничений по растворимости экструдата и производительности экструдера.

№!'!!• КИШпК», 1<4<9, |,|1<к<1.и,]>1Т<><]<)Г,12<Ю!, 12> < I. ч 2М, Г » 55, 0 >111, (Л, к, ш, V, Ц, КахИегаИо» -» 1М1(]

М1111- (90.115, (Й-.5., Ь-»0.0131275, С-»109.63Э, И-.22., и-»7.17456(1

Оптимальные параметры проведения процесса экструзии измельченного зернового отхода следующие:

Диаметр дюзы фильеры с1 = 5мм

Угловая скорость вращения шнека а = 7.17с"1

Температура экструзионной обработки < = 190° с

Влажность исходного сырья ¡У - 22%

Шаг винтовой линии шнека /г = 0.013м(1.3см)

Удельный расход электроэнергии составил и = 98 1кВт ча—

При данных параметрах экструзии растворимость готового продукта следующая

1П[151> Г/. {d-»5, h-.0,0131, t~»l*9.C, V-+22, »-»7.17J

Outfäl- 55.0057

Что соответствует предъявляемым требованиям.

«.13(1x3x4-а. 1(27X4' /. fxl-> "*" , x»-.t, хЗ-. —i—, X4-.W1 1 4 '

,¡0 .7970 V5- 001314

т

Производительность экструдера

1г.(131" а /. {<!-. 5, к-» 0.0131, Ъ-. 189.С, УГ-» 22, О-» 7.1.7}

и.ээгз

Что также соответствует предъявляемым требованиям.

Из полученных результатов видно, что предложенная методика позволяет не только определять оптимальные режимы проведения процесса экструзии, но и определять такие конструктивные параметры, как шаг винтовой линии шнека.

Определим угол наклона винтовой линии шнека при данных значениях влияющих

аш ЛгсТшГ-5-1 /. <а-»3, Ь->0.(131, 119.С, «-»22, в-*7.17>

2*71 1л«(Ви)'

01«1Ч]= 7.91315

Определим оптимальное число оборотов шнека в минуту

шпи- Ж- ""в /. Ь-.в.0131, !«».(, ТГ-+22, в->7.17)

п

□л[121> 68.4685

Таким образом, разработана методика определения не только оптимальных режимов проведения процесса экструзии, но и таких конструктивных параметров шнека, как шаг и угол наклона винтовой линии шнека. Указанные режимы экструзионной обработки прошли опытно -промышленную проверку в ГНУ ВНИИкрахмалопродуктов и включены в технологические регламенты на производство экструзионных крахмалопродуктов из измельченного зернового отхода.

Глава 5. Исследование тепло - и массообменных процессов при охлаждении экструдатов

При выходе обработанного в экструдере материала из круглых отверстий матрицы происходит образование крахмального геля макропористой структуры. Он имеет цилиндрическую форму "палочки". Постепенно структура его упрочняется, и экструдат приобретает хрупкость. Можно предположить следующий механизм происходящих при этом изменений структуры экструдата. В шнековой камере экструдера при ВТКЭ под воздействием влаги,

тепла и механических напряжений крахмалсодержащее сырье пластифицируется. Частичная кристалличность природного биополимера при этом разрушается и крахмал переходит в вязкотекучее состояние. При выходе экструдата из отверстий матрицы в результате значительного перепада давления (Ар более 2МПа) и температуры (М более 150°С) происходит мгновенное самоиспарение влаги, приводящее к резкому увеличению удельной поверхности крахмального геля, находящегося в вязкотекучем состоянии. При испарении части влаги, содержащейся в сырье, происходит резкое охлаждение крахмального геля, приводящее к быстрому переходу его из вязкотекучего в высокоэластическое, а затем в стеклообразное состояние. Оставшаяся в экструдере влага (7-11%) прочно связана крахмальным гелем. При переходе экструдата в стеклообразное состояние стенки его пор затвердевают и приобретают хрупкость. Это обеспечивает качественное измельчение экструдата. Так как снижение температуры, согласно вышеизложенным представлениям, определяет процесс стеклования крахмального геля и увеличения хрупкости, то готовность экструдата к измельчению можно определить на основе исследования динамики его охлаждения. Результаты этого исследования является основой для решения задачи выбора и расстановки транспортирующего и измельчающего оборудования, и позволят определить минимальное время, необходимое для выдержки экструдата до измельчения. Несоблюдение этого условия может привести к забиванию течек, замазыванию сит, ухудшению измельчения.

Детально проанализировать процессы охлаждения экструдатов экспериментальными методами не представляется возможным. В связи с этим нами была разработана методика расчета процесса конвективного охлаждения материалов, для реализации которой решались следующие проблемы:

1. Разработаны методы определения теплофизических характеристик экструдатов при естественной конвекции (т.е. максимально приближенный к реальным процессам).

2. Разработано математическое описание процессов теплообмена для

34

экструдатов в виде ограниченного цилиндра и сферической формы, позволившее детально изучить и выбрать режимы процессов охлаждения.

Определение теплофизических характеристик Методику определения теплофизических характеристик экструдатов при естественной конвекции рассмотрим для бесконечного цилиндра, процесс конвективного теплообмена в котором описывается следующим уравнением:

дТ

—= а дт

(Я 2 \

З Т | 1 дТ_ дг2 г дг

7,и=71 (5.1)

Л~-а.(Г0-Г)и = 0

Решением уравнения (5.1) для процесса охлаждения является следующая функция (ограничиваясь 10 членами ряда):

Т = Тв + ^Ап-еа[н) ■ ВеззеЩ0, • г] М л

Везвеи[Ъ,ця]-{р2 +

(5.2)

Корни и, из следующего характеристического уравнения

Р • Яеме/ЛО, цп]~/и- Веме/7[1, //„] = 0 (5.3)

где р = критерий Био.

Используя уравнение (5.2) и экспериментальные данные по охлаждению тела цилиндрической формы, невозможно определить его теплофизические характеристики. Т.к. коэффициенты А„ и д, определяются в зависимости от критерия Био (см. уравнение (5.3)). В свою очередь критерий Био зависит от теплофизических характеристик. Т.е. не зная теплофизические характеристики материала и его коэффициент теплообмена«* уравнением (5.2) воспользоваться не возможно. Для решения поставленной задачи,с использованием программы ТаЫеСигуе 2Э, были просчитаны первые 10 значений цп при изменении значений критерия Био /? от 10'5 до 10й и получены 10 эмпирических уравнений, связывающие параметр ц, и критерий Био р. Коэффициент

корреляции этих уравнений был не ниже г1 = 0 99999997, что говорит о высокой степени точности расчета параметра ц„ •

Получена замкнутая система уравнений (5.4), описывающая конвективный процесс теплообмена в бесконечном цилиндре, зависящая только от теплофизических характеристик исследуемого материала, и его коэффициента теплообмена с окружающей средой, которая позволяет, по экспериментально снятой кривой нагрева (охлаждения) исследуемого материала и известному коэффициенту теплообмена определить все теплофизические характеристики исследуемого материала. Или, по экспериментально снятой кривой нагрева (охлаждения) исследуемого материала и хотя бы одной известной теплофизической характеристикой тела (с,Л) определить коэффициент теплообмена исследуемого материала с окружающей средой и остальные теплофизические характеристики при различных условиях протекания теплообмена: 10 -„{"¡Лг

1=1 Л

Л __/?_/у -Т)

" ВезаеЩ О,мМ02 + ¿У'

= I 2.0026-/3 +0.8366-12°336~ Л ~ \ 1 + 0.6541 • р + 0.1457 • рг0323 цг =3.5628 + 1.2467 • АгсТап(0.2206 •/? + 0.2191) Аз = 6.8827 +1.1278 • АгсТст(0Л2М Р + 0.1184) //л =10.086 +1.0859 • Лгс7аи(0.09147 • Р + 0.0807) М5 = 13.:2577 +1.0653 • ЛгсГаи(0.07098 • Р + 0.062) ць = 16.4176 +1.0527 • АгсГап(0.058■ Р + 0.05033) //, = 19.57206 +1.04382 • АгсТап(ЪМ9М9 ■ Р + 0.041968) Мг = 22.7219 +1.0381 • ЛгсГаи(0.04249 • р + 0.03674) /А, = 25.8707 +1.033165 • Лгс7аи(0.03748 • р + 0.03195) (5.4)

М>0 = 29.0177 +1.029379 • АгсТапф.033 53 ■ р + 0.02827)

Аналогичные системы уравнений были получены для тел сферической формы и бесконечной пластины.

Для определения коэффициента теплообмена исследуемого материала при естественной конвекции (скорость движения воздуха у=0м/с) была создана экспериментальная установка и изготовлены цилиндрические эталоны диаметром 16мм и длиной 200мм из меди и эбонита.

Эталонный образец нагревался до температуры порядка 40 - 45 °С и затем помещался в воздух при комнатной температуре. Изменение температуры эталона фиксировались через 60с в центре цилиндра. На рис. 5.1 показаны зависимости изменения температуры эталона из эбонита и температуры окружающей среды. Охлаждение образца проходило в условиях естественной конвекции при неизменной температуре окружающей среды. Обработка экспериментальных данных проводилась в программе МаШетайса 5.2 и приведена в листинге 5.1. Экспериментальные данные обработанные в программе 81а^8Йса 6.0.

Получены следующие результаты: для медного эталона - а =13.1±0.80-^^ для

м ■ К

Втп

эбонитового эталона - а = 13.1±0.46—;—.Объединяя эти результаты,

м -К

окончательно получим ог = 13.1±0.66—. Коэффициент теплообмена,

м • 1С

определенный для шарообразного эталона из эбонита (Л = 0.025л») -а = 13 07 ±0.38—Из полученных результатов следует, что коэффициент

м • К.

