автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка комплекса оборудования и исследование процесса разделения рушанки семян рапса

005534721

На правах рукописи

РЕНЗЯЕВ АНТОН ОЛЕГОВИЧ

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ОБОРУДОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ РУШАНКИ СЕМЯН РАПСА

Специальность: 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

Кемерово-2013

005534721

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (ФГБОУ ВПО КемТИПП) Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сорокопуд Александр Филиппович

Официальные оппоненты: Калошин Юрий Аркадьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского», заведующий кафедрой «Пищевые машины»

Федоренко Борис Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет пищевых производств», профессор кафедры «Технологическое оборудование пищевых предприятий»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Сибир-

ский научно-исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции» Российской академии сельскохозяйственных наук, п. Краснообск, Новосибирской обл.

Защита состоится 26 октября 2013 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./факс 8(3842)39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http://www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан « 25 » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Гореликова Галина Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение населения России качественным и безопасным продовольствием на основе переработки собственных сырьевых ресурсов является стратегической целью пищевой и перерабатывающей промышленности. Для ее достижения необходимо разрабатывать и внедрять новые технологии и оборудование, позволяющие увеличить выработку продуктов питания нового поколения с повышенными качественными характеристиками.

Одной из основных задач, стоящих перед масложировой промышленностью, является обеспечение российских потребителей отечественной продукцией и удовлетворение потребности животноводства в качественных жмыхах и шротах. Стратегией развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации на период до 2020 года указывается на недостаточное сырьевое обеспечение масличными семенами, малая диверсификация сырьевой базы, в том числе отмечается необходимость увеличения объемов возделывания и переработки рапса.

Биологические особенности рапса позволяют успешно возделывать его в почвенно-климатических условиях России, в том числе в Сибирском регионе. Увеличение производства рапса позволит обеспечить устойчивое снабжение населения растительным маслом, животноводство - высокобелковыми кормами. Учитывая растущий спрос на рапсовое масло и ужесточение требований к его качеству, актуальны исследования по разработке способов и оборудования, позволяющих решать эти задачи.

Традиционно в производстве растительных масел семена рапса перерабатываются без отделения семенных оболочек от масличного ядра. Раздельная переработка ядра и оболочки позволит повысить качество масла и жмыха, снизить затраты на рафинацию и увеличить выход масла. Переработка семян рапса с целью получения высококачественного масла связана с определенными трудностями. Малые размеры семян рапса, прочная связь оболочки и ядра, незначительные различия в их физических и структурно-механических свойствах создают проблемы, которые возможно решать посредством исследования процессов обрушивания семян, воздушного сепарирования рушанки и разработки оборудования для их реализации.

Существенный вклад в изучение процессов и разработку оборудования для переработки масличных семян внесли ученые Жислин Я.М., Гинзбург И.Е., Гринберг E.H., Веденьев В.Ф., Гортинский В.В., Абрамович Г.Н., Веселов С.А., Панченко A.B. и др. Несмотря на то, что проблеме разделения зерновых материалов посвящено значительное число работ, все возрастающие требования к качеству продуктов питания и расширяющийся ассортимент перерабатываемого масличного сырья требуют дополнительных исследований для разработки новых технических решений. Развитие перерабатывающей базы позволит осуществлять эффективную переработку семян рапса и повысить качество продуктов.

Цель работы: Научное обоснование и разработка комплекса оборудования для подготовки семян рапса к прессованию масла путём отделения сел

ной оболочки от масличного ядра, исследование процессов обрушивания се

и пневмосепарирования рушанки вертикальным воздушным потоком для повышения эффективности производственных процессов и качества продуктов переработки.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

-обосновать необходимость разработки комплекса оборудования для реализации способа повышения качества рапсового масла и жмыха путем раздельной переработки семенной оболочки и масличного ядра семян рапса на основе исследования состава и качества продуктов их переработки;

-обосновать рациональные конструктивные параметры работы оборудования для повторного обрушивания семян рапса (обрушивания рушанки). Реализовать разработанную конструктивную схему в лабораторно-экспериментальной установке и определить параметры процесса;

— изучить аэродинамические свойства компонентов рушанки семян рапса в восходящем вертикальном воздушном потоке;

— разработать конструктивную схему пневмосепратора для разделения рушанки семян рапса методом сепарирования вертикальным воздушным потоком. Реализовать разработанную схему в экспериментальной установке;

-установить оптимальные параметры процесса воздушного сепарирования рушанки рапса в пневмосепараторе разработанной конструкции;

— провести производственные испытания пневмосепаратора разработанной конструкции. Оценить экономическую эффективность от использования разработанного комплекса оборудования в технологической схеме получения рапсового масла путем сравнения затрат на стадии его рафинации.

Научная новизна. Научно обоснована разработка комплекса оборудования для подготовки семян рапса к прессованию масла путём отделения семенной оболочки от масличного ядра посредством повторного обрушивания семян и пневмосепарирования рушанки, что позволяет повысить качество рапсового масла и жмыха.

Установлены конструктивные и режимные параметры центробежной установки для повторного обрушивания семян рапса методом однократного удара о стальную волнистую отбойную пластину, обеспечивающие снижение содержания фракции недоруша.

Изучены аэродинамические свойства компонентов рушанки семян рапса в вертикальном восходящем воздушном потоке, послужившие основой для определения высоты воздушных каналов пневмосепаратора для разделения рушанки.

Разработана конструкция пневмосепаратора для разделения рушанки семян рапса методом вертикального воздушного потока и установлены параметры процесса ее пневмосепарирования.

Теоретическая и практическая значимость. В результате теоретического и экспериментального исследования процессов повторного обрушивания семян рапса и пневмосепарирования рушанки разработан комплекс оборудования для подготовки семян рапса к отжиму в линиях производства растительных масел, позволяющий снизить затраты на рафинацию, повысить качество масла и жмыха.

Предложена конструкция центробежной установки для повторного обрушивания семян рапса (обрушивания рушанки) методом удара о волнистую стальную отбойную пластину и установлены параметры её работы.

Разработана конструкция воздушного сепаратора для разделения рушанки семян рапса и установлены оптимальные параметры его работы. Новизна и практическая значимость принятых технических решений подтверждена положительным решением о выдаче патента РФ на изобретение «Пневмосепаратор для зерновых материалов» №2012119131/03(028811) от 01.07.2013.

Проведены производственные испытания пневмосепаратора разработанной конструкции в экспериментальном цехе ООО ГЖП «Провансаль» (г. Томск), которые показали высокую эффективность разделения рушанки семян рапса на фракции масличного ядра и оболочки при установленных параметрах пневмосепарирования.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научно-исследовательской работе, при выполнении дипломных научных работ инженеров, бакалавров и магистров на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО КемТИПП.

В диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в период с 2007 по 2013 г.г. лично автором или при его непосредственном участии, в том числе в рамках хоздоговорной научно-исследовательской работы «Разработка способа повышения качества продуктов переработки рапса» №03-03/2010.

