автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Рациональный процесс шприцевания структурированных систем в производстве мучнисто-кондитерских изделий



1ХХЗУЖРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РС8СР ПО ДЕЛАМ НАТКИ И ШСШЕЙ ШКОЛЫ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ШАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОШШЕЕШОСТИ

На правах рукописи

АБУТАВАХИНА Ахмед 1а сан

УДК 664.668.С02.5(043.3)

РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС ШПРИЦЕВАНИЙ СТРУКТУРИРОВАННЫХ СИСТЕМ В ПРОИЗВОДСТВЕ М7^СГС)-КСЩЗГО1РСКИХ издшшй

Специальность 05.18.12 - Процессы, машины и агрегаты

шпдевой промналенности

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 199Х

-Л »

■ • 1 / * / ) п

Г,' •//■-.<. :

Работа выполнена на кафедре "Технологическое оборудование пищевых предприятий" Московского ордена Трудового Красного Замени технологического института пищевой промышленности.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент В.ИЛАНИЖ)В

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор С.А.ЫАЧЖИН

кандидат технических наук А.А.ЛИБКШ

Зедущая организация: Кондатерско-булочный комбинат "Виаино".

Защита диссертации состоится " 1991 г.

на заседании Специализированного совета К 063.51.07 Московского ордена Трудового Красного £йаыени технологического института пищевой промышленности по адресу: 125080, Москва, А-80, Волоколамское шоссе, II.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять в Ученый Совет института.

Автореферат разослан "/Л" А/иЛ 1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета к.т.н., доцент

И.Ы.САБЩА

. 57:! 1

^ гдэл сертацин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время пищевая промышленность Иордании выпускает около двух тысяч наименований кондитерских изделий. Среда них мучные кондитерские изделия по объему производства занимают второе место. Ассортимент мучных кондитерских изделий чрезвычайно разнообразен. Однако в процессе производства их используется ручной труд, в частности, наполнение (прослойка) кремами и др. бисквита осуществляется вручную. Это снижает производительность труда, а качество готового изделия зависит от мао-терства рабочего.

Увеличение объема производства, изменение и улучшение ассортимента возможно осуществить в результате реконструкции и технического перевооружения действующих предприятий, модернизации обо- . рудованпя, внедрения в производство последних достижений науки и техники.

Особое значение имеет создание машин и механизмов, которые позволяют резко сократить количество ручного труда при форыова-• нии мучнисто-кондитерских изделий, что, в свою очередь, повысит рентабельность производства.

Целью работы является совершенствование процесса формования бисквитных тортов путем шприцевания на основе теоретического и экспериментального исследования процесса и изучения структурно-механических свойств наполнителей, а также разработка устройства для внесения наполнителей в бисквит и инженерных методов его расчета.

. Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования включают моделирование процесса шприцевания структурированных систем и аналитическое выражение зависимости усилия шприцевания

!

от конструкции шприца и физико-механических параметров наполнителей и бисквита.

Физико-механические свойства бисквита и хлебного мякиша изучали в условиях одноосного сжатия.

Изучение процесса шприцевания проводили на экспериментальной установке при помощи тензометрирования.

Исследование реологических свойств различных наполнителей проводили на вискозиметре "Реотест-2".

Для обработки результатов экспериментов использовали методы математической статистики.

Научная новизна. Разработано и исследовано новое устройство для формования бисквитных тортов методом шприцевания.

Предложен новый подход в исследованиях, связанных с определением величины модуля упругости Е и предела прочности (й пч. для бисквита и хлебного мякиша.

Практическая значимость. Разработана научно обоснованная методика расчета процесса шприцевания и сформулированы основные требования и рекомендации по проектированию механизма шприцевания.

Разработана экспериментальная установка для внесения наполнителей в бисквит путем шприцевания без его предварительной резки.

Предложена схема поточно-механизированной линии для производства бисквитных тортов, экономический эффект от внедрения которой составит около 31,0 тыс.рублей в год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на 3-й Всесоюзной научно-технической конференции "Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств" и расширенном заседании кафедры "Технологическое оборудо-

вшше пищевых предприятий" МШШ.

Публикации. По теме диссертации опубликована одна печатная работа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из ЛГ наименований и /2 приложений. Основная часть работы изложена на страницах, иллюстрирована рисунками и 2 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и ее научная новизна.