теплообмена а при естественной конвекции (у = 0—) не зависит ни от вида

Рисунок 5.1. Зависимость изменения температуры эталона из эбонита и температуры окружающей среды

материала, ни от его формы. Его можно принять равным а = 13.1

Вт м2 - К

и это

значение использовать при определении теплофизических характеристик экструдатов, полученных из измельченного зернового отхода.

inßi]" Bö&UiiearftegreHta, V, t, (la, 1}, (Tj., «»)>,

RegrewionKrport -* {Bei*tilt, Jtayi^itotlcCorrelatloniiAtrix,

FltCiroatvreTable, raraneterTable, PredlctedRcjtpoiuic , JÖTOVÄTable } , «¡□¡Iteration* -» ШШ]

atpif. {BestFlt 21.3 - 0.210486 e"1 * *

0.24983SC-1 ш,,*-0.303167 eJ «• 0.378569a"'

D. 491323 e"'

'♦0.673550

- 1.00418c

1.72948eJ 4.D4C4il-' """1*»Z3.0a08«!J """"S

(1. 0.881222 \ 0.881222 l! )'

TitCurvatureTeble ■

Kmc Intrinsic

Kax Parameter:-Effects

95. % Confidence Region

Curvature

0.00319349

O.OOS933QS'

0.532859

Рагазе terTable -» Estimate

a 13.0561

Ti 41.469

Азужр. 3E TStat PValue

0.0625829 200.62 0. ,

0.0743458 557.785 0. Fcedlctedftespcmae -* (35.1729, 33.8323, 32.6201, 31.524B, 30.5354, 29.6417 , 28.8345, 28.1055, 27.4469, 26.8521, 26.3149, 25.6296, 25.Э913, 24.9954, 24.6378, 24.3148, 24.0231, 23.7596, Z3.5Z16, 23.3056, 23.U24),

DF SuKOfSq ReanSq

Rodel 2 15351.4 7975.72

MOVATable-. Error 19 0.0594622 0.00312959}

Uncorrected Total 21 15951.5 Corrected Total 20 267.623

Листинг 5.1.Определение коэффициента теплообмена а при охлаждении

эталона из эбонита. Образец экструдата цилиндрической формы нагревался до температуры порядка 40 - 45 °С и затем помешался в воздух при

комнатной температуре. Изменение температуры образца фиксировались через 10с в центре цилиндрического экструдата.

На рисунке 5.2 приве-

Ч?

\

; !

Ч 'х

\ '

; V ;

; [

Рисунок 5.2. Графики изменения температуры экструдата и температуры окружающей среды. 38

дены данные охлаждения экструдата в условиях естественной конвекции.

Плотность экструдата р -155-

Обработка экспериментальных данных проводилась в программе МаЛетайса 5.2 и приведена в листинге 5.2.

НаяНмагЯедгапЬь Ч, {(Л, ».81), (с, 7М), {Тх, 39.3)}, Педтеа*1<пВерог1 -» (ЕейП!, Ьп)Ь|асСоггеШ1||11Ка1г1х, пиппЬтаТаЪи, ГаотвЪегТаЫе, 1кИ(М№«ро1ае, НПУИаЫе), НахПдпЫоп111111]

{везст-»15.55-0.в5вв47е-4 н"'+1.0175е-'

1.23141 «-1 ♦ 1.53149 - 1.9748 е"1 """ ♦ 2.67677 «-1 ,,т* -

3.90183«-' 6.36633 «•"• - 12.4552♦ 30.3077

11. 0.998998 0.97918

0.996998 1. 0.970295 |

0.97918 0.970295 1.

Ая¥Щ)Ьас1ссогге1ас1сшИасг1х -

ГСъСисуасцхеТаЫе •

Яш 1п£г1пэ1с

Хвх Рагаает:е1:-Е£Сест:э

95. % СопПйепсе Дед1оп

Регшкеье£ТаЫе -

Т1

1ас1жаи 0.0276355 1210.В1 37.9355

Азуар. 5Е 0.0053015 109.821 0.450279

Систосиге 0.0507017 16.1779 ' 0.551537

ТЗсас 5.21277 11.0253 84.2406

Г»а1ие

0.000105155

1. 36346 х 10"*' 0.

РсесЦссейВеэропзе

{34.03, 31.5202, 29.2209, 21.2065, 25.4761, 23.9993, 22.7391, 21.6663, 20.7534, 19.9765, 19.3156, 18.7536, 18.2754, 17.8665, 17.5224, 17.228, 16.9775, 16.7644),

АХОТАТоЫе.

Войе1 > Егсос Опсопесиа Тот согсессей Тоеа!

вг БивОСЗЦ

3 9341.46

15 0.0771967

18 9341.54

17 479.298

Кешод

3113.82

0.00514644}

Листинг 5.2.0пределение коэффициента теплопроводности Я и теплоемкости с экструдата, полученного из измельченного зернового отхода,

Пою Вт

Полученные данные по ТФХ экструдатов (с = 1210.8——;Л = 0.0276-).

кг-К м-К

Исследование процесса охлаждения экструдатов при конвективном

теплообмене

Рассмотрим ограниченный цилиндр радиуса Я и длиной Ь. Пусть Т0 -температура окружающей среды, а Т1 - начальная температура цилиндра. Введем функцию IV(г,г) = Т(г,т)-Т0. В этом случае задача для определения дифференциальной разности температур между окружающей средой и образцом имеет вид:

81

Л.^-'Ка.ЩЯ,= !О Х.^'Ка.Щг.Ь, 0 = 0

Эг

Эг

(5.5)

Решение данного уравнения, записанное в программе МаЛетайса 5.2, и представлено в листинге 5.3.

Т.Твч

(-14Со»[«а»])♦(!♦ См.

в«ве1Л[0, {Лж1 (а* Л) - г/)1|ЦЗ -щу и*1 + '

I 1.99 т «¿1 + *.357б*7»^11

V 1 +0.342393 «¿1 * 0.(3623*01

КМ5 0Ц ЯЯ5 '

(Иг • -1.241*29 +4.16064 • ЯгсТал[в. 311397 ./11 + 1. (613(8]; ц13 .9.11(9 «■ 2. 690073 *АгсТая[(. 13(724 »01* В.4296]; (О* -(.7(474 + 2.421(7 «ЯгсТапСО. 09445 «¿1 + 0.27965Э]; (Ль - 12.(9451 + 2.3((94 *1гсТаа[0.4216,01+ 0.2(802]; {<1« . 13.33994 + 2.23467 *ЯгсТ<ш[в. (5(6(2 ./«1 «■ 0.16619]; (Л, = И.34737 + 2.19263(5 »ЯгсТап{0. 0494537 «01+(.13(6(9]; |И< - 21.73384 + 2.164005 .»тсТа»[в. 042757 *01 + 0.119434]; - 24.9(916 + 2.142523 . ЬгсТлл[0.037662 о 01 ♦ (. 104194] ;

|г1ш - 21. «7399 ♦ 2.1264Э г ЯгсТая[0. 033637 »01 + 0.0935]; (Да - 31.23845 + 2.11313 .*гсТлл[0.030425 *01 + 0.004156]; 111ц - 34.39610 + 2.102(73 >ЯгсТап[0.027761»/11 + 0.076031]; ц1ц - 37.35212 + 2.09369 «1гсТа*[0. «2352* .01 + 0.070289]; (Лц = 4*.7(557 + 2.0*6136 »1гсТаа[*. (23627 »/II ♦ 0.064845]; • 43.05733 + 2.07964»1гсТаа[(. (219919«/II + 0.060138]I = 47. 007(0 + 2.073961 »ЛгсТап[(.0205655 «/»1 + в. 0560(9];

1.мвч »рг * ».

(Ях - -

Y 1+».53ог»/>г +

ав43»лг1М"

• о. юг» /и1 »»"

1&г • 3.3652 + 1.245*АгсТап[0.22065 »¿>2 + 0.2174];

/17, . 6.08376 » 1.127 *ХгсТаа[0.12885 » fil + 0.1175} ;

<|2, - И. •»« ♦ 1.0059 »lrcTanfO. «»147 .р2 + •■ 0007];

{<2, .13.2577 +1.0С53 *1гсТш[0.07090 *£2 + 0.0С201] ;

(j2g » 16.4176 + 1.0527 »IrcTanfO.05** ¿2 + 0.05033];

|Д7 . 19. 57206 » 1. 04302 *АгсТая[0.04*049 .¿2 + 0.041*60];

¡Л, - 22.7219 + 1.0381.1гсТал[в. »424» .02 + 0.03674] ;

412, = 25.0707+ 1.033163 *ЯгсТап[0.03740 »£2 + 0.03193];

{/2ю - 29.0177 + 1.029379 «ЯгЛаоДО. «3333 »#2 + 0. 02027];

Листинг 5.3. Программа расчета процесса охлаждения ограниченного

цилиндра.

Где: /?1 = = критерии Био для пластины толщиной L и

л Я

цилиндра радиуса R соответственно. Приведенная, в листинге 5.3, программа позволяет не только определять температуру в любой точке экструдата в виде ограниченного цилиндра (рис. 5.3), но и вычислять градиенты температуры, возникающие при его охлаждении по следующему уравнению:

gradT =

-в.004

-0.002

Рисунок 5.3. Распределение температуры в экструдате через Юс процесса охлаждения

да

(5.6)

На рис.5.4 представлена зависимость градиента температуры от координат ограниченного цилиндра в начальный момент охлаждения, а на рис. 5.5 - через 10с после начала процесса.