Положения, выносимые на защиту: комплекс оборудования для подготовки семян рапса к отжиму в линиях производства растительных масел посредством повторного обрушивания семян и пневмопрессования рушанки, позволяющий снизить затраты на рафинацию, повысить качество масла и жмыха; конструкция пневмосепаратора для разделения рушанки семян рапса в вертикальном воздушном потоке, позволяющая выделить фракцию масличного ядра; результаты экспериментальных исследований процессов повторного обрушивания семян рапса и пневмосепарирования рушанки, позволяющие установить их оптимальные параметры.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методов исследований, обоснованных теоретических положений. Основные теоретические положения диссертационной работы и заключения подтверждены результатами экспериментальных исследований, выполненных с применением стандартизованных и аттестованных методик и средств измерений с нормированными метрологическими характеристиками. При выполнении экспериментальных исследований использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены, доложены и обсуждены: на II Международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания» (Саратов, 2008); на V Международной научно- практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2008); на III Международной научно-

практической конференции «Пища, экология и качество» (Кемерово, 2009); на IV Всероссийской конференции «Пищевые продукты и здоровье человека (Кемерово, 2011); на V Всероссийской конференции «Пищевые продукты и здоровье человека (Кемерово, 2012); на Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации» (Кемерово, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из пяти глав, в том числе введения, литературно-патентного обзора, теоретических предпосылок изучаемых процессов, методологической части, результатов собственных исследований, заключений, списка литературы и приложений.

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работы, приведена ее общая характеристика.

В первой главе представлен литературно-патентный обзор по теме диссертации. Дана характеристика семян рапса и продуктов их переработки, проанализированы современные технологические схемы производства рапсового масла. Проведён сравнительный анализ конструкций обрушивающих устройств и воздушных сепараторов, используемых для переработки масличных семян. В результате проведенного анализа определенны задачи исследования.

Во второй главе изложены теоретические предпосылки процессов обрушивания и пневмосепарирования зерновых материалов. Рассмотрен механизм обрушивания семян рапса методом удара. В основу этого метода положена классическая теория удара, положения которой изложены в работах Гинзбурга И.Е., Гринберга E.H., Жислина Я.М. и др. на примере прямого удара двух шаров.

Расчет кинетики удара включает расчет скорости движения частиц и работы, затрачиваемой на разрушение оболочки и ядра семени рапса.

Скорость движения частицы V, м/с, рассчитывается

V=rr, (1)

где ю - угловая скорость вращения барабана, с'1; г - расстояние от центра вала барабана до точки приложения силы, м. V= 251,2- 0,085 = 21,35 Работа на разрушение оболочки Ас, Дж, рассчитывается

Ае= 87,8 - 1,42- W + 4,55 • 10"6 • eU8'm, (2)

где W - влажность рушанки семян, %.

Ас= 87,8 - 1,42-4,2 + 4,55 ■ 10"6 • е1'18'4,2 = 81,8 Работа на разрушение ядра Ая, Дж, определяется

А„=(1,05 + 1,07) • Ас, (3)

Ая = 1,06-81,8 = 86,7 Следовательно, работа, затрачиваемая на обрушивание, должна находиться в интервале от 81,8 Дж до 86,7 Дж, чтобы разрушить оболочку без разрушения ядра.

Раздел также включает теоретический расчет скоростей витания частиц рушанки, основанный на работах Абрамовича Г.Н., Веденьева В.Ф., Веселова С.А., Гортинского В.В., Панченко A.B. и др.

Пневмосепарирование основано на разности скоростей витания частиц, которая определяется при скорости воздушного потока большей, чем скорость витания одной частицы и меньшей, чем скорость витания другой частицы. При этом условии частицы будут разделяться: первая будет унесена воздушным потоком, вторая выпадет из потока вниз.

В расчете принято, что частицы имеют шарообразную форму, для которой скорость витания Vs, м/с, рассчитывается

Расчёт производился по среднему диаметру семян рапса, однако после обрушивания многие семена превращаются в частицы, которые не имеют определенной формы и рассчитать их скорости витания затруднительно. В этой связи определение скоростей витания частиц рушанки семян рапса осуществлялось экспериментально.

В третьей главе дана характеристика объектов и методов исследований.

В работе использовались безэруковые и низкоглюкозинолатные семена рапса сортов «Анизис», «Ратник», «Сибниик-198», «Юбилейный», выращенные в Алтайском крае, Кемеровской, Новосибирской, Омской и Томской областях, а также рушанка семян и продукты переработки - масло и жмых.

При выполнении работы использовались общепринятые и оригинальные методы выполнения измерений, средства измерений с нормированными метрологическими характеристиками.

Экспериментальные исследования выполнялись на следующих лабораторных установках: для изучения аэродинамических свойств компонентов рушанки семян рапса; для повторного обрушивания семян (обрушивания рушанки); пневмосепараторе для разделения рушанки на фракции методом вертикального восходящего воздушного потока.

Математическое планирование экспериментов осуществлялось с использованием композиционных униформ-ротатабельных планов. Обработка полученных данных и их графическая интерпретация осуществлялась в программах MS Excel, MS Word, Statistica 6.0, Kompas vl2, Adobe Photoshop CS 5.

В четвёртой главе представлена разработка комплекса оборудования и исследование процессов повторного обрушивания семян рапса и пневмосепари-рования рушанки.

Обоснование разработки оборудования для реализации способа повышения качества продуктов переработки семян рапса. Состав и физико-химические свойства семян масличных культур являются специфичными для

каждой культуры и обусловлены ее ботаническими особенностями, сортом, условиями возделывания и др. Проведенные исследования химического состава и качества семян рапса, возделываемых в Сибирском регионе, а также продуктов их переработки - масел и жмыхов, показали, что они соответствуют регламентированным требованиям. В составе исследованных семян большая доля приходится на масло (41,8 - 49,6%), далее в порядке убывания располагаются - белок (25,7 - 27,4%) и клетчатка (10,8 - 13,8 %). На эти компоненты приходится около 80 % состава семян, что позволяет рассматривать рапс в качестве ценного сырья для получения питательных веществ.

К семенам крестоцветных культур, предназначенным для получения пищевого масла, предъявляют требования по содержанию глюкозинолатов (не более 3,0%) и эруковой кислоты (не более 5,0%). Количество глюкозинолатов в исследованных образцах семян составляло от 0,46 до 0,56%. Глюкозинолаты локализуются в основном в гидрофильной части семян, и при переработке концентрируются в жмыхах. В исследованных образцах рапсового масла из семян эруковой кислоты содержалось от 0,5 до 1,9%, что отвечает требованиям.

Рапсовое масло имеет хорошо сбалансированный жирнокислотный состав, обусловленный низким содержанием насыщенных жирных кислот (ЖК), высоким содержанием мононенасыщенных ЖК олеинового ряда, а также полиненасыщенных ЖК семейств омега-3 и омега-6. Особую ценность имеет дефицитная в питании населения России эссенциальная а-линоленовая ЖК семейства омега-3, потребление которой способствует улучшению обмена веществ в организме человека, снижает уровень холестерина в крови и риск развития сердечнососудистых, нервных и других заболеваний.