В первой главе дан обзор видов мучных кондитерских изделий, вырабатываемых в СССР и за рубежом, анализ основных технологических процессов производства этих изделий. Приводится анализ литературных источников, посвященных решению вопроса механизации процесса формования бисквитных тортов. Рассмотрены существующие способы подачи наполнителей при формовании кондитерских полуфабрикатов.

Изучены работы О.Г.Лунина, З.З.Степановича, М.А.Берковича и др. исследователей, посвященные вопросу механизации производства мучнисто-кондитерских изделий. Анализ работ показал, что отсут- ' ствуют исследования реологических свойств различных наполнителей (джема, поввдла и др.), нет данных о характере равномерности распределения наполнителей в бисквите при шприцевании, а также о характере деформации бисквита в зоне введения игл-шприцов.

Изучение состояния вопроса и критического анализа ранее вы-* полненных работ позволило сформулировать основные задачи исследования:

I. Изучить реологические свойства различных наполнителей и бисквита.

2. Исследовать условия, влияющие на равномерность распределения наполнителей в бисквите.

3. Определить характер деформаций бисквита в зоне введения игл-шприцов в зависимости от различных геометрических и кинематических параметров.

4. Разработать элементы теоретической модели процесса введения наполнителей в бисквит методом шприцевания.

5. Разработать научно-обоснованную методику расчета процесса введений наполнителей методом шприцевания.

6. Создать механизм для формования бисквитных тортов шприцеванием.

Во второй главе изложены теоретические предпосылки к исследованию процесса шприцевания структурированных систем.

Простейшая упругопластическая модель структурированной сио-темы представляет собой среду, при внедрении в которую шприца первоначально преодолеваются упругие сопротивления, а затем по достижении на торце шприца усилия, равного постоянному сопротивлению системы - пластического сопротивления. Эта модель более близка к реальной структурированной системе (бисквит, мякиш хлеба). Она дает возможность учесть случай, когда в процессе погружения ширида анергия шприцевания в начале тратится только на упругие деформации системы.

Рассмотрим рабочую схему процесса шприцевания с учетом вышеизложенного. Для упрощения задачи задаемся не коэффициентом жесткости, а величиной упругой деформации системы (бисквита, мякиша хлеба) Ео .

Рассмотрим схему действия сил (рис.2) на шприц, внедряющийся в структурированную систему при чистопластическоы характере разрушения последней. Сопротивление системы складывается из сопротивлений по лобовой и по боковой поверхности для шприца. Пер-

вые являются постоянными, вторые - зависят от перемещения

Г

Рис.1

При решении данной задачи сделаем ряд допущений:

1. шприц представляет собой гладкий стержень с плоским торцом и является абсолютно твердым;

2. сопротивления, пропорциональные скорости движения шприца, отсутствуют;

3. упругие деформации структурировать системы отсутствуют.

Поскольку действующие на шнриц силы постояшш (сила £и лобовое сопротивление Гд) или зависят только от перемещения to , для определения величины внедрения шприца в мякиш хлеба пли бисквита Етаж воспользуемся теоремой изменения кинетической энергии

твердого тела:

где 1/ ~ скорость движения тела в конце перемещения; Т/о - скорость движения тела в начале перемещения; 2! А - сумма работ всех действующих сил на данном перемещении.

Внедрение части шприца осуществляется под действием массы В конце погружения (шприцевания) шприц останавливается, следовательно 1/~ я О

А = + ¿2 + Ад, {2)

где А| - работа силы тяжести;

к-^ - работа постоянной силы сопротивления Рд; А^ - работа перемешой силы сопротивления, зависящей от перемещения.

Д,-Р-Етах (3)

Йг^-йтах (4)

Лил*

(5)

(6)

где Ф - наружный диаметр шприца;

^ - удельное сопротивление структурированной системы по боковой поверхности.