0.005

e.ois

Рисунок 5.4. Распределение градиента температуры по длине и радиусу экструдата в начальный момент времени

0.01

а.ог

Рисунок 5.5. Распределение градиента температуры по длине и радиусу экструдата через Юс после начала охлаждения Из приведенных зависимостей видно, что градиент температуры достигает максимального значения в начальный период охлаждения в точках с координатами r = ±R,z = 0,z = L, т.е. на внешней поверхности экструдата. Через 5с после начала охлаждения максимальная величина градиента температуры

О/-» Os-i Oft

снижается до si20—(20000—), а через 30с - до »10—(10000—). И мм м мм м

максимальная величина градиента температуры смещается на боковую поверхность цилиндра, имеющую координаты г = ±Л,г = у. Проведенные

исследования показали, что максимальная величина градиента температуры при охлаждении экструдата не

должна превышать

100000 60000

»35—(35000—). Влияние "<"10

мм м

коэффициента теплообмена а на

величину максимального

«ООО соооо

значения градиента температу- Рисунок 5.6. Зависимость градиента температуры ры в начальный период охлаж- в начальный период охлаждения от

дения на внешней поверхности коэффициента теплообмена а.

экструдата приведено на рис.

6. Из приведенной зависимости видно, что в начальный период охлаждения

коэффициент теплообмена не должен превышать 15 В1т . Т. е. в начальный

м ■К

период процесса охлаждение экструдатов необходимо проводить в условиях естественной конвекции, например на ленте транспортера. Однако, если весь процесс охлаждения (температура в центре цилиндра должна достигнуть #30° С) проводить при низком значении коэффициента теплообмена а, продолжительность процесса велика, что с технологической точки зрения неприемлемо. Определим продолжительность процесса охлаждения экструдата в спокойном воздухе (а = 13.2 к).

Температура в центре экструдата (координаты г = 0,г = ~) описывается следующим уравнением

Ь^О + Е^Х,,-* * '' -[С08Л +-(5.7)

'2 »=1 я-1 *

Определим продолжительность охлаждения экструдата до температуры 30°С в спокойном воздухе. Для этого в листинге 4.1. запишем уравнение (5.7). Решение имеет вид:

■ftpi!« Ч1 = Т0ь /• «-»И.1;

Т

ьрд» FlmStootWl— 3t, {t, 151 >]

Cutp2J- (t-» 1OO.SB0I

Как видно, продолжительность охлаждения составляет более 100с.

Для решения задачи охлаждения экструдатов будем проводить данный процесс при переменном значении коэффициента теплообмена а. На практике это реализуется следующим образом: первые 10с охлаждение проводится на ленте транспортера в условиях естественной конвекции (а = 13.1-®^/2 ^ ), далее

передвижение экструдата обеспечивается пневмотранспортом (« = 402 к )■

На рисунке 5.7 показано изменение максимального значения градиента температуры, возникающего в экструдате, при его двухэтапном охлаждении. Как видно из приведенного графика, максимальное значение градиента температуры не превышает "с

«35—(35000—), что отвечает

мм м

требованиям, предъявляемым к процессу охлаждения экструдатов.

Продолжительность процесса при двухступенчатом охлаждении составляет

°Т

ups]' FindRoot[a2 >. 3«, <t, IS*)]

Outpej= lt-» 64.578)

Как видно, при двухступенчатом охлаждении, продолжительность процесса снижается почти в 2 раза по сравнению с охлаждением в условиях естественной конвекции. При этом максимальное значение градиента температуры не превышает допустимого. На рисунке 5.8 приведен график изменения температуры охлаждения центра экструдата в виде ограниченного

Рисунок 5.7. Изменение максимального значения градиента температуры, возникающего в экструдате, при его двухэтапном охлаждении.

цилиндра при различных режимах процесса.

т

50

40

t

Рисунок 5.8. Изменение температуры охлаждения центра экструдата в виде ограниченного цилиндра при различных режимах процесса:

1 - охлаждение в спокойном воздухе 2 - двухэтапное охлаждение.

Таким образом, в производственных условиях, охлаждение экструдатов первые 5 - 10с следует проводить на транспортере при естественной конвекции, в дальнейшем охлаждение экструдата проводить при пневмотранспортировании. Указанный способ охлаждения прошел опытно -промышленную проверку в ЗАО "Крахмалопродукты" и включен в технологические регламенты ГНУ ВНИИкрахмалопродуктов на производство экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов.

Выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований, в результате которых разработаны методики выбора ресурсосберегающих режимов экструзионной обработки и процесса охлаждения измельченного зернового отхода для стабилизации глинистых суспензий.

Разработанные методики позволили снизить более чем на 20% затраты электроэнергии при экструзионной обработке и сократить в 1.5 - 2 раза продолжительность процесса охлаждения экструдатов.

К наиболее значимым относятся следующие результаты, составляющие в совокупности научные и прикладные основы диссертационной работы:

1. Разработана новая методика оценки потребительских свойств экструдатов

Основные выводы

основанная на выборе длины волны монохроматического излучения для определения контрастных и качественных различий образцов. В основе данной методики лежат законы смещения цветов и вычисление трехцветных координат х,у, г в системе Х,У,2 с последующим графоаналитическим переходом к цветовому тону Я и чистоте цвета р, позволяющая оценивать потребительские свойства экструдатов.

2. Разработан метод определения удельной поверхности экструдатов, позволяющий не только выбирать условия хранения готовой продукции, упаковку и выбор режима экструзии, но и определять области применения полученного экструдата.

3. Разработан новый метод расчета производительности шнековых экструдеров с каналами прямоугольной формы, на основании которого построена математическая модель, позволяющая прогнозировать качество готового продукта исходя из геометрических и кинематических параметров рабочих органов шнека.

4. Разработана методика оптимизации процесса экструзии, основанная на прогнозировании физико - химических свойств экструдатов и технико -экономических показателей процесса экструзии от влияющих факторов.

5. На основании экспериментальных и теоретических исследований разработана программа, позволяющая определять оптимальные режимы проведения процесса экструзии и выбирать конструктивных параметры шнека.

6. Разработан принципиально новый метод определения теплофизических характеристик экструдатов при естественной конвекции (т.е. максимально приближенный к реальным процессам) и определены теплофизические характеристики экструдатов из крахмалосодержащего сырья.

7. На основании теоретических исследований создана математическая модель процессов теплообмена в телах имеющих форму шара, ограниченного цилиндра, и пластины, которая позволяет не только детально изучить процесс охлаждения экструдатов, но и выбирать режимы процесса охлаждения.

8. Разработанные методики апробированы в научных исследованиях и

производственных испытаниях, которые подтвердили их высокую эффективность.

Литература Монографии

1. Коваленок В.А. Процессы охлаждения экструдатов. Некоторые вопросы теории и практики процесса экструзии, Издательский комплекс МГУПП, М., 2006г., 134с.

2. Коваленок В.А. Определение белизны и цветности пищевых продуктов,- Издательский комплекс МГУПП, М., 2004г., 52с.

Научные статьи

3. Коваленок В.А., Карпов В.Г. Метод определения удельной поверхности экструдатов, Сб. научных трудов ГНУ ВНИИкрахмалопродуктов, Россельхозакадемия, М., ГНУ ВНИИК, 2006г, выпуск 11, с.48-52

4. Коваленок В.А., Карпов В.Г. Гигроскопические свойства и энергия связи влаги экструдатов из крахмала и крахмалосодержащего сырья,- Ж. Хранение и переработка с\х сырья, №7, 2002г., стр. 39-40.

5. Коваленок В.А., Витюк Л.А., Лазарев В.Д., Карпов В.Г. Гигроскопические свойства полуфабрикатов чипсов,- Ж. "Хранение и переработка с\х сырья", №1,1998г., с. 18-19

6. Коваленок В.А., Макеев В.Н., Соколов В.И. Плотность осаждаемых частиц,- ж. "Пищевая промышленность", №5, 1988г., с.49

7. Коваленок В.А., Макеев В.Н., Соколов В.И. Реологические свойства обезжиренного молока,- журнал ВНИИТЭИ "Корма и кормление с/х животных", с.12, №5, 1987г.

8. Коваленок В.А., Макеев В.Н., Соколов В.И. Исследование реологических характеристик продуктов разделения обезжиренного молока с применением полисахаридов,- журнал ВНИИТЭИ "Корма и кормление с/х животных", с.12, №5, 1987г.

9. Коваленок В.А., Макеев В.Н., Соколов В.И. Влияние температуры обезжиренного молока при добавлении полисахаридов на дисперсный состав

казеина,- журнал ВНИИТЭИ "Корма и кормление с/х животных", с.12, №5, 1987г.

10. Коваленок В.А., Ханухов И.Р., Лазарев В.Д., Сыроедов В.И., Трегубов H.H. Оптимальная длина волны для определения цветности продуктов глюкозного производства,- ж. "Сахарная промышленность", №4,1984г., с.55

И. Коваленок В.А., Жушман А.И. Изменение свойств модифицированного кислотой кукурузного крахмала методом дифференциально-термического анализа,- ж. "Сахарная промышленность", №7, 1983г., с.47

12. Коваленок В.А., Кузнецова И.И., Трегубов H.H. Сравнение интенсивности тепловых потоков конвективного способа термической обработки и коротковолнового ИК - излучения,- ж. "Сахарная промышленность", №1,1983г., с.60

13. Коваленок В.А., Кирюхина И.И. Разработка метода определения белизны картофельного крахмала,- ж. "Сахарная промышленность", №4,1982г., с.46

14. Коваленок В.А., Кузнецова И.И., Трегубов H.H. Получение кислотного декстрина на установке ИК - облучения,- ж. "Сахарная промышленность", №11,1982г.,с .49

15. Коваленок В.А., Жушман А.И., Кузнецова И.И., Трегубов H.H. Термический анализ кукурузного крахмала и декстринов в процессе их нагрева,- ж. "Сахарная промышленность", №12,1982г., с.42

16. Коваленок В.А., Кузнецова И.И., Трегубов H.H. Получение квасцовых декстринов с применением ИК-обогрева,- ж. "Сахарная промышленность", №11,1981г., с.47

17. Коваленок В.А., Михайленко A.A., Леонова К.Г., Киселева Л.Н. К выбору оптимального режима работы выпарных установок крахмало-паточного производства,- ж. "Сахарная промышленность", №11,1980г., с.39

18. Коваленок В.А., Жушман А.И.. Карпов В.Г. Длительность охлаждения крахмалопродуктов после обработки в экструдере,- НТРС "Крахмалопаточная

промышленность", М., :ЦНИИТЭИПищепромю.-1980г., выпуск 2,-с.1-4

19. Коваленок В.А., Жушман А.И., Наумова H.H. Выбор оптимальных условий фосфотирования амилопектинового кукурузного крахмала,- ж. "Сахарная промышленность", №9,1979г., с.51

20. Коваленок В.А., Жушман А.И., Сыроедов В.И. Термодинамические характеристики влагопереноса различных крахмалов,- ж."Сахарная промышленность", №1,1977г., с.62

21. Коваленок В.А., Михайленко A.A., Михайленко JI.K., Космодемьянский Ю.В., Гинзбург A.C. Теплофизические характеристики порошкообразного кукурузного крахмала,- ж. "Сахарная промышленность", №2,1977г., с.62

22. Коваленок В.А., Жушман А.И., Сыроедов В.И., Ильясов С.Г., Тюрев Е.П. Оптические и терморадиационные характеристики некоторых видов крахмалов,- ж. "Сахарная промышленность" , №6, 1975г., с.61.