Особенностью рапсового масла является присутствие большого количества сопутствующих веществ: фосфолипидов, глюкозинолатов, хлорофиллов и не-омыляемых липидов. Переработка семян рапса сложна из-за особенностей строения и присутствия веществ, придающих продуктам переработки повышенную цветность, специфический вкус и запах, значительное количество которых содержится в оболочке семян и переходит в масло при отжиме. Комплекс сопутствующих веществ рапсового масла устойчив к воздействию химических реагентов и температур, поэтому его относят к труднорафинируемым. Для непосредственного употребления в пищу и производства продуктов питания используется только рафинированное рапсовое масло.

После отжима масла образуются вторичные продукты переработки семян - жмыхи, которые используют в качестве кормовой добавки. Наибольшая доля в составе жмыхов приходится на белок (от 35,1 до 38,6%), вторым по количеству компонентом является клетчатка (от 11,1 до 14,2%). В нем также содержится остаточное количество масла (от 3,8 до 15,1%). Белки рапсового жмыха хорошо сбалансированы и обладают высокой биологической ценностью. В жмыхе концентрируется значительная часть нежелательных, красящих и ароматических веществ семян рапса, большая часть которых находится в составе семенных оболочек, что снижает его качество.

Высокая пищевая ценность рапсового масла и жмыха, а также возрастающие требования к их качеству обуславливают необходимость разработки спосо-

ба и оборудования для переработки семян рапса, позволяющих обеспечить высокое качество получаемых продуктов.

Эффективность переработки семян рапса зависит не только от содержания основных питательных веществ, но и от их распределения по структурным частям (таблица 1).

Таблица 1 - Содержание и состав структурных частей семян рапса

Наименование показателей Содержание

семена масличное ядро семенная оболочка

Массовая доля структурных частей семян, % - 83,3±1,0 16,7±1,0

Массовая доля влаги, % 8,5±1,2 4,3±0,6 11,6±1,8

Массовая доля масла, % СВ 45,7±1,6 56,8±4,3 14,2±1,0

Массовая доля белка, % СВ 27,4±2,4 28,1±0,3 10,2±2,4

Массовая доля клетчатки в обезжиренном продукте, % СВ 12,3±1,5 8,1±1,б 65,8±9,4

Как следует из таблицы 1, содержание основных питательных веществ в структурных частях семян не одинаково. Масло и белок концентрируются в масличном ядре. Содержание влаги в оболочке значительно превышает ее содержание в ядре. Более половины состава оболочки приходится на долю клетчатки. Масличные ядра обладают лучшими органолептическими характеристиками по сравнению с оболочками - имеют менее выраженный специфический вкус и запах, желтый цвет, в отличие от коричневого цвета оболочки.

Отличия в составе и свойствах структурных частей семян обуславливают необходимость их разделения и использования разных способов их переработки. Сравнительная характеристика продуктов переработки нефракционированной рушанки семян рапса и фракции масличного ядра представлена в таблице 2.

Таблица 2 - Состав и качество продуктов переработки семян рапса

Продукт переработки

Показатели качества нефракционированной фракции

рушанки семян масличного ядра

Масло нерафинированное

Кислотное число, мг КОН/г 1,5-2,3 0,9-1,1

Перекисное число, ммоль активного ислорода/кг 1,4-3,2 1,2-1,6

Цветное число, мг йода 70-85 50-55

Жмых

Цвет коричневый желтый

Массовая доля влаги, % 5,9-8,6 1,8-4,3

Массовая доля масла, % СВ 11,0-14,3 5,8-7,9

Массовая доля белка, % СВ 30,3-37,0 45,4-56,2

Масло, полученное из фракции масличного ядра, имеет меньшие значения кислотного, перекисного чисел и показатель цветности, что говорит о стабильности к окислению и повышении качества. Жмых, полученный после отжима масла из фракции масличного ядра, имеет желтый цвет, содержит меньше влаги при увеличении доли белка на 15-19%. Остаточное содержание масла в жмыхе, полученном из фракции масличного ядра, снижается примерно на 5-6%, что позволяет говорить об увеличении выхода масла.

Сравнительный анализ жирнокислотного состава масел, полученных из нефракционированной рушанки семян рапса и фракции масличных ядер, показал одинаковый качественный состав жирных кислот при некоторых различиях в количественном составе. В масле, полученном из фракции масличного ядра, увеличилась на 5% доля незаменимой а-линоленовой жирной кислоты семейства омега-3 (с 9,15% до 9,62%) при снижении доли эруковой кислоты на 25% (с 0,61% до 0,46%), что повышает его качество.

Исследования состава углеводов семенных оболочек и масличных ядер семян рапса показали, что сахара в структурных частях семян содержатся в незначительных количествах от 2,35 до 4,87%, большая их часть локализована в ядре. Семенные оболочки содержат 74,58% пищевых волокон, большая часть которых (70,24%) представлена нерастворимой фракцией. Растворимой фракции пищевых волокон в семенных оболочках содержится 4,35%, она представлена в основном полисахаридами и полисахаридными кислотами. Обе фракции пищевых волокон представляют интерес вследствие их влияние на процессы пищеварения и способности к выведению токсичных веществ. Оболочки семян рапса могут служить сырьем для получения препаратов пищевых волокон.

Выполненные исследования позволяют сделать вывод о целесообразности разработки способа комплексной переработки семян рапса, основанного на разделении их структурных частей. Семенные оболочки при прессовании впитывают часть масла, что снижает его выход. Из оболочек в масло переходят красящие пигменты, ароматические и другие нежелательные вещества, которые необходимо удалять на последующих стадиях.

Раздельная переработка семенных оболочек и масличных ядер семян рапса позволит снизить затраты на рафинацию, увеличить выход масла, повысить качество и пищевую ценность масла и жмыха. Реализация данного способа переработки семян рапса возможна посредством эффективного обрушивания семян и пневмосепарирования рушанки, что требует исследований этих процессов и разработки комплекса оборудования для их реализации.

Разработка конструкции оборудования и исследование процесса повторного обрушивания семян рапса. Основной проблемой, препятствующей качественному разделению рушанки рапса на воздушном сепараторе, является неполное предварительное их обрушивание. Семена на предприятиях в основном обрушивают на вальцовых мельницах. Проходя через вальцы с постоянно установленным зазором, часть семян не полностью обрушивается или чрезмерно измельчаются, так как их диаметр варьируется от 0,7 мм до 1,8 мм. По этой причине не происходит полного разрушения оболочек и отделения их от масличного ядра во всей массе зерен, что препятствует эффективному их разделению в

дальнейшем. Образующийся продукт представляет собой рушанку, состоящую из трёх фракций: необрушенное (целое) зерно; зерно с надорванной оболочкой, у которого связь оболочки и ядра не нарушена (недоруш); обрушенное зерно

Обрушенная на вальцах рушан-ка семян рапса содержит большое количество недоруша, в связи с чем возникает необходимость повторного обрушивания семян (обрушивания ру-шанки) с целью обеспечения снижения его содержания.

Наиболее простым, эффективным, не требующим больших затрат способом обрушивания является однократный удар о твердую отбойную пластину под действием центробежных сил. Для реализации этого способа была сконструирована и изготовлена экспериментальная центробежная установка для повторного обрушивания семян рапса (рисунок 1).