Тогда

е-с/е г/)

о

(8)

Подставляя выражеши (3), (4), (8) в уравнение (2), полу-

чим: г-

в формуле (9) _ *

Рл=0,25-Х-Ф-А (Ю)

где - удельное сопротивление структурированной системы по лобовой поверхности. После преобразований уравнения (9) получим: 2

Рис.2

Поскольку в упругопластической модели структурированной системы (рис. Г) все действующие силы постоянны или гак же, как и в чистопластической модели, зависят от перемещения, для нахождения ¿may воспользуемся теоремой изменения кинетической энергии твердого тела. На основании этой теоремы для случая упругопластической модели получим следующее квадратное уравнение:

eL - - a (ia

В полученном уравнении нас интересует сила f. Поэтому сделаем некоторое преобразовашш в уравнений (12) и получим:

Г-иг ПЗ) Г £ (¿^«+17) --Ш)

Третья глава- посвящена исследованию структурно-механических свойств различных наполнителей. Среда большого количества наполнителей, ирииешемих в производстве мучных кондитерских изделий, наиболее часто встречаются сливочный и шоколадный крем, даем и повидло. Использование отих полу^брякатов представляется возмогь-нш благодари простоте приготовления, высоким вкусовым качествам, а также определенным <)'0]>моудермшаыцим свойствам, позволяющим выполнить из крема, джема и повидла художественно отделашше изделия.

Изучении реологических свойств вышеназвашшх полуфабрикатов важно и с практической стороны, так как большинство наполнителей претерпевают значительные механические воздействия в процессах производства. 1'еологичоские свойства таких систем оцениваются рядом показателей, ерем которых оуфыстишая вязкость п предельное напряжение сдвига являются важнейшими, наиболее полно характеризующими изменение структур» под влиянием различных факторов. Хороша воспроизнодимоить результатов предварительных опытов,

простота методики и несложность техники исполнения измерений определили возможность использования метода ротационной вискозиметрии при проведении исследований. Кроме того, как показали эксперименты, относительная ошибка определения реологических свойств наполнителей методами ротационной и капиллярной вискозиметрии составляет не более 8$.

Исследования проведены на универсальном вискозиметре "Рео-тесг-2", предназначенном для анализа ньютоновских и неныотонов-сюпс жидкостей, с наполнителями, приготовленными в производственных условиях. Интервалы температур выбраны с учетом режимов работы в производстве и составляют: 19-22°С - дан шоколадного и сливочного крема, 65-80°С - для джема и 60-65°С - для повидла.

Касательные напряжения сдвига 2Г (Да) определяли по формула:

Г =0,

где 2" - константа прибора;

<£ - показания прибора.

Эффективную вязкость ^ (На*с) рассчитывали по формуле:

*= г/*,

скорость сдвига, с"^.

Эшчения скоростей сдвига брали из тарировочной таблицы паспорта прибора.

На рис.3 изображены кривые течения сливочного крема при различных температурах. Из графиков видно, что при У > 150 сГ^ наблюдается, прямая пропорциональная связь Т с 'У и незначительное по величине предельное напряжение сдвига при скорости сдвига близкой к нулю. Аналогичный вид имеют кривые течения других наполнителей. Установлено, что резкое снижение вязкости происходит в узком диапазоне малых величин скоростей сдвига. Так, например, для сливочного крема вязкость изменяется от 1295 Па «с до 616 Па-с при увеличении скорости сдвига от 1,8 до 5,4 с""' и

с

Рис.З. Зависимость эффективной вязкости сливочного крема от скорости сдвига при температурах (°С): I - 19; 2 - 20; 3 - .21; 4-22

от 616 до 460 Па«с при возрастании скорости от 5,4 до 9,0

Наименьшее значение эффективная вязкость принимает при скорости

о

сдвига порядка (3-4) *Ю, что соответствует наибольшей степени разрушения структуры.

Линейный характер зависимости ( ^г"), построенной в логарифмических координатах, показывает, что исследованные наполнители при скоростях сдвига от 1,0 до 437 с"^ представляют собой вяэ-ко-пластичные материалы, течение которых может быть описано уравнением Оствальда: г= к-у" где К - коэффициент консистенции;

П - индекс течения.