Материалы симпозиумов, конгрессов и конференций

23. Коваленок В.А., Карпов В.Г., Серков ЕЛ. Процесс охлаждения экструдатов после экструзии. 4 международная конференция — выставка "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации". Часть 2. - М.: МГУПП, 2006.

24. Коваленок В.А., Карпов В.Г., Серков Е.П. Методика расчета параметров экструзионной обработки кукурузной муки. 4 международная конференция - выставка "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации". Часть 2. - М.: МГУПП, 2006.

25. Коваленок В.А. Аналитическое исследование движения биополимеров в шнековой камере экструдера,- Сборник докладов 3 юбилейной международной конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации" часть 1, М., 2005г.

26. Коваленок В.А., Карпов В.Г., Герасимова Э.О., Соболева H.A., Филатов A.B. Удельная поверхность экструдатов,- Сборник докладов Всероссийской н/т конференции "Высокоэффективные пищевые технологии,

методы и средства их реализации", г. Москва, 2004г.

27. Ковалеиок В.А., Соболева H.A., Винокуров A.B. Расчет охлаждения (нагрева) тел шарообразной формы,- Сборник докладов Всероссийской и/т конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации", г.Москва, 2004г.

28. Ковалеиок В.А., Соболева H.A. Определение коэффициента теплообмена тел при нагреве (охлаждении) в спокойном воздухе по эталонным образцам цилиндрической формы,- Сборник докладов Всероссийской н/т конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации", г.Москва, 2004г.

29. Коваленок В.А., М.А.О. Мохаммед. Расчет производительности шнековых экструдеров,- Сборник докладов Всероссийской н/т конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации", г.Москва, 2003г.

30. Коваленок В.А., Герасимова Э.О., Филатов A.B. Определение коэффициента теплообмена и теплофизических характеристик тел цилиндрической формы,- Сборник докладов Всероссийской н/т конференции "Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания" пМосква, 2002г.

31. Коваленок В.А., Карпов В.Г. Сорбционные свойства и энергия связи влаги экструзионных крахмалопродуктов,- Тезисы докладов "Проблемы фундаментальных исследований в области обеспечения населения России здоровым питанием", г. Москва, 9-10 сентября 1999г.

32. Коваленок В.А., Макеев В.Н., Соколов В.И. К вопросу оптимизации процесса центрифугального разделения вода-белок молока-полисахарид,-Тезисы доклада на Всесоюзной конференции "Разработка и совершенствование технологических процессов" 26-28 мая 1987г.

33. Коваленок В.А., Ханухов И.Р., Лазарев В.Д., Трегубов H.H. Теплофизические характеристики паточных сиропов,- Тезисы докладов 9-го Всесоюзного научного симпозиума: "Физикохимия крахмала и крахмалопро-

дуктов". 4-5 октября 1984г.

34. Коваленок В.А., Ильясов С.Г., Сыроедов В.И. Критерий количественной оценки работы ИК - генераторов,- Тезисы докладов Всесоюзного совещания:" Применение ИК - техники для термической обработки пищевых продуктов биоматериалов и лекарственных препаратов", М., 1974г.

Авторские свидетельства

35. Коваленок В.А., Альтшуллер Ю.З., Маркер В.Э. и др. Способ получения декстрина,- авт. Свидетельство №322367 от 30.11.1971г. Бюллетень №36

36. Коваленок В.А., Лазарев В.Д., Ханухов И.Р. и др. Многокорпусная выпарная установка,- авт. свидетельство №1320934 от 01. 03.1987г

37. Коваленок В.А., Кузнецова И.И., Трегубов H.H. Способ получения модифицированного окисленного крахмала,- авт. свидетельство №1165683 от 07.07.1985г. Бюллетень №25

Подписано в печать 07.03.07. Формат 30x42 1/8. Бумага типографская № 1. Печать офсетная. Печ. л. 2,3. Тираж 110 экз. Заказ 47.

125080, Москва, Волоколамское ш., 11 ИКМГУПП

Введение

Глава 1. Изменение структуры и свойств крахмалосодержащего сырья в процессе влаготермомеханической обработки (Обзор литературы)

1.1. Продукты питания на основе крахмалсодержащего сырья

1.2. Сырье, используемое при экструзии

1.3. Строение и свойства крахмала

1.4. Роль воды в процессе клейстеризации крахмала при термомеханической обработке

1.5. Существующие методы тепловой обработки крахмалсодержащего сырья

1.6. Экструзионная обработка крахмала и крахмалсодержащего сырья

1.7. Оборудование для производства экструзионных продуктов

Глава 2. Методы исследования сырья и экструзионных крахмалпродуктов

2.1. Определение содержания сухих веществ

2.2. Определение растворимости и водоудерживающей способности

2.3. Определение сорбционной влаги 58 2.4 Определение плотности и коэффициента расширения экструдатов 59 2.5. Разработки методики определения белизны и цветности материалов 59 2.5.1.Основные направления разработки методики для определения цветности материалов 59 2.5.2 Определение яркостного контраста

2.5.3. Условия освещенности и спектральная чувствительность человеческого глаза

2.5.4. Численная оценка яркостного контраста

2.5.5. Качественный контраст и его оценка

2.5.6. Закон смешения цветов и трехцветные координаты

2.5.7. Цветовой тон и чистота цвета

2.5.8. Методы определения спектральных терморадиационных характеристик материалов

2.5.9. Определение коэффициента отражения при диффузном облучении

2.5.10. Определение коэффициента отражения при направленном облучении

2.5.11. Оптические характеристики различных видов крахмалов

2.5.12. Выбор длины волны для определения белизны и цветности различных видов крахмалов

Глава 3. Некоторые вопросы теории процесса экструзии

3.1. Производительность экструдеров с узкими каналами

3.2. Производительность экструдеров с прямоугольными каналами шнека

3.3. Определение удельной поверхности экструдатов

Глава 4. Исследование процесса экструзии крахмалосодержащего сырья

4.1. Экспериментальная установка

4.2. Постановка вопроса и план проведения эксперимента

4.3. Определение производительности экструдера

4.4. Определение растворимости экструдатов

4.5. Определение удельного расхода электроэнергии

4.6. Определение противодавления и вязкости экструдируемой массы

4.7. Оптимизация процесса получения экструдата для стабилизации глинистых суспензий

Глава 5. Исследование тепло - и массообменных процессов при охлаждении экструдатов 169 5.1. Определение коэффициента теплообмена и теплофизических характеристик тел цилиндрической формы

5.1.1. Распространение тепла в бесконечном цилиндре

5.1.2. Зависимости коэффициентов /лп от значений критерия Био (5 для тел цилиндрической формы

5.1.3.Основное уравнение расчета нагрева (охлаждения) тел цилиндрической формы

5.1.4. Определение коэффициента теплообмена при нагреве (охлаждении) цилиндрических эталонов

5.1.5. ТФХ экструдатов цилиндрической формы

5.2. Определение коэффициента теплообмена и теплофизических характеристик тел шарообразной формы

5.2.1. Распространение тепла в шаре

5.2.2. Зависимости коэффициентов от значений критерия Био р для тел шарообразной формы 201 5.2.3.Основное уравнение расчета нагрева (охлаждения) тел шарообразной формы

5.2.4. Определение коэффициента теплообмена при нагреве (охлаждении) шарообразных эталонов

5.3. Определение коэффициента теплообмена и теплофизических характеристик тел пластинчатой формы

5.3.1. Распространение тепла в неограниченной пластине

5.3.2. Зависимости коэффициентов цп от значений критерия Био р для неограниченной пластины 217 5.3.3.0сновное уравнение расчета нагрева (охлаждения) неограниченной пластины

5.4. Исследование процесса охлаждения экструдатов при конвективном теплообмене 223 5.4.1. Распространение тепла в ограниченном цилиндре

5.4.2. Исследование процесса охлаждения экструдатов в виде ограниченного цилиндра

5.4.3 Уточнение методики определения теплофизических характеристик для тел цилиндрической формы

5.4.4. Исследование процесса охлаждения экструдатов в виде шара

5.4.5. Исследование процесса охлаждения экструдатов с использованием критерия Нуссельта

Глава 6. Практическая реализация результатов исследования

6.1. Методика определения белизны и цветности

6.2. Методика определения удельной поверхности экструдатов

6.3. Методика определения теплофизических характеристик экструдатов

6.4. Выбор режимов охлаждения экструдатов 267 6.5 Выбор режимов процесса экструзии при получения экструдата для стабилизации глинистых суспензий 270 Основные выводы 272 Список используемой литературы 274 Приложения