Установка работает следующим образом: рушанка засыпается в загрузочный бункер 7 с крышкой, в котором установлена заслонка 6. При помощи ЛАТРа устанавливается необходимая частота вращения барабана 4, на поверхности которого установлены 1 - Рама; 2 - Разгрузочный бункер; 3 - Корпус; радиальные Лопатки 5, которые захва-4-Барабан; 5-Лопатки; 6 - Заслонка; 7 - За- тывают материал И ПОД действием грузочная воронка; 8 - Отбойная пластина; 9 - центробежной СИЛЫ отбрасывают его Углы наклона отбойной пластины; 10 - Регулятор на отбойную пластину 8. Вследствие угла наклона отбойной пластины

удара о пластину нарушается связь оболочки и ядра у частиц фракции недоруша.

Для изучения процесса повторного обрушивания семян рапса использовалась рушанка с влажностью 4,2-5,0%, полученная в производственных условиях на вальцовых мельницах. В экспериментах использовались три отбойных пластины: волнистая стальная пластина (шаг волны 5 мм, высота 4 мм, выполнена из Стали 3 толщиной 2мм); плоская стальная пластина толщиной 4 мм, изготовленная из Стали 3; плоская пластина из ПВХ толщиной 4 мм. Использование трёх видов пластин позволяет исследовать разные виды ударов: удар со сдвигом о твёрдую волнистую поверхность; прямой удар о твёрдую плоскую поверхность; прямой удар об упругую плоскую поверхность. Углы наклона пластин варьировались от 90° до 100° с интервалом в 5°. Частота вращения барабана изменялась от 500 мин"1 до 2400 мин"1, что соответствует необходимой работе для

(смесь частиц ядра и оболочки).

а 9

Рисунок 1 - Экспериментальная установка для повторного обрушивания рушанки рапса

разрушения связи ядра и оболочки у частиц рушанки. Дальнейшее увеличение частоты вращения барабана приводит к дроблению ядер и образованию большого количества пылевой фракции.

Эффективность процесса повторного обрушивания семян оценивалась по содержанию фракции недоруша в рушанке. Наименьшее содержание недоруша было получено при использовании волнистой стальной отбойной пластины с углом наклона 90° при частоте вращения барабана 2400 мин"' (рисунок 2).

Для установления влияния параметров процесса повторного обрушивания семян на содержание фракции недоруша был реализован ПФЭ З2 с использованием стальной волнистой отбойной пластины. Варьируемыми факторами являлись: угол наклона отбойной пластины - X),0; частота вращения барабана -Х2, мин1. Параметром оптимизации служил показатель содержания фракции недоруша в рушанке - У1 ,%.

В результате математической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии, которое адекватно (коэффициент детерминации 0,90, коэффициент корреляции 0,95) описывает процесс в реализованном диапазоне изменения варьируемых факторов.

У,=50,85738 - 0,040-Х, - 0,01579 • Х2 + 0,0560 • Х22, (5)

Анализ уравнения (5) показал, что угол наклона отбойной пластины и частота вращения барабана оказывают влияние на содержание фракции недоруша, при этом набольшее влияние оказывает частота вращения барабана.

Графический анализ полученного уравнения позволил установить оптимальные диапазоны изменения параметров работы установки при повторном обрушивании семян рапса (обрушивании рушанки): угол наклона отбойной пластины от 90° до 92,5°, частота вращения барабана от 2100 мин"1 до 2400 мин" При данных параметрах происходит наиболее полное отделение оболочки от ядра без разрушения частиц рушанки на более мелкие составляющие.

Определение аэродинамических свойств компонентов рушанки семян рапса в вертикальном воздушном потоке. Поскольку размеры, масса, площадь сечения компонентов рушанки значительно различаются, для определения

£

Э ^

а с-

-е-

I о.

V

§

О

70 60 50 40 30 20 10 0

ч

1 * \ \

4 1 1 1 \ ! 1 ' 1 ! 1

\ 1 \ 1 1 1 > 1

500

1540

0! недоруш ■ ядро □ оболочка

2400

Частота вращения барабана, мин-1

Рисунок 2 - Зависимость состава рушанки семян рапса от частоты вращения барабана (мин1) при использовании стальной волнистой отбойной пластины при угле ее наклона 90°

,8у

-Ь

-4у -Зу -2у

Гризотшние сечение Воздуинт канат

2т ;4т

оЗт...............

1т »5т

скоростей витания частиц рушанки рапса была изготовлена экспериментальная установка, которая представляет собой вертикальный воздушный канал прямоугольного сечения (рисунок 3).

Воздушный канал 2 состоит из корпуса, выполненного из ПВХ и оргстекла, который установлен на раму. Канал между поддерживающей сеткой 3 и ограничивающей сеткой 5 разделен по вертикали на восемь горизонтальных уровней (1у-8у), в которых производились замеры скоростей движения воздуха. Снизу в корпус канала при помощи вентилятора низкого давления 1 подается воздух. Скорость вращения привода вентилятора регулируется ЛАТ-Ром. На задней стенке канала установлена измерительная линейка 4 для определения высоты подъема частиц рушанки. Сверху канал закрыт ограничивающей сёткой 5. Скорость движения воздуха внутри воздушного канала измеряется термоанемометром МП-53. Поскольку чувствительный элемент термоанемометра не имеет необходимой гибкости, замеры производились в одной центральной и четырех периферийных точках (1т-5т) горизонтального сечения канала, которые располагались зеркально. Предварительно производился замер скоростей движения воздуха в канале на восьми разных уровнях (1у-8у) в пяти точках горизонтальных сечений каждого уровня (1т-5т). Для этого чувствительный элемент термоанемометра устанавливался в центральной точке горизонтального сечения уровня. Затем при помощи ЛАТРа выставлялась постоянная скорость движения воздуха в центральной точке сечения и проводились замеры скоростей движения воздуха в остальных точках горизонтального сечения данного уровня.

Экспериментально определенны скорости витания частиц рушанки рапса: недорушенных семян (недоруш) 7,3-8,2 м/с; ядра 2,2-3,5 м/с; оболочки 0,5-1,6 м/с. На основании определенных скоростей витания компонентов рушанки была установлена зависимость высоты их подъёма от скорости движения воздуха в воздушном канале (рисунок 4). Из полученных результатов следует, что наиболее легкой является оболочка. Частицы ядра занимают промежуточное положение. Наиболее тяжелыми являются частицы недоруша. Высота подъема всех со-

Рисунок 3 - Экспериментальная установка для определения скоростей движения воздуха в воздушном канале

1 - вентилятор, 2 - воздушный канал, 3 -сетка поддерживающая, 4 - линейка измерительная, 5 - сетка ограничивающая; 1у-8у - горизонтальные уровни замеров; 1т-5т-точки замеров в горизонтальных сечениях канала

ставляющих рушанки возрастает с увеличением скорости движения воздуха в канале.