Используя известный графический метод, определены значения реологических констант для всех наполнителей. Результаты представлены на графиках рис.4. Как видно из графиков, коэффициент консистенции уменьшается при возрастании температуры наполнителей. Исключением является повидло. Индекс течения повидла и джема мало меняет свое значение, для кремов наблюдается незначительное увеличение индекса течения с ростом температуры,

В результате реологического исследования показано, что наполнители для бисквитных тортов, независимо от рецептурного состава, в диапазоне рабочих температур представляют собой псевдопластические материалы, течение которых описывается степенным уравнением Оствальда-де-Виля. Установлено, что наибольшее влияние на реологические свойства оказывает температура. Определены кривые течения различных наполнителей, получены зависимости, связывающие коэффициенты консистенции и индексы течения наполнителей с температурой. Показано, что процесс шприцевания будет наиболее эффективен в областях скоростей сдвига, даицих минимальные значения напряжения сдвига.

а) 1,1' - шоколадный крем; 2,2' - сливочный крем -

Рис.4. Зависимость реологических параметров К и /} от температуры

Первая часть четвертой главы посвящена экспериментальным исследованиям процесса шприцевания. Опыты проводили на экспериментальной установке (рис.5). Экспериментальная установка состоит из станины I, на которой смонтировано тарировочное устройство 2, червячного винта с гайкой 3, которая жестко связана с подвижной плитой 4. Движение плиты осуществляется от электродвигателя (Р = = 0,3 кВт,л = 1500 od/мин) постоянного тока 5, через вариатор 6 и клиноременную передачу 7. Питание электродвигателя происходит через выпрямитель переменного тока 220 В 8. На подвижной плите смонтирована пластина 9, на которой установлены тензометрические датчики усилия 10 и держатель для иглы (шприца) II.

Конструкция держателя шприца предусматривает возможность установки (закрепление) в нем шприцов диаметром 6 и 8 мм.

На станине имеется неподвижная плита 12,. на которую угадывали испытуемый образец (бисквит или хлебный мякиш) 13.

Скорость движения шприца меняли ступенчато: ТЛ = 148 мм/мин - минимальная скорость;

% = 280 мм/мин;

l/3 = 375 мм/мин;

= 440 мм/глин - максимальная скорость.

4 Через тензоусшштель ТА-5(14) показания тензометрических датчиков 10 записывали на осциллографе-самописце H-338-I (15).

Перед началом эксперимента была проведена тарировка тензометрических датчиков.

Исследование процесса шприцевания бисквита и хлебобулочных изделий проводили в научно-исследовательской лаборатории кафедры T01EI ЬГШШ, Для экспериментов брали готовый бисквит с КБК "Выхино" и батоны из муки высшего и I сортов.

Для проведения исследований пользовались шприцами 0 6 мм и jt> 8 мм. Материал шприпа: латунь, медь и стекло. Концы торнд шпри-

цов имели разные конфигурации (рис.6).

У/////А

I

//////////л

^//////А 5 1

Рис.6

В доржатель последовательно устанавлшзали шприцы 0 6 мм и 0 8 т с различной конфигурацией. оконечности (торца) и внедряли в мякиш батона и бисквита при различных скоростях движения шприца. Определяли усилие Р, которое возникает при внедрении шприпз в мякиш. Глубина внедрения шприца в батон составила от 90 ш до 106 мм, а в бисквит - до 200 мм.

При установившемся режиме работы установки включали самописец и последовательно при различию: скоростях движения шприца де- • лали записи на осциллограмме. Каждый опит повторяли не менее 5 раз.

Полученные осциллограммы расшифровывали о помощью тарировочн ного графика.

Для определения характера разрушения структуры бисквита и мякиша хлеба после прохождения в них шприца проводили разрез испытуемого образца по оси прохождения шприца.

В результате исследований било выявлено влияние диаметра и конфигурации торца шприца на картину деформации мякиша и влияние скорости движения (внутреннего) шприца на производительность и усилие шприцевания. Как показал анализ исследований, размер шприца (диаметр), а также конфигурация его торца не влияют на картину деформации мякиша. Усилие шприцевания измеряли при скорости дпижсшю шприда, указанной вше, с учотом внешнего диаметра его.