Концепция государственной политики в области здорового питания Российской Федерации на период до 2005 года, утвержденная постановлением Правительства РФ № 917 от 10.08.98 г., предполагает выполнение комплекса мероприятий, направленных на создание условий, обеспечивающих удовлетворение потребности различных групп населения в рациональном, здоровом питании с учетом их традиций, привычек и экономического положения, в соответствии с требованиями медицинской науки . Для решения проблем обеспечения населения продуктами рационального питания необходимо наряду с совершенствованием традиционных разрабатывать новые методы обработки пищевого сырья, позволяющие производить продукты с заданным составом и свойствами, не требующие больших затрат труда и энергии на их приготовление. Одним из направлений создания новых и совершенствования существующих технологий является разработка способов, в которых сырье подвергается одновременному физическому и химическому воздействию. Использование экструзионной техники является общепризнанным направлением технического прогресса в пищевой промышленности. Экструзионная обработка - это комбинированное воздействие на обрабатываемый материал механических напряжений, влаги, тепла и, при необходимости, различных химических реагентов с целью получения экструдатов необходимой формы, структуры и физико-химических свойств. Этот способ обеспечивает существенную интенсификацию процессов влаготермомеханической обработки крахмала и крахмалсодержащего сырья. Эктрузионную технику используют для создания безотходных, гибких, высокоэффективных производств продуктов пищевого и технического назначения. В качестве сырья в этих процессах чаще всего применяют природные биополимеры, важнейшим из которых является крахмал. При этом следует иметь ввиду, что сырьевые источники для производства природных биополимеров, в т.ч. крахмала, по существу неисчерпаемы, так как сельскохозяйственное сырье ежегодно восстанавливается в возрастающем количестве. В связи с этим в ряде случаев замена крахмалопродуктов, используемых на технические цели, другими химическими материалами, особенно производимыми из постепенно исчезающего нефтяного или газового сырья, экономически невыгодна и неперспективна.

Одним из путей, который позволяет сократить удельный расход крахмала на технические нужды и получить новые продукты и эффективные пищевые добавки на основе крахмала, является придание ему новых или усиление имеющихся свойств, необходимых потребителю, путем физической, химической, биохимической или комбинированной обработки крахмала, т.е. его модификацией.

Большим спросом пользуются модифицированные крахмалы, прошедшие полную или частичную клейстеризацию, так называемые набухающие крахмалы. На основе этих крахмалопродуктов можно производить безбелковые продукты лечебного и профилактического питания для детей и взрослых.

Метод экструзионной обработки позволяет получить ряд преимуществ:

• интенсифицировать производственный процесс;

• повысить степень использования сырья;

• получить готовые к применению пищевые продукты или создать для них компоненты, обладающие высокой сгущающей водо- и жироудержи-вающей способностью;

• снизить производственные затраты (расходы тепла, электроэнергии);

• снизить трудовые затраты;

• расширить ассортимент пищевых продуктов;

• повысить усвояемость;

• снизить микробиологическую обсемененность продуктов;

• уменьшить загрязнение окружающей среды.

Кроме того, в результате экструзии происходят существенные изменения и текстурирование не только на клеточном уровне, но и сложные химические, микробиологические (стерилизация), физические процессы и явления. Особую актуальность это приобретает при получении продуктов для детского питания.

Специализированные продукты для детского питания включают широкий ассортимент продуктов, выпускаемых в нашей стране и за рубежом и предназначены для вскармливания детей первого года жизни, а так же питания детей более старшего возраста. Вся гамма продуктов может быть разделена на три большие группы /34/:

• заменители детского молока;

• продукты прикорма;

• продукты лечебного питания.

Вторая и третья группы включают продукты на зерновой, зерно-молочной, фруктовой, овощной, мясной и смешанной основе.

Объёмы производства продуктов детского питания и степень соответствия этих продуктов специфике метаболизма детей различных возрастных групп во многом на сегодняшний день не удовлетворяет существующей в России потребности.

Так в таблице 1 показана динамика изменения выпуска продуктов для детского питания за последние шесть лет, а в таблице 2 - прогнозируемая потребность в продуктах для детского питания, тыс. т в год /48/.

Таблица 1

Выпуск продуктов для детского питания

Ассортиментные группы продуктов 1990г 1991г 1992г. 1993г. 1994г. 1995г.

Жидкие и пастообразные молочные продукты, тыс. Т 53,5 60,3 56,6 60,9 65,3 61,9

Сухие адаптированные молочные смеси, тыс. Т 17,8 17,7 7,35 4,8 2,9 3,4

Сухие продукты на злаковой основе, тыс. Т 29,5 20,1 15,2 4,3 1,4 0,84

Плодоовощные консервы, муб. 151 141 137,3 105,3 28,4 26,38

Мясные консервы, муб. 25,1 23,9 28,7 17,0 8,4 8,4

К продуктам для детского питания предъявляют повышенные требования. Так, проект Федерального закона Российской Федерации «О качестве и безопасности пищевой продукции» определяет следующие основные понятия /76/:

• продукты для детского питания - продукты питания, отвечающие физиологическим особенностям детского организма (до трех лет);

• качество пищевых продуктов - совокупность свойств и характеристик, которые обуславливают способность пищевых продуктов удовлетворять физиологические потребности человека и обеспечивают безопасность пищевых продуктов для жизни и здоровья людей;

Таблица 2

Прогнозная потребность в продуктах для детского питания, тыс. Т в год

Ассортиментная группа продуктов Всего Лечебных Для экологически опасных зон до 1года доЗ лет до 1 года доЗ лет до 1 года доЗ лет

Сухие адаптированные молочные смеси 21 - 4,2 - 5,25

Сухие зерно -молочные продукты прикорма и питания 15,5 46,0 ЗД 9,2 3,88 11,5

Жидкие и пастообразные адаптированные 104 - 20,8 - 26,0

Плодоовощные консервы 120 470 24 94 30 167,5

Рыбные консервы 1,8 3,5 0,36 0,7 0,45 0,88

Жидкие консервы для прикорма и питания 15,5 99,5 3,1 19,9 3,88 24,88

• безопасность пищевой продукции - соответствие её санитарным правилам, нормам и гигиеническим нормативам, ветеринарным и фитосанитарным правилам, соблюдение которых обеспечивает отсутствие влияния, опасного для жизни и здоровья людей нынешнего и будущих поколений.

Несмотря на определенные Правительством Российской Федерации задания, производство продуктов питания для детей раннего возраста составляет лишь 25- 50% от объёма госзаказа /73/. Положение ещё более усугубляется тем, что значительная часть исследованной продукции не отвечает требованиям стандартов по микробиологическим и физико-химическим показателям. Так, например, от 8 до 12% детских кухонь имеет повышенную обсеменённость /73/.

В последнее время зарубежные фирмы («Гербер», «Нестле», «Милупа», «ХиПП» и др.) предлагают чрезвычайно разнообразный перечень инстантных сухих зерновых (мука) и зерно - молочных смесей (молочных каш), изготовленных на основе рисовой, пшеничной, кукурузной, гречневой муки или смеси нескольких видов злаков. В отечественной промышленности, как видно из таблицы 1, производство сухих продуктов на злаковой основе за последние 6 лет упало более чем в 30 раз.

Таким образом, большую актуальность приобретает производство зернопродуктов, как основы для детского питания, с повышенными потребительскими и медико-биологическими свойствами. Межотраслевая проблема научного обеспечения индустрии производства продуктов для детского питания может быть сформулирована следующим образом: сформулировать новую систему знаний о закономерностях изменения состава и свойств нативных компонентов пищевого сельскохозяйственного сырья, используемого для производства продуктов для детского, в результате традиционной и перспективной физической, физико-биохимической, химической, микробиологической и энзиматической технологической обработки /48/.

В частности необходимо усовершенствовать традиционные и разработать новые автоматизированные процессы, позволяющие реализовывать высокие технологии, аналитически обосновать и экспериментально скорректировать рецептуры и оптимальные параметры технологических процессов, изучить, теоретически обосновать и классифицировать закономерности физико-химических методов переработки пищевого сырья на изменения комплекса его нативных свойств, разработать на базе этих закономерностей высокоэффективные технологические процессы.

Целью данной работы является повышение эффективности процессов переработки крахмалосодержащего сырья для получения высококачественных легко усвояемых продуктов.

В этой связи в диссертационной работе ставились следующие задачи: теоретические и экспериментальные исследования термообработки крахмалосодержащего сырья экструзионным способом; изучение влияния экструзионной обработки на изменение нативных свойств крахмалосодержащего сырья, питательной ценности и стерилизацию; разработка на базе проведенных исследований высокоэффективного технологического процесса получения продуктов повышенной питательной ценности.

1.1. Тема диссертационной работы связана с планами научно -исследовательских работ Московского государственного университета пищевых производств в период с 2000 по 2010г. по теме "Исследование экструзионной обработки материалов растительного происхождения".

1.2. Актуальность работы. Ситуация, сложившаяся в экономике РФ, привела к росту пищевых производств, не требующих больших капитальных затрат для их реализации и имеющих небольшую продолжительность производственного цикла (хлебобулочные изделия, майонезы, кетчупы, продукты быстрого приготовления). В связи с развитием этих технологий возросла потребность в предварительно клейстеризованных (набухающих) крахмалах, которые проявляют свои стабилизирующие, загущающие и водоудерживающие свойства в различных системах, не требует дополнительного нагрева. Однако существующий способ получения набухающих крахмалов на вальцовых сушилках имеет существенные недостатки: низкую производительность, связанную с малым коэффициентом теплопередачи, что ограничивает скорость вращения вальцов; необходимость испарения большого количества влаги; низкий коэффициент полезного использования тепла; высокую удельную металлоёмкость оборудования. Для обогрева сушильных барабанов обязательно наличие источника тепловой энергии (обычно пара), что требует дополнительных капитальных вложений.

Одно из основных направлений развития пищевой промышленности -это интенсификация технологических процессов путем одновременного воздействия различных физико - химических факторов на материалы. Именно к такому способу относится экструзия крахмалосодержащего сырья.