—♦ 1 ядро

- О - оболочка

■недоруш

о, о

° 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Высота подъёма, мм

Рисунок 4 - Зависимость высоты подъёма частиц рушанки рапса и скорости движения воздуха в канале

Разработка конструкции пневмосепратора для разделения рушанки рапса методом сепарирования вертикальным воздушным потоком. Результаты определения скоростей витания легли в основу предложенной конструкции экспериментального пневмосепаратора. Разработанный пневмосепаратор имеет вертикальные каналы для разделения частиц рушанки за счет разности их скоростей витания (рисунок 5).

Пневмосепаратор работает следующим образом: рушанка рапса поступает в загрузочный бункер шнекового дозатора 6, который подает ее в сепарирующий канал. Сепарируемый материал скапливается на поддерживающей сетке 5. Барьер 4, установленный под углом 8° к вертикальной перегородке между каналами СК1 и OKI, препятствует дальнейшему движению рушанки по ситу. Более тяжелая фракция рушанки (недоруш) при помощи воздуха, подаваемого с определенной скоростью, преодолевает перегородку и ссыпается в осадительный канал OKI. Более лёгкая фракция (ядро) уносится воздушным потоком и осаждается в канале ОК2. В канале ОКЗ осаждается оболочка.

Отработанный воздух попадает в циклон 10, где происходит его очистка от пылевой фракции. Сепарируемый материал разделяется на фракции ядра, оболочки, недоруша, которые осаждаются в соответствующих воздушных каналах и ссыпаются в сборники, и мелкую фракцию, поступающую в циклон.

Воздух в сепарирующие каналы подаётся двумя вентиляторами. Вентилятор низкого давления 2 служит для обеспечения скоростей витания частиц и разделения фракций рушанки. Канальный вентилятор 3 служит для задания траектории движения частиц. Скорости подачи воздуха двумя вентиляторами определяют эффективность процесса сепарирования рушанки семян рапса.

Установка шнекового дозатора с переменным шагом витка позволяет стабилизировать подачу материала в зону разделения. Установка барьера 4 в конце поддерживающей сетки 5 позволяет накапливать сепарируемый материал и

обеспечить его равномерное распределение. Достаточное количество каналов с требуемой высотой при необходимой скорости движения воздуха обеспечивает высокую эффективность разделения зернового материала.

Вышеописанное позволит обеспечить стабильность плотности обрабатываемого зернового потока, что является главным условием равномерного поля скоростей движения воздуха в сепарирующем канале, а следовательно, и высокой эффективности процесса разделения сепарируемого материала.

В работе производились замеры скоростей движения воздуха на входе в каналы. Вследствие того, что при включении двух вентиляторов одновременно создается определенное сопротивление движению воздуха, скорость его движения в каналах отличается. Полученные результаты показали отличия скорости движения воздуха в каналах от скоростей его подачи вентиляторами. Результаты замеров легли в основу выбора режимов разделения рушанки на фракции и позволили определить необходимые скорости движения воздуха в пневмосепа-раторе.

Варьируя режимы работы обоих вентиляторов, проводились эксперименты по разделению рушанки семян рапса. Наиболее эффективное разделение рушанки на фракции наблюдалось при следующих параметрах: скорость подачи воздуха вентилятором низкого давления - 8,00 м/с, скорость подачи воздуха канальным вентилятором - 10,20 м/с. Скорость движения воздуха в сепарирующем канале СК1, где начинается процесс разделения рушанки, при этом составляла - 7,23 м/с. При данных параметрах сепарирования содержание частиц ядра в сепарированном материале составляло 92%.

Для изучения влияния формы каналов, определяющей траекторию движения сепарируемого материала, вертикальные перегородки между каналами

Рисунок 5 -

Измельчённое

Воздушный сепаратор для разделения рушанки рапса

1 - Рама, 2 - Вентилятор низкого давления, 3 -Вентилятор канальный, 4 - Барьер, 5 - Сетка поддерживающая, 6 - Дозатор шнековый, 7 - Корпус, 8 - Крепление перегородки, 9 - Ограничительная перегородка, 10 -Циклон, СК1- сепарирующий канал: OKI, ОК2, ОКЗ -осадительные каналы

пневмосепаратора выполнялись с возможностью изменения угла их наклона (рисунки 6 и 7).

Рисунок 7 - Схема изменения углов наклона перегородок для изменения формы воздушных каналов пневмосепаратора

I - наклонная перегородка между сепарирующим каналом и осадительным каналом ОС1; II - наклонная перегородка между оса-дительными каналами ОС1 и ОС2; III - наклонная перегородка между осади-тельными каналами ОС2 и ОСЗ; IV - наклонная ограничительная перегородка;

Рисунок 6 - Пневмосепаратор с изменяемой формой воздушных каналов

1 - Рама, 2 - Вентилятор низкого давления, 3 - Канальный вентилятор, 4 - Барьер, 5 - Сетка под держивающая, 6 - Дозатор, 7 - Корпус, 8 - Наклонные перегородки,

9 - Ограничительная перегородка,

10 - Циклон, СК - сепарирующий канал;

OKI, ОК2, ОКЗ - осадительные каналы.

I ВозЭух

-----е- Рушанка

-- Ядро

Измельчённое ядро

- - Оболочка

Для варьирования параметров процесса сепарирования положение перегородок I, II изменялось от 60° до 110°, перегородки III - от 60° до 100°, поскольку в положении 110° она перекрывала канал ОКЗ. Ограничительная перегородка IV служит для корректировки траектории движения частиц сепарируемого материала. Для проведения экспериментов при установленных режимах подачи воздуха были получены двенадцать режимов работы пневмосепаратора, отличающихся расположением перегородок при разных углах наклона.

Из полученных результатов следует, что изменение углов наклона перегородок оказывает влияние на фракционный состав сепарированного материала. Наибольшее содержание частиц ядра (93%) в сепарированном материале наблюдалось при углах наклона вертикальных перегородок I, II, III равных 100° и

отсутствии перегородки IV. Полученные результаты, позволяют сделать вывод, что изменение формы каналов воздушного сепаратора путем изменения угла наклона перегородок между ними практически не оказывает влияние на увеличение содержания ядра в сепарированном материале при усложнении конструкции, что говорит о нецелесообразности этих изменений.

Фотографии рушанки рапса перед пневмосепарированием и фракции масличного ядра, полученной после обработки в пневмосепараторе разработанной конструкции, представлены на рисунках 8 и 9.

„ „ , , Рисунок 9 - Фотография фракции ядра

Рисунок 8 - Фотография рушанки семян ' г , г

после обработки в пневмосепараторе рапса перед пневмосепарированием _ „ г г

г разработанной конструкции

Исследование параметров процесса разделения рушанки рапса в пневмосепараторе разработанной конструкции.

Для установления области оптимальных значений параметров процесса сепарирования был реализован ПФЭ З2. Параметром оптимизации служил показатель содержания частиц ядра в сепарированном материале - У ,%. Варьируемыми факторами являлись: скорость подачи воздуха вентилятором низкого давления - Хь м/с; скорость подачи воздуха канальным вентилятором - Х2, м/с.