Результаты исследований (рис.7) показали, что при мтшмаль-

F,н

25,0

2ÇP

15,0

10,0

5,0

— ■— i—- _ ы " 3 N

*— о— • —— — - О- ~ V. ' «Ï * д V N>

i ! ! 1

60 4SO 160 2A0 500 ^50 420

Рис.7. Зависимость усилия шприцевания от скорости двикеюи шприца 1-06 ш латунь; 2-08 ш стекло; 3-08 ш латунь

480

540

V ЛЫ-» мин

ной скорости движения шприца при различных его диаметрах усилив шприцевания находится в пределах от 13,0 Н до 14,6 Н. С увеличением скорости до =* 375 мм/мин усилие на шприц возрастает соответственно до 14,5-18,9 Н. При дальнейшем увеличении скорости движения шприца ( ТА, « 440 ид/мин) усилие на шприц уменьшается и составляет 10,4-14,7 Н. Уменьшение усилия снижает нагрузки на рабочие органы формующего устройства. Таким образом, целесообразно скорость движения шприца выбирать в пределах 440-500 од/мин, что соответствует производительности существующих линий по производству бисквитно-кремовых тортов.

Вторая часть четвертой главы посвящена исследованиям фазико-механических свойств бисквита и хлебного мякиша в процессе шприцевания. Дано описание приборов и методов для определешш этих свойств структурированных систем. Физико-механические свойства бисквита и хлебного мякиша в условиях одноосного сжатия проводили на экспериментальной установке, показанной на рис.5.

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем: цилиндрический стальной стержень диаметром 0 = 8 ым о постоянной скоростью внедрялся в массу испытуемого образца и деформировал ее. В процессе испытания записывающее устройство прибора вычерчивало диаграмму сжатия, что позволило наблюдать за ростом нагрузки и деформаций испытуемой массы непосредственно во время испытаний. Максимальная нагрузка свидетельствовала о начале разрушения массы и на этом испытание прекращалось. Типичная диаграмма сжатия показана на рис.8.

Обработка диаграммы позволила получить величину модуля упругости Е, усилие шприцевания р~и предел прочности 6п7 . Среднее значение модуля упругости для черствого хлеба Е = 73,7-Ю4 Ц/м2, для мягкого хлеба Е=36,95.104 Н/и2, для бисквита ЕК31.0-104 НДдЧ

Рис.8

Пятая глава посвящена практическому использованию результатов исследований.

В этой главе изложена методика инженерного расчета процесса шприцевания.

На основе результатов исследований и разработанной методики расчета спроектировано устройство доя наполнения бисквита и хлебобулочных изделий методом шприцевания, которое успешно было ио-пытано в проиэводствешшх условиях на КЕН "Выхино". Устройство состоит из следующих механизмов и устройств: дозатора крема, привода дозатора, наполнителя крема (шприца), привода наполнителя, станиш, транспортера.

В этой главе дается также описание поточно-ыеханизированяой линии для производства бисквитных тортов, предложенной автором.

выводи

1. На базе анализа литературных и патентных материалов предложен новый способ формования мучнисто-кондитерских изделий.

2. Разработана рабочая схема и теоретические предпосылки процесса шприцевания.

3. Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить процесс шприцевания. Полученные экспериментальные данные позволили определить размеры (диаметр) рабочего органа (шприца), конфигурацию его торца, определить рациональную скорость движения шприца, а также усилие шприцевания,

4. В результате реологического исследования показано, что наполнители для структурированных систем независимо от рецептурного состава в диапазоне рабочих температур представляют собо# псевдопласгические материалы, течение которых описывается степенным уравнением Освальда-де-Внля. Установлено, что наибольшее влияние на реологические свойства оказывает температура. Определены кривые течения различных наполштелей, получены зависимости,' связывающие коэффициенты консистенции и индексы течения наполнителей с температурой.

5. На основами экспериментальных дагашх получен модуль упругости Е бисквита и хлебного мякиша в условиях одноосного сжатия и предел прочности 5пг.

6. В результате теоретического и экспериментального исследований предложена методика расчета процесса шприцевания.

7. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили предложить конструкцию нового формующего устройства для шприцевания, а также поточно-мехаш1зированную линию для производства бисквитных торгов.

8. Экономический эффект от внедрения линии для производства бисквитно-кремовых тортов составит около Л,0 тыс.руб.

Список работ» опубликованных по тема диссертации

I. Абутавахина Ахмед Хасан, Данилов В.Н. Физико-иеханические свойства наполнителей для бисквитных тортов // Сборник докладов 3-й научно-технической конференции ИШ-ЭО,- 11., 1990. С. 140-141.

/

А?

Тип. МТШШ, зак. , тир. 100 экз.