О постоянно растущем интересе к экструзионному способу переработки крахмала и крахмалсодержащего сырья свидетельствуют многочисленные публикации. Однако на их основе невозможно выработать единые подходы к анализу закономерностей изменения свойств крахмала при различных методах обработки. Выявлены, как правило, закономерности изменения его свойств от воздействия только отдельных параметров обработки модельных систем. Имеющаяся информация по исследованиям в этом направлении не отвечает на все возникающие вопросы при разработке новых технологий. Как правило, исследуются лишь отдельные технологические операции или физико-химические свойства уже готовых продуктов, изготовленных на разном, зачастую, не характерном для России сырье и оборудовании. Недостаточно исследованы изменение структуры и физико-химических свойств крахмальных гелей после экструзионной обработки. Выбор необходимых режимов экструзионной обработки чаще всего основывается на его эмпирическом подборе, основанном на результатах неоправданно большого объёма экспериментальных работ.

Экструзионное оборудование, выпускаемое отечественными предприятиями, предназначено для производства зерновых завтраков и комбикормов. С учётом существенного различия свойств сырья и целей обработки, нельзя сделать однозначных выводов о возможностях их использования для производства модифицированных крахмалов.

Весьма скудна информация об изменении структуры и свойств в крахмалопродуктах после их выхода из рабочей камеры экструдера, хотя эти процессы существенно влияют на формирование их функциональных свойств.

Актуальным является исследование структуры и свойств новых видов крахмалопродуктов, т.к. эти сведения позволят определить возможные области и способы их применения в различных отраслях народного хозяйства.

Одним из важнейших направлений развития и совершенствования экструзии является разработка математической модели этого процесса, которая позволила бы прогнозировать качество готового продукта, исходя из геометрических и кинематических параметров рабочих органов шнека.

Указанные обстоятельства определяют необходимость изучения закономерностей изменения свойств разных крахмалов и крахмалсодержащего сырья при различных методах экструзии с целью разработки научных основ получения крахмалопродуктов с заданными свойствами с использованием отечественного оборудования, сырья и практической реализации завершенных разработок.

Актуальность работы подтверждается включением тематики проводимых исследований в научно-технические программы Миннауки РФ:

Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК", "Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности" и в российско-белорусскую программу "Повышение эффективности агропромышленного производства и последовательное сохранение сельскохозяйственной продукции".

1.3. Цель и задачи исследований. Целью работы является создание научных основ и оптимизация процессов экструзии крахмалосодержащего сырья и тепло - массообменных процессов в экструдатах в период их охлаждения.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- создать экспериментальную базу и разработать методы оценки качества сырья, полуфабрикатов, готовой продукции;

- установить взаимосвязь и выявить закономерности режимов экструзионной обработки с качеством продуктов и технико -экономическими показателями процесса;

- на базе теоретических и экспериментальных исследований создать математическую модель процесса экструзии, учитывающую технологические и технико-экономические показатели процесса экструзионной обработки;

- разработать методику оптимизации процесса экструзии;

- разработать методику и определить теплофизические характеристики экструдатов;

- создать математические модели тепло - массообменных процессов в экструдатах в период их охлаждения; разработать методику выбора оптимальных режимов охлаждения экструдатов;провести апробацию результатов исследований в опытно промышленных условиях.

Схема исследований приведена на рис.1.

Рисунок 1. Структурная схема исследования

1.4. Научная новизна состоит в следующем.

1. Доказано, что максимально согласованными значениями численной инструментальной оценки цветовых и яркостных свойств материала с чувственным восприятием человека является величина J = yfE, где R -интегральный коэффициент отражения.

2. Разработаны компьютерные программы для расчета контрастных и цветовых различий образцов, учитывающие не только отражательные свойства исследуемого материала, но и спектральные характеристики чувствительности глаза, цветного зрения наблюдателей и эталонных стандартизованных источников светового излучения А, В, С.

3. Доказано, что изотермы сорбции экструдатов позволяют определить влагосодержание мономолекулярной адсорбции. Это положение легло в основу для разработки методики определения удельной поверхности экструдатов.

5. Разработана теоретическая математическая модель для расчета производительности шнековых экструдеров с плоскими каналами, использование которой позволяет не только оптимизировать процесс, но и оценивать реологические свойства экструдируемых масс.

6. Разработан новый способ определения оптимальных режимов проведения процесса экструзии, учитывающий конструктивные параметры шнека.

7. Доказано, что коэффициент теплообмена при естественной конвекции (скорость воздуха равна нулю) не зависит ни от вида материала, ни от его формы.

8. Разработан принципиально новый метод определения теплофизических характеристик экструзионных продуктов в условиях естественной конвекции. Определены теплофизические характеристики экструдатов.

9. Проведенные теоретические исследования по конвективному теплообмену экструзионных продуктов с учетом их теплофизических характеристик позволили детально изучить процесс охлаждения экструдатов.

1.5. Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе результатов исследований разработаны и внедрены в научную практику ГНУ ВНИИкрахмалопродукты новые методики оценки качества сырья и готовой продукции по белизне и цветности и по величине удельной поверхности экструдатов.

Разработана новая методика расчета производительности экструдеров, позволяющая определять не только оптимальные режимы процесса и конструкцию шнека, но и оценивать реологические свойства обрабатываемого материала. Определенные режимы экструзионной обработки прошли опытно - промышленную проверку на Борисоглебском крахмальном заводе и включены в технологические регламенты ГНУ ВНИИкрахмалопродуктов на производство экструзионных крахмалопродуктов из измельченного зернового отхода.

Получены и внедрены в научно - производственную практику ГНУ ВНИИкрахмалопродукты новые данные о теплофизических характеристиках экструзионных продуктов, что позволило проводить расчеты тепло - и массообменных процессов при их обработке.

Разработан новый метод выбора режимов охлаждения экструдатов в зависимости от их назначения, который нашел практическое применение при разработке технологических схем производства экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов. Данный метод значительно сокращает объем экспериментальных работ, прошел опытно - промышленную проверку в ЗАО "Крахмалопродукты" и включен в регламенты ГНУ ВНИИкрахмалопродукты на производство экструзионных крахмалов и крахмалопродуктов.

1.6. Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всесоюзных и республиканских конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе: на Всесоюзной конференции "Разработка и совершенствование технологических процессов" 26-28 мая 1987г., на 9-ой Всесоюзном научном симпозиуме : "Физико -химия крахмала и крахмалопродуктов". 4-5 октября 1984г., на всероссийской конференции "Проблемы фундаментальных исследований в области обеспечения населения России здоровым питанием", на всероссийской н/т конференции "Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания" г.Москва, 2002г., Всероссийской н/т конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации", г.Москва, 2003г., на Всероссийской н/т конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации", г.Москва, 2004г., на 3 юбилейной международной конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации", г. Москва, 2005г., ., на 4 международной конференции -выставке "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации", г. Москва, 2006г.

1.7. Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 2 монографиях, 33 печатных трудах, получено 3 авторских свидетельства.

1.8. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 311 страниц компьютерного текста, 83 иллюстраций, 20 таблиц и приложений на 25 страницах.

Основные выводы

Выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований, в результате которых разработаны методики выбора ресурсосберегающих режимов экструзионной обработки и процесса охлаждения измельченного зернового отхода для стабилизации глинистых суспензий.

Разработанные методики позволили снизить более чем на 20% затраты электроэнергии при экструзионной обработке и сократить в 1.5-2 раза продолжительность процесса охлаждения экструдатов.

К наиболее значимым относятся следующие результаты, составляющие в совокупности научные и прикладные основы диссертационной работы:

1. Разработана новая методика оценки потребительских свойств экструдатов основанная на выборе длины волны монохроматического излучения для определения контрастных и качественных различий образцов. В основе данной методики лежат законы смещения цветов и вычисление трехцветных координат x,y,z в системе X,Y,Z с последующим графоаналитическим переходом к цветовому тону Я и чистоте цвета/?, позволяющая оценивать потребительские свойства экструдатов.

2. Разработан метод определения удельной поверхности экструдатов, позволяющий не только выбирать условия хранения готовой продукции, упаковку и выбор режима экструзии, но и определять области применения полученного экструдата.

3. Разработан новый метод расчета производительности шнековых экструдеров с каналами прямоугольной формы, на основании которого построена математическая модель, позволяющая прогнозировать качество готового продукта исходя из геометрических и кинематических параметров рабочих органов шнека.

4. Разработана методика оптимизации процесса экструзии, основанная на прогнозировании физико - химических свойств экструдатов и технико -экономических показателей процесса экструзии от влияющих факторов.

5. На основании экспериментальных и теоретических исследований разработана программа, позволяющая определять оптимальные режимы проведения процесса экструзии и выбирать конструктивных параметры шнека.

6. Разработан принципиально новый метод определения теплофизических характеристик экструдатов при естественной конвекции (т.е. максимально приближенный к реальным процессам) и определены теплофизические характеристики экструдатов из крахмалосодержащего сырья.

7. На основании теоретических исследований создана математическая модель процессов теплообмена в телах имеющих форму шара, ограниченного цилиндра, и пластины, которая позволяет не только детально изучить процесс охлаждения экструдатов, но и выбирать режимы процесса охлаждения.

8. Разработанные методики апробированы в научных исследованиях и производственных испытаниях, которые подтвердили их высокую эффективность.

1. Азаров Б.М., Аурих X. И др. Технологическое оборудование пищевых производств М., Агропромиздат, 1988г., 463с.

2. А.с. 1554869 СССР, МКИ A23L1/164. Способ производства ячменных хлопьев,-Агеенко И.С., Ильясов С.Г. и др.,2с.3. . А.с. 1458666 СССР, MKHF26B3/30. Установка для термообработки зерна,-Агеенко И.С. и др., Зс.

3. А.С. 1631778 СССР, МКИ A23L1/10. Способ производства хлопьев из зерна,- Гунькин В.А., Попов М.П., Тюрев Е.П., Зс.

4. А.с. 1443868 СССР, МКИ А23К1/00. Способ обработки фуражного зерна,- Ильясов С.Г., и др., Зс.