В результате математической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии (6), которое адекватно (коэффициент детерминации 0,91, коэффициент корреляции 0,92) описывает процесс в реализованном диапазоне изменения варьируемых факторов

У = -840,24+239,532Х1+0,14Х2-15,38Х12, (6)

В результате графического анализа полученного уравнения установлены оптимальные режимы работы пневмосепаратора (рисунок 10): скорость подачи воздуха вентилятором низкого давления 7,7-8,0 м/с, скорость подачи воздуха канальным вентилятором 9,6-11,3 м/с. Данные режимные параметры позволяют получать содержание частиц ядра в сепарированном материале 92±2%.

8,5 -7 Я 7,5 8,0 8.3 8,5

Скорость подачи воздуха вентилятором низкого давления, м/с

Рисунок 10 - Зависимость содержания частиц ядра в сепарированном материале от скоростей подачи воздуха вентилятором низкого давления и канальным вентилятором

В пятой главе представлена практическая реализация результатов исследований. Приведены результаты опытно-промышленной апробации разработанной конструкции пневмосепаратора на ООО ПКП «Провансаль» (г. Томск). Разработанный пневмосепаратор показал высокую эффективность разделения рушанки семян рапса на фракции масличного ядра и оболочки. Содержание частиц ядра в сепарированном материале составляло до 94% при движении воздуха в сепарирующем канале со скоростью 7,0-7,3 м/с, которая достигалась подачей воздуха на входе в канал вентилятором низкого давления со скоростью 8,0 м/с и канальным вентилятором со скоростью 10,2 м/с.

Экономическую эффективность оценивали сравнением затрат на стадию рафинации масла, полученного из нефракционированной рушанки и фракции масличного ядра. Установлено снижение себестоимости масла, полученного из фракции масличного ядра, на 2% за счёт снижения расхода реагентов, отходов и потерь при повышении его качества и безопасности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обоснована разработка комплекса оборудования для подготовки семян рапса к прессованию масла путём отделения семенной оболочки от масличного ядра посредством повторного обрушивания семян и пневмосепарирования рушанки на основе исследования состава и качества продуктов их переработки. Установлено, что масло, полученное из масличного ядра, имеет меньшую цветность, большую стабильность к окислению, содержит на 5 % больше незамени-

мой а-линоленовой жирной кислоты семейства омега-3 при снижении доли эру-ковой кислоты на 25%, жмых - лучшие органолептические характеристики при увеличении доли белка на 15-19% и снижении остаточного содержания масла на 5-6%.

2. Разработана конструкция центробежной установки для повторного обрушивания семян рапса методом однократного удара об отбойную пластину с целью снижения содержания фракции недоруша. Установлены оптимальные диапазоны параметров работы установки: угол наклона стальной волнистой отбойной пластины от 90° до 92,5°; частота вращения барабана от 2100 мин"1 до 2400 мин'1.

3. Изучены аэродинамические свойства компонентов рушанки семян рапса в вертикальном восходящем воздушном потоке. Экспериментально определенны скорости витания частиц рушанки рапса на основе которых была установлена зависимость высоты их подъёма от скорости движения воздуха в канале: не-дорушенных семян (недоруш) 7,3-8,2 м/с; ядра 2,2-3,5 м/с; оболочки 0,5-1,6 м/с.

4. Разработана конструкция пневмосепратора для разделения рушанки семян рапса методом вертикального воздушного потока. Установлены оптимальные диапазоны параметров работы пневмосепаратора: скорость подачи воздуха вентилятором низкого давления 7,7-8,0 м/с; скорость подачи воздуха канальным вентилятором 9,6-11,3 м/с. Данные параметры позволяют получать содержание частиц масличного ядра в сепарированном материале 92±2%.

5. Проведены производственные испытания пневмосепаратора разработанной конструкции на ООО ПКП «Провансаль» (г. Томск). Путем сравнения затрат на стадии рафинации установлено снижение себестоимости масла, полученного из фракции масличного ядра, на 2% за счёт снижения расхода реагентов, отходов и потерь при повышении его качества и безопасности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Рензяева, Т.В Качество семян крестоцветных масличных культур Сибирского региона и продуктов их переработки / Т.В. Рензяева, А.О. Рензяев, A.A. Проскурин, И.В. Пику-лева // Масложировая промышленность. - 2009. - №2. - С. 17-19.

2. Рензяева, Т.В. Разработка способа повышения качества продуктов переработки рапса и рыжика / Т.В. Рензяева, О.П. Рензяев, А.О. Рензяев // Масложировая промышленность. - 2009. - №3. - С. 32-34.

3. Рензяев, А.О. Пневмосепаратор для разделения зерновых материалов / А.О. Рензяев, О.П. Рензяев, А.Ф. Сорокопуд // Техника и технология пищевых производств. - 2013. -№1.-С. 93-97.

Научные труды институтов, материалы конференций

4. Рензяев, О.П. Исследование процесса обрушения семян рапса и рыжика в производстве растительного масла / О.П. Рензяев, A.A. Носов, Д.А. Бобков, А.О. Рензяев // Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сб. науч. работ / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. -Вып.2. - Кемерово, 2008. - С. 46-49.

5. Рензяев, О.П. Исследование процесса разделения обрушенного семени крестоцветных культур на примере рапса / О.П. Рензяев, A.A. Носов, А.О. Рензяев // Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сб. науч. работ / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Вып.2. -Кемерово, 2008. - С. 50-54.

6. Рензяева, Т.В. Жирнокислотный состав масел крестоцветных культур Сибирского региона / Т. В. Рензяева, А.О. Рензяев // Технология и продукты здорового питания: материалы II международной научно-практической конференции; ФГ0У ВПО «Саратовский ГАУ». -Саратов: ИЦ «Наука», 2008. - С. 119 -120.

7. Рензяева, Т.В. Пути расширения сырьевой базы пищевой промышленности Сибирского региона / Т.В. Рензяева, А. О. Рензяев // Пища. Экология. Качество: труды V международной научно-практической конференции; РАСХН. Сибирское отделение. ГНУ СибНИП-ТИП. - Новосибирск, 2008. - С. 363 -364.

8. Рензяев, О.П. Повышение качества продуктов переработки семян рапса и рыжика / О.П. Рензяев, А.О. Рензяев, Т. В. Рензяева // Пища, экология и качество: материалы международной научно-практической конференции / Под общей ред. Е.И. Сизенко. - Кемерово: Куз-бассвузиздат, 2009. - С. 184 -186.

9. Рензяева, Т.В. Углеводный состав структурных частей семян рапса и рыжика / Т.В. Рензяева, А.О. Рензяев. // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. раб. - Кемерово: КемТИПП, 2009.-Вып. 18. - С. 108 -110.

10. Рензяев А.О. Исследование процесса разделения рушанки рапса на воздушном сепараторе / Пищевые продукты и здоровье человека: материалы IV Всероссийской конференции; ФГОУ ВПО КемТИПП. Кемерово: 2011. - С.261-262.

11. Рензяев А.О. Исследование процесса обрушивания семян рапса / Пищевые продукты и здоровье человека: материалы V Всероссийской конференции; ФГБОУ ВПО КемТИПП. Кемерово, 2012. - С.343-345.

12. Рензяев А.О. Выбор режимов сепарирования рушанки рапса / Приборное и методологическое обеспечение исследований и разработка в области инновационных технологий производства продуктов питания функционального назначение: сб. науч. раб. - ФГБОУ ВПО КемТИПП. Кемерово, 2012. - С.176-178.