5. Афанасьев В.А. Исследование тепловой обработки ячменя с применением ИК нагрева при производстве комбикормов,- диссертация к.т.н.: М., 1979г., 195с.

6. Бабанов Г.К. и др. Исследование процессов тепловой обработки мясных хлебов при комплексном электроконтактном и ИК нагреве,-ж. Пищевая промышленность", №6, Киев, 1968г.

7. Божедомов А.Ф. Корма, их оценка и использование,- Свердловское книжное издательство, 1959, 93с.

8. Брагинцев Н.В. Микронизация зерна для кормовых целей,-Механизация и электрификация с/х, 1989, №1, с.29-31.

9. Бритиков JI.B. Проблемы и перспективы развития производства детского питания на зерновой основе,- АгроНИИТЭИПП, Серия 14, выпуск 4, М., 1993, с.28.

10. Вайских С.Я., Дарманьян Н.С. Гранулирование кормов,- М., Колос, 1978,163с.

11. Владимирова А.А. Новые методы подготовки концентрированных кормов к складированию сельскохозяйственным животным,- Новости сельскохозяйственной науки и практики, 1971, №5, с.24-26.

12. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1964,- 574с

13. Гинзбург А.С., Дубровский В.П., Казаков Е.Д., Окунь Г.С., Резчиков В.А. Влага в зерне. М., "Колос", 1969г., 224с.

14. Гинзбург А.С., Громов М.А., Красовская Г.И., Уколов B.C. Теплофизические характеристики пищевых продуктов и материалов, М., изд. "Пищевая промышленность", 1975г., 224с.

15. Глебов В.А. и др. Применение ИК излучения для обработки зерновых компонентов комбикормов,- Научно - технические достижения и передовой опыт отрасли хлебопродуктов, Информационная статья ЦНИИТЭИхлебопродуктовЮ 1990, Выпуск 1, с. 17-24.

16. Гончарова 3.JI. Влияние гидротермической обработки зерна на его структурно механические свойства,- Автореферат к.т.н. М., 1964, 25с.

17. Гунькин В.А., Попов М.П, Тюрев Е.П., Зверев С.В. Технология получения микронизированных хлопьев,- Научно технические достижения и передовой опыт отрасли хлебопродуктов, ЦНИИТЭИхлебопродуктов, 1993, Вып.З, с. 11-16.

18. Гунькин В.А. Оптимизация режимов ИК обработки зерна ржи по комплексу биохимических показателей,- Диссерт. канд. биолог. Наук, М., 1992, 174с.

19. Гуревич М.М. Цвет и его измерения, изд. АН СССР, M-JL, 1950г.,268 с.2.

20. Дашевский В.И., Окунь В.В. Хранение и переработка зерна,-Экспресс информация, Выпуск 4-5, М., 1992,28с.

21. Дерибере М. Практическое применение инфракрасных лучей,-Госэнергоиздат, М-Л., 1959.

22. Дьяков И.П., Любимов С.П., Новиков С.С. Опыт работы цехов и линий по производству карбамидного концентрата.- М.: ЭИ ЦНИИТЭИМинзага СССР, сер.»Комбикормовая промышленность», 1978, вып. 17,32с.

23. Дьяков И.П., Пелевин А.Д. Изменение углеводов в процессе экструдирования карбамидного концентрата,- Воронеж,»Тезизы докладов Всесоюзной конференции «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов», 1977.- с. 120.

24. Егоров Г.А. Гидротермическая обработка зерна,- М., Колос, 1968,330с.

25. Ждан Л.М., Пилиненко А.Н., Барановский Д.Н. Зерно, подвергнутое влагообработке и плющению в рационе бычков и свиней,- Животноводство, 1974, №10, с.55-88.

26. Жушман А.И., Карпов В.Г., Коптелова Е.К. Современные достижения в технологии экструзионных крахмалопродуктов.-М.: АгроНИИТЭИПП.-1989.-Сер.19.-Вып.4.-24с.

27. Зверев С.В., Тюрев Е.П. ИК переработке фуражного зерна,-Комбикормовая промышленность, 1994, №6, с.9-11.

28. Зверев С.В. Повышение эффективности измельчения ИК -термообработанного зерна,- дисс. д.т.н., М., 1995, 266с.

29. Иванов Л. А. Борьба с микротоксинами,- Комбикормовая промышленность, 1990, №4, с.46-47.

30. Ильясов С.Г., Красников В.В. Определение оптических и терморадиационных характеристик пищевых продуктов. М., "Пищеваяпромышленность", 1972.

31. Ильясов С.Г. Теоретические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов,- диссертация д.т.н., М., 1977, 552с.

32. Истомина М.М. Исследование процесса выпечки печенья ИК -радиацией,- диссертация к.т.н., М., 1969.

33. Карпов В.Г. Технология и физико-химические свойства экструзионных крахмалопродуктов.- М.:АгроНИИТЭИПП.-1991 .-Сер. 19.-Вып.2.-25с

34. Каминский В.Д., Захаревский С.Б., Евдокимова Г.И. Универсальная технологическая схема производства толокна гречневой муки пшена и и ядрицы для продуктов детского питания,- ЦНИИТЭИ "Хлебинформ", выпуск 5, 1991,с.24-29.

35. Ковальская Л.П., Сыроедов В.И. и др. Разработка процессов обеспечивающих производство круп быстрого приготовления,-ЦНИИТЭИЛегпищемаш, 1985, Выпуск 4, с.5-8.

36. Конь И.Я. Сравнительная медико биологическая характеристика специализированных продуктов для детского питания отечественного и импортного производства,- ж. "Пищевая промышленность", №9, 1996, с. 12.

37. Коробейникова Л.А., Загорулько А.Я. Оптимальная длина волны монохроматического света для определения определения цветности продуктов сахарного производства,- "Сахарная промышленность", №3, 1979, с.37-39.

38. Костенко В.Г., Абрагам Д.Р., Бакулина Л.Ы., Васильев М.Г. Фотометрическая оценка качества картофельного крахмала,- ж. "Сахарная промышленность", 1976,№7, с. 67-69.

39. Красников В.В., Ильясов С.Г., Тюрев Е.П.Б Кирдяшкин В.В. Термообработка зерна ИК излучением, - Вестник с/х наук, 1992, №2, с.62-76.

40. Кошелев А.Н., Глебов JI.A. Производство комбикормов и кормовых смесей,-М., Агропромиздат, 1986, 176с.

41. Кукта Г., Дошко В. Плющение и ГТО зерна, ж. "Корма", 1972, №4, с.27-31.

42. Кузнецов Д.И., Пономарева С.М., Хованская С.С. Молекулярный состав зернового сырья и продуктов детского питания,- ж. "Пищевая промышленность", 1991, №6, с.17-18.

43. Лебедев П.Д. Сушка инфракрасными лучами, Госэнергоиздат, 1955.

44. Левин А.Н., Гакунульянов П.П. Исследование возможности использования инфракрасных лучей для сушки и обезжиривания зерна,-Мукомольно элеваторная промышленность, 1964, №2, с.ЗО.

45. Леконт Ж. Инфракрасное излучение,- Перевод с французского, Гос. изд. Физико математической литературы, М., 1958.

46. Липатов Н.Н. Приоритеты научного производства продуктов для детского питания,- ж. "Пищевая промышленность", 1996, №9, с.8-10.

47. Медведев Г.М., Семко В.Т. Вермишель из кукурузного крахмала,-Хлебопродукты, 1989.-№8, с. 24-25. 50.

48. Медведев Г.М. Технология макаронного производства.- М.: Колос, 1998,-272с.

49. Мельцер В.Л., Красиков Е.А., Завьялов В.В. Высокотемпературная обработка зерна во встречных потоках газосмеси,- Институт тепло и массообмена им. А.В. Лыкова АН БССР, Препринт 4, Минск, 1990, 31с.

50. Молярная теплоёмкость крахмалов картофеля различных сортов, их растворимость и водоудерживающая способность. / Юрьев В.П., Даниленко А.Н., Немировская Е.И. и др. «Прикладная биохимия и микробиология» -М/.1998. -т.34. №1. с.105-108.

51. Назаров Н.И. Технология макаронных изделий. М.: Пищевая промышленность, 1978.- 287 с.

52. Патент 2020833 Россия, МКИ A23L1/164, Способ приготовления хлопьев из круп, Е.П. Тюрев, О.в. Цыгулев, С.В. Зверев, 4с.

53. Плотников В.Г. Повышение эффективности использования зерна,-Сельское хозяйство за рубежом, 1970, №10, с.38-41.

54. Попов М.П., Тюрев Е.П., Зверев С.В., Гунькин В.А. Производство круп быстрого приготовления,- Научно технические достижения и передовой опыт в отраслях хлебопродуктов, Информационный сборник ЦНИИТЭИхлебопродуктов, 1993, Выпуск 5, с. 12-22.

55. Проспект фирмы "Коски", Япония, 1972.

56. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования эксперимента М., изд. "Наука", 1970, 76с.

57. Прохоров В.Р. Производство пищевых продуктов из картофеля и кукурузы.-М.: Пищевая промышленность, 1965.- 306с.

58. Ребиндер П.А. Физико химическая механика - новая область науки,- М., Знание, 1958, 64с.

59. Розенберг М., Кальнинын И. Микронизация,- Комбикормовая промышленность, 1988, №4, с.31.67. . Сапронов А.Р., Колчева Р.А. Красящие вещества и их влияние на качество сахара, М., изд. "Пищевая промышленность", 1975г., с. 290-291.

60. Силич С. Экструдирование,- Комбикормовая промышленность, 1988, №4, с.29.

61. Справочник по крахмало-паточному производству. Под ред. Е.А. Штырковой, М.Г. Губина. М.: Пищевая промышленность, 1978.- 432 с.

62. Сыроватко В.И., Карташов С.Г. Производство комбикормов в хозяйствах,- Росагропромиздат, М., 1991, 39с.