13. Рензяев А.О. Установка для воздушного сепарирования зерновых материалов / Кузбасс: образование, наука, инновации: инновационный конвент, 1 т. - Кемеровский научный центр СО РАН, Кемерово, 2012. - С. 45-46.

Патенты РФ

14. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2012119131/03(028811) от 01.07.2013. Пневмосепаратор для зерновых материалов / Рензяев А.О., Сорокопуд А.Ф., Рензяев О.П.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Кемеровский техно-ЛОШЧ.ИН-Т пищевой пром-ти.- заявл. 10.05.2012. // М.: Роспатент, 2013.

Подписано в печать 19.09.2013 г. Формат 1/16 Объём 1,25 уч-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ № 107 Отпечатано на ризографе Кемеровский технологический институт

пищевой промышленности 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47 отпечатано в лаборатории множительной техники КемТИПП 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 7

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт

пищевой промышленности»

0^201451870 На пРавах Рукописи

РЕНЗЯЕВ АНТОН ОЛЕГОВИЧ

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ОБОРУДОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ РУШАНКИ СЕМЯН РАПСА

Специальность: 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д-р техн. наук, профессор Сорокопуд А.Ф.

Кемерово - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................10

1.1 Характеристика семян рапса и продуктов их переработки.........................10

1.2 Технологическая схема производства рапсового масла...............................21

1.3 Обрушивание масличных семян.........................................................29

1.3.1 Способы обрушивания масличных семян...........................................29

1.3.2 Конструкции обрушивающих устройств.............................................32

1.4 Разделение семян и рушанки масличных культур....................................38

1.4.1 Способы разделения семян и рушанки масличных культур.....................38

1.4.2 Конструкции воздушных сепараторов................................................45

1.5 Выводы, цель и задачи исследования...................................................55

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОЦЕССОВ ОБРУШИВАНИЯ И ПНЕВМОСЕПАРИРОВАНИЯ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ.........................56

2.1 Теоретические предпосылки процесса обрушивания семян рапса...............56

2.2 Теоретические предпосылки процесса пневмосепарирования

рушанки семян рапса...........................................................................64

3 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................72

4 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ОБОРУДОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ СЕМЯН РАПСА К ОТЖИМУ МАСЛА...........74

4.1 Обоснование разработки оборудования для подготовки семян рапса к отжиму масла путем отделения семенной оболочки от масличного ядра.....................74

4.2 Разработка конструкции оборудования и исследование процесса обрушивания семян рапса............................................................................................................85

4.3 Определение аэродинамических свойств компонентов рушанки семян рапса в восходящем воздушном потоке...............................................................99

4.4 Разработка конструкции пневмосепаратора для разделения рушанки семян рапса восходящим воздушным потоком...................................................103

4.5 Исследование параметров процесса разделения рушанки семян рапса в

пневмосепараторе разработанной конструкции............................................116

5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................................................119

5.1 Опытно-промышленная апробация пневмосепаратора разработанной конструкции......................................................................................119

5.2 Ожидаемая экономическая эффективность..........................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Обеспечение населения России качественным и безопасным продовольствием на основе переработки собственных сырьевых ресурсов является стратегической целью пищевой и перерабатывающей промышленности. Для достижения этой цели необходимо создание новых и совершенствование действующих технологических процессов и оборудования, позволяющих производить продукты, отвечающие современным требованиям.

Стратегией развития пищевой и перерабатывающей промышленности РФ на период до 2020 года перед масложировой промышленностью поставлена задача обеспечения российских потребителей качественными растительными маслами и удовлетворения потребности животноводства в высокобелковых жмыхах и шротах. В качестве сдерживающих факторов отмечена низкая оснащенность оборудованием, обеспечивающим улучшение потребительских свойств растительных масел, отсутствие технологии обогащения жмыхов и шротов белком, малая диверсификация сырьевой базы, в том числе необходимость увеличения объемов возделывания и переработки рапса.

Рапс является одной из перспективных масличных культур в общемировом производстве пищевых растительных масел. Биологические особенности рапса позволяют успешно возделывать его в почвенно-климатических условиях России, в том числе в Сибирском регионе. К преимуществам рапса относятся низкие затраты на производство и широкий круг возможностей использования продуктов его переработки. Учитывая растущий спрос на рапсовое масло и жмых, ужесточение требований к их качеству, являются актуальными исследования, направленные на совершенствование процессов переработки семян рапса и разработку оборудования для их реализации.

В настоящее время подготовка семян рапса к отжиму масла на предприятиях ведется без отделения семенной оболочки от масличного ядра. Это

оказывает негативное влияние на качество масла и жмыха, приводит к безвозвратным потерям масла с оболочкой и высоким затратам на стадии рафинации. Предварительное обрушивание семян, разделение рушанки на фракции масличного ядра и оболочки с последующей их раздельной переработкой позволяют решать эти проблемы. Однако прочная связь оболочки и ядра, малые размеры семян, их физические и структурно-механические особенности создают определенные трудности, для разрешения которых требуются исследования специфики процессов обрушивания семян рапса и разделения рушанки, а также разработка оборудования для осуществления этих процессов.

Существенный вклад в развитие теории рассматриваемых процессов и оборудования внесли ученые Жислин Я.М., Гинзбург И.Е., Гринберг E.H., Веденьев В.Ф., Гортинский В.В., Злочевский В.Д., Мачихина Л.И., Константинова И.С., Деревенко В.В., Абрамович Г.Н., Веселов С.А., Панченко A.B., Соколов А.Я. и др. Однако расширяющийся ассортимент масличного сырья и все возрастающие требования к качеству продуктов его переработки требуют дополнительных исследований. В связи с этим важным и своевременным является изучение процессов и разработка технических решений, позволяющих осуществлять эффективную переработку семян рапса при одновременном повышении качества масла и жмыха.

Целью работы является научное обоснование и разработка комплекса оборудования для подготовки семян рапса к отжиму масла путём отделения семенной оболочки от масличного ядра на основе исследований процессов обрушивания семян и пневмосепарирования рушанки восходящим воздушным потоком для повышения эффективности производственных процессов и качества продуктов переработки.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи: - обосновать разработку комплекса оборудования для подготовки семян рапса к отжиму масла посредством отделения семенной оболочки от масличного

ядра на основе изучения качества и химического состава структурных частей семян и продуктов их переработки - масла и жмыха;

- обосновать рациональные конструктивные параметры оборудования для обрушивания семян рапса на основе исследования процесса повторного обрушивания семян рапса (обрушивания рушанки) методом удара. Реализовать разработанную конструктивную схему в лабораторной экспериментальной установке и установить рациональные параметры ее работы;

- изучить аэродинамические свойства компонентов рушанки семян рапса в восходящем вертикальном воздушном потоке;

- разработать конструктивную схему пневмосепаратора для разделения частиц рушанки семян рапса на фракции восходящим воздушным потоком и реализовать данную схему в экспериментальной установке, определить оптимальные параметры процесса воздушного сепарирования рушанки семян рапса;

-провести производственные испытания пневмосепаратора разработанной конструкции, оценить экономическую эффективность от использования разработанного комплекса оборудования в технологической схеме получения рапсового масла сравнением затрат на стадию рафинации масла, полученного из нефракционированной рушанки и фракции масличного ядра.