63. Тагер А.А. Физикохимия полимеров.- М.: Госхимиздат, 1963.- 528с.

64. Термопластическая экструзия: научные основы, технология, оборудование.- Под ред. А.Н. Богатырева и В.П. Юрьева.- М.: Ступень, 1994.- 196с.

65. Терешкова П.П. Гигиенические требования к продуктам для детского питания,- ж. "Пищевая промышленность", 1996, №9, с.15.

66. Термопластическая экструзия: научные основы, технология, оборудование.- Под ред. А.Н. Богатырева и В.П. Юрьева М., Ступень, 1994г.- 196с.

67. Трегубов Н.Н., Бычков Б.К., Векслер Б.А. и др. Технология крахмала и крахмалопродуктов.- М.: Пищевая промышленость, 1974,- 216с.

68. Тутельян В.А. Медико биологические требования к качеству и безопасности специализированных продуктов для детского питания,- ж.

69. Пищевая промышленность", 1996, №9, с. 13.

70. Тюрев Е.П. Эффективность теплотехнических процессов обработки пищевых продуктов Ж излучением,- диссертация д.т.н., М., 1990, 474с.

71. Тюрев Е.П., ЗверевС.В., Цыгулов О.В. Термообработка зерна ИК -излучением,- Обзорная информация, ЦНИИТЭИхлебопрдуктов,1993, 28с.

72. Физические величины. Справочник, М., Энергоатомиздат, 1991, Под редакцией Григорьева И.С., Мейлихова Е.З., 1232с

73. Ханухов И.Р. и др., Оптимальная длина волны для определения цветности продуктов глюкозного производства, ж. "Сахарная промышленность", №4,1984г., с. 55-56.

74. Хованская С.С. и др. Новые продукты для детей раннего возраста,- ж. "Пищевая промышленность", 1991, №7, с.49-51.

75. Химия и технология крахмала. Промышленные вопросы. Под ред. Роя JL. Уилстера и Эжена Ф., Пашаля. Пер. с английского под ред. Н.Н.Трегубова.- М.'.Пищевая промышленность, 1975.- 360с.

76. Черняев Н.П. Технология комбикормового производства,- М., Колос, 1992,Э 368с.

77. Черняев Н.П. Новое в производстве комбикормов за рубежом,- М., ЦНИИТЭИ Минзаг СССР, 1976, 58с.

78. Юрьев В.П., Богатырев А. Н. Физико-химические основы получения экструзионных продуктов на основе растительного сырья,- Вестник сельскохозяйственной науки, 1991, №12, с.43-51.

79. Юрьев В.П., Карпов В.Г. Продукты макропористой структуры, получаемые непрямым экспандированием крахмалсодержащего сырья,-следующий шаг в экструзионной технологии. Хранение и переработка сельхозсырья.-М.:-2000, №1, с. 18-23.

80. Языкобаев Е.С. Обеззараживание и повышение качества сырья и комбикормов на различных стадиях их переработки и потребления,

81. Обзорная информация, Серия: Комбикормовая промышленность, ЦНИИТЭИхлебопродуктов, 1992,35с.

82. Anderson В. A. Conway M.F. Gelatinization of corn grits by coli cooking, extrusion cooking and steaming. Starke, 1970, v.4, s.130-135.

83. Atluri S.N., Nishioka T. Numerical studies in dynamic fracture mechanics,-Int. J. of Fract., 1985, 27, N3-4, p.245-261/

84. Bond F.C. Some recent advances in grinding theory and practice, Brit. Enang., 1963, 8, N9, p.84-93/

85. Coblentz W.W., Emerson W.B. Relative Sensitivity of the Average Eye to Light of Different Colors and Some Practical Problems, Bull. Bureau of Stand., 1918, 14.

86. Cremon K. An crease of food quality grain by means of heat processing, -Poultry International (USA), 1974, vl3, N11, p.55-59/

87. Erickson H.W. Types of Grinding Mills and when to use them, Chem. Eng. Prag., Feb., 1953, p.68-102/

88. Europaischen Symposions "Zerkleinern@ in Amsterdam 20-23 Sept., 1966, Verlag chemic. GMBH, 1967, 285p.

89. Davidson V.J., Paton D. Degradation of wheat starch in a single screw extruder: characteristics of extruded starch polymers.- I. Food Sci., 1984, v.49, p.453-458.

90. Geldner G. Kochextrusion ein neues verfahren zum kontinuierlichen herstellen von lebensmitteln verschiedenster Art. -"Liebensmill - Technologie und verfahrenstechnik", 1978, v.29, s.73-75.

91. Gibson K.S., Tindall E.P.T. Visibility of Radiant Energy, Scientific Pap. Of the Bureau of Stand., 1923-1924, 19.

92. Gohnson J. Utilization of flaked cracked corn by stems with aberrations on stark modification, J. Animal Science, 1968,v27, N5, p/1431-1437.

93. Gild J. The colorimetric properties of the spectrum. Phil. Trans, of the Roy.1. Soc., А, 230, 1931.

94. Guschman A., Karpov V., Kraus S. Herstellung von Starkeprodukten fur Nonfuttbereich durch Heissextrusion.- X Internationale Tagung zu Problemen der Getreideverarbeitung, September, 4-6, Berzgolz, 1995, s.369-377.

95. Jubitz W. Die Lebensmittel Industie, 1956, 3, N11, p.259-263.

96. Jubitz W. Die Lebensmittel Industie, 1956, N12, p.394-396.

97. Jubitz W. Die Lebensmittel Industie, 1957, 3, N1, p. 14-15.

98. Handot B. La micronization un prosede simple de valorization et de treatment des cereals, Economic agricole, 1976, v.30, N1, PAIX, 6, France, p.10-12.

99. Komiya Т., Naza C. Changes in crystallinity and gelatinization phenomena of potato starch by acid treatment. -Starch, 1986, v.38, s.9-13.

100. Kort K. Micronization a new feed processing technique, - Milling, 1973, v.155, N6, p.40-41/

101. Kugimiya M., Donovan J., Wong R. Phase transitions of amylose-lipid complexes in starches. A calorimetric study of starch. Starch, 1980, v.32, s.265-270.

102. Laarhover van G.I, Staal G. Rheology of the paste from gelatinization by extrusion during the production of third-generation snacks. -1. Food Eng., 1991. -v. 14 p.53-70.

103. Larson I., Eliasson A.-Ch. Annealing of starch at an ntermediate water contact.- Starch, 1991, v.43, p.227-231.

104. Lawton B.G. The effects of extruder variables on the gelatinization of corn starch. -Canadian I. of Chemical Engineering, 1972, v.20, p. 168-172.

105. Mercier C. Effect of extrusion cooking on potato starch using a twin screw French extruder. Starch, 1977, №2, s.48-52.

106. Meuser F. Untersuchung des Einflusses Verschie dener Trockungsverfahren auf die Ausbildung Struktureller Eigenschaften vonstarkehaltigen, nicht direkt expandierten Extrudaten.- Djkt.Ing.Dissertation, Berlin, 1988

107. Meuser F., Gimmler N., Qeding. J. Systemanalytische betrachtung der derivatisiezung Von starke nut einem kocheextruder als Reactor.

108. Starch, 1990, №9, p.330-336.

109. Meuser F., Van Lengerich В., Reimers H. Kochextrusion von starke. -Starch, 1984, v.36, s.194-199.

110. Miksir F. Micronized grain and legume seeds offer better stability, palatability, digestibility, Food Products Development, 1979, v. 13, N7, p.50-51.

111. Moore K. Micronization process and working out the new food products, -Food Products Development, 1979, v. 13, N7, p.36-44.

112. Millauer C., Wiedmann W. Einsatz von extrusion in die starke industrie .Starch, 1984, v.36, s.228-231.

113. Morgan R.G., Suter D.A., Swat V.E. Desing and Modeling of a Capillaru. Food Extruder. J. Food Process Eng., 1978, v. 2, №1, p.65-81.

114. Piva G., Amerio M., Beghian M. Sui principuli trattamenti ai cereali vaporissasion e rullatura floccatura micronissasion, Tecy. Molit., 1979, v.30, N7, p.497-511.

115. Riaz M.N. Processing biogradable packaging materials from starches using extrusion technology.-Cereal Foods World, 1999, v.44, p.705-709.

116. Schneeweib R., Maack E., Schnelle W. Die extrusion ein tecnologisches verfahren zur herstellung von lebensmitteln.- Lebensmitteindustrie, 1983, v.30, s.391-396.

117. Seiler K. Rohstoffe und extrusion. -Gordian, 1980, v.80, s.210-212.

118. Stute R. Eigenschften und Anwendung von Starken verschiedener pflanzliche. -Starke, Fette, Proteine, 1990, №11, s.99-121.

119. Tolstoguzov V.B. Thermoplastic extrusion the mechanism of the formation of extrudate structure and properties.- I. Amer. Oil Chem. Soc. - 1993.-V.-70, р.417-424.

120. Wang L., Shogren R.L., Willett J.L. Preparation of starch succinctness by reactive extrusion. Starch, 1997, №3, s.l 16-120.

121. Williams M.A. Direct extrusion of convenience foods. "Cereal Foods World", 1977, v.22, p.152-154.

122. Wright W.D. A Trichromatic Colorimeter with Spectral Primaries. Tranc Optic, Soc, 29, 1927-1928.

123. Wright W.D. A re determination of the mixture curres of the spectrum. Tranc Optic, Soc, 31,1929-1930.

124. Yasui Т., Matsuki I., Sosaki T. Amylose and lipid contents, amylopectin structure and gelatinization properties of waxy wheat. J. Cereal Sci.; 1996, v.24, p. 131-137.

125. Zasypkin D.V., Yuriev V.P., Ghenin V.Ya. Role of maltodextrin in promoting structure formation in extruded soya isolate.- J.Carbohydr. Polymers, 1991, v.15, № 3, p. 243-253.