Научная новизна. Научно обоснована разработка комплекса оборудования для подготовки семян рапса к отжиму масла путём отделения семенной оболочки от масличного ядра посредством повторного обрушивания семян и пневмосепарирования рушанки, что позволяет повысить качество рапсового масла и жмыха.

Установлены конструктивные параметры центробежной установки для повторного обрушивания семян рапса посредством изучения закономерностей процесса обрушивания методом удара, обеспечивающие снижение содержания фракции недоруша.

Определены аэродинамические свойства компонентов рушанки семян рапса в восходящем воздушном потоке, послужившие основой для разработки

конструктивных особенностей воздушных каналов пневмосепаратора для разделения рушанки на фракции ядра и оболочки.

Разработана конструкция пневмосепаратора для разделения рушанки семян рапса восходящим воздушным потоком и установлены оптимальные параметры процесса воздушного сепарирования, обеспечивающие эффективное разделение компонентов рушанки на фракции ядра и оболочки. Новизна принятых технических решений подтверждена положительным решением о выдаче патента на изобретение.

Теоретическая и практическая значимость работы. Настоящее исследование будет способствовать развитию научно-практического обеспечения процессов подготовки семян рапса к отжиму масла в технологических схемах производства рапсового масла и созданию промышленного оборудования для их эффективной реализации, позволяющего повысить качество продуктов переработки и снизить затраты на рафинацию масла.

Предложена конструкция центробежной установки для повторного обрушивания семян рапса (обрушивания рушанки) методом удара о волнистую стальную отбойную пластину, установлены параметры её работы, позволяющие снизить содержание фракции недоруша.

На основе результатов экспериментального определения аэродинамических свойств частиц рушанки семян рапса разработана конструкция пневмосепаратора для разделения рушанки на фракции ядра и оболочки. Новизна технических решений подтверждена положительным решением о выдаче патента РФ на изобретение «Пневмосепаратор для зерновых материалов» №2012119131/03(028811) от 01.07.2013.

Проведена производственная апробация пневмосепаратора разработанной конструкции в экспериментальном цехе ООО ПКП «Провансаль» (г. Томск), которая показала высокую эффективность разделения рушанки семян рапса на фракции ядра и оболочки при установленных параметрах пневмосепарирования.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при выполнении учебных научно-исследовательских работ и выпускных

квалификационных работ инженеров и магистров на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО КемТИПП.

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных в период с 2007 по 2013 г. лично автором или при его непосредственном участии, в том числе в рамках хоздоговорной научно-исследовательской работы «Разработка способа повышения качества продуктов переработки рапса» №03-03/2010.

Методология и методы исследования. Методология работы основывается на комплексном использовании разных методологических подходов, теорий, способов и приемов, направленных на обоснование и разработку технических решений, позволяющих достигнуть поставленной цели. Для реализации поставленных задач использовались общепринятые и специальные методы измерения, эксперимента, моделирования, обработки и анализа результатов исследования.

Положения, выносимые на защиту:

- Результаты исследований качества и химического состава структурных частей семян и продуктов их переработки, служащие обоснованием разработки комплекса оборудования для подготовки семян рапса к отжиму в технологической схеме производства рапсового масла путём отделения семенной оболочки от масличного ядра.

-Комплекс оборудования для подготовки семян рапса к отжиму масла в линиях производства рапсового масла посредством реализации процессов повторного обрушивания семян и пневмосепарирования рушанки.

-Конструкция и основные режимные параметры работы центробежной установки для повторного обрушивания семян рапса методом удара о волнистую стальную отбойную пластину, позволяющие снизить содержание фракции недоруша.

-Результаты экспериментальных исследований аэродинамических свойств компонентов рушанки семян рапса в восходящем воздушном потоке, положенные в основу разработки конструктивных особенностей воздушных каналов пневмосепаратора для разделения рушанки.

-Конструкция и основные режимные параметры работы пневмосепаратора для разделения рушанки семян рапса восходящим воздушным потоком, обеспечивающие эффективное разделение компонентов рушанки на фракции ядра и оболочки.

Степень достоверности результатов исследований обеспечивается использованием обоснованных теоретических положений и закономерностей протекания основных механических процессов пищевых производств -измельчения и классификации материалов по степени крупности, а также современных средств и методов исследований. Основные теоретические положения диссертационной работы подтверждены результатами экспериментальных исследований, выполненных с применением стандартизованных и аттестованных методик выполнения измерений и средств измерений с нормированными метрологическими характеристиками. При анализе результатов экспериментов использовались положения теории измерений, методы планирования эксперимента и математической обработки результатов исследований. Основные результаты диссертационной работы отражены в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, обсуждены на конференциях различных уровней, апробированы в производственных условиях, получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены и обсуждены: на II Международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания» (Саратов, 2008); на V Международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2008); на III Международной научно-практической конференции «Пища, экология и качество» (Кемерово, 2009); на IV Всероссийской конференции «Пищевые продукты и здоровье человека (Кемерово, 2011); на V Всероссийской конференции «Пищевые продукты и здоровье человека (Кемерово, 2012); на инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации» (Кемерово, 2012).

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Характеристика семян рапса и продуктов их переработки

К основным задачам государственной политики в области питания относится необходимость создания материальной базы, обеспечивающей производство в необходимых объемах продовольственного сырья и пищевых продуктов, доступность пищевых продуктов для всех слоев населения, высокое их качество и безопасность. Реализация этих задач требует увеличения объемов производства растительного сырья, обладающего высокой пищевой ценностью и произрастающего в непосредственной близости от мест переработки, что позволит сократить затраты на транспортировку и хранение, снизить себестоимость, расширить ассортимент и увеличить пищевую ценность продуктов питания.

Растительное масло относится к числу социально значимых пищевых продуктов, спрос на которые имеет устойчивый характер. Этот фактор во многом предопределяет развитие сырьевой базы этой отрасли и необходимость модернизации технологической базы предприятий. [119]

Основной масличной культурой в России является подсолнечник. Однако, для обеспечения потребностей страны в продуктах переработки масличных культур даже предельное насыщение севооборотной площади подсолнечником и соей в благоприятных климатических зонах не позволяет создать необходимую сырьевую базу для производства достаточного количества растительного масла и кормового белка. На современном этапе развития российского рынка масличных культур значительный интерес представляет рапс, поскольку продукты его переработки (масло, жмыхи и шроты) способствуют решению проблемы обеспечения населения продуктами питания, а животноводства - кормовым белком. [51; 63; 96; 118]

Почвенно-климатические условия России позволяют возделывать рапс практически во всех регионах. В последние годы в Сибирском регионе постоянно

увеличиваются площади посевов рапса. Рапс является многоцелевой культурой: семена рапса служат сырьем для производства высококачественного пищевого масла, вторичные продукты переработки - жмыхи и шроты используются в качестве высокобелковых добавок в корма, зеленая масс